[发明专利]控制混合系统操作的方法

说明书

技术领域

本发明涉及控制混合直流源操作的方法，所述电源包括燃料电池堆、电池以及包括输入和输出的DC/DC转换器，转换器输入连接到燃料电池堆的输出，并且输出连接到与电池并联的可变负载，燃料电池堆由多个适合于从燃料和氧化气体发电的电化学电池形成。

背景技术

串联连接的电化学单元组件(通常称为堆)是公知的。如此组装的电化学单元例如可由蓄电池元件或燃料电池形成。燃料电池是用于将化学能直接转换为电能的电化学装置。例如，一类燃料电池包括阳极和阴极，其间布置质子交换膜，该膜通常称为高分子电解质膜。这种膜仅允许质子在燃料电池的阳极与阴极之间通过。在阳极处，双原子氢发生反应以产生可穿过高分子电解质膜的H⁺离子。由该反应产生的电子通过燃料电池外部的电路到达阴极，从而产生电流。由于单个燃料电池一般仅产生低压(大约1伏)，因此燃料电池经常被串联连接以形成能够产生更高电压的燃料电池堆，该高电压是每个电池电压的总和。

当在汽车工业中使用时，这些燃料电池堆与电池关联以形成混合系统100。该系统将燃料电池堆102与电池进行并联，以便燃料电池堆或电池106经由被称为总线的公共部分同时或单独地为汽车108供电。这种混合还允许燃料电池堆对将向汽车提供电能的电池进行再充电。如图1所示，当混合系统使用连接到燃料电池堆的输出102的DC/DC转换器104时，混合系统被称为“主动的(active)”。该DC/DC转换器104用于调整燃料电池堆102和电池106的电压电平以及调节燃料电池堆102所提供的功率。

调节功率要求实现控制策略，从而根据汽车电动引擎和系统约束的功率需求在燃料电池堆102与电池106之间分配功率。控制策略必须考虑的系统约束为燃料电池堆和电池的最大电压和电流、一定不能超过的温度范围、电池电量状态，即，例如当电池已经100％充电时，不能再对其充电。

该混合系统的控制策略之一在于在额定值周围调节电池电量状态，而不能达到所述电池的最大或最小电量。这样，电池永远不需要从外部充电，因为它通过燃料电池堆进行再充电，并且当车辆处于制动阶段时，可以通过恢复车辆的动能进行再充电。这意为燃料电池堆提供由车辆电动引擎所消耗的平均功率，而电池用作充入或释放能量的能量缓冲装置。该策略通过使用DC/DC转换器在恒定值处调整总线电压来实现。

该已知策略的一个缺点是不实施任何措施来防止燃料电池堆在开路电压(“OCV”)处操作。“开路电压”是指其中每电池的电压高于0.85-0.9V/电池的操作区。该电压已知会严重缩短燃料电池堆的寿命。因此，不期望燃料电池堆在此模式下操作。在恒定压力下，当负载电流较小时，燃料电池堆在开路电压模式下操作。

当在恒定压力处在燃料电池堆上施加最小电流时，可能出现开路电压操作模式。实际上，此解决方案避免了当电压高于0.85-0.9V/电池时出现的所谓开路模式。当电流减小时，电压在恒定压力处增加。电流值确定功率值，并且并不总是消耗所提供的功率，尤其是当电池的电量状态接近100％，无法再对电池充电时。

另一种可导致燃料电池堆在开路模式下操作的情况是当压力减小时。在低功率处减小压力会降低电池电压，从而避免开路模式。但是，必须考虑到压力变化动态比电流变化动态缓慢得多，并且只有在电流被消耗时，才会发生压力减小。电流值直接影响压力减小速度。因此，如果燃料电池堆的功率瞬间从数千瓦变为零瓦，则不可能避免开路模式，因为不会再有任何电流以减小压力。同样，如果燃料电池堆的功率必须快速从低压力处的数瓦功率变为高压力处的数千瓦功率，则压力必须在电流增加之前增加。此方法必定导致燃料电池堆短时间内进入开路模式，从而损坏所述燃料电池堆。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于包括燃料电池堆和电池的混合系统的操作的方法，此方法优化混合系统的性能并增加燃料电池堆的寿命。

因此，本发明涉及一种控制混合连续电流电源操作的方法，所述电源包括燃料电池堆、电池以及包括输入和输出的DC/DC转换器，该转换器的输入连接到燃料电池堆的输出，并且输出连接到与电池并联的可变负载，燃料电池堆由多个适合于从燃料和氧化气体发电的电化学电池形成，所述方法的特征在于包括以下步骤：

a)将燃料流和氧化气体流提供给电化学电池中的每一个；

b)定义代表功率需求的设定点；

c)监测燃料电池堆中的燃料压力和氧化气体压力；

d)监测燃料电池堆的输出电压，燃料电池堆的输出电流和电池电压；