專利名稱：進(jìn)入和退出燃料電池系統(tǒng)的再生/備用模式的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及進(jìn)入和退出燃料電池系統(tǒng)的備用模式的方法，更具體地涉及進(jìn)入和退出燃料電池系統(tǒng)的再生/備用模式的方法，其中燃料電池通過阻流功率二級管與再生源分開。
背景技術(shù)：
氫是一種極具吸引力的燃料，因為它清潔并且可以用來有效地在燃料電池中產(chǎn)生電。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽極和陰極，在二者之間是電解質(zhì)。陽極接收氫氣，而陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極側(cè)催化劑中分解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子在陰極側(cè)催化劑中與氧氣和電子反應(yīng)產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，因此在被送往陰極之前被導(dǎo)引通過負(fù)載而做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是用于車輛的一種流行燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池一般包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極電極(催化劑層)通常包括精細(xì)分割的催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)，其被支撐在碳顆粒上并與離聚物混合。催化劑混合物被沉淀在膜的相對側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物以及膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。每個膜電極組件通常夾在兩片多孔材料一即氣體擴(kuò)散層 (GDL)之間，所述氣體擴(kuò)散層保護(hù)膜的機(jī)械一體性，并有助于反應(yīng)物的一致性和濕度分布。 將陽極與陰極流分開的膜電極組件部分被稱為主動區(qū)域，只有在這個區(qū)域水蒸汽才能在陽極和陰極之間自由交換。膜電極組件生產(chǎn)起來相對昂貴并且需要一定的有效運(yùn)行條件。通常，幾個燃料電池組合在一個燃料電池堆中以產(chǎn)生所需的功率。比如，用于車輛的典型燃料電池堆可以有兩百或更多個堆疊的燃料電池。所述燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，通常是由壓縮機(jī)強(qiáng)行吹過所述電池堆的空氣流。并非所有氧都被所述電池堆消耗掉，一些空氣作為陰極廢氣輸出，這些廢氣可能包括作為反應(yīng)副產(chǎn)品的水。所述燃料電池堆還接收陽極氫反應(yīng)氣體，其流入所述電池堆的陽極側(cè)。所述電池堆還包括冷卻流體通過其流動的流道。燃料電池堆包括一系列位于所述電池堆中的幾個膜電極組件之間的雙極板，其中所述雙極板和所述膜電極組件位于兩個端板之間。所述雙極板包括用于所述電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)流體分配器(流場)。在所述雙極板的陽極側(cè)設(shè)置有陽極氣流道，其允許陽極反應(yīng)氣體流動到相應(yīng)的膜電極組件。在所述雙極板的陰極側(cè)設(shè)置有陰極氣體流道，其允許陰極反應(yīng)氣體流動到相應(yīng)的膜電極組件。一個端板包括陽極氣流道，而另一個端板包括陰極氣流道。所述雙極板和所述端板由導(dǎo)電材料制成，例如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物。所述端板將由所述燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)出所述電池堆。所述雙極板還包括冷卻流體通過其流動的流道。大部分燃料電池車輛都是混合動力車輛，其在所述燃料電池堆之外還使用備用動力源，例如高壓直流電池或超級電容器。所述動力源在系統(tǒng)啟動以及在需要高功率而所述燃料電池堆又不能提供所需電力時為各種車輛輔助負(fù)載提供備用電力。所述燃料電池堆通過直流高壓電氣總線向電牽弓丨系統(tǒng)提供電力以用于車輛運(yùn)行。所述電池或超級電容器在需要的額外電力超過所述燃料電池堆所能提供的電力時向所述電氣總線提供備用電力，例如在急加速時。比如，所述燃料電池堆可以提供70千瓦的功率。然而，車輛加速可能需要100 千瓦的功率。在所述燃料電池堆能夠滿足所述系統(tǒng)的電力需求時，所述燃料電池堆用來對所述電池或超級電容器進(jìn)行充電。在再生制動期間可從電牽引系統(tǒng)獲得的發(fā)電機(jī)功率也可以用來對所述電池或超級電容器進(jìn)行充電，但是，所述燃料電池系統(tǒng)必須繼續(xù)運(yùn)行以維持輔助負(fù)載，例如統(tǒng)稱為寄生負(fù)載的壓縮機(jī)、冷卻劑泵和功率轉(zhuǎn)換器模塊(PCM)。本領(lǐng)域需要一種方法，該方法使所述燃料電池系統(tǒng)在再生制動時進(jìn)入備用模式， 以使所述系統(tǒng)在所述電池或超級電容器被充分充電時能夠利用可獲得的再生制動電力來維持寄生負(fù)載，從而通過減少氫使用量來增加車輛的里程。通常，這種對再生制動電力的利用由于所述燃料電池系統(tǒng)與所述電牽引系統(tǒng)之間的阻流二極管的存在而被阻止。所以，當(dāng)所述電牽引系統(tǒng)產(chǎn)生多于所述能量存儲裝置和電力分配模塊(PDM)所能消耗的能量時，使用機(jī)械制動，這會增加制動器磨損而且浪廢氫。因此，需要一種利用所述阻流二級管上游的再生制動電力的方法，以使燃料電池系統(tǒng)能夠進(jìn)入備用模式并減少氫消耗量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開一種在備用模式下操作燃料電池堆的方法，其中來自再生制動的電能被用于運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)載，而不是使用燃料電池堆的電力，以便節(jié)省氫。燃料電池堆和超級電容器電連接到高壓電氣總線。在所述電氣總線中設(shè)置阻流二極管以將所述燃料電池堆與所述超級電容器隔離開。所述阻流二極管周圍設(shè)置有旁路線路，其包括旁路接觸器。設(shè)置電池堆接觸器以將所述燃料電池堆與所述電氣總線斷開。如果鄰近阻流二級管的、 與所述超級電容器最近的節(jié)點(diǎn)處的電壓高于鄰近阻流二級管的、與所述燃料電池堆最近的節(jié)點(diǎn)處的電壓，則發(fā)出備用模式請求。然后采取步驟來進(jìn)行所述高壓電氣總線的電氣準(zhǔn)備。 而后，所述電池堆接觸器打開，并且所述旁路接觸器關(guān)閉以允許所述再生制動能量來為所述系統(tǒng)負(fù)載提供電力。方案1. 一種在備用模式下運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 提供高壓電氣總線；
提供與所述高壓電氣總線電連接的燃料電池堆； 提供與所述高壓電氣總線電連接的高壓直流電能存儲裝置； 提供與所述高壓電氣總線電連接的電牽引系統(tǒng)；
在所述高壓電氣總線中提供阻流二極管，所述阻流二極管防止來自所述高壓電能存儲裝置和所述電牽引系統(tǒng)的電壓被施加到所述燃料電池堆；
圍繞所述阻流二極管提供旁路線路，所述旁路線路包括旁路接觸器； 在所述燃料電池堆和所述高壓電氣總線之間提供燃料電池堆接觸器； 確定所述電氣總線中的、連接到所述阻流二極管并與所述燃料電池堆相對的第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述電氣總線中的、連接到所述阻流二極管且更靠近所述燃料電池堆的第二節(jié)點(diǎn)處的電壓；以及
當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，通過打開所述燃料電池堆接觸器并關(guān)閉所述旁路接觸器，使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式，從而使來自所述電牽引系統(tǒng)的電能繞過所述阻流二極管。方案2.根據(jù)方案1的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，將功率轉(zhuǎn)換器模塊電連接至所述高壓電氣總線，并且將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成與所述燃料電池堆的電壓相等。方案3.根據(jù)方案2的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括在打開所述燃料電池堆接觸器之前、所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓已被設(shè)置成所述燃料電池堆的電壓之后，等待一預(yù)定時間段。方案4.根據(jù)方案3的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括在所述燃料電池堆接觸器打開之后，將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成等于所述電能存儲裝置的電壓減去預(yù)定電壓。方案5.根據(jù)方案4的方法，其中在所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓被設(shè)置為所述電能存儲裝置的電壓減去所述預(yù)定電壓之后一預(yù)定時間段，所述旁路接觸器被關(guān)閉。方案6.根據(jù)方案2的方法，還包括將12伏特的電池電連接至所述功率轉(zhuǎn)換器模塊以提供高電壓來為所述高壓電氣總線充電。方案7.根據(jù)方案1的方法，其中所述電牽引系統(tǒng)通過再生制動產(chǎn)生電能。方案8.根據(jù)方案1的方法，其中提供高壓直流電能存儲裝置包括提供超級電容器。方案9.根據(jù)方案1的方法，其中來自所述電牽引系統(tǒng)的電能使系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)和輔助負(fù)載運(yùn)行。方案10.根據(jù)方案1的方法，還包括如果所述電能存儲裝置的電壓下降至低于預(yù)定電壓，則使所述系統(tǒng)退出所述備用模式。方案11. 一種運(yùn)行車輛上的燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 確定車輛上的電牽引系統(tǒng)正在通過再生制動產(chǎn)生電能；
將燃料電池堆與高壓總線斷開；以及
為將所述燃料電池堆與高功率源電隔離的阻流二極管建立旁路，以允許所述再生制動電能流動到與所述高壓總線電連接的系統(tǒng)負(fù)載。方案12.根據(jù)方案11的方法，其中確定車輛上的電牽引系統(tǒng)正在通過再生制動產(chǎn)生電能包括確定高壓總線中的阻流二極管一側(cè)的電壓高于所述阻流二極管另一側(cè)的電壓。方案13. —種使混合動力燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆進(jìn)入和退出備用模式的方法，所述方法包括
提供高壓電氣總線；
提供與所述高壓電氣總線電連接的燃料電池堆； 提供與所述高壓電氣總線電連接的高壓直流電能存儲裝置； 提供與所述高壓電氣總線電連接的電牽引系統(tǒng)；
在所述高壓電氣總線中提供阻流二極管，所述阻流二極管阻止來自所述高壓電能存儲裝置和所述電牽引系統(tǒng)的電壓進(jìn)入所述燃料電池堆，其中所述阻流二極管下游的總線上的電壓在電氣總線中的、靠近所述電牽引系統(tǒng)和所述高壓直流電能存儲裝置的第一節(jié)點(diǎn)處測量，并且其中所述阻流二極管上游的電壓在電氣總線中的靠近所述燃料電池堆的第二節(jié)點(diǎn)處測量；
在所述阻流二極管周圍提供帶有旁路接觸器的旁路線路； 在所述燃料電池堆和所述高壓電氣總線之間提供燃料電池堆接觸器； 確定所述電氣總線中的第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓； 當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)處的所述阻流二極管下游的電壓高于所述阻流二極管上游的第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，打開所述燃料電池堆接觸器并使所述燃料電池堆進(jìn)入備用模式；
當(dāng)所述阻流二極管下游存在較高電壓時，關(guān)閉所述旁路線路中的所述旁路接觸器，以便來自所述電牽引系統(tǒng)或高壓直流電能存儲裝置的電能繞過所述阻流二極管，使得來自所述電牽引系統(tǒng)或高壓直流電能存儲裝置的高壓能夠運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)載； 確定何時使所述燃料電池堆從所述備用模式退出； 使所述燃料電池堆從所述備用模式退出并且打開所述旁路接觸器；以及關(guān)閉所述燃料電池堆接觸器以將所述燃料電池堆連接至所述高壓電氣總線。方案14.根據(jù)方案13的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，將功率轉(zhuǎn)換器模塊電連接至所述高壓電氣總線，并且將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成與所述燃料電池堆的電壓相等。方案15.根據(jù)方案13的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括在所述燃料電池堆接觸器打開之后，將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成等于所述電能存儲裝置的電壓減去預(yù)定電壓。方案16.根據(jù)方案15的方法，其中在所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓被設(shè)置為所述電能存儲裝置的電壓減去所述預(yù)定電壓之后一預(yù)定時間段，所述旁路接觸器被關(guān)閉。方案17.根據(jù)方案13的方法，其中使所述燃料電池堆從所述備用模式退出包括 將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成所述燃料電池堆的電壓減去預(yù)定電壓并且打開所述旁路接觸器。方案18.根據(jù)方案17的方法，其中一旦獲得了所述燃料電池堆的期望輸出電壓， 則所述燃料電池堆接觸器被關(guān)閉。方案19.根據(jù)方案14的方法，還包括將12伏特的電池電連接至所述功率轉(zhuǎn)換器模塊以提供高電壓來為所述高壓電氣總線充電。方案20.根據(jù)方案13的方法，其中使所述燃料電池堆從所述備用模式退出包括 如果所述電能存儲裝置的電壓下降至低于預(yù)定電壓，則使所述燃料電池堆從所述備用模式退出。本發(fā)明的附加特征將通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行的說明及所附權(quán)利要求而變得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的使用燃料電池堆、電牽引系統(tǒng)以及超級電容器的混合動力燃料電池系統(tǒng)的示意性框圖2是流程圖，示出了使燃料電池堆進(jìn)入備用模式的啟動過程；和圖3是流程圖，示出了使燃料電池堆退出備用模式的退出步驟。
具體實(shí)施方式
下面針對進(jìn)入和退出燃料電池系統(tǒng)的再生/備用模式的方法的本發(fā)明實(shí)施例的討論本質(zhì)上僅是示例性的，絕非旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或運(yùn)用。圖1是車輛系統(tǒng)10的示意性框圖，其包括電連接到高壓電氣總線16上的燃料電池堆12、電牽引系統(tǒng)22、以及超級電容器14。雖然在這個非限制性的實(shí)施例中采用了超級電容器作為輔助電源，可以采用其它高壓直流存儲裝置代替所述超級電容器14，例如高壓電池。燃料電池堆接觸器18選擇性地將所述燃料電池堆12與所述高壓電氣總線16連接或斷開。各種電氣部件都電連接至所述高壓電氣總線16，例如功率分配模塊(PDM) 20。此外，用于向所述燃料電池堆12的陰極側(cè)提供空氣的空氣壓縮機(jī)24以及輔助負(fù)載26電連接至所述電氣總線16。所述燃料電池堆12和所述超級電容器14可以具有不同的輸出電壓，其中所述超級電容器14的電壓比較高并且可能損壞所述燃料電池堆12。比如，所述超級電容器14上的較高電壓可能是通過所述電牽引系統(tǒng)22捕獲到的再生制動能量的結(jié)果。通常，高壓阻流二極管28設(shè)置在高壓電氣總線16中以保護(hù)所述燃料電池堆12免受所述高壓直流電源14 的電壓的損壞。此外，在所述阻流二極管28的上游設(shè)置有系統(tǒng)電壓(SYSVLT)節(jié)點(diǎn)38，而在所述阻流二極管28的下游設(shè)置有電牽引系統(tǒng)電壓(ETSVLT)節(jié)點(diǎn)40以監(jiān)控所述阻流二極管28上游和下游的電壓差。然而，在系統(tǒng)啟動時，當(dāng)所述燃料電池堆12不運(yùn)行時，來自超級電容器14的能量對于操作例如空氣壓縮機(jī)24的各種系統(tǒng)負(fù)載是必要的。同樣，在例如再生制動期間的特定時間，利用這一能量是有利的，如下面將要詳細(xì)討論的一樣。燃料電池系統(tǒng)(FCS)控制器70控制所述系統(tǒng)10的燃料電池部件，而主控制器 42控制如虛線框所示的系統(tǒng)10的車輛部件，其中所述控制器70和42通過控制器局域網(wǎng) (CAN)總線相互通信。為允許來自所述超級電容器14的直流電壓或來自所述電牽引系統(tǒng)22的再生制動為所述空氣壓縮機(jī)24和所述輔助負(fù)載26提供電力，有必要為所述阻流二極管28設(shè)置旁路。因此，在所述阻流二極管28周圍設(shè)置旁路線路30，并且在所述旁路線路30中設(shè)置旁路接觸器32從而有選擇地允許所述阻流二極管28被旁通。在系統(tǒng)啟動時，所述PDM20打開所述燃料電池堆接觸器18并關(guān)閉所述旁路接觸器32，以便來自所述超級電容器14的電能能夠繞過所述阻流二極管28并為所述空氣壓縮機(jī)24及所述輔助負(fù)載26供電，而不損壞所述燃料電池堆12。此外，在所述阻流二極管28下游的電壓高于上游電壓時，例如在再生制動期間，所述FCS控制器70可以打開所述燃料電池堆接觸器18并且關(guān)閉所述旁路接觸器 32，以在主控制器42要求時允許電流繞過所述阻流二極管28，這將在下面進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。所述車輛系統(tǒng)10還包括低壓電池34，例如12伏特汽車電池。所述電池34能夠向不需要高壓的各種系統(tǒng)和車輛部件提供電力。然而在特定時間里，理想的是將來自所述電池34的12伏特直流電勢轉(zhuǎn)換成高壓低功率電勢，以為特定的系統(tǒng)部件提供電力。為提供這種轉(zhuǎn)換，設(shè)置12伏特至高壓轉(zhuǎn)換器，或功率轉(zhuǎn)換器模塊(PCM) 36。當(dāng)所述超級電容器14 可能失效或沒有足夠電力驅(qū)動所述空氣壓縮機(jī)24時，來自所述PCM36的高壓能夠被用于驅(qū)動所述空氣壓縮機(jī)24以啟動所述燃料電池堆12，并且該操作通過使所述PCM36進(jìn)入“升壓模式”來實(shí)現(xiàn)。同樣，在所述阻流二極管28下游的電壓高于上游電壓時，所述旁路線路30 可以允許高壓由所述PCM36轉(zhuǎn)換成12伏特直流電勢，以為所述電池34充電。這叫做“降壓模式”，其同樣將在后面更加詳細(xì)地討論。在特定的制動期間，例如在下坡駕駛的延長制動期間，所述電牽引系統(tǒng)22能夠通過再生制動產(chǎn)生電力。所產(chǎn)生的電力能夠用來為所述超級電容器14充電，并且使所述空氣壓縮機(jī)24和所述輔助負(fù)載26運(yùn)行，以及為所述電池34充電。在再生制動期間，一旦所述空氣壓縮機(jī)24和所述輔助負(fù)載26由來自所述電牽引系統(tǒng)22的電力供電，所述燃料電池堆 12就進(jìn)入備用模式。這允許經(jīng)由旁路線路將來自所述阻流二級管上游的再生制動事件的電力進(jìn)行導(dǎo)引以節(jié)省氫，從而在所述燃料電池堆12處于備用模式時利用所述電力來運(yùn)行所述空氣壓縮機(jī)24及所述輔助負(fù)載26。這同樣會減少由于機(jī)械制動所致的磨損。圖2是流程圖，示出了使所述燃料電池堆12進(jìn)入備用模式的啟動過程。在啟動框 46處，所述燃料電池堆12正在根據(jù)需要為所述超級電容器14充電。一旦所述FCS控制器 70識別到存在所述燃料電池堆12的備用請求，它會在框48處將所述PCM36設(shè)置為“升壓模式”并將其電壓設(shè)置成與所述燃料電池堆的電壓相等。備用請求可能有多種觸發(fā)事件，其中一個這樣的觸發(fā)事件可以是當(dāng)所述PDM20識別到所述阻流二極管28下游的ETSVLT節(jié)點(diǎn) 40處的電壓高于所述阻流二極管28上游的SYSTVLT節(jié)點(diǎn)38處的電壓時，例如再生制動期間。一旦在框48處識別到備用請求時將所述PCM36設(shè)置到“升壓模式”并將其電壓設(shè)置成與所述燃料電池堆電壓相等，此操作的原因是為所述總線16充電。這必須在所述電池堆接觸器18被打開之前完成以確保所述空氣壓縮機(jī)24及所述輔助負(fù)載26不會失去電力。 在框48處將所述PCM36設(shè)置到升壓模式之后，在框50處開始等待期間。這一等待期間將確保所述PCM36被設(shè)置以及所述總線16被正確充電。所述等待期間結(jié)束后，在框52處所述燃料電池堆接觸器18被打開。作為系統(tǒng)檢查，所述FCS控制器70進(jìn)行檢查以確保所述燃料電池堆接觸器18在框54處被打開。如果所述燃料電池堆接觸器18打開，在框56處所述主控制器42將所述PCM電壓設(shè)置成等于所述超級電容器14電壓減去預(yù)定電壓，例如 10伏特。這確保所述阻流二極管28上游的電壓近似但不高于所述阻流二極管28下游的電壓。如果所述電壓高，則會存在正向流，因此所述PCM36被設(shè)置成略低以確保反向偏置電壓。此外，如果電壓差太高，所述接觸器會被損壞。因此，在該非限制的實(shí)施例中選擇10伏特壓差的電壓變化范圍。也可以采用其它合理的電壓變化范圍。一旦所述PCM36在框56處被設(shè)置為所述超級電容器電壓減去10伏特，在框58處開始一等待期間。這一等待期間確保在關(guān)閉所述旁路接觸器32之前獲得所述阻流二極管 28上游的正確電壓。在所述等待期間結(jié)束之后，通常是0. 15秒后，所述旁路接觸器32在框60處關(guān)閉。一旦所述旁路接觸器32關(guān)閉，從所述再生制動捕獲的能量能夠通過所述旁路線路30移動并用來為所述空氣壓縮機(jī)24以及所述輔助負(fù)載26提供電力。系統(tǒng)在框62處進(jìn)行檢查以確保所述旁路接觸器32已被關(guān)閉。這一步驟是選擇性系統(tǒng)檢查，其可能不需要。一旦所述FCS控制器70在框62處確定所述旁路控制器32已被關(guān)閉，在框64處所述FCS控制器70將所述PCM36設(shè)置到“降壓模式”，從而允許來自所述電牽引系統(tǒng)22的再生制動或所述超級電容器14的能量為所述低壓電池34充電。在框66 處，使所述燃料電池堆12進(jìn)入備用模式的程序結(jié)束，并且所述主控制器42計算所述燃料電池一包括所述空氣壓縮機(jī)24和所述輔助負(fù)載26，消耗了多少再生電流，其結(jié)果隨后被傳遞到所述FCS控制器70。這允許所述系統(tǒng)使所述燃料電池堆12停止產(chǎn)生電流，并由此停止消耗氫。來自所述再生制動的能量因此被用來為通常由所述燃料電池堆12供電的設(shè)備一如所述空氣壓縮機(jī)24和所述輔助負(fù)載26，提供電力。這樣不僅節(jié)省氫，還允許所述車輛繼續(xù)使用再生制動一即機(jī)械制動，并且減少與之相關(guān)的磨損。一旦所述再生制動或任何其它被確定為觸發(fā)器的事件結(jié)束，所述備用期間便結(jié)束并且退出所述備用模式的步驟開始。圖3是流程圖，示出了退出所述備用模式的退出過程。 使所述燃料電池堆12從所述備用模式退出的步驟在框74處開始。一個觸發(fā)從備用模式退出程序的事件的例子是當(dāng)所述超級電容器14的充電水平下降到低于某一特定水平時，然而還存在很多不同的觸發(fā)事件。在框76處，所述PCM電壓被設(shè)置為等于所述超級電容器的電壓減去10伏特，如在框56處所做的一樣。這使得所述PCM36再一次在所述“升壓模式” 下運(yùn)行，從而僅允許能量從所述電池34流出(而不是為所述電池34充電)去為所述總線16 充電。接下來，所述旁路接觸器32在框78處被打開。這就終止了電流在所述旁路線路 30上向上游的流動，從而只允許電流向所述阻流二極管28的下游流動。在框80處進(jìn)行檢查以確保所述旁路接觸器32已經(jīng)打開。一旦所述系統(tǒng)確定所述旁路接觸器32已經(jīng)打開， 在框82處所述PCM36被設(shè)置成所述電池堆電壓減去10伏特和240伏特中的最大值。這允許所述PCM36具有足夠的電力以運(yùn)行所述空氣壓縮機(jī)24以及所述輔助負(fù)載26，同時所述燃料電池堆12退出所述備用模式并且電壓輸出升高，然而阻止了通過所述總線16的可能會損壞燃料電池堆接觸器18的電壓差。接下來，在框84處有一個等待期間，其允許所述燃料電池堆12有時間產(chǎn)生足夠電壓以運(yùn)行所述系統(tǒng)。在框84處的等待期間之后，所述電池堆接觸器18在框86處關(guān)閉。所述系統(tǒng)然后將在框88處進(jìn)行檢查以確保所述電池堆接觸器18關(guān)閉。一旦所述系統(tǒng)在框88 處核實(shí)所述電池堆接觸器18已經(jīng)關(guān)閉，所述PCM36便再一次進(jìn)入所述“降壓模式“，從而在框90處允許所述燃料電池堆12為所述低壓電池34充電。最后，在框92處考慮結(jié)束所述備用模式，其中所述系統(tǒng)10再一次以正常方式運(yùn)行。上述討論僅僅公開和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這種討論以及附圖和權(quán)利要求中容易認(rèn)識到，在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化、修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種在備用模式下運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 提供高壓電氣總線；提供與所述高壓電氣總線電連接的燃料電池堆； 提供與所述高壓電氣總線電連接的高壓直流電能存儲裝置； 提供與所述高壓電氣總線電連接的電牽引系統(tǒng)；在所述高壓電氣總線中提供阻流二極管，所述阻流二極管防止來自所述高壓電能存儲裝置和所述電牽引系統(tǒng)的電壓被施加到所述燃料電池堆；圍繞所述阻流二極管提供旁路線路，所述旁路線路包括旁路接觸器； 在所述燃料電池堆和所述高壓電氣總線之間提供燃料電池堆接觸器； 確定所述電氣總線中的、連接到所述阻流二極管并與所述燃料電池堆相對的第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述電氣總線中的、連接到所述阻流二極管且更靠近所述燃料電池堆的第二節(jié)點(diǎn)處的電壓；以及當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，通過打開所述燃料電池堆接觸器并關(guān)閉所述旁路接觸器，使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式，從而使來自所述電牽引系統(tǒng)的電能繞過所述阻流二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括當(dāng)所述第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，將功率轉(zhuǎn)換器模塊電連接至所述高壓電氣總線， 并且將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成與所述燃料電池堆的電壓相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括在打開所述燃料電池堆接觸器之前、所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓已被設(shè)置成所述燃料電池堆的電壓之后， 等待一預(yù)定時間段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中使所述系統(tǒng)進(jìn)入所述備用模式包括在所述燃料電池堆接觸器打開之后，將所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓設(shè)置成等于所述電能存儲裝置的電壓減去預(yù)定電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在所述功率轉(zhuǎn)換器模塊的電壓被設(shè)置為所述電能存儲裝置的電壓減去所述預(yù)定電壓之后一預(yù)定時間段，所述旁路接觸器被關(guān)閉。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括將12伏特的電池電連接至所述功率轉(zhuǎn)換器模塊以提供高電壓來為所述高壓電氣總線充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述電牽引系統(tǒng)通過再生制動產(chǎn)生電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中提供高壓直流電能存儲裝置包括提供超級電容器。
9.一種運(yùn)行車輛上的燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括 確定車輛上的電牽引系統(tǒng)正在通過再生制動產(chǎn)生電能；將燃料電池堆與高壓總線斷開；以及為將所述燃料電池堆與高功率源電隔離的阻流二極管建立旁路，以允許所述再生制動電能流動到與所述高壓總線電連接的系統(tǒng)負(fù)載。
10.一種使混合動力燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆進(jìn)入和退出備用模式的方法，所述方法包括提供高壓電氣總線；提供與所述高壓電氣總線電連接的燃料電池堆；提供與所述高壓電氣總線電連接的高壓直流電能存儲裝置； 提供與所述高壓電氣總線電連接的電牽引系統(tǒng)；在所述高壓電氣總線中提供阻流二極管，所述阻流二極管阻止來自所述高壓電能存儲裝置和所述電牽引系統(tǒng)的電壓進(jìn)入所述燃料電池堆，其中所述阻流二極管下游的總線上的電壓在電氣總線中的、靠近所述電牽引系統(tǒng)和所述高壓直流電能存儲裝置的第一節(jié)點(diǎn)處測量，并且其中所述阻流二極管上游的電壓在電氣總線中的靠近所述燃料電池堆的第二節(jié)點(diǎn)處測量；在所述阻流二極管周圍提供帶有旁路接觸器的旁路線路； 在所述燃料電池堆和所述高壓電氣總線之間提供燃料電池堆接觸器； 確定所述電氣總線中的第一節(jié)點(diǎn)處的電壓高于所述第二節(jié)點(diǎn)處的電壓； 當(dāng)?shù)谝还?jié)點(diǎn)處的所述阻流二極管下游的電壓高于所述阻流二極管上游的第二節(jié)點(diǎn)處的電壓時，打開所述燃料電池堆接觸器并使所述燃料電池堆進(jìn)入備用模式；當(dāng)所述阻流二極管下游存在較高電壓時，關(guān)閉所述旁路線路中的所述旁路接觸器，以便來自所述電牽引系統(tǒng)或高壓直流電能存儲裝置的電能繞過所述阻流二極管，使得來自所述電牽引系統(tǒng)或高壓直流電能存儲裝置的高壓能夠運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)載； 確定何時使所述燃料電池堆從所述備用模式退出； 使所述燃料電池堆從所述備用模式退出并且打開所述旁路接觸器；以及關(guān)閉所述燃料電池堆接觸器以將所述燃料電池堆連接至所述高壓電氣總線。
全文摘要
本發(fā)明涉及進(jìn)入和退出燃料電池系統(tǒng)的再生/備用模式的方法，具體提供一種運(yùn)行燃料電池堆的方法，其中來自再生制動的電能被用于運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)載而不是使用燃料電池堆，從而節(jié)省氫。燃料電池堆和超級電容器電連接到高壓電氣總線上。在阻流二極管周圍設(shè)置包括旁路接觸器的旁路線路。設(shè)置電池堆接觸器以將所述燃料電池堆與所述電氣總線斷開。如果鄰近所述阻流二級管的、與所述超級電容器最近的節(jié)點(diǎn)處的電壓高于鄰近所述阻流二級管的、與所述燃料電池堆最近的節(jié)點(diǎn)處的電壓，則發(fā)出備用模式請求。然后采取步驟以便電氣準(zhǔn)備所述高壓電氣總線。而后，所述電池堆接觸器打開，并且所述旁路接觸器關(guān)閉以允許所述再生制動電能為所述系統(tǒng)負(fù)載提供電力。
文檔編號H01M8/04GK102222795SQ201110079949
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者喬杜里 A., M. 懷特豪斯 K. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司