專(zhuān)利名稱(chēng)：在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛中使用再生制動(dòng)功率用于系統(tǒng)再次啟動(dòng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆的系統(tǒng)和方法，且更具體地涉及在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的啟動(dòng)/停止操作期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)再次啟動(dòng)燃料電池堆的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
大多數(shù)燃料電池車(chē)輛是混合動(dòng)力車(chē)輛，除了燃料電池堆之外，其采用可再充電的補(bǔ)充高電壓功率源，例如DC蓄電池或超電容器。功率源給各個(gè)車(chē)輛輔助負(fù)載提供補(bǔ)充功率，用于系統(tǒng)啟動(dòng)和在燃料電池堆不能提供所需功率時(shí)的高功率需求期間。更具體地，燃料電池堆提供功率給電牽引馬達(dá)，其通過(guò)高電壓總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛和其它車(chē)輛系統(tǒng)，以用于車(chē)輛操作。在需要超過(guò)燃料電池堆能夠提供的附加功率時(shí)的時(shí)間期間，例如在急加速期間，蓄電池給電壓總線(xiàn)提供補(bǔ)充功率。例如，燃料電池堆可提供70 kW的功率。然而，車(chē)輛加速可能需要100 kW或更多的功率。在燃料電池堆能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)功率需求時(shí)，燃料電池堆用于給蓄電池再充電。再生制動(dòng)可以使得電動(dòng)混合動(dòng)力車(chē)輛中的電牽引馬達(dá)作為發(fā)電機(jī)操作，以將來(lái)自于車(chē)輛車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為電功率，其能夠以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式用于給蓄電池充電。然而，在已知電動(dòng)車(chē)輛中，在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)期間，阻止再生制動(dòng)功率的收集。一些混合動(dòng)力車(chē)輛采用啟動(dòng)/停止模式，其中，僅蓄電池功率用于提供車(chē)輛的功率需求，其中，燃料電池堆從高電壓總線(xiàn)斷開(kāi)連接。例如，在需要低功率時(shí)的怠速狀況期間， 燃料電池堆可從高電壓總線(xiàn)斷開(kāi)連接，且陰極壓縮機(jī)可關(guān)閉或者至少以低速操作。此外，在可提供大量的再生制動(dòng)的長(zhǎng)下坡行駛期間，可能不需要燃料電池堆功率且燃料電池堆可以從高電壓總線(xiàn)斷開(kāi)連接至少一定時(shí)間量。在一些點(diǎn)，由于需要更多功率，燃料電池堆的內(nèi)部溫度已經(jīng)下降到一些最小溫度或者一些其它系統(tǒng)需求已經(jīng)滿(mǎn)足，因而需要將燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)。在已知啟動(dòng)/停止模式中，蓄電池功率用于旋轉(zhuǎn)陰極壓縮機(jī)且提供其它電需求以開(kāi)始燃料電池堆操作。如果車(chē)輛當(dāng)前處于再生制動(dòng)模式，那么可以使用再生功率來(lái)提供那些電需求和減少蓄電池上的負(fù)載。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開(kāi)了在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的啟動(dòng)/停止操作期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆以用于系統(tǒng)再次啟動(dòng)的系統(tǒng)和方法。所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線(xiàn)斷開(kāi)連接，以用于啟動(dòng)/停止操作；以及在啟動(dòng)/停止操作期間使用由電牽引系統(tǒng)提供的再生制動(dòng)功率來(lái)給混合動(dòng)力車(chē)輛中的蓄電池再次充電。所述方法還包括將燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)；以及當(dāng)啟動(dòng)/停止操作結(jié)束時(shí)燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)時(shí)，將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆。雙向DC轉(zhuǎn)換器將所述功率選擇性地分配給壓縮機(jī)和蓄電池。方案1. 一種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的啟動(dòng)/停止操作期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆以用于系統(tǒng)再次啟動(dòng)的方法，所述方法包括
將燃料電池堆從高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路斷開(kāi)連接，以用于啟動(dòng)_停止操作； 在燃料電池堆被斷開(kāi)連接時(shí)，使用由電牽引系統(tǒng)提供的再生制動(dòng)功率來(lái)給混合動(dòng)力車(chē)輛中的蓄電池再次充電；
將燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路；以及
當(dāng)燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路時(shí)，將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，將再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)包括將指令信號(hào)提供給雙向DC轉(zhuǎn)換器，所述雙向DC轉(zhuǎn)換器將功率選擇性地分配給壓縮機(jī)和蓄電池。方案3.根據(jù)方案1所述的方法，還包括確定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓，且防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。方案4.根據(jù)方案3所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案5.根據(jù)方案1所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路上的總線(xiàn)電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案6. —種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛中使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆的方法，所述方法包括
將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)；以及將高電壓總線(xiàn)上的再生制動(dòng)功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動(dòng)功率中的一些提供用來(lái)操作壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側(cè)。方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中，選擇性地提供再生制動(dòng)功率包括使用雙向 DC轉(zhuǎn)換器將再生制動(dòng)功率分配給蓄電池和壓縮機(jī)。方案8.根據(jù)方案6所述的方法，還包括限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓，且防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。方案9.根據(jù)方案6所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案10.根據(jù)方案6所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路上的總線(xiàn)電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案11.根據(jù)方案6所述的方法，其中，燃料電池堆在啟動(dòng)/停止操作期間啟動(dòng)。方案12. —種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛中使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆的方法，所述方法包括
將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)；
將高電壓總線(xiàn)上的再生制動(dòng)功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動(dòng)功率中的一些提供用來(lái)操作壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，其中，選擇性地提供再生制動(dòng)功率包括使用雙向DC轉(zhuǎn)換器將再生制動(dòng)功率分配給蓄電池和壓縮機(jī)；限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓；以及
防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。方案13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。方案14.根據(jù)方案12所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路上的總線(xiàn)電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。方案15.根據(jù)方案12所述的方法，其中，燃料電池堆在啟動(dòng)/停止操作期間啟動(dòng)。本發(fā)明的附加特征將從以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求書(shū)結(jié)合附圖顯而易見(jiàn)。


圖1是燃料電池車(chē)輛的電氣系統(tǒng)的示意性框圖2是燃料電池車(chē)輛的功率控制系統(tǒng)的示意性框圖，包括用于提供再生制動(dòng)指令的控制部件，用于在啟動(dòng)/停止操作期間再次啟動(dòng)燃料電池堆；和
圖3是示出了圖2所示功率控制系統(tǒng)的備用、再次啟動(dòng)和混合動(dòng)力操作的曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式涉及在啟動(dòng)/停止模式期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)再次啟動(dòng)燃料電池堆的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實(shí)施例的以下闡述本質(zhì)上僅僅是示例性的且絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。圖1是燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的電氣系統(tǒng)10的示意性框圖。系統(tǒng)10包括分離式燃料電池堆12，其分別通過(guò)觸頭18和20電聯(lián)接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路14和16。高電壓蓄電池22也電聯(lián)接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路14和16，其中，蓄電池22包括串聯(lián)地電聯(lián)接的蓄電池單元24。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器(BDC) 26電聯(lián)接到總線(xiàn)線(xiàn)路14和16，以提供功率以便給蓄電池 22充電和放電，蓄電池22以不同于燃料電池堆12的電壓電平操作。電氣系統(tǒng)10包括電聯(lián)接到總線(xiàn)線(xiàn)路14和16的功率管理和分配(PMD)裝置28，其將附加系統(tǒng)負(fù)載連接到總線(xiàn)線(xiàn)路14和16，例如將空氣提供給燃料電池堆12陰極的空氣壓縮機(jī)30。電氣系統(tǒng)10還包括電聯(lián)接到總線(xiàn)線(xiàn)路14和16的功率逆變器模塊(PIM) 32以及 AC牽引馬達(dá)34，AC牽引馬達(dá)34是驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的電牽引系統(tǒng)(ETS)的一部分。PIM 32將總線(xiàn)線(xiàn)路14和16上的DC電壓轉(zhuǎn)換為適合于牽引馬達(dá)34的AC電壓。牽引馬達(dá)34提供牽引功率以操作車(chē)輛。在再生制動(dòng)期間，來(lái)自于車(chē)輛車(chē)輪(未示出)的旋轉(zhuǎn)能量使得牽引馬達(dá)34作為發(fā)電機(jī)操作，其提供電流給總線(xiàn)線(xiàn)路14和16，可以由BDC 26使用，以便以本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式給蓄電池22充電。圖2是用于電氣系統(tǒng)10的控制系統(tǒng)40的示意性框圖，控制系統(tǒng)40包括燃料電池功率系統(tǒng)(FCPS)控制器42和燃料電池系統(tǒng)(FCS)控制器46。系統(tǒng)40還包括電牽引系統(tǒng) (ETS)44，其表示系統(tǒng)10中的PIM 32和馬達(dá)34。控制器42包括BDC功率指令計(jì)算處理器 48，其從線(xiàn)路50上的ETS 44接收功率信號(hào)P_ETS，其確定牽弓丨馬達(dá)34的再生制動(dòng)可用的功率，其可用于給蓄電池22充電。在停止/啟動(dòng)操作期間，當(dāng)由于任何原因給出再次啟動(dòng)燃料電池堆12的請(qǐng)求時(shí)， 從線(xiàn)路52上的控制器46提供功率信號(hào)P_FCSStartUp，其確定壓縮機(jī)30需要多少功率來(lái)給燃料電池堆12的陰極側(cè)提供所需空氣量，以用于具體時(shí)間點(diǎn)的合適或所需空氣流。處理器 48產(chǎn)生線(xiàn)路54上的指令信號(hào)P_BDCCmd，其發(fā)送到BDC 56，表示BDC 26，指令BDC 56將總線(xiàn)線(xiàn)路14和16上接收的再生制動(dòng)功率分配給蓄電池22和壓縮機(jī)30，使得壓縮機(jī)30獲得其旋轉(zhuǎn)以提供陰極空氣所需的功率，其中，其余功率用于給蓄電池22充電。換句話(huà)說(shuō)，處理器48從功率信號(hào)P_ETS減去功率信號(hào)P_FCSStartup，以確定再生制動(dòng)功率中的多少將用于操作壓縮機(jī)30，且將在指令信號(hào)P_BDCCmd中指令BDC 56將該功率提供給壓縮機(jī)30?？刂破?2還包括ETS電壓極限計(jì)算處理器58，其從控制器46接收線(xiàn)路60上的燃料電池堆電壓信號(hào)U_stack且從ETS 44接收線(xiàn)路62上的ETS電壓信號(hào)U_ETS，燃料電池堆電壓信號(hào)U_stack確定燃料電池堆電壓，ETS電壓信號(hào)U_ETS表示由再生制動(dòng)提供的電壓。為了避免系統(tǒng)電壓的臨界增加，其中，由于計(jì)算誤差等，與實(shí)際傳輸給高電壓蓄電池22 和/或壓縮機(jī)30的功率相比，再生制動(dòng)功率提供給總線(xiàn)線(xiàn)路14和16更多功率，處理器48 使用燃料電池堆電壓信號(hào)U_stack和ETS電壓信號(hào)U_ETS來(lái)計(jì)算線(xiàn)路64上的電壓上限U_ ETSuplim，其確定ETS44基于當(dāng)前燃料電池堆電壓可以提供給電壓總線(xiàn)線(xiàn)路14和16的最多電壓。如果ETS電壓U_ETS達(dá)到電壓上限U_ETSuplim，那么ETS 44內(nèi)部地減少牽引馬達(dá) 34上的實(shí)際扭矩，因而減少再生功率，以便保持再生制動(dòng)電壓低于該極限。線(xiàn)路64上的電壓上限U_ETSuplim還用于系統(tǒng)電壓控制，以再次連接燃料電池堆12。為了防止觸頭起弧， 在觸頭閉合期間燃料電池堆觸頭18和20兩側(cè)上的電壓電平需要處于相同范圍。燃料電池堆12 —供應(yīng)有氫氣和氧氣用于燃料電池堆再次啟動(dòng)，燃料電池堆電壓就升高。如果燃料電池堆電壓升高高于實(shí)際系統(tǒng)電壓U_ETS，電壓上限U_ETSUplim將設(shè)定為實(shí)際燃料電池堆電壓(U_ETSuplim = U_stack)?？偩€(xiàn)線(xiàn)路14和16上的電壓電平將跟隨燃料電池堆電壓，使得觸頭18和20可以閉合以再次連接燃料電池堆12。圖3是曲線(xiàn)圖，水平軸為時(shí)間，左豎直軸為電壓，右豎直軸為功率，示出了在備用 (部段70)、再次啟動(dòng)(部段72)和混合動(dòng)力操作(部段74)期間系統(tǒng)10中的各種關(guān)系。曲線(xiàn) 76是燃料電池堆電壓，曲線(xiàn)78是電壓上限，曲線(xiàn)80是在再生制動(dòng)期間的ETS電壓，曲線(xiàn)82 是BDC功率指令(單位瓦)，其是負(fù)的以表示功率存儲(chǔ)在蓄電池22中。這些曲線(xiàn)示出了在再次啟動(dòng)部段72期間BDC功率指令信號(hào)如何保持電壓上限。可以清楚，在再次啟動(dòng)部段72 期間，再生制動(dòng)電壓由控制系統(tǒng)40保持低于電壓上限。一旦在再次啟動(dòng)部段72期間燃料電池堆電壓升高，其大致跟隨電牽引系統(tǒng)電壓，以防止觸頭起弧。 前述說(shuō)明僅僅公開(kāi)和描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這種說(shuō)明和附圖以及權(quán)利要求書(shū)將容易認(rèn)識(shí)到，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的啟動(dòng)/停止操作期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆以用于系統(tǒng)再次啟動(dòng)的方法，所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路斷開(kāi)連接，以用于啟動(dòng)-停止操作；在燃料電池堆被斷開(kāi)連接時(shí)，使用由電牽引系統(tǒng)提供的再生制動(dòng)功率來(lái)給混合動(dòng)力車(chē)輛中的蓄電池再次充電；將燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路；以及當(dāng)燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路時(shí)，將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)包括將指令信號(hào)提供給雙向DC轉(zhuǎn)換器，所述雙向DC轉(zhuǎn)換器將功率選擇性地分配給壓縮機(jī)和蓄電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括確定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓，且防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括將燃料電池堆輸出端處的燃料電池堆電壓和高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路上的總線(xiàn)電壓保持大約相同，以防止燃料電池堆觸頭起弧。
6.一種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛中使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆的方法，所述方法包括將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)；以及將高電壓總線(xiàn)上的再生制動(dòng)功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動(dòng)功率中的一些提供用來(lái)操作壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，選擇性地提供再生制動(dòng)功率包括使用雙向DC轉(zhuǎn)換器將再生制動(dòng)功率分配給蓄電池和壓縮機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓，且防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，確定電壓上限包括使用燃料電池堆電壓。
10.一種在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛中使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆的方法，所述方法包括將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)；將高電壓總線(xiàn)上的再生制動(dòng)功率中的一些選擇性地提供給蓄電池以便給蓄電池充電且將再生制動(dòng)功率中的一些提供用來(lái)操作壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆的陰極側(cè)，其中，選擇性地提供再生制動(dòng)功率包括使用雙向DC轉(zhuǎn)換器將再生制動(dòng)功率分配給蓄電池和壓縮機(jī)；限定電壓上限，所述電壓上限確定最大總線(xiàn)電壓；以及防止電牽引系統(tǒng)將超過(guò)電壓上限的再生制動(dòng)功率提供給高電壓總線(xiàn)線(xiàn)路。
全文摘要
公開(kāi)了在燃料電池混合動(dòng)力車(chē)輛的啟動(dòng)/停止操作期間使用再生制動(dòng)功率來(lái)啟動(dòng)燃料電池堆以用于系統(tǒng)再次啟動(dòng)的系統(tǒng)和方法。所述方法包括將燃料電池堆從高電壓總線(xiàn)斷開(kāi)連接，以用于啟動(dòng)/停止操作；以及在啟動(dòng)/停止操作期間使用由電牽引系統(tǒng)提供的再生制動(dòng)功率來(lái)給混合動(dòng)力車(chē)輛中的蓄電池再次充電。所述方法還包括將燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)；以及當(dāng)啟動(dòng)/停止操作結(jié)束時(shí)燃料電池堆再次連接到高電壓總線(xiàn)時(shí)，將來(lái)自于電牽引系統(tǒng)的再生制動(dòng)功率中的至少一些提供給壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)將陰極空氣提供給燃料電池堆。雙向DC轉(zhuǎn)換器將所述功率選擇性地分配給壓縮機(jī)和蓄電池。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102290585SQ20111016235
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月16日
發(fā)明者J.沙夫尼特 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司