用于燃料電池車輛的電力分配方法和系統與流程

本發明涉及一種燃料電池車輛的電力(power)分配方法和系統，所述方法和系統能夠在由于燃料電池車輛負載的降低而導致供應到燃料電池堆中的空氣的量減少時，通過基于燃料電池堆的水分狀態而不同地執行電機和空氣壓縮機的再生制動控制(regenerativebrakingcontrol)，從而提高車輛的效率和耐久性。

背景技術：

燃料電池是這樣一種電力生成設備：其通過在燃料電池堆中使燃料進行電化學反應而將化學能轉變成電能，并且可以用于將電力供應至小型電動/電子產品(特別地，便攜式裝置)，以及可以供應工業電力、家庭電力以及用于驅動車輛的電力。

作為燃料電池的示例，用作用于驅動車輛的電力供應源的聚合物電解質膜(polymerelectrolytemembrane)燃料電池配置為包括：膜電極組件，催化劑電極層附接至與氫離子移動穿過其中的電解質膜相關的電解質膜的兩面，電化學反應在催化劑電極層中發生；氣體擴散層，其操作為均勻地分配反應氣體并且均勻地傳輸生成的電能；襯墊和聯接機構，其保持氣密性以及反應氣體和冷卻劑的合適的聯接壓力；以及用于反應氣體和冷卻劑的分隔板。

在燃料電池中，作為燃料的氫和作為氧化劑的氧經由分隔板的流體路徑而被分別供應至膜電極組件的陽極和陰極，其中，氫被供應至陽極，而氧被供應至陰極。利用形成在電解質膜的兩面的電極層的催化劑，供應至陽極的氫被分解成氫離子和電子。在這些之中，只有氫離子選擇性地穿過電解質膜(其是陽離子交換膜)并且被傳輸至陰極，而同時，電子經由氣體擴散層和分隔板(其是導體)而傳輸至陰極。

在陰極發生下述反應：其中，經由電解質膜所供應的氫離子和經由分隔板而傳輸的電子與通過空氣供應裝置供應至陰極的空氣中的氧相遇從而生成水。特別地，由于氫離子進行的移動導致通過外部導線的電子流，而通過該電子流生成電流。

近來，已經開發出了使用上面描述的燃料電池的混合動力車輛。該混合動力車輛通過從燃料電池持續輸出的恒定電力而受到驅動。當電力有剩余時，利用過剩電力來為電容器充電，而當電力不足時，缺乏的電力由電容器補充輸出。在用于對上述電容器進行充電的方法中對于涉及再生制動模式的研究也正在積極的進行著。相關技術中的混合動力車輛的再生制動方法通過實現再生制動而改善了燃料效率，并且提高了包括有燃料電池和電容器的混合動力車輛在高速行駛期間的系統穩定性。

提供被描述為相關技術的內容僅用于幫助理解本發明的背景，而不應被認為是相當于本領域技術人員已知的現有技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種燃料電池車輛的電力分配方法和系統，其通過考慮燃料電池堆的水分狀態而適當地調節空氣壓縮機和燃料電池車輛的驅動電機的再生制動量，從而能夠改善燃料電池的能源效率以及防止燃料電池的干涸(dryout)現象和滿溢(flooding)現象。

根據本發明的示例性的實施方案，一種用于燃料電池車輛的電力分配方法可以包括：當燃料電池堆的空氣供應量減少時，通過控制器推導燃料電池堆中的水分量；基于該水分量，通過控制器確定燃料電池的狀態；基于所確定的狀態，利用空氣壓縮機的再生制動的最大電力和高壓電池的可充電電力來推導驅動電機的再生制動的允許電力；以及通過控制器調節驅動電機的再生制動，以防止驅動電機的再生制動的實際電力超過所述再生制動的允許電力。

在對燃料電池堆中的水分量(amountofmoisture)的推導中，可以利用燃料電池的膜電解質組件(mea)的水含量比(watercontentratio)。在對燃料電池的狀態的確定中，當水分量為第一水分量或者小于第一水分量時，可以將燃料電池的狀態確定為第一狀態，該第一水分量為預設的；當水分量大于第一水分量，并且為第二水分量或者小于第二水分量時，可以將燃料電池的狀態確定為第二狀態，該第二水分量被預設為大于第一水分量的值；當水分量大于第二水分量時，可以將燃料電池的狀態確定為第三狀態。

此外，在對驅動電機的再生制動的允許電力的推導中，當燃料電池的狀態被確定為第一狀態時，可以通過從高壓電池的可充電電力中減去空氣壓縮機的再生制動的最大電力來推導驅動電機的再生制動的允許電力。在對驅動電機的再生制動的允許電力的推導中，當燃料電池的狀態被確定為第三狀態時，可以將驅動電機的再生制動的允許電力推導為高壓電池的可充電電力。

驅動電機的再生制動的允許電力可以為當空氣壓縮機的再生制動的允許電力被設置為0a時的電力。在對驅動電機的再生制動的允許電力的推導中，當燃料電池的狀態被確定為第二狀態時，可以將驅動電機的再生制動的允許電力推導為高壓電池的可充電電力。

電力分配方法可以進一步包括：在調節驅動電機的再生制動之后，通過控制器，利用高壓電池的可充電電力和驅動電機的再生制動的實際電力來推導空氣壓縮機的再生制動的最大電力；以及通過控制器調節空氣壓縮機的再生制動，以防止空氣壓縮機的再生制動的實際電力超過空氣壓縮機的再生制動的最大電力。

根據本發明的另一個示例性的實施方案，一種用于燃料電池車輛的電力分配系統可以包括：燃料電池；燃料電池車輛的驅動電機；燃料電池車輛的高壓電池；空氣壓縮機，其配置為向燃料電池堆供應空氣；以及控制器，其配置為：當燃料電池堆的空氣供應量減少時，推導燃料電池堆中的水分量；基于該水分量，確定燃料電池的狀態；基于所確定的狀態，利用空氣壓縮機的再生制動的最大電力和高壓電池的可充電電力來推導驅動電機的再生制動的允許電力；以及調節驅動電機的再生制動，以防止驅動電機的再生制動的實際電力超過所述再生制動的允許電力。

所述控制器可以配置為：當水分量為第一水分量或者小于第一水分量時，將燃料電池的狀態確定為第一狀態，該第一水分量為預設的；當水分量大于第一水分量，并且為第二水分量或者小于第二水分量時，將燃料電池的狀態確定為第二狀態，該第二水分量被預設為大于第一水分量的值；以及當水分量大于第二水分量時，將燃料電池的狀態確定為第三狀態。

當燃料電池的狀態被確定為第一狀態時，所述控制器可以配置為通過從高壓電池的可充電電力中減去空氣壓縮機的再生制動的最大電力來推導驅動電機的再生制動的允許電力。當燃料電池的狀態被確定為第三狀態時，所述控制器可以配置為將驅動電機的再生制動的允許電力推導為高壓電池的可充電電力。

當燃料電池的狀態被確定為第二狀態時，所述控制器可以配置為將為高壓電池的可充電電力推導為驅動電機的再生制動的允許電力；利用高壓電池的可充電電力和驅動電機的再生制動的實際電力來推導空氣壓縮機的再生制動的最大電力；以及調節空氣壓縮機的再生制動，以防止空氣壓縮機的再生制動的實際電力超過空氣壓縮機的再生制動的最大電力。

附圖說明

通過與所附附圖相結合的對示例性的實施方案的下述說明，本發明的這些方面和/或其他方面將變得清晰和更容易理解。

圖1為根據本發明的示例性實施方案的用于燃料電池車輛的電力分配方法的流程圖；

圖2為根據本發明的示例性實施方案的用于燃料電池車輛的電力分配系統的結構示意圖。

具體實施方式

應當理解，本文所使用的術語“車輛”或“車輛的”或其它類似術語包括一般的機動車輛，例如包括運動型多用途車輛(suv)、大客車、卡車、各種商用車輛的乘用汽車，包括各種舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、可插式混合動力電動車輛、氫動力車輛以及其它替代性燃料車輛(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此處所提到的，混合動力車輛是具有兩種或更多動力源的車輛，例如汽油動力和電力動力兩者的車輛。

雖然示例性的實施方案描述為使用多個單元以執行示例性的過程，但是應當理解，示例性的過程也可以由一個或多個模塊執行。此外，應當理解的是術語控制器指代的是包含有存儲器和處理器的硬件設備。該存儲器被配置成存儲模塊，而處理器特定地配置成執行所述模塊以執行將在下文進行進一步描述的一個或多個過程。

本文所使用的術語僅用于描述具體實施方案的目的并且不旨在限制本發明。正如本文所使用的，單數形式“一”、“一個”和“所述”旨在也包括復數形式，除非上下文另有明確的說明。還應理解，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，指明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但是不排除存在或加入一種或多種其他的特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其集合。正如在此所使用的，術語“和/或”包括一種或多種相關列舉項目的任意和所有組合。

除非特別聲明或者從上下文顯而易見的，本文所使用的術語“大約”應理解為在本領域的正常容許范圍內，例如在平均值的2個標準偏差內。“大約”可被理解為在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之內。除非在上下文中另外有清楚說明，本文提供的所有數值都受到術語“大約”修飾。

下面將參考所附附圖對本發明的示例性實施方案進行描述。

如圖1所示，根據本發明的用于燃料電池10的車輛的電力分配方法可以包括：步驟s10，當燃料電池10堆中的空氣供應量減少時，利用控制器50推導燃料電池10堆中的水分量；步驟s20，基于該水分量，利用控制器50確定燃料電池10的狀態；步驟s30，基于所確定的狀態，利用空氣壓縮機40的再生制動的最大電力以及高壓電池30的可充電電力，來推導驅動電機20的再生制動的允許電力；以及步驟s40，利用控制器50調節驅動電機20的再生制動，以防止驅動電機20的再生制動的實際電力超過所述再生制動的允許電力。

本發明涉及一種用于當燃料電池10的車輛由于負載的減小而減少堆的陰極的空氣供應量時，基于燃料電池10的堆的水分狀態來改變車輛的驅動電機的再生制動控制策略的應用的技術。可以利用多種方法感測堆的空氣供應量的變化。例如，可以在空氣供應流體路徑中設置傳感器來利用直接的方法感測供應空氣量，且由此也可以利用空氣供應閥的開度值來間接地確定供應空氣量。

當感測到空氣供應量減少時，供應到燃料電池10的堆的空氣量也會減少，指示燃料電池10的輸出降低。換句話說，燃料電池10的負載降低并且最終，車輛速度也會降低。燃料電池10的車輛可以被確定為處于能夠進行再生制動的狀態中。

因此，可以利用再生制動來改善車輛的燃料效率。但是，在相關技術中，當無論燃料電池10的堆是否處于干燥狀態或是滿溢狀態而都同樣地執行再生制動控制時，雖然通過再生制動可能會使燃料效率提高，但是燃料電池10的堆的干燥狀態或者滿溢狀態會加重，因此可能會造成燃料電池10的耐久性變差。因此，根據本發明，當燃料電池10的空氣供應量減少時，在步驟s10，可以如圖1所示地確定堆中的水分量，以基于燃料電池10的堆的狀態確立車輛的再生制動控制策略。

可以使用各種方法來確定堆中的水分量。例如，一種方法可以考慮利用燃料電池10的膜電解質組件(membraneelectrolyteassembly，mea)的水含量比。可以利用燃料電池10的mea的水含量比，利用燃料電池10的堆輸出的電流和電壓來推導燃料電池10的堆中的水分量。

當在步驟s10確定了堆中的水分量時，可以在步驟s20利用堆中的水分量來確定燃料電池10的狀態。確定基準可以將燃料電池10的堆分類為：干燥狀態、正常狀態和滿溢狀態。如上面所描述的，干燥狀態對應于當燃料電池10中的水分比最小時的狀態，而滿溢狀態對應于當水分比過量時的狀態。根據控制目的和堆的狀態，可以采用不同的基于堆中的水分比而確定干燥或者滿溢的基準。但是，通常來說，當堆中的水分比為大約20％或者更小時，可以確定燃料電池10的堆處于干燥狀態，以及當堆中的水分比高于大約80％時，可以確定燃料電池10的堆處于滿溢狀態。正常狀態可以被認為是在干燥狀態和滿溢狀態之間的狀態。

因此，本發明中提及的第一水分量指示為其中堆中的水分比大約為20％(例如，第一量)的堆中的水分量，而第一狀態指示為其中堆干燥的狀態。此外，第二水分量指示為其中堆中的水分比大約為80％(例如，第二量)的堆中的水分量，第二狀態指示為其中堆處于正常的狀態，而第三狀態指示為其中堆處于滿溢的狀態。

因此，當基于堆中的水分量將堆的狀態分為三種狀態時，可以基于所分類狀態，而如圖1所示地在步驟s30推導驅動電機20的再生制動的允許電力，以及可以基于推導出的再生制動而在步驟s40執行驅動電機20的再生制動的調節。由此，在下文中將對用于基于燃料電池10的堆的各種狀態(從燃料電池10的堆為干燥的狀態到燃料電池10的堆為滿溢的狀態)來調節再生制動的方法進行描述。

首先，當燃料電池10的堆干燥時，也即，當燃料電池10的狀態被確定為第一狀態時，控制器50可以配置為通過從高壓電池30的可充電電力中減去空氣壓縮機40的再生制動的最大電力來確定驅動電機20的再生制動的允許電力。當燃料電池10的狀態為干燥時，因為需要通過停止將空氣供應至燃料電池10來避免堆的這種干燥狀態的持續，所以空氣壓縮機40可能在高速下停止。因此，可以通過從高壓電池30的可充電電力中減去空氣壓縮機40的再生制動的最大電力，來獲得驅動電機20的再生制動的允許電力。

其次，當燃料電池10的堆正常時，也即，燃料電池10的狀態被確定為第二狀態時，由于不需要停止空氣壓縮機40，所以也就不需要從驅動電機20的再生制動的允許電力中減去基于空氣壓縮機40的再生制動的電力。因此，類似于相關技術，高壓電池30的可充電電力可以被推導為驅動電機20的再生制動的允許電力。

但是，由于如上面所描述的，燃料電池10的堆的狀態對應于當陰極的供應空氣量減少時的狀態，空氣壓縮機40的電機轉速可能會逐漸地降低。因此，可能也會執行空氣壓縮機40的再生制動。因此，當燃料電池10的堆正常時，驅動電機20的再生制動的允許電力可以推導為高電壓電池30的可充電電力，以改善車輛的燃料效率。

隨后，可以通過從高壓電池30的可充電電力中減去驅動電機20的再生制動的實際電力，來推導空氣壓縮機40的再生制動的最大電力，而控制器50可以配置為防止空氣壓縮機40的再生制動的實際電力超過所推導的空氣壓縮機40的再生制動的允許電力，從而提高燃料電池10的堆的耐久性。

最后，第三種情況對應于當燃料電池10的堆為滿溢時的狀態，也即，燃料電池10的狀態被確定為第三狀態。特別的，盡管基于燃料電池10的負載的減少燃料電池10的輸出需要減小，但是可以將這樣的驅動電機的再生制動的允許電力推導為驅動電機20的再生制動的允許電力，其為當空氣壓縮機40的再生制動的允許電力設定成0a(以最小化空氣壓縮機40電機的轉速的減小)時的驅動電機的再生制動的允許電力，以防止在燃料電池10中發生滿溢現象。利用由空氣壓縮機40供應的空氣，沉積在燃料電池10的堆中的水分可以被排出。因此，盡管由于燃料電池10的負載的減少導致供應到堆的陰極中的空氣量的需要減少，但是通過將空氣壓縮機40的再生制動的允許電力最小化至0a并且避免空氣壓縮機40執行再生制動，空氣壓縮機40的驅動時間可以得到最大化地增加。

與此同時，如圖2所示，根據本發明的用于燃料電池10車輛的電力分配系統可以包括：燃料電池10；燃料電池10的車輛的驅動電機20；燃料電池10的車輛的高壓電池30；空氣壓縮機40，其配置為將空氣供應至燃料電池10的堆；以及控制器50，其配置為當燃料電池10的堆的空氣供應量減少時，確定燃料電池10的堆中的水分量，基于該水分量，確定燃料電池10的狀態，基于所確定的狀態，利用空氣壓縮機40的再生制動的最大電力以及高壓電池30的可充電電力來確定驅動電機20的再生制動的允許電力，以及調節驅動電機20的再生制動，以防止驅動電機20的再生制動的實際電力超過所述再生制動的允許電力。

特別的，控制器50可以配置為：當水分量為第一水分量或者小于第一水分量時，將燃料電池10的狀態確定為第一狀態，該第一水分量為預設的；當水分量大于第一水分量，并且為第二水分量或者小于第二水分量時，將燃料電池10的狀態確定為第二狀態，該第二水分量被預設為大于第一水分量的值；以及當水分量大于第二水分量時，將燃料電池10的狀態確定為第三狀態。

此外，控制器50可以配置為：當燃料電池10的狀態確定為第一狀態時，通過從高壓電池30的可充電電力中減去空氣壓縮機40的再生制動的最大電力，來確定驅動電機20的再生制動的允許電力；當燃料電池10的狀態確定為第二狀態時，將高壓電池30的可充電電力確定為驅動電機20的再生制動的允許電力；當燃料電池10的狀態確定為第三狀態時，將高壓電池30的可充電電力確定為驅動電機20的再生制動的允許電力；利用高壓電池30的可充電電力和驅動電機20的再生制動的實際電力，來確定空氣壓縮機40的再生制動的最大電力，并且調節空氣壓縮機40的再生制動，以防止空氣壓縮機40的再生制動的實際電力超過再生制動的最大電力。

如上面所述的，根據本發明的示例性的實施方案，可以獲得下述效果。

首先，當燃料電池干燥時，可以執行控制以最大化空氣壓縮機的再生制動并且能夠避免燃料電池的干涸現象，從而能夠提高燃料電池的耐久性。

第二，當燃料電池的堆包含大量水分時，可以最小化空氣壓縮機的再生制動，以通過空氣壓縮機而維持水分去除效果，從而能夠避免燃料電池的滿溢現象。

第三，驅動電機的再生制動量可以達到高壓電池所允許的最大值，從而燃料電池車輛的整體能源效率可以得到改善。

盡管本發明已經結合具體的示例性的實施方案得到展示和描述，但是對于本領域技術人員來說顯然的是，在不脫離如所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明進行各種改變和修改。