低壓電池充電器及其方法
【專利摘要】本發明提供一種低壓電池充電器及其方法，低壓電池充電器包括：燃料電池堆，其通過氫與氧的反應產生電能；鼓風機，其向燃料電池堆供應空氣；高壓DC變換器，其將產生于燃料電池堆的輸出電壓轉換為高電壓；高壓電池，其使用由高壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電；低壓DC變換器，其將產生于燃料電池堆的輸出電壓轉換為低電壓；低壓電池，其使用由低壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電；以及控制器，其基于通過鼓風機供應給燃料電池堆的空氣量可變地調整低壓電池的充電電壓。
【專利說明】
低壓電池充電器及其方法
技術領域
[0001]本發明涉及低壓電池充電器及其方法。更特別地，本發明涉及一種低壓電池充電器及其方法，其能夠基于供應給燃料電池的空氣量控制低壓電池的充電電壓，并且改善燃料消耗及提高燃料電池的耐久性。
【背景技術】
[0002]應用于作為一種環境友好車輛的氫燃料電池車的燃料電池系統包括燃料電池堆、氫供應裝置、空氣供應裝置、熱和水管理系統以及燃料電池系統控制器，其中燃料電池堆利用反應氣體的電化學反應產生電能，氫供應裝置將作為燃料的氫供應給燃料電池堆，空氣供應裝置將包含作為電化學反應所需氧化劑的氧的空氣供應給燃料電池堆，熱和水管理系統通過將作為燃料電池堆電化學反應的副產物的熱排放到外部來最佳地調整燃料電池堆的運行溫度，并執行水管理功能，并且燃料電池系統控制器操作整個燃料電池系統。
[0003]在安裝這種燃料電池系統的車輛中，當使用燃料電池作為動力源時，燃料電池將負擔車輛組成元件的負載，因此在燃料電池效率低下的運行區域，性能將會惡化。此外，當突加載荷施加到車輛上時，電力可能無法充分供應至驅動電機，因此由于通過化學反應產生電能引起燃料電池的突然載荷變化，所以車輛性能將會降低。
[0004]此外，由于燃料電池具有單一方向輸出特性，因此當沒有單獨的蓄電裝置并且車輛制動時，從驅動電機流出的能量可能無法回收，因此車輛系統的效率將會下降。因此，作為克服上述缺陷的方法，已開發出燃料電池混合動力車。燃料電池混合動力車是這樣一種系統，除了作為車輛中的主動力源的燃料電池以外，還安裝有蓄電裝置作為用于提供驅動如驅動電機的負載所需電力的另外的輔助動力源，例如超級電容器或高壓電池。
[0005]在燃料電池-電池混合動力車中，用作主動力源的燃料電池與用作輔助動力源的高壓電池可并聯連接，并且安裝有該高壓電池(例如主電池)和用于驅動車輛低壓驅動組件的低壓電池(例如12V輔助電池)，S卩，高壓電池與低壓電池這兩種類型的電池可一起安裝。
[0006]同時，燃料電池通過氫與氧的反應產生電能，并且在燃料電池堆產生的電能的量與供應給燃料電池堆的氫量成比例。供應給燃料電池堆的氫量基于供應給燃料電池堆的空氣量來確定。因此，需要通過改變利用燃料電池堆產生的電能充電的低壓電池的充電電壓，使燃料電池堆中使用的氫量最小化并且改善燃料消耗的技術。
[0007]在本部分中披露的上述信息僅用于加強對本發明背景的理解，因此其可能包含不構成本國內本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。
【發明內容】
[0008]本發明提供一種低壓電池充電器及其方法，其通過改變低壓電池的充電電壓，使燃料電池堆中使用的氫量最小化并且改善車輛的燃料消耗。此外，本發明提供一種低壓電池充電器及其方法，其通過在供應給燃料電池堆的空氣量最小時防止在燃料電池堆形成高壓，而提高燃料電池堆的耐久性。
[0009]根據本發明的示例性實施例的低壓電池的充電器可包括:燃料電池堆，其配置成通過氫與氧的反應產生電能；鼓風機，其配置成向燃料電池堆供應空氣；高壓直流(DC)變換器，其配置成將產生于燃料電池堆的輸出電壓轉換為高電壓；高壓電池，其使用由高壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電；低壓DC變換器，其配置成將產生于燃料電池堆的輸出電壓轉換為低電壓；低壓電池，其使用由低壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電；以及控制器，其配置成基于通過鼓風機供應給燃料電池堆的空氣量，可變地調整低壓電池的充電電壓。
[0010]控制器可配置成將通過鼓風機供應給燃料電池堆的空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分成N個空氣量，并可配置成基于與N個空氣量對應的N個充電電壓對低壓電池充電。與最小空氣量對應的低壓電池的充電電壓可被設定為最大充電電壓。與最大空氣量對應的低壓電池的充電電壓可被設定為最小充電電壓。N個充電電壓可在最大充電電壓與最小充電電壓之間一步一步地(例如，逐步地、逐級地，等等)降低。控制器還可配置成當需要低壓電池的應急操作時，基于應急充電電壓對低壓電池充電。
[0011]根據本發明的另一示例性實施例的低壓電池的充電方法可包括:基于燃料電池堆的所需電力計算供應給燃料電池堆的空氣量；確定與該空氣量對應的低壓電池的充電電壓；以及基于充電電壓可變地對低壓電池充電。可基于燃料電池堆的所需電力，將空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分成N個空氣量，并可將充電電壓設定為與N個空氣量對應的N個充電電壓。與最小空氣量對應的充電電壓可被設定為最大充電電壓。與最大空氣量對應的充電電壓可被設定為最小充電電壓。N個充電電壓可在最大充電電壓與最小充電電壓之間逐步降低。
[0012]低壓電池的充電方法還可包括當空氣量是最大空氣量時，確定是否需要低壓電池的應急操作，其中當需要低壓電池的應急操作時，可通過應急充電電壓對低壓電池充電。低壓電池的充電方法還可包括當空氣量是最小空氣量時，確定是否需要低壓電池的應急操作，其中當需要低壓電池的應急操作時，可通過應急充電電壓對低壓電池充電。
[0013]根據本發明的示例性實施例，由于可基于供應給燃料電池堆的空氣量可變地調整低壓電池的充電電壓，因此可使燃料電池堆中使用的氫量最小化，由此能夠改善車輛的燃料消耗。此外，由于可基于供應給燃料電池堆的空氣量可變地調整低壓電池的充電電壓，因此可防止在燃料電池堆形成高電壓，并且能夠提高燃料電池堆的耐久性。
【附圖說明】
[0014]附圖用于在說明本發明的示例性實施例時進行參照，因此不應當理解為本發明的技術思想局限于附圖。
[0015]圖1是示出根據本發明的示例性實施例的低壓電池充電器的框圖；
[0016]圖2是示出根據本發明的示例性實施例的燃料電池堆的所需電力與空氣量之間的關系的曲線圖；
[0017]圖3是示出根據本發明的示例性實施例的空氣量與低壓電池的充電電壓之間的關系的曲線圖；并且
[0018]圖4是示出根據本發明的示例性實施例的低壓電池的充電方法的流程圖。
[0019]附圖標記說明
[0020]10:燃料電池堆
[0021]20:鼓風機
[0022]30:高壓DC變換器
[0023]40:高壓電池
[0024]50:低壓DC變換器
[0025]60:低壓電池
[0026]70:控制器
【具體實施方式】
[0027]以下將參照示出本發明的示例性實施例的附圖更充分地說明本發明。如本領域技術人員將會意識到的，所述示例性實施例可以各種不同方式修改，而均不背離本發明的技術思想或范圍。
[0028]應當理解的是，本文所使用的術語“車輛”或“車輛的”或者其他相似術語包含一般的機動車輛，例如包括運動型多用途車(SUV)、公交車、卡車、各式商用車輛在內的載客車輛，包括各種艇和船在內的水運工具，以及航空器等等，并且包括混合動力車、電動車、插電式混合動力電動車、氫動力車以及其他替代燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。如本文所提及的，混合動力車是具有兩種或更多種動力源的車輛，例如具有汽油動力和電動力兩者的車輛。
[0029]雖然示例性實施例被描述為使用多個單元來執行示例性處理，但是應當理解的是，示例性處理也可由一個或多個模塊執行。另外，應當理解的是，術語控制/控制單元指的是包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器被配置成存儲模塊，并且處理器被專門配置成執行該模塊，以執行以下進一步說明的一個或多個處理。
[0030]此外，本發明的控制邏輯可被實施為包含由處理器、控制器/控制單元等執行的可執行程序指令的計算機可讀介質上的非暫時性計算機可讀介質。計算機可讀介質的示例包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存盤、智能卡和光學數據存儲設備。計算機可讀記錄介質也可分布在網絡連接的計算機系統中，以便例如通過遠程信息處理服務器或控制器局域網絡(CAN)，以分布方式存儲和執行計算機可讀介質。
[0031]本文所使用的專有名詞僅是為了說明特定實施例的目的，而非意在限制本發明。如本文所使用的，單數形式“一個”、“一種”和“該”意在也包括復數形式，除非上下文另外清楚表明。還將理解的是，當在本說明書中使用時，詞語“包括”和/或“包含”規定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或其群組的存在或添加。如本文所使用的，詞語“和/或”包括一個或多個相關列出項目的任何和全部組合。
[0032]除非特別陳述或從上下文顯而易見，如本文所使用的，詞語“約”可理解為在本領域的正常容差范圍內，例如在平均值的2倍標準差之內。“約”可理解為在所述值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01% 內。除非從上下文另外明確，否則本文提供的所有數值均由詞語“約”修飾。
[0033]為了清楚地說明本發明，與說明無關的部分將被省略。在整個本說明書中，相同的附圖標記指代相同的元件。另外，在附圖中示出的各結構的尺寸和厚度被任意示出以便更好地理解和易于說明，但是本發明并不限于該圖示。在附圖中，層、膜、板、區域等的厚度為了清楚而被夸大。
[0034]在下文中，將參照附圖詳細說明根據本發明的示例性實施例的低壓電池充電器。
[0035]圖1是示出根據本發明的示例性實施例的低壓電池充電器的框圖。如圖1中所示，根據本發明的示例性實施例的低壓電池充電器可包括具有多個燃料電池堆10的燃料電池，配置成向燃料電池堆10供應空氣的鼓風機20，配置成轉換產生于燃料電池堆10的輸出電壓的高壓DC變換器30，以通過高壓DC變換器30轉換的輸出電壓進行充電的高壓電池40，配置成轉換高壓電池40的輸出電壓的低壓DC變換器50，以通過低壓DC變換器50轉換的輸出電壓進行充電的低壓電池60，以及配置成操作燃料電池、鼓風機20、高壓DC變換器30、高壓電池40、低壓DC變換器50和低壓電池60的控制器70。
[0036]燃料電池堆10可配置成通過氫與氧的反應產生電能。燃料電池堆10的構造為本領域技術人員所熟知，因此本文將不提供詳細說明。此外，鼓風機20可配置成將反應氣體氫和空氣供應給燃料電池堆10。
[0037]高壓DC變換器30可配置成將在燃料電池堆10產生的電能轉換為高壓DC電力，并且使用高壓DC變換器30轉換的高壓DC電力可充電到高壓電池40中。充入到高壓電池40中的高壓DC電力可供應給例如車輛的驅動電機和鼓風機20的高壓組件。在本文中，高壓意指高于約100V的電壓，例如150V、300V、450V或650V。
[0038]低壓DC變換器50可配置成將在燃料電池堆10產生的電能轉換為低壓DC電力，并且使用低壓DC變換器50轉換的低壓DC電力可充電到低壓電池60中。充入到低壓電池60中的低壓DC電力可供應給例如導航裝置或音頻裝置的低壓組件。在本文中，低壓意指低于約100V的電壓，例如12V、24V或48Vo
[0039]控制器70可通過由預定程序操作的一個或多個處理器實施，其中預定程序被設定成執行根據本發明的示例性實施例的低壓電池的充電方法的各步驟。特別地，控制器70可配置成基于燃料電池堆10的所需電力來調整通過鼓風機20供應給燃料電池堆10的空氣量，并通過空氣量調整低壓電池60的充電電壓。
[0040]在下文中，將詳細說明使用空氣量的低壓電池60的充電方法。圖2是示出根據本發明的示例性實施例的燃料電池堆的所需電力與空氣量之間的關系的曲線圖。在圖2中，X軸表示燃料電池堆的所需電力，y軸表示供應給燃料電池堆的空氣量。圖3是示出根據本發明的示例性實施例的空氣量與低壓電池的充電電壓之間的關系的曲線圖。在圖3中，X軸表不空氣量，y軸表不低壓電池的充電電壓。
[0041]如圖2中所示，根據燃料電池堆10的所需電力的空氣量類似于滯回曲線。控制器70可配置成將供應給燃料電池堆10的空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分成N個空氣量。圖3示出與供應給燃料電池堆10的N個空氣量對應的低壓電池60的充電電壓。與最小空氣量對應的低壓電池60的充電電壓可被設定為最大充電電壓，并且與最大空氣量對應的低壓電池60的充電電壓可被設定為最小充電電壓。N個充電電壓可在最大充電電壓與最小充電電壓之間一步一步地(例如，逐步地)降低。
[0042]同時，當需要低壓電池60的應急操作時，控制器70可配置成基于預定的應急充電電壓對低壓電池60充電。應急操作可以是當燃料電池堆10或高壓電池40發生故障(例如，出現錯誤或檢測到故障)時。特別地，應急充電電壓可被設定為能夠對低壓電池60充電的最大充電電壓。
[0043]在下文中，將參照附圖詳細說明根據本發明的示例性實施例的低壓電池的充電方法。
[0044]圖4是示出根據本發明的示例性實施例的低壓電池的充電方法的流程圖。如圖4中所示，在步驟S10，控制器70可配置成基于燃料電池堆10的所需電力，計算通過鼓風機20供應給燃料電池堆10的空氣量。
[0045]在步驟S20，控制器70隨之可配置成設定與空氣量對應的低壓電池60的充電電壓。供應給燃料電池堆10的空氣量可基于燃料電池堆10的所需電力在最小空氣量與最大空氣量之間被劃分為N個空氣量，并且低壓電池60的充電電壓可被設定為與N個空氣量對應的N個充電電壓。N個充電電壓可被設定為在最大充電電壓與最小充電電壓之間逐步降低。與最小空氣量對應的充電電壓可被設定為最大充電電壓，與最大空氣量對應的充電電壓可被設定為最小充電電壓。為了方便說明，在最大充電電壓與最小充電電壓之間的N個充電電壓可被稱為通常充電電壓。
[0046]在步驟S30，控制器70可進一步配置成判斷基于空氣量的低壓電池60的充電電壓。當充電電壓是處在最小充電電壓與最大充電電壓之間的通常充電電壓時，控制器70可配置成在步驟S40基于預定的通常充電電壓對低壓電池60充電。當充電電壓是最小充電電壓時，控制器70可配置成在步驟S50判斷是否需要低壓電池60的應急操作。
[0047]當需要低壓電池60的應急操作時，控制器70可配置成在步驟S54基于預定的應急充電電壓對低壓電池60充電。然而，當不需要低壓電池60的應急操作時，控制器70可配置成在步驟S52基于最小充電電壓對低壓電池60充電。在步驟S30，當低壓電池60的充電電壓是最大充電電壓時，控制器70可配置成在步驟S60判斷是否需要低壓電池60的應急操作。
[0048]當需要低壓電池60的應急操作時，控制器70可配置成在步驟S64基于預定的應急充電電壓對低壓電池60充電。然而，當不需要低壓電池60的應急操作時，控制器70可配置成在步驟S62基于最大充電電壓對低壓電池60充電。因此，由于當充電電壓是通常充電電壓(例如，無故障發生)時，可正常調整低壓電池60的充電電壓，因此僅當充電電壓是最小充電電壓或最大充電電壓時，可判斷應急操作。
[0049]如上所述，根據本發明的示例性實施例，當供應給燃料電池堆10的空氣量增加時，低壓電池60的充電電壓可降低，因此能夠改善車輛的燃料消耗。另外，當供應給燃料電池堆10的空氣量減少時，低壓電池60的充電電壓可升高，因此可防止在燃料電池堆10形成高電壓。由此，能夠提高燃料電池堆10的耐久性。
[0050]雖然已結合目前被認為示例性的實施例對本發明進行了說明，但應當理解的是本發明并不限于所公開的示例性實施例，而是相反，意在涵蓋包括在所附權利要求的技術思想和范圍內的各種改型和等效配置。
【主權項】
1.一種低壓電池充電器，包括: 燃料電池堆，其配置成通過氫與氧的反應產生電能； 鼓風機，其配置成向所述燃料電池堆供應空氣； 高壓直流(DC)變換器，其配置成將在所述燃料電池堆產生的輸出電壓轉換為高電壓； 高壓電池，其利用由所述高壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電； 低壓DC變換器，其配置成將在所述燃料電池堆產生的輸出電壓轉換為低電壓； 低壓電池，其利用由所述低壓DC變換器轉換的輸出電壓進行充電；以及控制器，其配置成基于通過所述鼓風機供應給所述燃料電池堆的空氣量，可變地調整所述低壓電池的充電電壓。2.根據權利要求1所述的低壓電池充電器，其中所述控制器被配置成將通過所述鼓風機供應給所述燃料電池堆的空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分為N個空氣量，并且基于與所述N個空氣量對應的N個充電電壓對所述低壓電池充電。3.根據權利要求2所述的低壓電池充電器，其中與所述最小空氣量對應的所述低壓電池的充電電壓被設定為最大充電電壓。4.根據權利要求2所述的低壓電池充電器，其中與所述最大空氣量對應的所述低壓電池的充電電壓被設定為最小充電電壓。5.根據權利要求3所述的低壓電池充電器，其中所述N個充電電壓在所述最大充電電壓與所述最小充電電壓之間逐步降低。6.根據權利要求4所述的低壓電池充電器，其中所述N個充電電壓在所述最大充電電壓與所述最小充電電壓之間逐步降低。7.根據權利要求1所述的低壓電池充電器，其中所述控制器被配置成當需要所述低壓電池的應急操作時，基于應急充電電壓對所述低壓電池充電。8.一種低壓電池的充電方法，包括以下步驟: 通過控制器基于燃料電池堆的所需電力計算供應給所述燃料電池堆的空氣量； 通過所述控制器確定與所述空氣量對應的所述低壓電池的充電電壓；以及 通過所述控制器基于所述充電電壓可變地對所述低壓電池充電。9.根據權利要求8所述的低壓電池的充電方法，其中 基于所述燃料電池堆的所需電力，將所述空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分為N個空氣量，并且 將所述充電電壓設定為與所述N個空氣量對應的N個充電電壓。10.根據權利要求9所述的低壓電池的充電方法，其中與所述最小空氣量對應的充電電壓被設定為最大充電電壓。11.根據權利要求9所述的低壓電池的充電方法，其中與所述最大空氣量對應的充電電壓被設定為最小充電電壓。12.根據權利要求9所述的低壓電池的充電方法，其中所述N個充電電壓在所述最大充電電壓與所述最小充電電壓之間逐步降低。13.根據權利要求9所述的低壓電池的充電方法，還包括以下步驟: 當所述空氣量是最大空氣量時，通過所述控制器判斷是否需要所述低壓電池的應急操作， 其中當需要所述低壓電池的應急操作時，通過應急充電電壓對所述低壓電池充電。14.根據權利要求9所述的低壓電池的充電方法，還包括以下步驟: 當所述空氣量是最小空氣量時，通過所述控制器判斷是否需要所述低壓電池的應急操作， 其中當需要所述低壓電池的應急操作時，通過應急充電電壓對所述低壓電池充電。15.一種包含由控制器執行的程序指令的非暫時性計算機可讀介質，所述計算機可讀介質包括: 基于燃料電池堆的所需電力計算供應給所述燃料電池堆的空氣量的程序指令； 確定與所述空氣量對應的低壓電池的充電電壓的程序指令；以及 基于所述充電電壓可變地對所述低壓電池充電的程序指令。16.根據權利要求15所述的非暫時性計算機可讀介質，其中 基于所述燃料電池堆的所需電力，將所述空氣量在最小空氣量與最大空氣量之間劃分為N個空氣量，并且 將所述充電電壓設定為與所述N個空氣量對應的N個充電電壓。17.根據權利要求16所述的非暫時性計算機可讀介質，其中與所述最小空氣量對應的充電電壓被設定為最大充電電壓。18.根據權利要求16所述的非暫時性計算機可讀介質，其中與所述最大空氣量對應的充電電壓被設定為最小充電電壓。19.根據權利要求16所述的非暫時性計算機可讀介質，其中所述N個充電電壓在所述最大充電電壓與所述最小充電電壓之間逐步降低。
【文檔編號】H02J7/00GK105870981SQ201510598452
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年9月18日
【發明人】閔丙昊, 李圭, 李圭一, 尹圣坤
【申請人】現代自動車株式會社