燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法

专利名称：燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法。更具 体地，本发明涉及用于在包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动 力源的蓄能装置(例如超级电容器或电池)的燃料电池-蓄能装置混合 动力车中改善燃料效率和增加再生制动量的燃料电池停止-重启控制方 法。
背景技术：
燃料电池是不通过燃烧将燃料的化学能量转换为热量而是在燃料 电池堆中将化学能量直接电化学地转换成电能的发电系统。这样的燃 料电池可被应用于对诸如便携式装置的小型电气/电子装置供应电力， 也被应用于对工业、家庭和车辆供应电力。
目前，最优选的车用燃料电池是聚合物电解质膜燃料电池
(PEMFC)，也称为质子交换膜燃料电池，其优选地包括膜电极组件 (MEA)，其包括用于输送氢离子的聚合物电解质膜(PEM)和适当地 布置在PEM两侧上的其中发生电化学反应的电极催化剂层；用于均匀 地扩散反应气体和传输生成的电力的气体扩散层(GDL);用于保持反 应气体和冷冻剂的气密性并且提供适当粘合压力的垫圈和密封部件； 以及用于转移反应气体和冷冻剂的双极板。
在具有上述配置的燃料电池中，作为优选的燃料的氢和作为优选 的氧化剂的氧(空气)分别通过双极板的流场供应到阳极和阴极。氢 适当地被供应到阳极(也称为"燃料电极"、"氢电极"和"氧化电极") 并且氧(空气)适当地被供应到阴极(也称为"空气电极"、"氧电极" 和"还原电极")。供应到阳极的氢被优选地设置在电解质膜两侧上的 电极催化剂层的催化剂离解为氢离子(质子，H")和电子(e—)。此时， 仅氢离子通过电解质膜被选择性地传输到阴极，并且同时电子通过为 导体的GDL和双极板被传输到阳极，上述电解质膜优选地为阳离子交换膜。在阴极，通过电解质膜供应的氢离子和通过双极板传输的电子 与由空气供应机供应到阴极的空气中的氧汇合并且引起生成水的反 应。由于此时发生氢离子移动，通过外部导线的电子发生流动，并且 由此适当地生成了电流。
如果燃料电池被用于电动车仅有的动力源，燃料电池为车辆的所 有负载提供动力，会导致在燃料电池的效率很低的运行期间的性能下 降。此外，在需要高电压的高速运行期间，由于输出电压的快速下降 而不能提供驱动电动机所需的足够电压，从而降低了加速性能。此外， 如果骤加荷载被施加到车辆，燃料电池的输出电压骤然下降，并且没 有足够的动力供给至驱动电动，从而降低了车辆性能(因此，由于电 力由电化学反应生成，负载的骤然变化对燃料电池施加了很重的负 荷)。另外，由于燃料电池优选地具有单向输出特性，因此在车辆制动 期间不可能从驱动电动机再生能量，从而降低了车辆系统的效率。
因此，已开发出燃料电池混合动力车。示例性的燃料电池混合动 力车包括诸如公共汽车的大型车辆，以及小型车辆，并且除了作为主 动力源的燃料电池以外优选地装配有用作辅助动力源的诸如高电压电 池或超级电容器的蓄能装置以适当地提供驱动电动机所需的动力。目 前，已经研究出不使用功率变换器的燃料电池-蓄能装置混合动力车， 并且燃料电池-蓄能装置混合动力车具有高燃料效率(例如高再生制动、 超级电容器的高效率，并且不使用功率变换器)，燃料电池的耐用性增 加，适当高的可靠性控制等。
在其中燃料电池和蓄能装置优选地直接连接的混合动力车中，在 行驶期间燃料电池以适当恒定的水平连续地输出功率。如果电力适当 地足够，则由剩余功率对蓄能装置充电，而，如果电力不足，则蓄能 装置供应不足的动力以驱动车辆。
以下说明燃料电池-超级电容器混合动力车的示例性配置。
图1是显示出燃料电池-超级电容器混合动力车的动力系统的示例 性配置示意图，该混合动力车优选地包括适当地用作主动力源的燃 料电池2，适当地用作辅助动力源的超级电容器10，优选地置于为燃 料电池2的输出端的主接线端子3和超级电容器10之间的超级电容器 预充电单元9，和电动机控制单元(MCU)(具有逆变器)；MCU是用于旋转驱动电动机8的动力模块，其连接到燃料电池2的输出端和超
级电容器IO，通过从其接收直流电而产生3相脉宽调制(PWM)并且
控制电动机驱动和再生制动。在优选的实施方式，超级电容器预充电
单元9仅用于在初始启动期间对放电的超级电容器充电。
上述燃料电池超级电容器混合动力车使用燃料电池2作为主动力 源，燃料电池2优选地接收来自储氢罐1的氢，并且接收来自鼓风机 (未示出)的空气以通过氢和空气中的氧之间的电化学反应来适当地 发电。驱动电动机8和MCU 7优选地通过主接线端子3连接到燃料电 池2，并且超级电容器10通过超级电容器预充电单元9连接到燃料电 池2以提供动力辅助和再生制动。此外，用于高电压和低电压间的功 率变换的低电压DC-DC变换器(LV DCDC) 11和用于驱动燃料电池 外围设备外围设备(balance of plant, BOP)组件16的低电压电池(12V 辅助电池)12被连接到主接线端子3。此外，通过主接线端子3接收 高电压功率而运行的空调13和加热器14被适当地连接到主接线端子 3。
用于驱动燃料电池2的诸如鼓风机、氢再循环鼓风机、水泵等的 燃料电池BOP组件16连接到主接线端子3以促进燃料电池2的启动。 此外，用于促进电源和阻塞二极管6的连接和断开的继电器4和5被 设置在主接线端子3中以防止反向电流流向燃料电池2。
附图标记15表示燃料电池BOP组件16的驱动器，并且17表示 用于供应热量以促进燃料电池2的冷启动的加热器。
为了便于理解本发明，将简要说明燃料电池系统的配置。图2显 示示例性的空气供应机和示例性的供氢机。如附图中所示，通过鼓风 机28供应的干空气由加湿器29润湿并且被供应到燃料电池堆2的阴 极。优选地，用从阴极生成的水润湿的阴极的废气被输送到加湿器29 并且被用于润湿要通过鼓风机28供应到阴极的干空气。
供氢机优选地包括两条管线。第一管线通过低压调节器(LPR) 23 将氢供应到燃料电池堆2的阳极，并且在阳极的出口端的部分氢通过 再循环鼓风机24进行再循环。第二管线通过阀25和喷射器26向阳极 供应高压氢，并且来自阳极的出口端的部分氢通过喷射器26进行再循 环和供应。接通过电解质膜而不发电，并且与阴极
中的氧反应，被称为渗透(crossover)。为了减少氢渗透的量，必须适 当地减少低动力运行期间的阳极压力，并且增加其中燃料电池堆的输 出被适当地增加的高动力运行期间的阳极压力。由此，当需要低压时 单独使用低压调节器23，并且当需要高动力时或在氢清洗(hydrogen purging)期间通过控制阀25供应高压氢。因此，阳极(氢)压力越高， 氢渗透的量增加地越多。由于氢渗透对燃料效率和燃料电池的耐用性 有不良的影响，必须保持适当的阳极压力。氢清洗阀(hydrogen purge valve) 27用于排放阳极的杂质和冷凝水，由此确保了燃料电池堆的性 能。优选地，阳极的出口端连接到脱水器31使得如果冷凝水的量达到 预定水平，则储存在脱水器31中的冷凝水通过阀32被排放。
包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的超级电容器 (或为二次电池的高电压电池)的混合动力车的驱动模式优选地包括 其中仅由燃料电池的动力驱动电动机的电动车(EV)模式，其中由燃 料电池和超级电容器同时驱动电动机的混合电动车(HEV)模式，以 及其中超级电容器被充电的再生制动(RB)模式。
然而，在燃料电池-超级电容器混合动力车中，超级电容器由燃料 电池自动充电，由此限制再生制动。因此，在低动力运行期间和再生 制动期间停止燃料电池的运行将克服该限制。此外，能够通过在燃料 电池的效率低的低动力运行期间限制燃料电池的使用来改善燃料效 率。
为了改善燃料效率，必须考虑燃料电池停止/重启处理，即怠速停 止-启动控制处理，其中如果需要，在燃料电池-电池或燃料电池-超级 电容器混合动力车行驶期间，燃料电池的动力生成被停止和重新启动 (燃料电池被打开和关闭)。车辆行驶期间燃料电池的怠速停止被适当 地与车辆运行结束后燃料电池系统的停车区别开。因此，必须将用于 燃料电池的怠速停止的控制处理和用于燃料电池系统的停车的控制处 理区分开。
美国专利公开号第20030118876号公开了一种技术，其中在低动 力运行期间或如果超级电容器的电压适当地在预定水平之上，在燃料 电池和超级电容器间连接的继电器开关被关闭以断开燃料电池的输出，并且如果车辆所需的输出增加或如果超级电容器的电压适当地在 预定水平之下，则继电器开关被接通以连接燃料电池的输出。在此技 术中，用于断开燃料电池的输出的主接线端子的继电器开关被接通和 关闭以实现怠速停止/启动，并且因此需要独立的继电器开/关控制。
美国专利第6,484,075号公开了一种技术，其中通过基于车轮转速， 制动器是否工作，充电状态(SOC)，电负载等确定怠速状态来切断燃 料电池动力供应，并且其中如果蓄电单元在预定SOC之下则燃料电池 动力供应被重新启动。此处，进入怠速停止的条件是非常受限制的(例 如，如果车辆停止，如果负载在预定值以下，如果制动器处于工作状 态，并且如果SOC在预定值之上则执行怠速停止)。此外，在燃料电 池处需要诸如DC/DC断路器的分离装置以进行怠速停止，并且在 DC/DC断路器用于限制电流后在释放怠速停止状态期间，DC/DC断路 器直接连接到超级电容器。
因此，优选地提供在改善燃料电池的燃料效率并增加再生制动量 的同时，通过适当简化的控制处理来停止并且重新启动燃料电池的动 力生成的方法。由于如果燃料电池停止区被适当地增加，燃料电池的 耐用性会下降，优选地提供用于即使在无动力生成区中也使燃料电池 保持在最佳状态的方法。
背景技术：
部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理 解，并且因此其可包含不形成在本国内已为本领域普通技术人员所公 知的现有技术的信息。

发明内容
本发明提供了用于在包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动 力源的蓄能装置(例如超级电容器或电池)的燃料电池-蓄能装置混合 动力车中改善燃料效率和增加再生制动量的怠速停止-启动控制方法。 此外，本发明提供了用于在燃料电池的无动力生成区中使燃料电池保 持在最佳状态的方法。
在一个实施方式中，本发明提供了优选地包括作为主动力源的燃 料电池和作为辅助动力源的蓄能装置的燃料电池混合动力车的怠速停
止-启动控制方法，该方法包括通过确定用于停止燃料电池的动力生成的条件来确定是否执行燃料电池停止模式；如果燃料电池停止模式 被确定，则执行燃料电池停止模式，优选地其中通过停止对燃料电池 的反应气体的供应来切断从燃料电池堆输出的电流；以及如果在燃料
电池停止模式下满足重新启动燃料电池的条件，则优选地，例如通过 重新启动空气和氢的供应来执行燃料电池重启模式。
在优选的实施方式中，确定是否执行燃料电池停止模式的步骤优
选地包括将蓄能装置的电压与预定基准电压相比较；以及如果蓄能 装置的电压在与低动力区或再生制动区相对应的基准电压以上，并且 如果当前状态不是与燃料电池堆的劣化相对应的燃料电池警告状态， 则适当地确定燃料电池停止模式。
在另一个优选的实施方式中，执行燃料电池停止模式的步骤优选 地包括适当地切断向燃料电池堆的空气供应；以及在由阴极中的剩 余氧生成的电流被消耗时，允许切断从燃料电池输出的电流。
在又一个优选的实施方式中，该方法进一步包括如果从燃料电 池堆输出的电流被切断，则优选地进入无动力生成模式，使得阳极的 压力适当地保持在预定电压上以通过向燃料电池堆供氢来防止氢被适 当地导入至阳极中；以及如果燃料电池堆的电压下降到被消除，则优 选地驱动用于电压消除的负载装置以适当地防止在燃料电池堆中生成 电压，并且切断氢供应。
在又一个优选的实施方式中，该方法进一步包括当在阳极的压 力被保持在预定压力下的状态下启动无动力生成模式后已经过了预定 时间时，如果电压不下降，而是仍然存在，则立即驱动用于电压消除 的负载装置；以及如果从燃料电池堆消除剩余电压，则切断氢供应。
在又一个优选的实施方式中，该方法进一步包括确定在无动力 生成模式启动后是否期望加速；以及如果期望加速，则持续地保持氢 供应。
在进一步优选的实施方式中，执行燃料电池停止模式的步骤包括: 适当地切断向燃料电池堆的氢供应；以及如果在由阳极中的剩余氢生 成的电流被消耗时阳极的压力减小到预定压力，则允许通过切断向燃 料电池堆的空气供应来切断从燃料电池输出的电流。
在另一进一步优选的实施方式中，在执行燃料电池重启模式的歩骤中，如果满足用于重新启动燃料电池的条件，则通过重新启动空气 和氢的供应而进入燃料电池重启模式，在上述条件中，蓄能装置的电 压低于预定基准电压或车辆所需的负载高于基准负载。
要理解的是本文使用的术语"车辆"或"车辆的"或其他类似术 语通常包括下列的机动车例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽 车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的水运工具，以及飞
行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车(plug-in hybrid electric vehicles)、氢燃料车和其他代用燃料车(例如，来源于石 油以外的资源的燃料)。
如本文所提到的混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例 如，具有汽油动力和电动两种动力的车辆。
本发明的上述特征和优点从附图和下面的具体实施方式
中将是显 而易见的或者在附图和下面的具体实施方式
中得以更加详细地阐明， 附图合并入并形成本说明书的一部分，附图和下面的具体实施方式
一 起用于通过实施例来解释本发明的原理。


现在参考附图中图示的本发明的某些示例性实施方式对本发明的 上述和其它特征进行详细说明，以下给出的附图仅为了说明，并因此
不是对本发明的限制，且其中
图1是显示燃料电池-超级电容器混合动力车的动力系统的示例性 配置示意图2是显示燃料电池车中空气供应机和供氢机的配置示意图； 图3是显示根据本发明的示例性实施方式的燃料电池开/关控制处 理的流程图4是显示根据本发明的优选实施方式的燃料电池开/关控制方法 的图5是显示根据本发明的优选实施方式的燃料电池停止模式的示 例性控制处理的流程图6是显示根据本发明的另一优选实施方式的燃料电池停止模式 的示例性控制处理的流程图；图7是显示根据本发明的燃料电池停止模式的示例性控制方法的
图8是显示根据本发明的某些示例性实施方式的燃料电池重启模 式的示例性控制处理的流程图9是显示根据本发明的优选实施方式的燃料电池重启模式的控 制方法的图10是显示通过将本发明的示例性实施方式的控制方法应用到实 际车辆所获得的结果的示意图11和12图解本发明的示例性实施方式，其中当实施本发明时， 燃料电池系统的效率改善并且动力利用分配改善。
图13是显示根据本发明的无动力生成区的控制方法的流程图14是显示关于阳极的氢压力的氢渗透量的示意图；以及
图15是显示根据本发明的无动力生成的控制方法的实施例的示意 图，其中显示电压的变化随压力的变化而变化。
如下面进一步所述，图中所示的附图标记包括对以下元件的标记
2:燃料电池 8:电动机
10:超级电容器 16:燃料电池BOP组件
18:用于电压消除的负载装置
应该理解附图没有必要按比例绘制，它们只是展示了图示说明本 发明基本原理的各种优选特征的略加简化的表示方式。如本文公开的 本发明的具体设计特征(包括，例如，具体尺寸、方向、位置以及形 状)部分地将由特定目的应用以及使用环境来确定。
在附图的各图中，附图标记始终指本发明的相同或等效部件。
具体实施例方式
如本文所述，本发明包括燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控 制方法，所述燃料电池混合动力车包括作为主动力源的燃料电池和作 为辅助动力源的蓄能装置，该方法包括确定是否执行燃料电池停止模 式；如果燃料电池停止模式被确定，则执行燃料电池停止模式；以及 如果在燃料电池停止模式下满足重新启动燃料电池的条件，则执行燃 料电池重启模式。在一个实施方式中，该方法进一步包括确定是否执行燃料电池停 止模式的步骤，该步骤进一步包括确定停止燃料电池的动力生成的条 件。
在该方法的另一实施方式中，执行燃料电池停止模式进一步包括 如果确定燃料电池停止模式则通过停止对燃料电池的反应气体的供应 来切断从燃料电池堆输出的电流。
在该方法的又一实施方式中，执行燃料电池重启模式的步骤进一 步包括如果在燃料电池停止模式中满足重启燃料电池的条件则重新启 动空气和氢的供应。
以下将对本发明的各种实施方式详细地做出参考，其实施例图示 在附图中并且在下面描述。尽管将要结合示例性实施方式来描述本发 明，但是要理解的是，本描述并非要将本发明限制到那些示例性实施 方式中。相反，本发明不但要覆盖示例性实施方式，而且还覆盖可以 被包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替 代方式、变化形式、等效形式以及其他实施方式。
如上所述，不使用功率变换器的燃料电池-蓄能装置(例如超级电 容器)混合系统具有高燃料效率(例如高再生制动、超级电容器的高 效率)，燃料电池的耐用性的增加，高可靠性控制(例如自动动力辅助， 自动再生制动功能)等，但由于超级电容器被燃料电池自动充电而使 蓄能装置的电压增加，使得在再生制动中存在限制。例如，当作为蓄 能装置的超级电容器被燃料电池自动充电时，在超级电容器中充电的 电能的量适当地增加，并且由此被再生制动充电的电能的量减少。这 样的问题可通过在低动力运行期间和在再生制动期间停止燃料电池的 运行来解决。具体地，可通过在效率很低的低动力运行期间停止燃料 电池的动力生成来改善燃料效率。
因此，在本发明中，通过控制燃料电池-蓄能装置混合系统中的反 应气体的供应来优选地控制燃料电池开/关，其中通过在低动力运行期 间切断反应气体的供应来停止燃料电池的动力生成，使得驱动车辆所 需的动力优选地从蓄能装置(例如超级电容器或电池)供应，从而在 电动车辆(EV)模式下驱动车辆，并且在再生制动期间也停止燃料电 池的运行，从而适当地改善燃料效率。能够通过在低动力运行期间和再生制动期间适当地切断空气供应(需要鼓风机的运行)和氢的供应 来改善燃料电池系统的效率。
为了改善燃料电池混合动力车的燃料效率，必须提高各组件的效 率；然而开发出用于驱动车辆的最佳技术也是很重要的。改善燃料效
率的重要因素包括，但不限于，燃料电池外围设备(BOP)组件的操
作的减少，再生制动量的增加，以及氢利用效率的增加，这些因素可 通过在低动力运行期间和再生制动期间停止燃料电池的动力生成而实
现。优选地，诸如鼓风机、氢再循环鼓风机、水泵等的燃料电池BOP 组件的输出适当地大于在低动力运行期间用于驱动系统所需的输出， 并且由此燃料电池系统的效率适当地降低。因此，如果适当地停止燃 料电池BOP组件的使用而不使用用于停止燃料电池的运行的任何装 置，则能够改善燃料电池系统的效率并且防止蓄能装置被燃料电池自 动充电(这也是燃料电池-蓄能装置混合动力车系统的缺点)，从而防止 了再生制动量的减少。
在一个示例性实施方式中，使用燃料电池-超级电容器混合动力车 的一个实施例来提供本发明的详细说明。然而，将很容易为本领域技 术人员所理解的是，超级电容器可适当地由是另外的辅助动力源的高 电压电池来替换。本领域众所周知的是超级电容器和电池是能够充电 和放电的蓄能装置，并且用作燃料电池混合动力车的辅助动力源。
优选地，燃料电池系统控制器可执行本发明的怠速停止-启动，并 且本发明的控制处理可适当地在燃料电池系统控制器的控制下由包括 动力分配控制器的数种控制器之间的协同控制来执行，上述动力分配 控制器是燃料电池混合系统中的上级控制器。
图3是显示根据本发明的示例性实施方式的燃料电池开/关控制处 理的流程图，并且图4是显示根据本发明的优选实施方式的燃料电池 开/关控制方法的图。
根据优选的实施方式，首先，适当地执行确定是否执行怠速停止 的步骤，S卩，确定是否燃料电池的动力生成停止的步骤(SIO)。由于 在燃料电池-超级电容器混合系统中，超级电容器的电压与燃料电池的 负载成反比，因此能够基于超级电容器电压来确定燃料电池的动力生 成是否停止或重新启动，即，燃料电池是否开启或关闭。因此，在进一步的实施方式中，超级电容器电压与预定第一基准 电压(图中表示为"Vhigh—limit2")相比较，并且如果超级电容器电压(与 由电压传感器在主接线端子处测量的主接线端子电压相对应)在与低 动力区或再生制动区相对应的第一基准电压以上，并且如果当前状态 不是与燃料电池堆的劣化相对应的燃料电池警告状态(燃料电池警告 标记=0)，则确定燃料电池停止，从而执行如下所述的燃料电池停止模
式(S20)。
优选地，在燃料电池停止状态中，适当地监控是否满足释放怠速
停止的条件，即，重新启动燃料电池的条件(S30)。在优选的实施方 式中，超级电容器电压与预定第二电压(图中表示为"Vhigh—limitl"作比 较，并且如果超级电容器电压(与燃料电池的负载成反比)在第二基 准电压以下或如果车辆所需的负载大于基准负载，则确定燃料电池重 新启动，从而执行如下所述的燃料电池重启模式(S40)。
优选地，第一基准电压是用于确定燃料电池堆的低动力区或再生 制动区的超级电容器电压，并且由此可基于超级电容器电压(与燃料 电池的负载成反比)来确定燃料电池堆的低动力区或再生制动区。
优选地，如图4所示，通过在燃料电池开启和关闭的时间点提供 滞后来防止燃料电池被频繁地开启和关闭，并且在燃料电池警告状态， 即，诸如燃料电池堆的劣化的异常状态下，燃料电池被禁止关闭。优 选地，当确定燃料电池关闭状态被适当地返回至燃料电池开启状态时， 如果车辆所需的负载(例如电动机电流、车辆请求扭矩、加速器的开 启程度等)适当地大于预定值，则无论超级电容器电压是多少，都会 重新启动燃料电池。优选地，在再生制动期间，能够优选地通过将用 于确定再生制动的基准电压设置为低来快速停止燃料电池的运行，从 而增加了再生制动量。优选地，在燃料电池停止模式下，诸如但不限 于氢再循环系统、冷却风扇和冷却泵以及鼓风机的燃料电池BOP组件 的运行被适当地停止以节省能量。以上设定的值与车辆所需的适当负 载相对应，并且因此该设定值是用于确定是否从燃料电池停止模式返 回至燃料电池重启模式的预定基准值。
本发明的进一步实施方式的特征在于如本文所述的燃料电池停止 模式的控制处理。图5是显示根据本发明的优选实施方式的燃料电池停止模式的示 例性控制处理的流程图，图6是显示根据本发明的另一优选实施方式 的燃料电池停止模式的示例性控制处理的流程图，并且图7是显示根 据本发明的燃料电池停止模式的示例性控制方法的图。
例如，如附图中所示，如果在正常运行期间优选地满足进入燃料
电池停止模式的条件，则启动燃料电池停止模式的控制处理(S20)。 在图5的优选实施方式中，当优选地进入燃料电池停止模式时，首先 停止鼓风机的运行以切断为反应气体之一的空气的供应(S21)，并且 在切断从燃料电池堆输出的电流的同时，适当地停止燃料电池的运行
(图7中的"F.COFF")。
如上所述，当优选地进入燃料电池停止模式时，如果鼓风机的运 行停止使得空气不再供应到燃料电池堆的阴极，则电流不会立即从燃 料电池堆去除。也就是，由阴极的剩余氢生成的电流以对超级电容器 充电被消耗，并且被BOP组件和车辆负载消耗(S22)，并且如果由于 消耗的氢使燃料电池堆电压适当地低于超级电容器电压，则电流不再 流进燃料电池堆(S23)。因此，在燃料电池的输出被切断的状态下执 行无动力生成区的控制(S24)。为了防止燃料电池在无动力生成区内 的劣化，优选地确定是否操作除鼓风机以外的燃料电池BOP组件，并 且由此燃料电池电压接近于零。
在图6的示例性实施方式中，当优选地进入燃料电池停止模式
(S20)时，氢供应被首先切断(例如，优选地通过关闭充氢阀)(S21')， 并且由阳极的剩余氢生成的电流被消耗以对超级电容器充电，并且被 BOP组件和车辆负载消耗(S22')。优选地，如果阳极的压力被减少到 处于最佳水平的预定压力P。ptimal (S23')，则空气供应被切断(例如， 优选地通过关闭鼓风机)以防止电压进一歩升高，从而防止电流从燃
料电池堆流出(S23")。在优选实施方式中，压力P。ptiM是在燃料电池
停止模式期间预定以适当地减少氢渗透量的阳极压力值。此后，紧随 其后的是以最小压力供氢以防止氧被导入的步骤(S23'")。
步骤S23'"的最小压力应该是足以尽可能低在抑制氢渗透的同时 导入氧。为了执行此步骤，可随之执行充氢阀的开/关控制、PWM控 制或线性压力控制。根据本发明的优选实施方式，在燃料电池的输出被切断的状态下优选地执行无动力生成区的控制(S24)。在优选实施 方式中，为了防止在无动力生成区中燃料电池劣化，适当地确定是否 操作除鼓风机以外的燃料电池BOP组件，并且因此在进一步的实施方 式中燃料电池电压接近于零。
根据本文所述的发明，当执行上述燃料电池停止模式时，在低动
力区驱动车辆所需的动力优选地从超级电容器供应，使得车辆以EV模 式行驶，并且其结果是，在低动力区停止燃料电池及其BOP组件的运 行，由此改善了燃料效率。如果在再生制动期间，燃料电池的运行适 当地停止使得超级电容器不被燃料电池自动充电，则由此增加再生制
图8是显示根据本发明的某些优选实施方式的燃料电池重启模式 的示例性控制处理的流程图，并且图9是显示根据本发明的优选实施 方式的燃料电池重启模式的控制方法的图。
优选地，当适当地进入燃料电池重启模式时(S40)，用于电压消 除的负载装置(图1的18)被首先停止(S41)，氢和空气的供应被重 新启动(优选地通过打开充氢阀和开启鼓风机)以增加燃料电池电压 (S42)，并且与装置负载相对应的电流和超级电容器充电电流适当地 从燃料电池堆输出(S43)。因此，在进一步优选的实施方式中，诸如 但不仅限于鼓风机、氢再循环鼓风机、水泵等的燃料电池BOP组件的 运行被适当地重新启动以满足车辆负载。另外，由于大体上与燃料电 池启动的同时引出电流，检査燃料电池的异常状态，例如，燃料电池 堆的劣化(S44)，并且如果燃料电池的异常状态是警告状态，则增加 空气供应量或者縮短氢清洗周期(或者在清洗期间长时间地开放氢清 洗阀)(S45)。其结果是，更快地执行了燃料电池堆的电能生成，由此 保持了燃料电池堆的性能。在优选实施方式中，诸如燃料电池堆的劣 化的燃料电池系统的异常状态适当地通过测量例如，燃料电池堆温度、 电池间的电压变化、燃料电池堆总电压来确定。
如上所述，在执行燃料电池重启模式时，氢和空气供应被重新启 动使得完成燃料电池重启(图9中的"F.C.ON")，并且因此车辆以混 合动力车(HEV)模式行驶，在HEV模式中基本上同时使用燃料电池 的动力和超级电容器的动力。如优选实施方式所示例，本发明人执行一种测试，其中在直接应 用本发明的控制方法的实际车辆停止的优选状态下，适当地反复停止 和重新启动空气供应，并且结果显示在图10中。如图中所示，优选地 根据主接线端子电压(超级电池电压)而适当地反复停止和重新启动 空气供应，并且可看到当空气供应停止时电压适当地减小。在重启期 间，通过供应适当量的空气而快速地恢复电压。
图11和12显示本发明的示例性实施方式，其中当执行本发明时， 改善了燃料电池系统的效率并改善了动力利用分配。优选地，根据本 文所述的本发明的优选实施方式，由于在效率很低的低动力区处燃料 电池BOP组件的运行适当地停止，因此燃料电池在高效率区内运行。
优选地，燃料电池的高效率运行由燃料电池BOP组件的能耗适当减少
而产生，并且由于从燃料电池向超级电容器充电的电流被切断，因此 能够进一步获得足够的再生制动量。优选地，当应用本发明时，例如，
可优选地期望在燃料效率方面有4%到5%的提高，并且此燃料效率的 提高是由燃料电池BOP组件的能耗减少(参照图12中的虚线)以及 再生制动能量回收的增加(参照图12的虚线)而产生的。在图11中， "燃料电池净功率"表示通过从燃料电池的输出减去燃料电池BOP组 件所需的输出而获得的示例性输出，并且表示从燃料电池施加到车辆 负载的输出。
在进一步优选的实施方式中，本发明包括能够防止燃料电池堆在 无动力生成区中劣化而在燃料效率提高方面没有损失(根据怠速停止 控制)的适当的控制方法作为当启动燃料电池停止模式以实现怠速停 止时用于将燃料电池保持在最佳状态的适当的控制策略。
在优选实施例中，将参照下面示例性的图13说明本发明的无动力 生成区的控制处理。图13的无动力生成区的控制处理紧随在根据图5 的示例性实施方式的怠速停止控制处理以后。
优选地，在本发明的无动力生成区的控制处理中，在燃料电池停 止模式启动时至燃料电池堆的空气供应被适当地停止的状态下，通过 确定在燃料电池中是否存在剩余电压，适当地控制燃料电池堆的阳极 压力，并且适当地控制负载装置以防止燃料电池堆中生成电压来使燃 料电池保持在最佳状态。本领域技术人员所公知的是，如果在当燃料电池的运行停止时仍 然有一些燃料电池电压Vrc的状态下氧被供应到阳极，则由于碳蚀促 进了燃料电池的劣化。因此，在优选实施方式中，必须通过保持氢供 应而不是直接停止对阳极供氢来防止氧供应到阳极。
如果持续地保持氢供应，则阳极中的剩余氢直接通过电解质膜而 不生成电力并且与阴极中的氧反应，被称为对燃料效率有负面影响的 氢渗透。图14显示氢渗透量相对于阳极的氢压力的变化。因此，如果 阳极的氢压力被保持在适当的水平，则能够适当地防止阴极的氢损失 (由于渗透产生的损失)并且防止氧被供应到阳极，从而保持燃料电 池堆的耐用性。
考虑到上述情况，本发明在燃料电池无动力生成启动后不直接停 止氢供应，而是通过适当地供应适当量的氢将阳极压力保持在最佳水 平，并且如果燃料电池电压被消除，则随后停止氢供应。
如果在正常运行期间适当地满足如图4中所示的燃料电池停止的 条件，则优选地执行如图5中所示的燃料电池停止模式的控制处理(怠 速停止控制)。如果进入燃料电池停止模式，则停止鼓风机的运行以停 止空气供应，并且此时，阴极中一部分剩余氧被消耗以生成要被充电
至超级电容器并且被燃料电池BOP组件消耗的电流。其结果是，燃料 电池电压Vrc低于由消耗的氧生成的超级电容器电压，并且因此电流 不再流进燃料电池堆。
如图13中所示，在进一步的实施方式中，燃料电池进入无动力生 成模式(S31)。优选地，确定是否期望车辆加速，并且如果是，则保 持氢供应而不操作用于电压消除的负载装置(图1中的18) (S32和 S33)。在不供氢的情况下(从图6可看出)，在步骤S33启动氢供应。 此时，加速踏板传感器值、制动器踏板传感器值、导航信号、传动齿 轮位置等可被用来确定是否期望加速。如上所述，如果期望加速，则 尽管由于氢渗透而使燃料效率下降，仍保持至阳极的氢供应以确保动 力性能。随后，优选地，当燃料电池重新启动时，可消除供氢处理并 且可立即重新启动燃料电池的动力生成。
在其他优选的实施方式中，如果期望不加速，由于在无动力生成
模式启动后在预定时间Tmax Umit内保持一定的剩余电压，则通过向燃料电池堆供氢将阳极的压力保持在预定压力P。ptima!下(S34和S35)。此 处，压力P。ptima,被设置为阳极的最小氢压力以防止从阴极供氧。应该 理解的是歩骤S35的最小氢压力在尽可能地抑制氢渗透的同时足以防
止导入氧。为了执行此步骤，可随之执行充氢阀的开/关控制、PWM控
制或线性压力控制。
随后，由于阳极的氢直接与阴极的氧反应(渗透)，如果当阴极中
的氧量下降(空气供应停止)时电压下降到零(S36)，则用于电压消 除的负载装置连接到燃料电池堆并且被驱动以防止电压生成(S37)， 并且氢供应被切断(S38)。在此状态下，即使由诸如外部空气供应的 意外情况生成电压，驱动用于电压消除的负载装置以消除电压并且防 止进一歩的电压生成。
优选地，当在通过供氢使阳极的压力保持在预定压力的状态下启
动无动力生成模式后已经过预定时间Tn^jtait时，如果电压不下降(无 动力生成保持时间〉Tm^脇t并且VFC〉0)，则用于电压消除的负载装置 立即连接到燃料电池堆并且被驱动以消除燃料电池堆中的剩余电压，
不等到电压下降(S34、 S35'和S36')。然后，如果剩余电压被消除， 则切断氢供应(S37，和S38')。此处，预定时间Tmax—umit是设置为最大 无动力生成时间的值，其中不操作用于电压消除的负载装置。
如果无动力生成保持时间增加，则剩余电压基本上被消除。因此， 负载装置被立即驱动(如果负载装置为电阻器，则连接开关)，而不需 要控制氢供应，并且执行防止电压生成的控制。此外，在高速运行期 间，如果由于意外的外部空气供应使燃料电池电压不下降或如果由于 主接线端子电压的异常增加使电流意外地流进燃料电池堆，则立即连 接用于电压消除的负载装置以减小电压，并且随后切断氢供应。
如本文的实施方式所述，在本发明中，用于电压消除的负载装置 (图1中的18)优选地连接到燃料电池堆的输出端以防止在燃料电池 无动力生成区期间在燃料电池堆中生成电压。用于电压消除的负载装 置可以是由开关装置连接和断开的电阻器或可以是功率变换器和蓄能 装置的组合以提供有效控制。
在某些实施方式中，本发明的特征在于电阻器，其中在上述控制 处理中，该电阻器优选地由继电器开关选择性地连接和断开，该继电器开关由控制器适当地打开和关闭。在进一步的某些实施方式中，本 发明的特征在于功率变换器，并且优选地如果生成预定量的电压，则 由控制器控制功率变换器使得剩余功率储存在蓄能装置中。
如本文所述，在无动力生成区的控制处理中，就加速性能而言， 当期望加速时保持氢供应的方法是适当地有利的，并且就加速性能而 言，在通过供氢使阳极压力保持在最佳水平后切断氢供应的方法是不 利的。因此，就燃料效率而言，当期望加速时保持氢供应的方法是不 利的，并且立即驱动用于电压消除的负载装置并且切断氢供应而不控 制阳极压力的方法是有利的。
图15是显示根据本发明的无动力生成区的优选控制方法的实施例 的示意图，其中显示当应用通过供氢而将阳极压力保持在最佳水平并 且切断氢供应的方法时获得的电压变化随压力变化而变化。
优选地，如附图中所示，在当燃料电池停止模式被启动时切断空 气供应后，由剩余氢和氧生成的电流被车辆负载消耗并且被消耗以对 超级电容器充电。其结果是，如果电流不适当地流进燃料电池堆，则 将阳极的压力保持在最小氢压力以防止氧被导入。随后，如果由于阴 极中氧量的减少使燃料电池堆电压下降，则用于电压消除的负载装置 被连接到燃料电池堆并且被驱动，并且切断氢供应。
在上述的本发明的无动力成区的控制方法中，如果在燃料电池停 止模式启动时适当地切断向燃料电池堆的空气供应，则不立即切断氢 供应。相反，如果在通过施加适当量的氢将阳极压力保持在最佳水平 后优选地消除燃料电池电压 ，则切断氢供应。如本文所述，根据无动 力生成区的控制方法，能够防止当氧通过电解质膜被导入至阳极中时 发生的燃料电池堆的劣化，而不影响燃料效率的提高，并且进一步提 高燃料电池堆的耐用性。
如上所述，根据本发明，在燃料电池的低效率区中，适当地切断 空气和氢的供应，并且通过消耗剩余氧和氢使燃料电池电压下降，从 而停止了燃料电池(EV模式或再生制动模式)的运行。如果适当地满 足重新启动燃料电池的条件，其中蓄能装置(超级电容器或电池)的 电压在预定基准电压以下或车辆所需的负载在基准负载以上，则重新
启动空气和氢的供应以重新启动燃料电池(HEV模式)。其结果是，本发明具有以下效果。
(1) 由于在燃料电池的效率较低的低动力运行期间优选地停止燃 料电池BOP组件(特别是鼓风机)的运行，能够适当地改善燃料效率 和燃料电池系统的效率。
(2) 由于防止了从燃料电池向超级电容器的自动充电并且由此适 当地防止了超级电容器的电压的增加，再生制动量增加，从而改善了 燃料效率。
(3) 能够通过减小开路电压(OCV)来适当地提高燃料电池的耐用性。
(4) 能够防止当氧被导入阳极中时发生的燃料电池堆的劣化，而 不影响燃料效率的提高，并且通过无动力生成区的控制处理进一步提 高了燃料电池堆的耐用性，其中如果当燃料电池停止模式被启动时适 当地切断向燃料电池堆的空气供应，则优选地，不立即切断氢供应， 并且如果在通过供氢将阳极压力保持在最佳水平后消除燃料电池电 压，则驱动用于电压消除的负载装置并且切断氢供应。
(5 )由于燃料电池堆中意外生成的电压可通过驱动用于电压消除 的负载装置以及切断氢供应而被立即或基本上立即消除，因此能够防 止燃料电池堆的劣化并且提高燃料电池堆的耐用性。
已经详细参照本发明的优选实施方式说明了本发明。然而，本领 域专业技术人员要理解的是，在不偏离本发明的原理和精神的前提下 可对这些实施方式作出改变，本发明的范围由所附权利要求及其等效 形式限定。
权利要求
1.一种包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的蓄能装置的燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法，所述方法包括通过确定用于停止所述燃料电池的动力生成的条件来确定是否执行燃料电池停止模式；如果所述燃料电池停止模式被确定，则执行所述燃料电池停止模式，其中通过停止对所述燃料电池的反应气体的供应来切断从燃料电池堆输出的电流；以及如果在所述燃料电池停止模式下满足重新启动所述燃料电池的条件，则通过重新启动空气和氢的供应来执行燃料电池重启模式。
2. 如权利要求1所述的方法，其中确定是否执行所述燃料电池停 止模式的步骤包括将所述蓄能装置的电压与预定基准电压相比较；以及如果所述蓄能装置的电压在与低动力区或再生制动区相对应 的基准电压以上，并且如果当前状态不是与所述燃料电池堆的劣化相 对应的燃料电池警告状态，则确定所述燃料电池停止模式。
3. 如权利要求1所述的方法，其中执行所述燃料电池停止模式的 步骤包括切断向所述燃料电池堆的所述空气供应；以及在由阴极中的剩余氧生成的电流被消耗时，允许切断从所述燃料 电池输出的电流。
4. 如权利要求3所述的方法，其进一步包括如果从所述燃料电池堆输出的电流被切断，则进入无动力生成模 式，使得阳极的压力保持在预定电压上以通过向所述燃料电池堆供氢 来防止氧被导入至所述阳极中；以及如果所述燃料电池堆的电压下降到被消除，则驱动用于电压消除 的负载装置以防止在所述燃料电池堆中生成电压，并且切断所述氢供应。
5. 如权利要求4所述的方法，其进一步包括当在所述阳极的压力被保持在所述预定压力下的状态下启动无动 力生成模式后已经过了预定时间时，如果所述电压不下降，而是仍然 存在，则立即驱动用于电压消除的所述负载装置；以及如果从所述燃料电池堆消除剩余电压，则切断所述氢供应。
6. 如权利要求4所述的方法，其进一步包括 确定在所述无动力生成模式启动后是否期望加速；以及 如果期望加速，则持续地保持所述氢供应。
7. 如权利要求1所述的方法，其中执行所述燃料电池停止模式的 步骤包括切断向所述燃料电池堆的所述氢供应；以及如果在由所述阳极中的剩余氢生成的电流被消耗时，所述阳极的 压力减小到所述预定压力，则允许通过切断向所述燃料电池堆的所述 空气供应来切断从所述燃料电池输出的所述电流。
8. 如权利要求l所述的方法，其中，在执行所述燃料电池重启模 式时，如果满足用于重新启动所述燃料电池的条件，则通过重新启动 所述空气和氢的供应而进入所述燃料电池重启模式，在所述条件中， 所述蓄能装置的所述电压低于所述预定基准电压或所述车辆所需的负 载高于基准负载。
9. 一种包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的蓄能装 置的燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法，所述方法包括确定是否执行燃料电池停止模式；如果确定所述燃料电池停止模式，则执行所述燃料电池停止模式;以及如果在所述燃料电池停止模式下满足用于重新启动所述燃料电池的条件，则执行燃料电池重启模式。
10. 如权利要求9所述的方法，其中确定是否执行燃料电池停止模 式的歩骤进一步包括确定用于停止所述燃料电池的动力生成的条件。
11. 如权利要求9所述的方法，其中执行所述燃料电池停止模式的 步骤进一步包括如果确定所述燃料电池停止模式，则通过停止反应气 体至所述燃料电池的供应来切断从燃料电池堆输出的电流。
12. 如权利要求9所述的方法，其中执行燃料电池重启模式的步骤进一步包括如果在所述燃料电池停止模式下满足用于重新启动所述燃 料电池的条件，则重新启动空气和氢的供应。
全文摘要
本发明提供包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的蓄能装置的燃料电池混合动力车的怠速停止-启动控制方法，其中在燃料电池的效率很低的低动力运行期间和再生制动期间切断空气和氢的供应使得剩余氧和氢被消耗以降低燃料电池堆的电压，从而停止燃料电池的运行。
文档编号B60L11/18GK101624020SQ20091000565
公开日2010年1月13日 申请日期2009年2月10日 优先权日2008年7月8日
发明者崔瑞浩, 朴善淳, 权相旭, 李南遇, 柳盛弼 申请人:现代自动车株式会社