专利名称：具有电池电容器能量存储系统的混合燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种燃料电池系统，并且尤其涉及一种使用电 池/电容器电能存储系统的燃料电池系统，所述存储系统不必需要
DC/DC转换器。
背景技术：
氢是十分诱人的燃料，这是因为它是清洁的并且可以用来在燃料 电池中有效地生成电流。在开发氢燃料电池作为车辆功率源的过程 中汽车工业消耗显著的资源。这种车辆可能是更高效的并且比今天 使用内燃机的车辆产生更少的排放物。
氲燃料电池是电化学设备，包括阳极和阴极以及在它们之间的电 解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被分解 以便产生游离氢质子和电子。氢质子穿过电解液到阴极。氢质子与 阴极中的氧气和电子反应以便产生水。来自阳极的电子无法穿过电 解液，并且从而被从负载引导以便在被发送到阴极之前做功。所述 功用于操作所述车辆。
质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行燃料电池。 PEMFC通常包括固相聚合物电解质子导电薄膜，诸如全氟磺酸 (perf luorosulfonic acid)薄膜。阳极和阴极典型情况下包括细 碎的催化粒子，通常为柏(Pt),维持在碳粒子上并且与离子聚合 物混合。催化混合物被淀积在薄膜的相对端上。阳极催化混合物、 阴极催化混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA) 。 MEA制 造起来相对昂贵并且要求确定的条件才能有效操作。这些条件包括 适当的水管理和湿化，并且控制诸如一氧化碳(C0)之类的催化剂 中毒组分。
的功率。燃料电池组接收阴极输入气体，典型情况下为通过压缩器 压到燃料电池组的气流。并非所有的氧气都被电池组消耗并且一些 空气作为阴极废气输出，所述废气可以包括水作为电池组的副产
品。燃料电池组还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入 电池组的阳极端。
大部分燃料电池车辆是混合动力型汽车，其除燃料电池组之外使
用可充电的附加电源，诸如DC电池或超级电容器(也被称为超电容 器或双层电容器)。当燃料电池组不能提供所想要的功率时，电源 向各个车辆辅助负载、系统启动和高功率需求期间提供了附加功 率。更特别地是，燃料电池组经由DC电压总线线路向牵引电动机及 其它车辆系统提供了功率以用于车辆操作。在那些需要附加功率超 出电池组可以提供的功率期间，诸如在巨大加速度期间，电池向电 压总线线路提供了附加功率。例如，燃料电池组可以提供70 kW的功 率。然而，车辆加速度可能要求IOO kW或更多的功率。使用燃料电 池组来在燃料电池组能够满足系统功率需求的那些时间为电池重新
由DC总线为电池重新充电。
在上述混合动力型车辆中，典型情况下需要双向的DC/DC转换器 来提升来自电池的DC电压以4更使电池电压匹配由电池组电压所规定 的总线线路电压并且在电池重新充电期间降低所述电池组电压。然 而，DC/DC转换器相对较大、昂贵且沉重，这是明显的缺点。因此希 望从包括附加电源的燃料电池车辆中去除DC/DC转换器。
在工业中存在各种尝试通过提供能够在燃料电池组的操作情况 下处理较大的燃料电池电压摆动来消除在燃料电池供电的混合动力 型车辆中的DC/DC转换器。在一个已知的系统中，超电容器(也被称 为超级电容器和双层电容器)被用为附加电源。然而，超电容器由 于其与电池相比较而言的低能容量而受到其可以放电多少的限制。 超电容器还要求用于在系统启动时提升电容器电压的供电设备。还 使用确定类型的电池来消除车辆燃料电池系统中的DC/DC转换器。然
而，这些系统还受到使电池在确定电平以上放电的能力的限制。换 句话说，作为在系统操作期间DC总线上大电压摆动的结果，这些类 型的电池可能会被损坏。
于_提交的、并且分配给本申请受让人的美国专利
申请序号(代理人概要号GP - 304895 )题目为DC/DC - Less Coupling of Matched Batteries to Fuel Cel ls乂^开了 一种所建i义的系统，
用于去除燃料电池混合动力型车辆中的DC/DC转换器。此系统使用匹 配的电池，其电压输出在整个电压操作范围内与DC总线线路相匹 配。然而在此设计中，对于诸如NiMH电池之类的现有技术的电池的 当前状态来说，在车辆操作期间电池充电状态(S0C)摆动可能导致 缩短电池寿命。例如，电池SOC摆动可能在其最低放电点的20。/。容量 和在其最高充电点的80。/。容量之间，产生了6(T/。的S0C摆动。当电池在
这种大soc摆动上循环时，电池寿命可能被显著地减少。
发明内容
依照本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用彼此串联 并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。 在一个实施例中，超级电容器的额定功率和能量显著地小于电池的 额定功率和能量，而二者被额定为用于相同的电流。当在系统操作 期间电源总线上的电压随着电池组电压改变而改变时，超级电容器
在相对较大的电压摆动(诸如85% SOC摆动)上被充电和放电。超级 电容器均衡或匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为 电池的电压。因此，电池具有相对小的SOC摆动，其减少其SOC循环 并且用于维持电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电 耦合的二极管，用于对电容器提供反向电压保护。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的附加优点和 特征将变得更加清楚。
图l是依照本发明实施例用于混合动力型车辆的燃料电池系统的 示意性框图，其中所述系统包括电池和超级电容器，用于提供电能 存储系统并且不必需要DC/DC转换器。
具体实施例方式
针对使用超级电容器和电池的燃料电池系统的本发明实施例的 以下论述实质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应 用或使用。例如，这里所描述的燃料电池系统对于燃料电池混合动 力型车辆来说具有特定应用。然而，燃料电池系统除车辆应用之外
还可以具有其它应用。
图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性框图，所述 燃料电池组12具有许多串联电耦合的燃料电池20。燃料电池组12向 高电压总线线路提供电功率，所述高电压总线线路这里被表示为正 的总线线路16和负的总线线路18。在车辆燃料电池系统中，燃料电 池组12可以包括大约400个单元20。在本申请中，燃料电池组12在全 负载要求期间在总线线路16和18上提供了大约280伏，并且在低负载 要求期间在总线线路16和18上提供大约400伏。这在总线线路16和18 上提供了大约120伏的摆动。开关32有选择地使正的总线线路16从燃 料电池组12脱离并且开关34有选择地使负的总线线路18与燃料电池 组12脱离以便在关闭期间使燃料电池组12与系统10电断开连接以用 于安全目的。
依照本发明，燃料电池系统10包括被串联电耦合到正的总线线路 16和18的电池14和超电容器、双层电容器或超级电容器30。如下面 所进一步详细描述，在系统10的操作期间超级电容器30在总线线路 16和18上在相对较大的S0C电压摆动(120V)上放电和充电，并且使 电池14与总线电压摆动隔离。电池14和超级电容器30组合以便提供 电能存储系统(EESS)，用于在那些电池组12不能提供功率需求期 间(诸如在巨大加速度期间)向总线线路16和18提供附加功率，并 且当燃料电池组12不操作时向各个车辆系统提供附加功率。在一个 例子中，70 kW的功率由燃料电池组12提供，并且通过组合电池14和 超级电容器30来提供附加30 kW的功率。
通过适当地选择电池类型、电池的数目、电池14的内阻抗和电池 尺寸(包括额定Ah和内电阻)来使电池14与燃料电池组12的电压输 出相匹配，使得电池14不会被过度充电或过度放电。对于这里所描 述的目的，电池14可以是任何适当的可充电电池，诸如锂离子(Li-ion)电池、镍金属氢化物(NiMH)电池和铅酸电池。超级电容器30 被匹配和选择以便处理燃料电池系统电压摆动(额定电容量电压cap voltage rating)并且限制电池SOC摆动(额定电容量法拉cap Farad rating )。
开关36有选择地使电池14和超级电容器30从负的总线线路18脱 离并且开关38有选择地使所述电池14和超级电容器30与正的总线线
路16脱离以便在关闭期间使所述电池14和超级电容器30与系统10电 断开连接以用于安全目的。与超级电容器30并联电耦合的可选旁路 二极管40提供了反向电压保护。特别地是，如果电容器30的顶端开 始比所述电容器30的底端更加去往负向，那么二极管40开始在电容 器30周围提供电流旁路。
位于正的总线线路16中的阻塞二极管44防止电流流回到燃料电 池组12中。燃料电池系统10可能包括各种传感器等，用于监视电池 14和超级电容器30的温度以及所述电池14和超级电容器30的充电状 态。按照这里的论述，控制器50控制开关32、 34、 36和38以及其它 系统设备。
燃料电池系统10包括与总线线路16和18以及AC或DC牵引电动机 24电耦合的功率变换器模块(PIM) 22。 PIM 22把总线线路上的DC电 压转换为适于AC牵引电动机24的AC电压。牵引电动机24提供了用于 操作车辆的牵引功率，如在本领域中所公知。对于这里所描述的目 的，牵引电动机24可以是任何适当的电动机，诸如AC感应电动机、 AC永磁电动机和AC三相同步机。在牵引电动机24作为发电机操作的 再生制动期间，来自电动机24的电AC电源被PIM 22转换为DC电源， 其然后被施加到总线线路16和18以便使电池14和电容器30被重新充 电。阻塞二极管44防止被施加到总线线路16和18的再生电能流入燃 料电池组12，否则这可能会损坏电池组12。
燃料电池系统10还包括与总线线路16和18电耦合的电源管理和 分送(PMD)系统26,用于在车辆中把总线线路16和18上的高压电力 转换为适于辅助部件28 (诸如灯、暖气等)的较低DC电压或AC电压。
超级电容器30通过提供在电池组12和电池14之间匹配的电压来 在系统10操作期间均衡电池组12的电压变化。当诸如牵引电动机24 之类的车辆系统例如在车辆空闲期间从电源总线16和18提取最小电 力时，总线线路16和18上的电压根据电池组电压为高(400V)。随 着车辆功率需求增加，在线路16和18上的电势降低。在已知的系统 中，DC/DC转换器使电池14的电压匹配总线线路16和18上的电压，这 是因为其改变以便防止电池14的大SOC摆动。如上所述通过去除 DC/DC转换器并且提供超级电容器30,超级电容器30遭受很大的充电 摆动状态，从而提供了电压匹配并且使电池14远离电压摆动。对于
理想电容器来"i兌，SOC和电压有直接关系，其中S0C = V."u"/V阻，并 且所述电压还直接取决于在电容器30中所存储的电荷量，V = Q/C (Q -电荷[As]， C-电容[F])。
在一个实施例中，电池14的开路电压(OCV)大约为280伏并且超 级电容器30的电压当充满电时大约为120伏。因此，超级电容器30和 电池14的电压的组合在提供电压匹配的低功率需求期间大约与电池 组电压相同。随着系统10的功率需求增加并且电池组电压降低，超 级电容器30开始放电，其电压降低。电池14上的电压会留在与减去 跨过电池电阻的电压降几乎相同。当系统10上的功率需求处于最大 时，电池组电压大约为280伏，并且超级电容器30上的电压变为完全 -改电状态。在此情况下，电池组电压匹配电池14的280伏。电池14通 过经由二极管40分路电流仍然可以用于车辆启动和关闭，即便电容 器30已经为空。因此，系统10得益于超级电容器30提供大电压以及 限定的S0C摆动的能力和电池14的大能量。
在一个实施例中，电池14提供系统10所需要附加功率的大约 2/3，并且超级电容器30提供所述附加功率的大约1/3。例如，如果 电池组12提供70 kW的功率，那么电池14可以提供20 kW的功率并且 超级电容器30可以提供10kW的功率以便达到系统10所想要的100 kW。另外，电池14可以具有大约20。/。的SOC摆动，并且电容器30可以 具有大约85"/。的SOC摆动。超级电容器的额定功率和能量还显著地小 于电池的额定功率和能量，而二者^皮额定为用于相同的电流。
可以提供与电池14和超级电容器30串联的适当二极管/接触器/ 电阻器(未示出)以免电池14和电容器30过量充电或过载电流。此 外，电池14可以用于系统10的启动和关闭，即使当电容器30为空时
也是如此。如果两个存储系统具有不同的自放电特性的话，那么分 别与电容器30或电池14并联的开关电阻器52和54可以用来提供电池 14或电容器30的长期SOC均衡。
以上论述仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术 人员根据这类论述和附图以及权利要求可以容易地认识到，在不脱 离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行 各种改变、修改和变化。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括电源总线；与所述电源总线电耦合的燃料电池组；与所述电源总线电耦合的电池；和与所述电池串联且与所述电源总线电耦合的电容器，所述电容器为所述电源总线上的大电压摆动提供电压匹配。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电容 器并联电耦合的二极管，所述二极管对所述电容器提供反向电压保 护。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中从由锂电池、镍金 属氢化物电池和铅酸电池所组成的组中选择所述电池。
4. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中从由超级电容器、 双层电容器和超电容器所构成的组中选择所述电容器。
5. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述电池提供除燃 料电池组功率之外的所想要附加功率的大约2/3并且所述电容器提 供所想要附加功率的大约1/3。
6. 如权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池组提 供大约70 kW的功率，所述电池提供大约20 kW的功率并且所述电 容器提供大约10 kW的功率。
7. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述电容器具有大 约85%的充电摆动状态，并且所述电池具有大约20%的充电摆动状 态。
8. 如权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电容 器或电池并联电耦合的开关电阻器以便提供所述系统的长期S0C均 衡。
9. 如权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电源 总线电耦合的AC或DC牵引电动机系统，所述电动机系统在再生制 动期间在所述电源总线上提供电压以便为所述电池和电容器重新充 电。
10. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统 位于燃料电池混合动力型车辆上。
11. 一种燃料电池系统，包括 电源总线；与所述电源总线电耦合的燃料电池组； 与所述燃料电池组并联且与所述电源总线电耦合的电池；和 与所述电池串联、与所述燃料电池组并联并且与所述电源总线电 耦合的超级电容器，所述电容器具有大约85%的充电摆动状态以便向 所述电源总线提供由电池组电压变化所确定的电压匹配，其中所述 电池提供除燃料电池组功率之外的预定附加功率的大约2/3并且所 述超级电容器提供所述预定附加功率的大约1/3。
12. 如权利要求11所述的燃料电池系统，进一步包括与所述超 级电容器并联电耦合的二极管，所述二极管对所述电容器提供反向 电压保护。
13. 如权利要求11所述的燃料电池系统，其中从由锂电池、镍 金属氢化物电池和铅酸电池所组成的组中选择所述电池。
14. 如权利要求11所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电 容器或电池并联电耦合的开关电阻器以便提供所述系统的长期S0C 均衡。
15. 如权利要求11所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电 源总线电耦合的AC或DC牵引电动机系统，所述电动机系统在再生 制动期间在所述电源总线上提供电压以便为所述电池和超级电容器 重新充电。
16. 如权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系 统位于燃料电池混合动力型车辆上。
17. —种用于燃料电池混合动力型车辆的燃料电池系统，所述系 统包括电源总线；与所述电源总线电耦合的燃料电池组； 与所述电源总线电耦合的电池；和与所述电池串联且与所述电源总线电耦合的超级电容器，所述超 级电容器为所述电源总线上的大电压摆动提供电压匹配；和与所述电源总线电耦合的AC或DC牵引电动机系统，所述牵引电 动机系统用于驱动车辆，所述电动机系统在再生制动期间在所述电 源总线上提供电压以便为所述电池和超级电容器重新充电。
18. 如权利要求17所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电 容器并联电耦合的二极管，所述二极管对所述电容器提供反向电压 保护。
19. 如权利要求17所述的燃料电池系统，其中从由锂电池、镍 金属氢化物电池和铅酸电池所组成的组中选择所述电池。
20. 如权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述电池提供除 燃料电池组功率之外的所想要附加功率的大约2/3并且所述超级电 容器提供所想要附加功率的大约1/3。
21. 如权利要求20所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池组 提供大约70 kW的功率，所述电池提供大约20 kW的功率并且所述 超级电容器提供大约10 kW的功率。
22. 如权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述超级电容器 具有大约85。/。的充电摆动状态，并且所述电池具有大约20%的充电摆 动状态。
23.如权利要求17所述的燃料电池系统，进一步包括与所述电 容器或电池并联电耦合的开关电阻器以便提供所述系统的长期SOC 均衡。
全文摘要
一种燃料电池系统，其使用彼此串联并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。当电源总线上的电压随着系统的操作要求而改变时，超级电容器在相对较大的电压摆动(诸如85％SOC摆动)上被充电和放电。超级电容器均衡或电压匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为电池的电压。因此，电池当在充电和放电期间提供大部分能量和功率时，具有相对小的被限定SOC摆动，其用来维护电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电耦合的二极管，用于提供反向电压保护和电源旁路。
文档编号H01M8/12GK101116211SQ200580047985
公开日2008年1月30日 申请日期2005年10月31日 优先权日2004年12月10日
发明者S·赖泽 申请人:通用汽车公司