专利名称：用于以hv锂蓄电池为特征的燃料电池车辆的hv总线电压控制的方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于减少包括高压蓄电池的燃料电池系统中的高压总线上的扰动的系统和方法，且更具体地涉及用于减少包括高压蓄电池的燃料电池系统中的高压总线上的扰动的系统和方法，其中所述系统还包括计算总线电压的时间导数的DC/DC增压转换器以调节燃料电池堆电流设定点。
背景技术：
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质， 且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是钼 (Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成， 如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。
大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，除了燃料电池堆之外，采用补充功率源，如高压DC蓄电池或超电容器。功率源给各种车辆辅助负载提供补充功率，用于系统启动且在高功率需求期间在燃料电池堆不能提供期望功率时。燃料电池堆通过DC高压电总线将功率提供给电牵引马达，以用于车辆操作。蓄电池在需要超过燃料电池堆所能够提供的附加功率时的时间期间(例如，在急加速期间)给电总线提供补充功率。例如，燃料电池堆可产生 70 kW的功率。然而，车辆加速可能需要100 kW的功率。在燃料电池堆能够提供系统功率需求时，燃料电池堆用于给蓄电池或超电容器再次充电。在再生制动期间，从牵引马达可用的发电机功率也用于给蓄电池或超电容器再次充电。
在上述混合动力车辆中，有时采用双向DC/DC转换器来将蓄电池电压与燃料电池堆的电压匹配。
通常，燃料电池系统的电气结构中的每个高压部件都包括输入电容，其用作低通滤波器，以滤波高压总线上的扰动以便减少其影响。通常，为了将高压总线上的扰动减少至合适的水平，在联接到高压总线的每个部件中都需要相对高的电容，这增加了系统的成本， 增加了系统的尺寸，增加了系统的重量等等。此外，在系统关闭时，由于这些电容可能需要放电，因而较高电容存在潜在问题。因而，期望将燃料电池系统的高压电气结构的电容大小减少为尽可能小。
在一种燃料电池系统设计中，电牵引马达和其它各种负载以由燃料电池堆确定的电压操作。燃料电池堆电压和蓄电池电压之间的差由DC/DC转换器提供，DC/DC转换器将蓄电池联接到高压总线，所述高压总线将燃料电池堆连接到其它高压部件。总线上的任何扰动将由各种装置的输入电容(非常小)和燃料电池堆的内在电容(相对大)滤波。由于其内在性能，转换器将不会使扰动传送到蓄电池，且来自于高级别系统控制器的各种系统设定点将太慢而不能对扰动起反应。
其它燃料电池系统设计以由蓄电池确定的电压操作，其中，那些部件在DC/DC转换器和高压蓄电池之间电联接到高压总线。DC/DC转换器将燃料电池堆连接到高压总线。 在该设计中，总线上的任何扰动也将由各种装置的输入电容和蓄电池的内在电容滤波。然而，在非常低的温度下，蓄电池的高欧姆电阻将蓄电池电容与高压总线解耦，且降低其提供蓄电池的阻尼效果的能力。此外，联接到蓄电池的电缆或蓄电池内部电流传输装置的高电感进一步抑制任何阻尼效果。由于其内在性能，转换器将不会使扰动从燃料电池堆通过，且来自于高级别系统控制器的各种系统设定点将太慢而不能对扰动起反应。因而，这些扰动将驱动高压总线上的大电压波动。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种减少高压总线上的振荡的系统和方法。所述系统包括电联接到高压总线上的高压蓄电池以及电联接到高压总线和燃料电池堆上的DC/DC 增压转换器。所述DC/DC转换器包括电流控制器，所述电流控制器选择性地控制由燃料电池堆提供的电流。系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给所述DC/DC转换器。所述 DC/DC转换器包括电压装置，所述电压装置从总线接收电压信号且提供电压信号的时间导数，电压信号的时间导数限定总线上的电压随时间的变化。时间导数信号提供给求和器，所述求和器调节电流燃料电池堆设定点以将修正电流设定点提供给电流控制器，所述电流控制器选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
方案1. 一种燃料电池系统，包括 高压总线；
由DC/DC增压转换器电联接到高压总线上的燃料电池堆，所述DC/DC转换器包括电流控制器，所述电流控制器控制由燃料电池堆提供的电流，所述DC/DC转换器还包括从高压总线接收电压信号的电压装置，所述电压装置提供电压信号的时间导数，所述时间导数限定总线上的电压随时间的变化；
电联接到高压总线上的高压功率源；和系统控制器，所述系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给所述DC/DC转换器，所述DC/DC转换器还包括求和器，所述求和器使用所述时间导数信号改变电流燃料电池堆设定点且将偏移信号提供给电流控制器，所述电流控制器选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
方案2.根据方案1所述的系统，还包括电联接到高压总线上的电牵引马达。
方案3.根据方案1所述的系统，其中，所述DC/DC转换器还包括放大器，用于在时间导数信号被添加到电流设定点信号之前放大时间导数信号。
方案4.根据方案1所述的系统，其中，功率源是高压蓄电池。
方案5.根据方案4所述的系统，其中，蓄电池是锂离子蓄电池。
方案6.根据方案4所述的系统，其中，蓄电池选自包括以下的组锂离子蓄电池、 Ni-MH蓄电池、钠-氯化镍蓄电池、铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。
方案7.根据方案1所述的系统，其中，所述系统是车辆上的燃料电池系统。
方案8. —种用于车辆的燃料电池系统，所述系统包括 高压总线；
电联接到高压总线上的高压蓄电池； 电联接到高压总线上的电牵引马达；
将燃料电池堆电联接到高压总线上的DC/DC增压转换器，所述DC/DC增压转换器包括电流控制器，所述电流控制器控制由燃料电池堆提供的电流，所述DC/DC增压转换器还包括从高压总线接收电压信号的电压装置，所述电压装置提供电压信号的时间导数，所述时间导数限定总线上的电压随时间的变化；和系统控制器，所述系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给所述DC/DC转换器，所述DC/DC转换器还包括求和器，所述求和器使用所述时间导数信号改变电流燃料电池堆设定点且将偏移信号提供给电流控制器，所述电流控制器选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
方案9.根据方案8所述的系统，其中，所述DC/DC转换器还包括放大器，用于在时间导数信号被添加到电流设定点信号之前放大时间导数信号。
方案10.根据方案8所述的系统，其中，蓄电池是锂离子蓄电池。
方案11.根据方案8所述的系统，其中，蓄电池选自包括以下的组锂离子蓄电池、Ni-MH蓄电池、钠-氯化镍蓄电池、铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。
方案12. —种燃料电池系统，包括 高压总线；
电联接到高压总线上的燃料电池堆；和电联接到高压总线上的DC/DC增压转换器，所述DC/DC增压转换器包括电能缓冲器，其中，在电气故障时，所述能量缓冲器通过测量总线电压的时间导数且基于时间导数将燃料电池堆电流添加到高压总线而抵消高压总线上的电压降，以保持总线电压稳定。
方案13.根据方案12所述的系统，还包括电联接到高压总线上的蓄电池。
方案14.根据方案13所述的系统，其中，蓄电池是锂离子蓄电池。
方案15.根据方案13所述的系统，其中，蓄电池选自包括以下的组锂离子蓄电池、Ni-MH蓄电池、钠-氯化镍蓄电池、铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。
方案16.根据方案12所述的系统，还包括电联接到高压总线上的电牵引马达，所述DC/DC转换器在牵引马达被联接到高压总线和燃料电池堆被联接到高压总线的位置之间被联接到高压总线。
方案17.根据方案12所述的系统，其中，所述系统是车辆上的燃料电池系统。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
图1是包括高压总线和DC/DC增压转换器的燃料电池系统的示意性框图；和图2是图1所示的DC/DC增压转换器的示意性框图。
具体实施例方式涉及用于减少高压总线上的振荡和扰动的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12和高压蓄电池14的燃料电池系统10的示意性框图。蓄电池14可以是为燃料电池系统应用提供各种期望充电和放电特性的任何合适可再充电蓄电池系统，包括但不限于锂离子蓄电池、Ni-MH蓄电池、钠-氯化镍蓄电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池等。虽然在该非限制性实施例中，蓄电池用作补充功率源，但是其它高压DC存储装置可以取代蓄电池14使用，例如超电容器。
取决于其设计和实际负载电流，燃料电池堆12和蓄电池14可以具有不同的输出电压。DC/DC增压转换器18在燃料电池堆12和蓄电池14之间提供电压匹配，且提供电流控制，其针对变化的燃料电池系统状况和驾驶员请求选择性地确定由燃料电池堆12提供多少功率以驱动各种负载和电牵引马达。
在该设计中，燃料电池堆12由燃料电池堆总线16电联接到DC/DC增压转换器18， DC/DC增压转换器18由高压总线20联接到高压蓄电池14。系统10的各种高压部件在增压转换器18和蓄电池14之间电联接到高压总线20。具体地，用于将空气流提供给燃料电池堆12的阴极侧的空气压缩机22和各种系统负载M在节点沈处电联接到高压总线20。 此外，电牵引马达观连同高压蓄电池14 一起在节点30处电联接到高压总线20。
高级别系统控制器48基于驾驶员请求的车轮扭矩、燃料电池堆和蓄电池状态以及特定混合动力策略来指令DC/DC增压转换器18的电流。转换器18控制增压内部晶体管开关，使得增压输入电流(等于燃料电池输出电流)与指令匹配。
使用该控制策略，如果检测到高压总线极限低于蓄电池电压极限，那么燃料电池介质流被调节以能够从燃料电池堆12获取更多电流。因而，增压转换器18将更多功率传输到总线20且从蓄电池14获取更少功率，其电压于是即刻升高。其它缓解可以减少牵引系统的功率消耗。对于在再生制动期间总线电压过高的情况，牵引系统的制动扭矩将相应地减少。然而，上述包括高级别系统控制的控制回路过慢而不能抵消快速高压总线扰动。这是由于CAN消息传送的延迟和有限的系统控制器更新速率。这些限制并不适用于完全封装在增压转换器18内的控制回路及其非常快速的自身控制回路。
6 图2是系统10中的DC/DC增压转换器18的示意性框图，示出了电能缓冲器。DC/ DC转换器18包括电流控制器52，电流控制器52设定高压总线20上的电流量，该电流量将由燃料电池堆12提供。DC/DC转换器18从线M上的系统控制器50接收电流设定点信号， 电流设定点信号由驾驶员请求(例如，加速踏板位置)确定。
在高压总线20上由于负载连接和断开以及其它因素引起的各种振荡和扰动可以通过响应于所述振荡调节提供给电流控制器52的燃料电池堆电流设定点信号而阻尼或减少。来自于高压总线20的在线58上提供的电压信号发送到电压测量电路60，电压测量电路60计算电压信号的时间导数。时间导数是限定电压从一个时间点到下一个时间点的变化速率的值。时间导数值因而识别高压总线20上的电压变化，其限定总线20上的振荡和扰动。该时间导数值由放大器62放大，且放大的时间导数连同来自于系统控制器50的电流设定点信号一起发送到求和点56。取决于基于电压变化的扰动大小，时间导数值偏移或修正电流设定点信号。如果在高压总线20上没有电压梯度，那么时间导数值为零，且电流设定点信号不被调节。
来自于求和点56的调节电流设定点信号然后发送到电流控制器52。电流控制器 52将功率振荡提供给总线20，其抵消高压总线20上来自于电气部件的振荡。燃料电池堆电流的变化将引起燃料电池堆总线电压的振荡，但是燃料电池堆总线电压将由高内在燃料电池堆电容阻尼。因而，总体燃料电池堆电容用作高压总线20的附加电容，而不给系统10 增加显著的成本。
在当前燃料电池系统技术中，蓄电池14可以是锂离子蓄电池，其具有各种灵敏度。对于需要在非常冷的温度(例如低至-30°C)下操作的系统，蓄电池14的内部阻抗在这些温度下可增加大小量级。
如本领域技术人员理解的那样，除了燃料电池车辆应用之外，本发明将应用于DC/ DC增压器连接到具有不同电压电平的总线的其它电气系统。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括高压总线；由DC/DC增压转换器电联接到高压总线上的燃料电池堆，所述DC/DC转换器包括电流控制器，所述电流控制器控制由燃料电池堆提供的电流，所述DC/DC转换器还包括从高压总线接收电压信号的电压装置，所述电压装置提供电压信号的时间导数，所述时间导数限定总线上的电压随时间的变化；电联接到高压总线上的高压功率源；和系统控制器，所述系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给所述DC/DC转换器，所述DC/DC转换器还包括求和器，所述求和器使用所述时间导数信号改变电流燃料电池堆设定点且将偏移信号提供给电流控制器，所述电流控制器选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括电联接到高压总线上的电牵引马达。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC/DC转换器还包括放大器，用于在时间导数信号被添加到电流设定点信号之前放大时间导数信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，功率源是高压蓄电池。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，蓄电池是锂离子蓄电池。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，蓄电池选自包括以下的组锂离子蓄电池、Ni-MH 蓄电池、钠_氯化镍蓄电池、铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统是车辆上的燃料电池系统。
8.一种用于车辆的燃料电池系统，所述系统包括高压总线；电联接到高压总线上的高压蓄电池；电联接到高压总线上的电牵引马达；将燃料电池堆电联接到高压总线上的DC/DC增压转换器，所述DC/DC增压转换器包括电流控制器，所述电流控制器控制由燃料电池堆提供的电流，所述DC/DC增压转换器还包括从高压总线接收电压信号的电压装置，所述电压装置提供电压信号的时间导数，所述时间导数限定总线上的电压随时间的变化；和系统控制器，所述系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给所述DC/DC转换器，所述DC/DC转换器还包括求和器，所述求和器使用所述时间导数信号改变电流燃料电池堆设定点且将偏移信号提供给电流控制器，所述电流控制器选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述DC/DC转换器还包括放大器，用于在时间导数信号被添加到电流设定点信号之前放大时间导数信号。
10.一种燃料电池系统，包括高压总线；电联接到高压总线上的燃料电池堆；和电联接到高压总线上的DC/DC增压转换器，所述DC/DC增压转换器包括电能缓冲器，其中，在电气故障时，所述能量缓冲器通过测量总线电压的时间导数且基于时间导数将燃料电池堆电流添加到高压总线而抵消高压总线上的电压降，以保持总线电压稳定。
全文摘要
本发明涉及用于以HV锂蓄电池为特征的燃料电池车辆的HV总线电压控制的方法。一种减少高压总线上的振荡的系统。所述系统包括电联接到高压总线上的高压蓄电池以及电联接到高压总线和燃料电池堆上的DC/DC增压转换器。DC/DC转换器包括电流控制器，所述电流控制器选择性地控制由燃料电池堆提供的电流。系统控制器将燃料电池堆电流设定点提供给DC/DC转换器。DC/DC转换器包括电压装置，电压装置从总线接收电压信号且提供电压信号的时间导数，其限定总线上的电压随时间的变化。时间导数信号提供给求和器，其调节电流燃料电池堆设定点以将修正电流设定点提供给电流控制器，其选择性地调节由燃料电池堆提供的电流以阻尼高压总线上的振荡。
文档编号H01M8/24GK102195063SQ20111006169
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者利恩坎普 S., 赖泽 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司