燃料电池系统的驱动控制方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及燃料电池系统的驱动控制方法和系统，更具体地，涉及基于燃料电池堆状态的可变恢复模式驱动控制方法。
【背景技术】
[0002]适用于氢燃料电池车辆、生态友好型车辆的燃料电池系统由如下组成:被配置成从反应气体的电化学反应生成电力的燃料电池堆；被配置成将作为燃料的氢气供给到燃料电池堆的氢气供给系统；被配置成供给包括在电化学反应中作为氧化剂的氧的气体的空气供给系统；和被配置成通过发热(其是电化学反应的副产物)来管理水并且保持用于驱动的最佳燃料电池堆温度的热量和水管理系统。
[0003]在这样的车辆燃料电池系统中，当燃料电池用作车辆的唯一动力源时，它承担车辆的所有负载，并且因此车辆显示在其中燃料电池效率降低的操作范围中的较差性能。另夕卜，在突然的重功率负载被置于车辆上的情况下，由于燃料电池的输出功率迅速减少并且可能不能向驱动电机提供足够的电力，车辆性能会降低。众所周知，由于使用化学反应来生成电力，燃料电池可能无法应付快速的负载变化。
[0004]此外，由于燃料电池具有单向输出，在制动车辆时从驱动电机引入的能量可能无法恢复，导致在车辆系统效率上的降低。作为这些问题的解决方案，除了燃料电池作为主动力源之外，诸如可再充电的高电压电池或超级电容器(超级电容)的能量储存装置可被用作辅助动力源以对驱动电机和高电压需求部件供电。
[0005]同时，氢跨界(hydrogen crossover)是保留在阳极中的氢直接越过电解质膜而不产生电力，并且与在阴极处的氧发生反应的现象。为了减少氢跨界率，阳极压力应在低功率区域中降低，同时阳极压力应在高功率区域中增加。氢跨界率随着在阳极压力(例如，氢气压力)的增加而增加。由于氢跨界具有对燃料电池的燃料效率和耐久性的不利影响，所以有必要适当地调节阳极压力。氢气排气阀用于相关技术以通过释放杂质和冷凝水来确保电池堆的性能；并且阳极出口连接到聚水器，当冷凝水的量达到预定水平时，该阳极出口通过阀放出冷凝水。
[0006]为了根据需要提高燃料效率，在车辆驱动期间(燃料电池熄火/燃料电池重新启动过程)，已使用用于暂时停止在燃料电池混合动力车辆中的燃料电池的发电的怠速启停系统(例如，燃料电池的开/关控制过程)。在驱动期间燃料电池的发电停止和重启中，燃料电池堆通过空气流的干燥、以及车辆的再加速和燃料效率全部被控制。
[0007]现有技术的系统公开了，与电池的强制充电或辅助负载的使用一起，通过经旁路的空气转向降低向燃料电池堆的空气供给，以防止在低功率区域中以近开路电压驱动燃料电池。另一开发的现有技术涉及当燃料电池堆在相当高的温度驱动时，通过根据电池充电量的燃料电池堆的强制电压下降而对电池充电的方法。此外，另一种现有技术涉及一种燃料电池混合动力系统的控制方法，为了燃料效率的目的，停止燃料电池在低功率区域中的发电并且在发电时仅以预定电压使用燃料电池。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提供其中根据燃料电池堆的状态选择恢复驱动模式的燃料电池系统的驱动控制方法。
[0009]根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的驱动控制方法可包括:基于空气向燃料电池堆的过量供给或燃料电池堆的劣化，确定燃料电池堆何时缺水；根据该确定对燃料电池系统的诊断水平进行分类；以及执行与分类的诊断水平对应的至少一个恢复驱动模式。
[0010]分类过程可包括将第一状态分类为第一诊断水平，该第一状态是如下状态:其中由于燃料电池系统的故障，预计向燃料电池堆过量供给空气。该分类也可包括将第二状态分类为第二诊断水平，该第二状态是如下状态:其中由于向燃料电池堆过量供给空气，预计燃料电池堆缺水。
[0011]可基于以下确定第二状态:相对于燃料电池堆的输出电流消耗的空气到燃料电池堆的过供给量的变化，或从燃料电池堆的阴极中的相对湿度估计值所计算的阴极中的剩余水的变化。第二状态可以是如下状态:其中从空气过供给量和燃料电池堆的驱动温度计算的值大于第一参考值，空气过供给量是燃料电池堆的输出电流消耗所需的空气量与供给到燃料电池堆的空气量之间的差。
[0012]此外，第二状态可以是如下状态:其中从供给到燃料电池堆的空气量与燃料电池堆的输出电流消耗所需的空气量的比率、和燃料电池堆的驱动温度计算的值，大于第一参考值。基于燃料电池堆的阴极入口和出口的温度、燃料电池堆的入口的空气流量、和燃料电池堆中生成的电流量，可获得燃料电池堆的阴极中的相对湿度估计值。当在阴极出口的相对湿度是该估计值时和当在阴极出口的相对湿度处于约90%至110%的范围中时，基于阴极出口中的水蒸汽流量可计算剩余水的变化。
[0013]阴极出口的水蒸汽流量可通过阴极出口的水蒸汽压力、基于燃料电池堆入口的空气流量的阴极出口的空气压力、和燃料电池堆入口的空气流量来计算。分类诊断水平的过程可包括，当如在确定过程中针对燃料电池的电流和电压、阻抗或电流中断所诊断到的，燃料电池堆的劣化由于缺水进行到第三状态时，将燃料电池系统分类为第三诊断水平。
[0014]恢复驱动模式可包括用于通过调节燃料电池堆的冷却剂入口和出口的温度而强制冷却燃料电池堆的恢复驱动模式、用于减轻燃料电池系统的怠速熄火(idle stop)的准入条件的恢复驱动模式、用于降低连接到燃料电池堆输出端的主总线端子的电压的恢复驱动模式、用于减少空气流入量的恢复驱动模式、以及用于以最小化学计量比(SR)驱动燃料电池堆的恢复驱动模式。
[0015]可通过将冷却剂入口和出口的目标温度设定为比参考温度更低的值来运行用于强制冷却燃料电池堆的恢复驱动模式。随着冷却剂入口和出口的温度被设定为以预定的偏移量高于实际温度，可运行用于强制冷却燃料电池堆的恢复驱动模式。通过基于分类的诊断水平改变设定参考温度和偏移，可运行恢复驱动过程。用于怠速熄火的准入条件是燃料电池车辆被赋予小于预定参考值的负载，并且具有大于预定充电状态(S0C)的蓄电池充电状态；并且用于减轻怠速熄火的准入条件的恢复驱动模式是增加预定参考值并且降低预定的充电状态。
[0016]燃料电池堆可在如下恢复驱动模式下运行:其中基于分类的诊断水平，预定参考值增加并且预定的充电状态降低。当燃料电池堆在用于降低连接到燃料电池堆输出端的主总线端子的电压的恢复驱动模式下运行时，控制器可被配置成确定在进行恢复驱动之前蓄电池是否有可能充电；以及其中在用于降低主总线端子的电压的恢复驱动模式中可运行燃料电池堆，以降低主总线端子的驱动电压的上限，由此，燃料电池堆的输出功率可避免小于预定的输出功率。
[0017]甚至在再生制动期间，可基于分类的诊断水平，在用于降低连接到燃料电池堆输出端的主总线端子的电压的恢复驱动模式下运行燃料电池堆。当在执行恢复驱动之前确定蓄电池是否有可能充电的过程中蓄电池的充电状态(S0C)大于预定的S0C时，可运行燃料电池堆以驱动连接到燃料电池堆输出端的高电压加热器。
[0018]当在用于降低连接到燃料电池堆输出端的主总线端子的电压的恢复驱动模式下运行燃料电池堆时，基于分类的诊断水平，可降低连接到燃料电池堆输出端的主总线端子的电压上限。当燃料电池堆在用于减少空气流入量的恢复驱动模式下运行时，空气流入量可基于分类的诊断水平而降低。
[0019]旨在以最小化学计量比(SR)驱动燃料电池堆的恢复驱动模式是，基于从燃料电池堆的阴极入口和出口的温度所估计的燃料电池堆阴极中的相对湿度、燃料电池堆入口的空气流量、和燃料电池堆的生成电流，降低化学计量比的控制区域。当燃料电池堆以最小化学计量比(SR)在恢复驱动模式下运行时，基于分类的诊断水平可降低化学计量比控制区域。基于分类的诊断水平，燃料电池堆可在从各种驱动模式中选择的一个模式下运行。
[0020]根据燃料电池系统的驱动控制方法的一个示例性实施方式，有可能防止燃料电池堆干燥，并且通过在干燥状态中的恢复驱动过程来增加燃料电池堆的耐用性。此外，由于燃料电池系统内的问题或燃料电池堆的驱动模式导致的性能降低可被最小化，并且初始驱动性能可更加一贯地保持。
【附图说明】
[0021]本发明的以上和其它目的、特征和其它优点将从结合附图的以下详细描述中更加显而易见，其中:
[0022]图1是根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的电力网的示例性框图；
[0023]图2是用于根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统操作的标准的示例性视图；
[0024]图3是根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的怠速熄火和重启过程的示例性视图；
[0025]图4是就电压和电流随着时间的变化而言，根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的怠速熄火和重启过程的示例性视图；
[0026]图5是总结在根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的驱动控制方法中使用的按诊断水平的状态检测、连同状态的原因的示例表；
[0027]图6是在根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的驱动控制方法中示出相对湿度估计模型的示例性示意图；
[0028]图7至图10是根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的驱动控制方法的示例性流程图；
[0029]图11是示出根据本发明的一个示例性实施方式的强制冷却恢复驱动的示例性视图；
[0030]图12是示出与根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池堆的状态对应的恢复驱动模式的示例表；
[0031]图13是示意性示出根据本发明的一个示例性实施方式对空气供给的可变化学计量比控制的示例性视图；以及
[0032]图14示出证明与传统技术相比本发明的示例性实施方式的效果的示例性图。
【具体实施方式】
[0033]应该理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车在内的乘用车、包括各种小船和轮船的船舶、飞机等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢能源车辆和其它替代燃料车辆(例如源自非石油资源的燃料)。如本文所述，混合动力车辆是指有两种或更多种动力源的车辆，例如同时有汽油动力和电动力的车辆。
[0034]应该理解示例性的过程可通过一个或多个模块执行。此外，应理解术语“控制器/控制单元”指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器经配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块从而执行下面进一步描述的一个或多个过程。
[0035]此外，本发明的控制逻辑也可体现为计算机可读介质上的非暂时计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、压缩光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、