低压电池充电器及其方法
【专利摘要】本发明提供一种低压电池充电器及其方法，低压电池充电器包括：燃料电池堆，其通过氢与氧的反应产生电能；鼓风机，其向燃料电池堆供应空气；高压DC变换器，其将产生于燃料电池堆的输出电压转换为高电压；高压电池，其使用由高压DC变换器转换的输出电压进行充电；低压DC变换器，其将产生于燃料电池堆的输出电压转换为低电压；低压电池，其使用由低压DC变换器转换的输出电压进行充电；以及控制器，其基于通过鼓风机供应给燃料电池堆的空气量可变地调整低压电池的充电电压。
【专利说明】
低压电池充电器及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及低压电池充电器及其方法。更特别地，本发明涉及一种低压电池充电器及其方法，其能够基于供应给燃料电池的空气量控制低压电池的充电电压，并且改善燃料消耗及提高燃料电池的耐久性。
【背景技术】
[0002]应用于作为一种环境友好车辆的氢燃料电池车的燃料电池系统包括燃料电池堆、氢供应装置、空气供应装置、热和水管理系统以及燃料电池系统控制器，其中燃料电池堆利用反应气体的电化学反应产生电能，氢供应装置将作为燃料的氢供应给燃料电池堆，空气供应装置将包含作为电化学反应所需氧化剂的氧的空气供应给燃料电池堆，热和水管理系统通过将作为燃料电池堆电化学反应的副产物的热排放到外部来最佳地调整燃料电池堆的运行温度，并执行水管理功能，并且燃料电池系统控制器操作整个燃料电池系统。
[0003]在安装这种燃料电池系统的车辆中，当使用燃料电池作为动力源时，燃料电池将负担车辆组成元件的负载，因此在燃料电池效率低下的运行区域，性能将会恶化。此外，当突加载荷施加到车辆上时，电力可能无法充分供应至驱动电机，因此由于通过化学反应产生电能引起燃料电池的突然载荷变化，所以车辆性能将会降低。
[0004]此外，由于燃料电池具有单一方向输出特性，因此当没有单独的蓄电装置并且车辆制动时，从驱动电机流出的能量可能无法回收，因此车辆系统的效率将会下降。因此，作为克服上述缺陷的方法，已开发出燃料电池混合动力车。燃料电池混合动力车是这样一种系统，除了作为车辆中的主动力源的燃料电池以外，还安装有蓄电装置作为用于提供驱动如驱动电机的负载所需电力的另外的辅助动力源，例如超级电容器或高压电池。
[0005]在燃料电池-电池混合动力车中，用作主动力源的燃料电池与用作辅助动力源的高压电池可并联连接，并且安装有该高压电池(例如主电池)和用于驱动车辆低压驱动组件的低压电池(例如12V辅助电池)，S卩，高压电池与低压电池这两种类型的电池可一起安装。
[0006]同时，燃料电池通过氢与氧的反应产生电能，并且在燃料电池堆产生的电能的量与供应给燃料电池堆的氢量成比例。供应给燃料电池堆的氢量基于供应给燃料电池堆的空气量来确定。因此，需要通过改变利用燃料电池堆产生的电能充电的低压电池的充电电压，使燃料电池堆中使用的氢量最小化并且改善燃料消耗的技术。
[0007]在本部分中披露的上述信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成本国内本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种低压电池充电器及其方法，其通过改变低压电池的充电电压，使燃料电池堆中使用的氢量最小化并且改善车辆的燃料消耗。此外，本发明提供一种低压电池充电器及其方法，其通过在供应给燃料电池堆的空气量最小时防止在燃料电池堆形成高压，而提高燃料电池堆的耐久性。
[0009]根据本发明的示例性实施例的低压电池的充电器可包括:燃料电池堆，其配置成通过氢与氧的反应产生电能；鼓风机，其配置成向燃料电池堆供应空气；高压直流(DC)变换器，其配置成将产生于燃料电池堆的输出电压转换为高电压；高压电池，其使用由高压DC变换器转换的输出电压进行充电；低压DC变换器，其配置成将产生于燃料电池堆的输出电压转换为低电压；低压电池，其使用由低压DC变换器转换的输出电压进行充电；以及控制器，其配置成基于通过鼓风机供应给燃料电池堆的空气量，可变地调整低压电池的充电电压。
[0010]控制器可配置成将通过鼓风机供应给燃料电池堆的空气量在最小空气量与最大空气量之间划分成N个空气量，并可配置成基于与N个空气量对应的N个充电电压对低压电池充电。与最小空气量对应的低压电池的充电电压可被设定为最大充电电压。与最大空气量对应的低压电池的充电电压可被设定为最小充电电压。N个充电电压可在最大充电电压与最小充电电压之间一步一步地(例如，逐步地、逐级地，等等)降低。控制器还可配置成当需要低压电池的应急操作时，基于应急充电电压对低压电池充电。
[0011]根据本发明的另一示例性实施例的低压电池的充电方法可包括:基于燃料电池堆的所需电力计算供应给燃料电池堆的空气量；确定与该空气量对应的低压电池的充电电压；以及基于充电电压可变地对低压电池充电。可基于燃料电池堆的所需电力，将空气量在最小空气量与最大空气量之间划分成N个空气量，并可将充电电压设定为与N个空气量对应的N个充电电压。与最小空气量对应的充电电压可被设定为最大充电电压。与最大空气量对应的充电电压可被设定为最小充电电压。N个充电电压可在最大充电电压与最小充电电压之间逐步降低。
[0012]低压电池的充电方法还可包括当空气量是最大空气量时，确定是否需要低压电池的应急操作，其中当需要低压电池的应急操作时，可通过应急充电电压对低压电池充电。低压电池的充电方法还可包括当空气量是最小空气量时，确定是否需要低压电池的应急操作，其中当需要低压电池的应急操作时，可通过应急充电电压对低压电池充电。
[0013]根据本发明的示例性实施例，由于可基于供应给燃料电池堆的空气量可变地调整低压电池的充电电压，因此可使燃料电池堆中使用的氢量最小化，由此能够改善车辆的燃料消耗。此外，由于可基于供应给燃料电池堆的空气量可变地调整低压电池的充电电压，因此可防止在燃料电池堆形成高电压，并且能够提高燃料电池堆的耐久性。
【附图说明】
[0014]附图用于在说明本发明的示例性实施例时进行参照，因此不应当理解为本发明的技术思想局限于附图。
[0015]图1是示出根据本发明的示例性实施例的低压电池充电器的框图；
[0016]图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的所需电力与空气量之间的关系的曲线图；
[0017]图3是示出根据本发明的示例性实施例的空气量与低压电池的充电电压之间的关系的曲线图；并且
[0018]图4是示出根据本发明的示例性实施例的低压电池的充电方法的流程图。
[0019]附图标记说明
[0020]10:燃料电池堆
[0021]20:鼓风机
[0022]30:高压DC变换器
[0023]40:高压电池
[0024]50:低压DC变换器
[0025]60:低压电池
[0026]70:控制器
【具体实施方式】
[0027]以下将参照示出本发明的示例性实施例的附图更充分地说明本发明。如本领域技术人员将会意识到的，所述示例性实施例可以各种不同方式修改，而均不背离本发明的技术思想或范围。
[0028]应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他相似术语包含一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)、公交车、卡车、各式商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及航空器等等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合动力电动车、氢动力车以及其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。如本文所提及的，混合动力车是具有两种或更多种动力源的车辆，例如具有汽油动力和电动力两者的车辆。
[0029]虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性处理，但是应当理解的是，示例性处理也可由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语控制/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块，并且处理器被专门配置成执行该模块，以执行以下进一步说明的一个或多个处理。
[0030]此外，本发明的控制逻辑可被实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络连接的计算机系统中，以便例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)，以分布方式存储和执行计算机可读介质。
[0031]本文所使用的专有名词仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外清楚表明。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和全部组合。
[0032]除非特别陈述或从上下文显而易见，如本文所使用的，词语“约”可理解为在本领域的正常容差范围内，例如在平均值的2倍标准差之内。“约”可理解为在所述值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01% 内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
[0033]为了清楚地说明本发明，与说明无关的部分将被省略。在整个本说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。另外，在附图中示出的各结构的尺寸和厚度被任意示出以便更好地理解和易于说明，但是本发明并不限于该图示。在附图中，层、膜、板、区域等的厚度为了清楚而被夸大。
[0034]在下文中，将参照附图详细说明根据本发明的示例性实施例的低压电池充电器。
[0035]图1是示出根据本发明的示例性实施例的低压电池充电器的框图。如图1中所示，根据本发明的示例性实施例的低压电池充电器可包括具有多个燃料电池堆10的燃料电池，配置成向燃料电池堆10供应空气的鼓风机20，配置成转换产生于燃料电池堆10的输出电压的高压DC变换器30，以通过高压DC变换器30转换的输出电压进行充电的高压电池40，配置成转换高压电池40的输出电压的低压DC变换器50，以通过低压DC变换器50转换的输出电压进行充电的低压电池60，以及配置成操作燃料电池、鼓风机20、高压DC变换器30、高压电池40、低压DC变换器50和低压电池60的控制器70。
[0036]燃料电池堆10可配置成通过氢与氧的反应产生电能。燃料电池堆10的构造为本领域技术人员所熟知，因此本文将不提供详细说明。此外，鼓风机20可配置成将反应气体氢和空气供应给燃料电池堆10。
[0037]高压DC变换器30可配置成将在燃料电池堆10产生的电能转换为高压DC电力，并且使用高压DC变换器30转换的高压DC电力可充电到高压电池40中。充入到高压电池40中的高压DC电力可供应给例如车辆的驱动电机和鼓风机20的高压组件。在本文中，高压意指高于约100V的电压，例如150V、300V、450V或650V。
[0038]低压DC变换器50可配置成将在燃料电池堆10产生的电能转换为低压DC电力，并且使用低压DC变换器50转换的低压DC电力可充电到低压电池60中。充入到低压电池60中的低压DC电力可供应给例如导航装置或音频装置的低压组件。在本文中，低压意指低于约100V的电压，例如12V、24V或48Vo
[0039]控制器70可通过由预定程序操作的一个或多个处理器实施，其中预定程序被设定成执行根据本发明的示例性实施例的低压电池的充电方法的各步骤。特别地，控制器70可配置成基于燃料电池堆10的所需电力来调整通过鼓风机20供应给燃料电池堆10的空气量，并通过空气量调整低压电池60的充电电压。
[0040]在下文中，将详细说明使用空气量的低压电池60的充电方法。图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的所需电力与空气量之间的关系的曲线图。在图2中，X轴表示燃料电池堆的所需电力，y轴表示供应给燃料电池堆的空气量。图3是示出根据本发明的示例性实施例的空气量与低压电池的充电电压之间的关系的曲线图。在图3中，X轴表不空气量，y轴表不低压电池的充电电压。
[0041]如图2中所示，根据燃料电池堆10的所需电力的空气量类似于滞回曲线。控制器70可配置成将供应给燃料电池堆10的空气量在最小空气量与最大空气量之间划分成N个空气量。图3示出与供应给燃料电池堆10的N个空气量对应的低压电池60的充电电压。与最小空气量对应的低压电池60的充电电压可被设定为最大充电电压，并且与最大空气量对应的低压电池60的充电电压可被设定为最小充电电压。N个充电电压可在最大充电电压与最小充电电压之间一步一步地(例如，逐步地)降低。
[0042]同时，当需要低压电池60的应急操作时，控制器70可配置成基于预定的应急充电电压对低压电池60充电。应急操作可以是当燃料电池堆10或高压电池40发生故障(例如，出现错误或检测到故障)时。特别地，应急充电电压可被设定为能够对低压电池60充电的最大充电电压。
[0043]在下文中，将参照附图详细说明根据本发明的示例性实施例的低压电池的充电方法。
[0044]图4是示出根据本发明的示例性实施例的低压电池的充电方法的流程图。如图4中所示，在步骤S10，控制器70可配置成基于燃料电池堆10的所需电力，计算通过鼓风机20供应给燃料电池堆10的空气量。
[0045]在步骤S20，控制器70随之可配置成设定与空气量对应的低压电池60的充电电压。供应给燃料电池堆10的空气量可基于燃料电池堆10的所需电力在最小空气量与最大空气量之间被划分为N个空气量，并且低压电池60的充电电压可被设定为与N个空气量对应的N个充电电压。N个充电电压可被设定为在最大充电电压与最小充电电压之间逐步降低。与最小空气量对应的充电电压可被设定为最大充电电压，与最大空气量对应的充电电压可被设定为最小充电电压。为了方便说明，在最大充电电压与最小充电电压之间的N个充电电压可被称为通常充电电压。
[0046]在步骤S30，控制器70可进一步配置成判断基于空气量的低压电池60的充电电压。当充电电压是处在最小充电电压与最大充电电压之间的通常充电电压时，控制器70可配置成在步骤S40基于预定的通常充电电压对低压电池60充电。当充电电压是最小充电电压时，控制器70可配置成在步骤S50判断是否需要低压电池60的应急操作。
[0047]当需要低压电池60的应急操作时，控制器70可配置成在步骤S54基于预定的应急充电电压对低压电池60充电。然而，当不需要低压电池60的应急操作时，控制器70可配置成在步骤S52基于最小充电电压对低压电池60充电。在步骤S30，当低压电池60的充电电压是最大充电电压时，控制器70可配置成在步骤S60判断是否需要低压电池60的应急操作。
[0048]当需要低压电池60的应急操作时，控制器70可配置成在步骤S64基于预定的应急充电电压对低压电池60充电。然而，当不需要低压电池60的应急操作时，控制器70可配置成在步骤S62基于最大充电电压对低压电池60充电。因此，由于当充电电压是通常充电电压(例如，无故障发生)时，可正常调整低压电池60的充电电压，因此仅当充电电压是最小充电电压或最大充电电压时，可判断应急操作。
[0049]如上所述，根据本发明的示例性实施例，当供应给燃料电池堆10的空气量增加时，低压电池60的充电电压可降低，因此能够改善车辆的燃料消耗。另外，当供应给燃料电池堆10的空气量减少时，低压电池60的充电电压可升高，因此可防止在燃料电池堆10形成高电压。由此，能够提高燃料电池堆10的耐久性。
[0050]虽然已结合目前被认为示例性的实施例对本发明进行了说明，但应当理解的是本发明并不限于所公开的示例性实施例，而是相反，意在涵盖包括在所附权利要求的技术思想和范围内的各种改型和等效配置。
【主权项】
1.一种低压电池充电器，包括: 燃料电池堆，其配置成通过氢与氧的反应产生电能； 鼓风机，其配置成向所述燃料电池堆供应空气； 高压直流(DC)变换器，其配置成将在所述燃料电池堆产生的输出电压转换为高电压； 高压电池，其利用由所述高压DC变换器转换的输出电压进行充电； 低压DC变换器，其配置成将在所述燃料电池堆产生的输出电压转换为低电压； 低压电池，其利用由所述低压DC变换器转换的输出电压进行充电；以及控制器，其配置成基于通过所述鼓风机供应给所述燃料电池堆的空气量，可变地调整所述低压电池的充电电压。2.根据权利要求1所述的低压电池充电器，其中所述控制器被配置成将通过所述鼓风机供应给所述燃料电池堆的空气量在最小空气量与最大空气量之间划分为N个空气量，并且基于与所述N个空气量对应的N个充电电压对所述低压电池充电。3.根据权利要求2所述的低压电池充电器，其中与所述最小空气量对应的所述低压电池的充电电压被设定为最大充电电压。4.根据权利要求2所述的低压电池充电器，其中与所述最大空气量对应的所述低压电池的充电电压被设定为最小充电电压。5.根据权利要求3所述的低压电池充电器，其中所述N个充电电压在所述最大充电电压与所述最小充电电压之间逐步降低。6.根据权利要求4所述的低压电池充电器，其中所述N个充电电压在所述最大充电电压与所述最小充电电压之间逐步降低。7.根据权利要求1所述的低压电池充电器，其中所述控制器被配置成当需要所述低压电池的应急操作时，基于应急充电电压对所述低压电池充电。8.一种低压电池的充电方法，包括以下步骤: 通过控制器基于燃料电池堆的所需电力计算供应给所述燃料电池堆的空气量； 通过所述控制器确定与所述空气量对应的所述低压电池的充电电压；以及 通过所述控制器基于所述充电电压可变地对所述低压电池充电。9.根据权利要求8所述的低压电池的充电方法，其中 基于所述燃料电池堆的所需电力，将所述空气量在最小空气量与最大空气量之间划分为N个空气量，并且 将所述充电电压设定为与所述N个空气量对应的N个充电电压。10.根据权利要求9所述的低压电池的充电方法，其中与所述最小空气量对应的充电电压被设定为最大充电电压。11.根据权利要求9所述的低压电池的充电方法，其中与所述最大空气量对应的充电电压被设定为最小充电电压。12.根据权利要求9所述的低压电池的充电方法，其中所述N个充电电压在所述最大充电电压与所述最小充电电压之间逐步降低。13.根据权利要求9所述的低压电池的充电方法，还包括以下步骤: 当所述空气量是最大空气量时，通过所述控制器判断是否需要所述低压电池的应急操作， 其中当需要所述低压电池的应急操作时，通过应急充电电压对所述低压电池充电。14.根据权利要求9所述的低压电池的充电方法，还包括以下步骤: 当所述空气量是最小空气量时，通过所述控制器判断是否需要所述低压电池的应急操作， 其中当需要所述低压电池的应急操作时，通过应急充电电压对所述低压电池充电。15.一种包含由控制器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括: 基于燃料电池堆的所需电力计算供应给所述燃料电池堆的空气量的程序指令； 确定与所述空气量对应的低压电池的充电电压的程序指令；以及 基于所述充电电压可变地对所述低压电池充电的程序指令。16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中 基于所述燃料电池堆的所需电力，将所述空气量在最小空气量与最大空气量之间划分为N个空气量，并且 将所述充电电压设定为与所述N个空气量对应的N个充电电压。17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中与所述最小空气量对应的充电电压被设定为最大充电电压。18.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中与所述最大空气量对应的充电电压被设定为最小充电电压。19.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述N个充电电压在所述最大充电电压与所述最小充电电压之间逐步降低。
【文档编号】H02J7/00GK105870981SQ201510598452
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年9月18日
【发明人】闵丙昊, 李圭, 李圭一, 尹圣坤
【申请人】现代自动车株式会社