燃料电池车辆的电网系统及其控制方法与流程

本公开涉及一种燃料电池车辆的电网系统及其控制方法，更具体地，涉及一种燃料电池车辆的电网系统及其控制方法，其在例如碰撞等危险情况下通过迅速去除燃料电池堆的电压而避免承受高压风险。

背景技术：

用于作为一种环境友好型车辆的氢燃料电池车辆的燃料电池系统包括：被配置成通过反应气体的电化学反应来产生电能的燃料电池堆；被配置成为燃料电池堆提供氢作为燃料的氢供给装置；被配置成为燃料电池堆提供含氧空气的空气供给装置，其中氧用作电化学反应所需的氧化剂；以及被配置成通过向外部排放作为燃料电池堆电化学反应的副产物的热量而将燃料电池堆的工作温度调节为最佳温度、并执行水管理功能的热量和水管理系统。

用于减小和去除燃料电池堆的电压的燃料电池负载装置被连接到燃料电池堆，在燃料电池车辆的启动被停止时或之后去除燃料电池堆内部的氧。引入到燃料电池堆的氧在电流流经燃料电池负载装置而被消耗的同时与阳极上残留的氢一起被去除。当阳极没有氢时则无法消耗氧。因此，为避免这种情况，采用唤醒技术(wakeup technology)为阳极周期性地供给氢。

换句话说，与内燃机不同，燃料电池车辆在关闭启动后需要单独的用于通过去除燃料电池堆内部残留的空气来降低燃料电池堆的电压的后处理。因此可避免燃料电池堆的劣化和承受高压的风险。当氧在阳极时形成电压时，在阴极发生碳腐蚀。因此，燃料电池车辆需要去除燃料电池堆内部的氧、防止额外的氧气流，并将不可避免地引入的氧去除的处理。

当发生例如碰撞等危险情况时，传统的燃料电池车辆被强制使用燃料电池负载装置来降低燃料电池堆的电压，从而避免承受高压的风险。传统的燃料电池车辆仅将负载装置与燃料电池电连接来降低燃料电池的电压。该过程与在正常状态下启动关闭后降低燃料电池电压的后处理并无不同。因此，由于传统的 燃料电池车辆没有单独的用于在例如碰撞等紧急情况下降低燃料电池电压的装置，无法迅速地去除高压。此外，由于燃料电池可暴露在高压状态，因此仍存在例如电击等危险。

上述内容仅用于帮助理解本公开的背景，并不旨在表示本公开落入本领域技术人已公知的现有技术的范围内。

技术实现要素：

因此，本公开提供一种燃料电池车辆的电网系统及其控制方法，其能够在例如碰撞等危险情况下通过迅速去除燃料电池堆的电压而避免承受高压风险。

根据一个方面，燃料电池车辆的电网系统可包括：经由主总线并联的燃料电池和高压电池单元；被配置成形成/切断燃料电池的输出端和主总线之间的电连接的第一开关单元；连接在燃料电池的输出端和第一开关单元之间进行分流的负载装置；连接在第一开关单元和节点之间的反向电流切断装置，负载装置从该节点分流；被配置成形成/切断燃料电池的输出端和负载装置之间的电连接的第二开关单元；控制器，被配置成在预设的危险事件发生时，对第一和第二开关单元进行操作，并调整主总线与高压电池单元之间的电连接状态，从而使燃料电池的输出端的电力通过负载装置和高压电池的充电操作来消耗。

当预设的危险事件发生时，控制器可被配置成在对第一和第二开关单元进行操作之前切断向燃料电池供应氢和氧。此外，当预设的危险事件发生时，控制器可被配置成判断高压电池单元是否可被充电。当高压电池单元可被充电时，控制器可被配置成操作第一和第二开关单元使其短路，并操作高压电池单元中的高压转换器，以降低主总线的电压。当高压电池单元不可被充电时，控制器可被配置成操作第一开关单元使其开路，操作第二开关单元使其短路，并切断高压电池单元和主总线之间的电连接。当燃料电池的输出端的电压变得小于预设电压时，控制器可被配置成操作第一和第二开关单元使其开路，并切断高压电池单元和主总线之间的电连接。

根据另一个方面，一种用于控制燃料电池车辆的电网系统的方法，包括：通过控制器感测是否发生了预设的危险事件；通过控制器判断经由主总线与燃料电池并联的高压电池单元是否可被充电；响应于确定高压电池单元可被充电，通过控制器形成燃料电池的输出端和负载装置之间的电连接、以及燃料电池和 高压电池单元之间的电连接。燃料电池的输出端的电力可通过负载装置和高压电池单元的充电操作而被消耗。

此外，控制器可被配置成在判断高压电池单元是否可被充电时对高压电池单元中的高压转换器进行操作以减小主总线的电压。所述方法还可包括：响应于确定高压电池单元不可被充电，通过控制器形成燃料电池的输出端和负载装置之间的电连接，并切断燃料电池和高压电池单元之间的电连接。所述方法还可包括：在判断高压电池单元是否可被充电之前，通过控制器切断向燃料电池供应氢和氧。

所述方法还可包括：在形成电连接后，通过控制器将燃料电池的输出端的电压与预设电压进行比较；以及响应于确定燃料电池的输出端的电压小于预设电压，通过控制器切断燃料电池的输出端和负载装置之间的电连接、燃料电池的输出端和主总线之间的电连接、以及高压电池单元和主总线之间的电连接。

根据另一个方面，提供一种用于控制燃料电池车辆的电网系统的方法。具体地，在预设的危险事件发生时，控制器可被配置成形成燃料电池的输出端和负载装置之间的电连接、以及燃料电池和经由主总线与燃料电池并联的高压电池单元之间的电连接，从而使燃料电池的输出端的电力通过负载装置和高压电池单元的充电操作而被消耗。

根据本公开的示例性实施例，与仅使用负载装置去除燃料电池的输出端残留的电力时相比，所述燃料电池车辆的电网系统及其控制方法可迅速有效地去除燃料电池的输出端残留的电力。因此，所述燃料电池车辆的电网系统及其控制方法可在燃料电池车辆发生碰撞事故时，迅速降低燃料电池的输出端的高压，从而避免如触电等事故。

附图说明

结合附图，通过以下详细描述，将更清楚地理解本公开的上述和其它目的、特征以及其它优点。

图1是示出根据本公开的示例性实施例的燃料电池车辆的电网系统的结构图；以及

图2是示出根据本公开的示例性实施例的用于控制燃料电池车辆的方法的流程图。

具体实施方式

本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语通常包括机动车辆，例如：客运车辆，包含运动型多功能车(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆，船舶，包含各种小船和舰船，飞机等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如从非石油基资源中衍生出的燃料)。如本文所述，混合动力车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如由汽油驱动和电驱动的车辆。

虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但应该理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。此外，应当理解，术语控制器/控制单元是指一种包括存储器和处理器的硬件设备。所述存储器被配置成存储所述模块，所述处理器专门被配置成执行所述模块从而来执行以下进一步描述的一个或多个过程。

另外，本公开中的控制逻辑可被具体化为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读媒体，包括由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)ROM、磁带、

软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可在与计算机系统连接的网络中分发，从而可以分布的方式例如通过远程服务器或控制器区域网络(CAN)来存储和执行计算机可读媒体。

本文所使用的术语目的仅在于描述具体的实施例，并非意在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另有所指。将进一步理解的是，在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，表示存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，和/或它们的组合。如本文所使用的，术语“和/或”包括所列的一个或多个相关项目的任何和所有组合

以下，将参照附图对本公开的示例性实施例进行说明。

图1是根据本公开的示例性实施例的燃料电池车辆的电网系统的结构图。参照图1，燃料电池车辆的电网系统可包括经由主总线12并联的燃料电池单元11和高压电池单元21；被配置成形成和切断燃料电池11的输出端和主总线12 之间的电连接的第一开关单元13；连接在燃料电池11的输出端和第一开关单元13之间进行分流的负载装置15；被配置成形成和切断燃料电池11的输出端和负载装置15之间的电连接的第二开关单元17；被配置成对第一和第二开关单元13和17进行操作、并调整主总线12与高压电池单元21之间的电连接状态的控制器19。

根据本公开的示例性实施例的电网系统可包括燃料电池11的输出端和第一开关单元13之间的反向电流切断装置D。具体地，反向电流切断装置D可被设置在第一开关单元13和节点N之间，负载装置15从该节点N分流。当第一开关单元13短路时，反向电流切断装置D可被配置成切断电流从主总线12流向燃料电池11的输出端和负载装置15。反向电流切断装置D可包括阳极和阴极可分别连接到负载装置15的分流节点N和在第一开关单元13的二极管D。

高压电池单元21可充当使用燃料电池11作为主电源的燃料电池车辆的辅助电源。高压电池单元21可包括被配置成存储电力的高压电池211和双向高压转换器213，高压转换器213被配置成将高压电池211的输出转换成一电压，并将该电压提供给主总线12，或者将来自主总线12的电力输入转换成一电压，并将该电压提供给高压电池211为高压电池211充电。高压电池211可包括开关单元，例如继电器。高压电池211中开关单元的开路状态/短路状态可通过控制器19调节。因此，可形成/切断高压电池211和主总线12之间的电连接。

高压转换器213可包括可经脉宽调制(PWM：pulse width modulation)控制确定在电压转换期间转换的电压的幅值的多个开关元件。高压转换器213中的多个开关元件可由控制器19进行PWM控制，并且可通过开关元件的操作来形成/切断高压电池211和主总线12之间的电连接。

图1中，附图标记23表示驱动电动机单元。驱动电动机单元23可被配置成利用充当主电源的燃料电池11或充当辅助电源的高压电池单元21所提供的电压产生动力。驱动电动机单元23可包括被配置成将从主总线12输入的直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的逆变器231、以及由逆变器231所提供的AC电力驱动的驱动电动机233。

图1示出开关单元13和17是通过电磁感应方法使节点之间的连接短路/开路的继电器。然而，开关单元13和17可被替换为本领域内所采用的各种类型的可控开关单元。附图标记25表示连接到主总线12并使用高压的各种高压配 件，附图标记31和33表示被配置成感测燃料电池11的输出端的电压和主总线12的电压的电压传感器。

在根据本公开的示例性实施例的燃料电池车辆的电网系统中，当发生例如车辆碰撞等预设的特定事件时，控制器19可被配置成对第一和第二开关单元13和17进行操作并调整高压电池单元21，从而使燃料电池11的输出端的电力通过负载装置15消耗，并同时通过对高压电池单元进行充电来消耗。因此，当根据本公开的示例性实施例的燃料电池车辆处于例如碰撞事故等危险情况时，燃料电池11的输出端的电力可通过负载装置15消耗，并同时通过对高压电池单元21中的高压电池211进行充电来消耗。因此，能够更加迅速地降低燃料电池11的输出端的电压。

以下将更加详细地描述根据本公开的示例性实施例的用于控制燃料电池车辆的电网系统的方法。

图2是示出根据本公开的示例性实施例的用于控制燃料电池车辆的电网系统的方法的流程图。可在燃料电池车辆发生例如碰撞事故等危险事件时执行图2所示的控制方法。当发生例如碰撞事故等危险事件时，燃料电池11的输出端可能会被暴露或短路到外部设备或人体。这种危险事件可通过车辆内安装的各种传感器(未示出)来感测。这些各种传感器可包括冲击传感器(shock sensor)。当由传感器感测到的信息被输入到控制器19时，控制器19可被配置成确认是否发生了危险事件。

参照图2，当在步骤S101中具有根据本公开的示例性实施例的电网系统的燃料电池车辆正常运行时，在步骤S103中发生预设的危险事件时，控制器19可被配置成在步骤S105阻止向燃料电池堆11提供氢和氧，并停止燃料电池11的运行。在步骤S101中，当第一开关单元13被短路、第二开关单元17开路时，从燃料电池11输出的电力可通过主总线12提供给驱动电动机单元23。此外，在步骤S105中，控制器19可被配置成将驱动电动机单元23中的驱动电动机233的输出调整为零。

然后，在步骤S107，控制器19可被配置成判断高压电池单元21是否可被充电。在判断高压电池单元21是否可被充电的步骤S107中，控制器19可被配置成接收关于高压电池单元21的高压转换器212或高压电池211是否发生故障(例如，是否发生错误或失效)，或者高压电池211的荷电状态(SOC：state of charge)是否过高的信息。

响应于确定所述高压电池单元可被充电，在步骤S109，控制器19可被配置成操作第一和第二开关单元13和17使其短路，并操作高压转换器212以对高压电池单元21中的高压电池211充电，从而降低主总线12的电压。具体地，燃料电池11的输出端可被电连接到负载装置15和高压电池单元21，并可降低主总线12的电压。因此，燃料电池11的输出端残留的电力可在由负载装置15消耗而去除的同时，可通过对高压电池单元21中的高压电池211充电而去除。

在本公开的示例性实施例中，与仅使用负载装置15去除燃料电池11的输出端残留的电力时相比，可更加迅速有效地去除燃料电池11的输出端残留的电力。因此，发生碰撞事故时，可迅速降低燃料电池11的输出端的高压，从而防止触电等事故。

在一般的燃料电池车辆中，燃料电池和负载装置存在于发动机室内，而高压电池单元设置在车地板下(underfloor)。换句话说，高压电池单元设置在比燃料电池更安全的位置。本公开的示例性实施例基于一般燃料电池车辆的燃料电池和高压电池单元的布置结构，考虑了迅速去除比高压电池的电压更高的燃料电池的高压的必要性。因此，高压电池和高压转换器可被设置在即使是在碰撞事故期间所述高压电池和高压转换器也能够正常操作(例如，无故障)的区域中。因此，在碰撞事故期间通过高压电池的充电操作去除燃料电池的残余的电压是一种实用且安全的解决方案。

此外，响应于确定所述高压电池单元不可被充电，在步骤S111，控制器19可被配置成操作第一开关单元13使其开路，操作第二开关单元17使其短路。通过控制器19的控制，可形成燃料电池的输出端11和负载装置15之间的电连接，并可切断燃料电池11和高压电池单元21之间的电连接。具体地，在步骤S111，控制器19可被配置成切断高压电池单元21和主总线12之间的电连接。在切断高压电池单元21和主总线12之间的电连接的过程中，控制器19可被配置成操作高压电池211中形成的继电器(未示出)来切断高压电池单元211和高压转换器213之间的连接，或者操作高压转换器213中的开关元件使高压电池211和主总线12彼此电绝缘，这两种方法均可以使用。

此外，在步骤S113，控制器19可被配置成将燃料电池11的输出端的电压与预设电压V₁进行比较，并判断燃料电池11的输出端的电压是否小于预设电 压V₁。在步骤S113中，控制器19可被配置成从被配置成感测燃料电池11的输出端的电压的电压传感器31接收燃料电池11的输出端的电压的幅值信息，并将燃料电池11的输出端的电压与预设电压V₁进行比较。电压V₁可被预设为即便是在燃料电池11的输出端的电压被暴露到人体等时，仍可确保安全的低电压值。可继续保持步骤S107、S109和S111，直到燃料电池11的输出端的电压变成小于所述预设电压V₁。

当燃料电池11的输出端的电压减小到小于预设电压V₁时，控制器19可被配置成操作第一和第二开关单元13和17使其开路，从而切断燃料电池11和主总线12之间的电连接、以及燃料电池11和负载装置15之间的电连接。此外，在步骤S109中高压电池单元21被充电时，控制器19可被配置成切断高压电池单元21和主总线12之间的连接。

虽然出于说明的目的描述了本公开的示例性实施例，但本领域技术人员将认识到在不脱离如所附权利要求中所公开的本公开的范围和精神的情况下能够进行各种修改、增加和替换。