燃料电池系统的控制方法和系统与流程

本发明一般涉及燃料电池系统的控制方法和系统，并且更特别地涉及防止燃料电池堆劣化和诊断用于消耗(draining)燃料电池堆残余电压的负载中的故障的燃料电池系统的控制方法。

背景技术：

适用于氢燃料电池车辆，一种类型的环保型车辆的燃料电池系统包括：燃料电池堆，其从反应气体的电化学反应产生电力；氢供给系统，其被配置成向燃料电池堆供给作为燃料的氢；空气供给系统，其被配置成供给包括氧气的气体作为电化学反应的氧化剂；以及热和水管理系统，其被配置成管理水并且通过发射作为其中电化学反应的副产物的热来保持用于驱动的最佳燃料电池堆温度。

图1是示出总燃料电池系统的示例性示意图。如图1所示，燃料电池系统100可包括燃料电池堆10、燃料电池负载装置20、鼓风机30、加湿器40、在入口和出口中的空气截止阀35和45、排放阀42、净化阀44、聚水器50、氢再循环装置55、氢供给阀57、散热器60和恒温器(thermostat)65。在入口和出口中的空气截止阀35和45可以防止在燃料电池车辆关闭之后空气流入到燃料电池堆。排放阀42被布置在氢排气管线中，以在阳极除去生成的水，并且净化阀44调节在阳极的氢浓度，并且将氢气排出到空气出口，以稀释空气。

在燃料电池车辆被关闭时并且在燃料电池车辆关闭之后，将燃料电池堆10的电压降低以消耗电压的燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10，以除去燃料电池堆10内部的氧。随着燃料电池负载装置20消耗电流，流入燃料电池堆10中的氧气以阳极的残余氢除去。然而，氢不足可能导致氧气不能完全消耗，并且因此唤醒(Wakeup)技术被用于周期性地向阳极供给氢。

换句话说，与内燃车辆不同的是，燃料电池系统100需要后处理 过程，其通过在燃料电池车辆关闭之后除去燃料电池堆10内部的残余空气来降低燃料电池堆10的电压。后处理过程防止燃料电池堆10的劣化，以避免暴露于高电压的危险。当电压随着氧气存在于阳极而形成时，碳腐蚀可能发生在阴极。因此，有必要除去在燃料电池堆10内部的氧，并防止氧气的额外流入。当额外的氧气流入到燃料电池堆中时，排出的氧气去除是必要的。因此，当车辆关闭时，系统停止氧供给，特意使用燃料电池负载装置20消耗用于负载电流的残余氧气，并且降低电压。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种燃料电池系统的控制方法和系统，其可以使用电池和燃料电池负载装置减少燃料电池堆的电压，并且可以诊断燃料电池负载装置的损坏。

根据本发明示例性实施例的一种燃料电池系统的控制方法，可以包括以下步骤：通过对高压电池充电来消耗所述燃料电池堆的电压；以及随着所述电压消耗，当所述燃料电池堆的电压小于预定的第一参考电压(V1)时，通过将燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆来消耗所述燃料电池堆的电压。

当不能对所述高压电池充电时，如果检测到燃料电池车辆碰撞，或如果所述燃料电池堆的电压达到预定第一参考电压所需的时间大于预定的第一参考时间周期，则可以停止所述高压电池的充电，并且执行所述第二消耗过程。在以下特定情况下不能所述高压电池充电：当所述高压电池损坏时、当连接到所述高压电池的电力转换器损坏时、当所述高压电池的充电状态(SOC)大于预定的SOC时、以及当用于所述高压电池充电的电源不足时。随着所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆，当所述燃料电池堆的电压降低到小于预定的第二参考电压(V2)时，所述第二消耗过程终止。

所述控制方法还可以包括以下步骤：基于到所述燃料电池负载装置的连接，调节在所述燃料电池堆和逆变器之间设置的主总线端子电压到可接受的最小电压(V3)，以防止所述燃料电池堆的输出功率被提供给除所述燃料电池负载装置之外的负载，直到所述燃料电池堆的 电压达到预定的第二参考电压(V2)。在调节所述主总线端子电压到可接受最小电压(V3)的步骤中，可以保持所述主总线端子的电压为初始值，并且当所述燃料电池堆的电压达到所述预定的第二参考电压(V2)时，将所述主总线端子的电压降低到可接受的最小电压(V3)。

在调节所述主总线端子电压到可接受最小电压(V3)的步骤中，可以保持所述主总线端子的电压大于所述燃料电池堆的电压。另外，调节所述主总线端子电压到可接受最小电压(V3)的步骤可以包括以下步骤：通过在连接到所述燃料电池负载装置之前关闭主继电器，将所述燃料电池堆从主总线端子断开。所述可接受的最小电压(V3)可以小于所述第一参考电压，并且大于用于操作连接到高压电池的电力转换器或连接到主总线端子的高压组件的最小电压。

在第一消除步骤之前，所述控制方法，还可以包括以下步骤：在通过向所述燃料电池堆供给空气，将所述燃料电池堆的电压增加到大于所述第一参考电压之后，停止对所述燃料电池堆的空气供给。在第二消耗步骤之前，所述的控制方法，还可以包括以下步骤：通过关闭主继电器，将所述燃料电池堆从设置在所述燃料电池堆和所述逆变器之间的主总线端子断开。

根据本发明的另一示例性实施例的一种燃料电池系统的控制方法，可以包括以下步骤：将燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆；以及诊断所连接的所述燃料电池负载装置的操作。另外，诊断所述燃料电池负载装置的操作的步骤可以包括：基于选自如下项的至少一个，诊断所述燃料电池负载装置的操作：来自所述燃料电池堆的电流输出、在所述燃料电池负载装置内流动的电流、和在所述燃料电池堆的电压的降低速度。

诊断所述燃料电池负载装置的操作的步骤可以包括以下步骤：当在设定电流值和在所述燃料电池负载装置中流动的电流值之间的差，或在所述设定电流值和所述燃料电池堆的输出电流值之间的差分别大于预定公差时，由所述控制器诊断所述燃料电池负载装置的损坏，其中所述设定电流值是基于所述燃料电池堆的电压和所述燃料电池负载装置的电阻值两者计算的。可以基于被配置成感测在所述燃料电池负载装置中流动的电流值的传感器的分辨率，和被配置成感测所述燃料 电池堆的输出电流值的传感器的分辨率，分别预定所述公差。

基于所述燃料电池堆的电压的降低速度，诊断所述燃料电池负载装置的操作的步骤可以包括以下步骤：基于在所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆之后所述燃料电池堆的电压达到特定电压所需的时间，和在所述燃料电池负载装置的正常操作下所述燃料电池堆的电压达到所述特定电压所需的参考时间两者，诊断所述燃料电池负载装置的操作。所述参考时间可以基于车辆速度、空气流入量、所述燃料电池堆的水含量、所述燃料电池堆内部的渗透状态和当所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆时的所述燃料电池堆的电压来改变。

基于所述燃料电池堆的电压的降低速度，诊断所述燃料电池负载装置的操作的步骤可以包括以下步骤：基于在所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆之后经过了特定时间周期时的所述燃料电池堆的电压、和在所述燃料电池负载装置的正常操作下在特定时间周期之后所述燃料电池堆达到的参考电压两者，诊断所述燃料电池负载装置的操作。所述参考电压可以基于车辆速度、空气流入量、所述燃料电池堆的水含量、所述燃料电池堆内部的渗透状态和当所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆时的所述燃料电池堆的电压来改变。

另外，当所述燃料电池堆的电压大于预定电压时，可以基于选自如下项的至少一个，执行对所述燃料电池负载装置的操作的诊断：来自所述燃料电池堆的电流输出、和在所述燃料电池负载装置中流动的电流。当所述燃料电池堆的电压小于预定电压时，可以基于所述燃料电池堆的电压的降低速度，执行对所述燃料电池负载装置的操作的诊断。

随着所述燃料电池堆的电压通过对高压电池充电而消耗，当所述燃料电池堆的电压小于预定的第一参考电压时，可以执行所述燃料电池负载装置到所述燃料电池堆的连接；以及当所述燃料电池堆的电压降低到小于预定的第二参考电压时，对所述燃料电池负载装置的操作的诊断可以终止，所述预定电压可以大于预定的第二参考电压，并且小于预定的第一参考电压。

当所述燃料电池堆的电压大于所述预定电压时，如果设定电流值 和在所述燃料电池负载装置中流动的电流值之间的差、或所述设定电流值和所述燃料电池堆的输出电流值之间的差分别大于预定公差，则可以诊断出所述燃料电池负载装置损坏，其中所述设定电流值是根据所述燃料电池堆的电压和所述燃料电池负载装置的电阻值计算的。当所述燃料电池堆的电压小于预定电压时，可以基于所述燃料电池堆的电压从诊断开始时间起达到特定电压所需的时间、和在所述燃料电池负载装置的正常操作下所述燃料电池堆的电压达到特定电压所需的参考时间两者，所述燃料电池负载装置的操作被诊断。

所述参考时间可以基于车辆速度、空气流入量、所述燃料电池堆的水含量、所述燃料电池堆内部的渗透状态和当所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆时的所述燃料电池堆的电压来改变。所述预定电压大于所述特定电压。当所述燃料电池堆的电压小于预定电压时，可以基于从诊断开始时间起经过了特定时间周期时的所述燃料电池堆的电压，和在所述燃料电池负载装置的正常操作下经过了所述特定时间周期时的参考目标电压两者，诊断所述燃料电池负载装置的操作。

所述参考电压可以基于车辆速度、空气流入量、所述燃料电池堆的水含量、所述燃料电池堆内部的渗透状态或当所述燃料电池负载装置连接到所述燃料电池堆时的所述燃料电池堆的电压来改变。所述预定电压可以大于所述参考电压。所述控制方法还可以包括以下步骤：当对所述燃料电池负载装置的操作的诊断终止时，存储基于诊断终止的结果到存储器。

根据本发明的示例性实施例，燃料电池系统的控制方法可通过消耗燃料电池堆的残余氧气来改进燃料电池系统的耐久性。此外，该方法可通过降低燃料电池堆的电压来降低高压暴露的危险。该方法也可保持当重启车辆时的稳定性，并且可改进车辆的燃料效率。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和其它优点将从结合附图的以下详细描述更清楚地理解，其中：

图1是示出根据现有技术的总体燃料电池系统的示例性示意图；

图2是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图；

图3是根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图；

图4A和图4B是示出根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的控制方法的示例性流程图；

图5是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图；

图6是根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图；

图7A和图7B是根据本发明示例性实施例分别示出使用高压电池用于消耗燃料电池堆电压的过程和禁止使用高压电池用于消耗燃料电池堆电压的过程的过程的示例性视图。

图8是示出当燃料电池根据本发明示例性实施例关闭时，随着时间电压和电流变化的示例性曲线图；

图9是示出用于使用根据本发明示例性实施例在图5中示出的第一电流传感器检测的电流值来诊断燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图；

图10是示出用于使用根据本发明示例性实施例在图6中示出的第二电流传感器检测的电流值来诊断燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图；

图11A和图11B是根据本发明示例性实施例分别示出当燃料电池负载装置在正常操作下时和当燃料电池负载装置损坏时，根据燃料电池堆电压的变化达到特定电压所花费的时间和经过特定时间周期之后的电压的曲线图；

图12是示出用于诊断根据本发明示例性实施例的燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图；

图13是示出用于诊断根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图；以及

图14和图15是根据本发明示例性实施例示出根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”(vehicle)或“车辆的”(vehicular)或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)在内的乘用车、公交车、卡车、各种商务车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车、插入式混合电动车、氢动力车辆、燃料电池车辆和其它代用燃料车辆(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。本文所使用的混合动力车是具有两种以上动力源的车辆，比如汽油动力和电动力的车辆。

虽然示例性实施例被描述为使用多个单元执行示例性进程，但是应该理解示例性进程也可以由一个或多个模块执行。此外，应该理解术语“控制器/控制单元”是指包括存储器和处理器的硬件装置。该存储器配置为存储上述模块，而处理器具体配置为执行上述模块，以便执行下面进一步描述的一个或多个进程。

此外，本发明的控制逻辑也可具体化为计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质，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、CD-ROM(只读光盘)，磁带、软盘、闪盘(flash drive)、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在连接网络(network coupled)的计算机系统中，以便例如通过远程服务器(telematics server)或控制器局域网(CAN：Controller Area Network)以分布形式存储和执行计算机可读介质。

本文使用的术语仅仅是为了说明示例性实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an和the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数(Integer，整体)、步骤、操作、元件和/或部件，但是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、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

如本文所使用的，除非特别声明或从上下文中明显看出，术语“约 (about)”应理解为处于本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约”可理解为在标注值(stated value)的10％，9％，8％，7％，6％，5％，4％，3％，2％，1％，0.5％，0.1％，0.05％，或0.01％内。除非从上下文中另外明确地看出，否则本文所提供的所有数值被术语“大约”修饰。

在说明书或申请中公开的本发明的示例性实施例的特定结构或功能描述仅用于本发明的示例性实施例的描述，可以以各种形式来体现并且不应当被解释为受限于在说明书或申请中所描述的实施例。

特定的示例性实施例在附图中示出并且在说明书或申请中详细描述，因为本发明的示例性实施例可以具有各种形式和修改。然而，应该理解，没有意图限制本发明的实施例为特定的实施例，但意图是覆盖所有的修改、等价物和包括于本发明范围的替代方式。

尽管术语第一、第二等可在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语限制。这些术语用于区分不同的元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的范围。

应该理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或中间元件可以存在。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间关系的其它词语应该以类似的方式被解释(例如，“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有由本发明所属的技术领域中普通技术人员所普遍理解的相同含义。将进一步理解，术语诸如在常用词典中定义的应解释为具有与在相关领域的上下文中它们的含义一致的含义，并且不会以理想化或过于正式的意义解释，除非这里明确地如此定义。

现在参考附图，其中相同的附图标记在整个不同附图中用于表示相同或类似的组件。

图2是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框 图，并且图3是根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图。如图2和图3所示，用于车辆的燃料电池-电池混合动力系统可以包括：作为主电源的燃料电池10和作为辅助电源的高压电池(主电池)220，它们可经由主总线端子211彼此并联连接；双向直流-直流(DC/DC)转换器(例如，BHDC：Bidirectional High Voltage DC/DCConverter；双向高压DC/DC转换器)221，其连接到高压电池220以调节高压电池220的输出功率；逆变器231，其连接到在两个燃料电池10和高压电池220的输出侧上的主母线端子211；连接到逆变器231的驱动电机232；在车辆内的高压负载233，其包括逆变器231和驱动电机232；低压电池(辅助电池)240和低压负载241；低压DC/DC转换器(例如LDC：Low Voltage DC/DC Converter；低压DC/DC转换器)242，其在低压电池240和主总线端子211之间连接，被配置成将高压转换为低压；以及燃料电池负载装置20。

这里，作为主电源的燃料电池10和作为辅助电源的高压电池220两者都可经由主总线端子211并联连接到系统内负载，诸如逆变器231、驱动电机232等。连接到高压电池的双向DC/DC转换器221可以连接到在燃料电池10输出侧的主总线端子211，并且因此可以通过调节双向DC/DC转换器221的电压(例如，到主总线端子的输出电压)，调节燃料电池10和高压电池220两者的输出功率。

燃料电池10可包括在其输出端上防止反向电流的二极管213，和将燃料电池10选择性地连接到主总线端子211的继电器214。继电器214可以被布置在图2中所示的电力网中，但不能设置在图3中所示的电力网中。在图2中的继电器214可被配置成在燃料电池系统怠速熄火/重启过程期间和在燃料电池10正常操作(例如无故障操作)下车辆驱动期间将燃料电池10连接到主总线，并且在车辆切断(例如正常关机)或紧急关机时将燃料电池10从主总线断开。燃料电池负载装置20可以是在燃料电池开启和关闭时用于消耗燃料电池电压的负载。燃料电池10和燃料电池负载装置20可以经由燃料电池负载继电器25彼此连接。

图3中的燃料电池系统剔除了继电器214，因此有可能降低用于继电器的成本，并减少由继电器214的操作导致的噪声。然而，为切断图 2中作为继电器214的角色的燃料电池的输出功率，系统应保持双向DC/DC转换器221的电压大于燃料电池堆的开路电压，并且限制在高压电池可允许输出功率内的高压负载233和低压负载241两者的负载。此外，为了减少当燃料电池关闭(off)时形成高压所需的时间，燃料电池10的电压需要被消耗。当继电器214被包括在系统中时，有可能通过继电器214的关闭(off)来防止高压在总线端子中形成。

图4A和图4B是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的控制方法的示例性流程图。图4A示出了这样一种控制方法，其中燃料电池系统可包括被配置成防止燃料电池的输出功率被提供到主总线端子的主继电器214，而图4B示出了这样一种控制方法，其中燃料电池系统不包括主继电器214。特别地，燃料电池控制器(FCU：fuel cell control)可以被配置成执行在流程图中的相应步骤，或与燃料电池控制器通信的用于燃料电池系统内的每个组件的多个控制器可被配置成执行该过程。

参考图4A和图4B，当燃料电池系统100被关闭时(S401)，控制器可以被配置成确定燃料电池堆10的电压是否小于预定的第一参考电压(V1)(S403)。当燃料电池堆10的电压小于预定的第一参考电压(V1)时，空气可以被供应到燃料电池堆10(S405)，并且燃料电池堆10的电压可以增加，直到电压大于第一参考电压(V1)(S407)，并且然后空气向燃料电池堆的供给可被终止(S409)。当燃料电池堆的电压大于第一参考电压时(V1)，空气可以被防止供应到燃料电池堆，并且空气供给的过程可被终止(S409)。

换句话说，停止空气供给可以不管燃料电池的电压而进行，但是当燃料电池堆10的电压相当低时，控制器可以被配置成向燃料电池堆供给空气，以增加燃料电池堆的电压到大于第一参考电压(V1)，并且然后停止空气的供给。当燃料电池在怠速熄火过程期间关闭时，燃料电池堆10的电压已经很低，并且因此可能难以诊断燃料电池负载装置20的操作。为诊断燃料电池负载装置是否在操作，它可能需要在燃料电池堆10的电压高达某一程度的状态下操作燃料电池负载装置。因此，在空气供给到燃料电池堆以提高燃料电池堆的电压到特定程度之后， 空气的供给可能停止。

在停止空气供给之后，控制器可以被配置成确定高压电池220是否可以被充电，或者燃料电池车辆碰撞是否未发生(S411)。高压电池是否可以被充电220可以基于选自如下条件的至少一个条件来确定：高压电池220是否损坏，连接到高压电池220的双向DC/DC转换器221是否损坏，高压电池220的SOC(state of charge；充电状态)是否大于预定的SOC，以及用于高压电池220充电的电源是否不足。

响应于确定高压电池220是否可被充电，燃料电池堆的电压可以通过高压电池220的充电来消耗，并且因此燃料电池堆10的电压可被降低(S413)。随着燃料电池堆10的电压降低，控制器可被配置成确定燃料电池堆10的电压是否低于预定的第一参考电压(V1)，或高压电池220的充电时间是否大于预定时间周期(T1)(S415)。当燃料电池堆10的电压小于预定的第一参考电压(V1)时，或者当高压电池220的充电时间大于预定时间周期(T 1)时，高压电池的充电可停止(S417)。

如图4B所示，对于包括主继电器214的系统，当燃料电池堆10的电压小于预定的第一参考电压时，或当高压电池的充电时间大于预定时间周期(T 1)时，燃料电池堆10可通过关闭主继电器214从主总线端子211断开(S416)，并且主总线端子211的电压可降低以达到第三参考电压(V3)，该第三参考电压可预定为大约与第一参考电压(V1)相同或小于第一参考电压(V1)(S417)。停止高压电池220的充电可基于如下的条件来确定，该条件包括：主总线端子211的电压；源于高压电池的充电的从燃料电池堆消耗的电压的最大量等等。消耗源于高压电池220充电的燃料电池堆10的电压的过程和消耗源于燃料电池负载装置20的燃料电池堆10的电压的过程不能同步执行。

更具体地说，为了防止向除了燃料电池负载装置20之外的负载(例如，高压电池，辅机等)输出燃料电池堆10的电力，主总线端子211的电压可被降低到预定的第三参考电压。另外，燃料电池堆10可被连接到燃料电池负载装置20(S419)。当燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10(S421)时，燃料电池负载装置20的操作可被诊断。换句 话说，控制器可以被配置成诊断或确定燃料电池负载装置20是否根据其设计目的操作，而没有故障。

当燃料电池堆的电压降低到小于预定的第二参考电压(V2)(S423)时，诊断可被终止并且诊断结果可以被存储在存储器中(S425)。然后，主总线端子211的电压可以通过调节电力转换器，即双向DC/DC转换器221的电压而降低到预定的第三参考电压(V3)。主总线端子211的电压可被降低到预定的第三参考电压，以利于根据燃料电池负载装置20的诊断结果确定是否打开警示灯等，该诊断结果可表明燃料电池负载装置是否损坏，该诊断结果在关机(shut＝down)之后车辆的下一次起动(start-up)时从存储器中读取。

第一参考电压(V1)可以被预定而处于电力转换器221的电压操作范围内。此外，为了燃料电池车辆的燃料效率，第一参考电压可被预定为相对较小的值，而为了诊断燃料电池负载装置20是否损坏，该第一参考电压可以预定为相对较大的值。第三参考电压(V3)可以是用于减小主总线端子211的电压以保持重新启动稳定性的参考电压，并且可以预定为驱动在电力转换器221电压操作范围内的燃料电池系统100内部负载(例如辅助机械等)的最小电压。第一参考电压(V1)可以与第三参考电压(V3)大约相同，或大于第三参考电压(V3)。另外，第三参考电压(V3)可以大于用于操作连接到高压电池220的电力转换器221或连接到主总线端子211的高压组件的最小电压。

不包括主继电器214的燃料电池系统100可以省略在停止高压电池220充电之前降低主总线端子211的电压过程(S417)，或者如果系统执行S417的步骤，则该系统可以被配置成防止燃料电池堆10的电力输出到包括高压电池220在内的除了燃料电池负载装置20之外的负载。

图5是根据本发明示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图，并且图6是根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池系统电力网的示例性框图。用于图3中示出的相同组件和配置的描述将被省略。参考图5，图5中的燃料电池系统还包括被配置成感测流向燃料电池负载装置20的电流大小的第一电流传感器27。适于流向燃料电池负载装置的电流范围的电流传感器可用作第一电流传感器27。图6中示出的燃料 电池系统可以包括被配置成感测燃料电池堆10的输出电流的第二电流传感器29，而不是感测流向燃料电池负载装置20的第一电流传感器27。特别地，由于燃料电池堆10的输出电流可以具有比流向燃料电池负载装置20的电流更大的范围，所以第二电流传感器可以能够高分辨率电流感测。

图7A和图7B是分别示出用于使用高压电池220消耗燃料电池堆10的电压的过程和禁止使用高压电池用于消耗燃料电池堆电压的过程的过程的示例性视图。使用高压电池220，燃料电池堆10的电压消耗可被执行，直到电压达到预定的第三参考电压(V3)。主总线端子211的电压也可以随时间的推移而减少，但可接受的最小电压可以被限制为第三参考电压(V3)(例如，主总线端子的电压可以调节到可接受的最小电压(V3))。第三参考电压或可接受的最小电压(V3)可以预定为在双向DC/DC转换器221的最小操作电压和高压负载233的最小驱动电压之间的较低值。

图7B示出主总线端子211的电压随着时间的推移保持的情况，或者当主总线端子211的最小电压限值改变并且基于不同的最小电压限值，主总线端子211的电压降低的情况。最小电压限值可以被确定为燃料电池堆10的电压和第三参考电压(V3)之间的较大值，以保持主总线端子211的电压大于燃料电池堆10的输出电压，由此燃料电池堆10的输出功率可以防止被提供给不包括燃料电池负载装置20的负载。

图8是示出当燃料电池关闭时随着时间的推移，电压和电流发生变化的示例性曲线图。部分1是燃料电池堆10的电压由高压电池220的充电消耗的部分，而部分2是燃料电池堆10的电压使用燃料电池负载装置20消耗的部分。在部分2中，燃料电池负载装置20的操作可被诊断。此外，在部分2中，主继电器214可以被关闭，以防止高压电池220通过燃料电池堆10充电，或防止燃料电池堆10的输出功率被提供给辅机。此外，使用双向DC/DC转换器221降低主总线端子211的电压的处理可被禁用，并且执行在图7B中示出的电压控制。

图9是示出用于使用在图5中示出的第一电流传感器27检测的电 流值来诊断燃料电池负载装置20操作的方法的示例性流程图。图10是示出用于使用在图6中示出的第二电流传感器29检测的电流值来诊断燃料电池负载装置20操作的方法的示例性流程图。

参考图9和图10，根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的控制方法可包括诊断连接到燃料电池堆10的燃料电池负载装置20的操作的步骤，并且诊断燃料电池负载装置20的操作的步骤可以包括基于燃料电池堆10的电压和燃料电池负载装置20的电阻值两者来计算估计的电流值(I_est)(S701，S801)。当估计的电流值(I_est)和在燃料电池负载装置20(I_real-load)中流动的电流值之间的差，或估计的电流值(I_est)和燃料电池堆的输出电流值(I_{real-fuelcell})之间的差大于预定公差(K，M)(S703，S803)时，控制器可以被配置成确定燃料电池负载装置20损坏(S705，S805)。基于燃料电池负载装置20的第一电流传感器27的分辨率和燃料电池堆10的第二电流传感器29的分辨率，预定公差(K，M)可以被不同地设置。

图11A和图11B是示出当燃料电池负载装置在正常操作下(例如当没有故障或损坏发生时)时和当燃料电池负载装置损坏时，分别基于燃料电池堆电压的变化达到特定电压所需的时间和特定时间周期之后的电压的示例性曲线图。

参考图11A，为了基于燃料电池堆10的电压的降低速度诊断燃料电池负载装置20的操作，而基于在燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10之后燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)所需的时间，和在燃料电池负载装置20的正常操作下燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)所需的参考时间(T_f)两者，燃料电池负载装置20的操作被诊断。

参考图11B，为了基于燃料电池堆的电压的降低速度诊断燃料电池负载装置的操作，而基于在燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆之后经过了特定时间周期(T11)时的燃料电池堆10的电压、和在燃料电池负载装置20的正常操作下经过了特定时间周期(T11)时燃料电池堆10达到的参考目标电压(V_f)两者，燃料电池负载装置20的操作被诊断。

换句话说，在燃料电池负载装置20被操作后，燃料电池负载装置的操作可以基于燃料电池堆的电压达到特定的电压(V11)所需的时间是否大于参考时间周期，以及在特定的时间周期(T11)之后的燃料电池堆电压是否大于参考电压来诊断。基于当燃料电池负载装置20操作时的燃料电池堆的初始电压(即当开始向燃料电池负载装置20提供燃料电池堆10输出功率时的燃料电池堆电压)，达到特定电压(V11)所需的时间和燃料电池堆可在特定时间周期(T11)之后达到的电压可以是可变的。另外，基于当燃料电池负载装置操作时的燃料电池堆的初始电压，燃料电池负载装置20的故障判断标准可以是可变的。随着车辆速度的增加，达到特定电压所需的时间和燃料电池堆可能达到的电压都可能增加。当检测到空气流时并且当燃料电池堆10处于燃料电池堆10的加湿不充分的干透状态时(例如，燃料电池的内阻增加)，时间可同样增加。此外，当氢渗透(crossover)发生时，时间可能减少。因此，考虑到外部环境和燃料电池堆(10)的劣化程度，参考电压和参考时间周期可以改变。特别地，当车辆速度、气流量、干透程度和氢气渗透率增加时，对燃料电池负载装置20的操作的诊断可能被禁用。

参考图11A和图11B，根据到达特定电压所需的时间，或根据在特定时间周期之后的电压能够诊断燃料电池负载装置是处于正常操作或还是损坏，这可根据燃料电池堆10的初始电压而改变(例如当诊断开始时的电压)。确定正常条件或故障条件的判据可以具有如L1，L2的偏移量(offset)。

图12是示出用于诊断根据本发明示例性实施例的燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图，而图13是示出用于诊断根据本发明另一个示例性实施例的燃料电池负载装置操作的方法的示例性流程图。

图12和图13示出用于诊断燃料电池负载装置20中的故障的方法，其中与在图9和图10中示出的使用由电流传感器检测的值来诊断在燃料电池负载装置20中的故障的方法不同，不使用电流传感器27、29。当系统不包括电流传感器27、29时，在燃料电池负载装置 20中的故障可以使用燃料电池堆10的电压降低速度来诊断。

换句话说，在燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10之后，控制器可以被配置成确定燃料电池堆的电压达到特定电压(V11)所需的时间是否大于参考时间周期，或燃料电池堆10的电压是否大于经过了特定时间周期时的参考电压，因此控制器可以被配置成确定燃料电池负载装置20是否损坏。

参考图12，对燃料电池负载装置20的操作的诊断可以包括如下步骤：确定在连接到燃料电池负载装置20之后所经过的时间是否大于特定的时间限值(S901)；当经过时间大于特定时间限值时，确定燃料电池堆的实际电压是否大于参考电压(V_f)(S903)；以及诊断燃料电池负载装置20的操作(S905，S907)。当经过时间大于该特定时间限值时，并且当燃料电池堆10的实际电压大于正常条件的参考电压(V_f)时，燃料电池负载装置20可被确定为损坏，也就是说，不处于正常操作条件(S905)，而当燃料电池堆10的实际电压低于参考电压(V_f)，燃料电池负载装置20可被确定为正常操作(S907)。

此外，参考图12，对燃料电池负载装置20的操作的诊断可以包括以下步骤：在连接到燃料电池负载装置20之后，确定燃料电池堆10的电压是否达到特定电压(V11，V12)(S901)；确定燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11，V12)所需的时间是否大于参考时间周期(T_f)(S903)；以及诊断燃料电池负载装置20的操作(S905，S907)。当燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)时，并且当燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)所需的时间大于正常条件的参考时间周期(T_f)时，燃料电池负载装置20可被确定为损坏，也就是说，不处于正常操作状态(S905)，而当燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)所需的时间小于参考时间周期(T_f)时，燃料电池负载装置20可被确定为正常操作(S907)。

参考图13，对燃料电池负载装置20的操作的诊断可以包括以下步骤：设置燃料电池堆10的参考电压(V_F)，其为在燃料电池负载装置20的正常操作下在连接到燃料电池负载装置20之后经过了特定时间周期(T11)时可达到的电压(S1001)；确定在连接到燃料电池负载装置20之后是否经过了特定时间周期(S1003)；并且在连接到燃 料电池负载装置的连接之后经过了特定时间周期(T11)时，根据燃料电池堆10的电压和参考电压(V_f)之间的差(S1005)，诊断燃料电池负载装置的操作(S1007，S1009)。

换句话说，首先，燃料电池负载装置20可连接到燃料电池堆10，并且参考电压可被预先设定(S1001)，该参考电压为在连接之后经过了特定时间周期(T11)时，随着电压因燃料电池负载装置20的正常操作而降低，燃料电池堆可达到的电压。然后控制器可以被配置成确定是否经过了特定时间周期(T11)(S1003)，并且在特定时间周期(T11)之后检测到的燃料电池堆10的电压可以与参考电压(S1005)相比较。当检测电压与参考电压之间的差大于偏移量(L2)时，燃料电池负载装置可以被确定为损坏(S1007)。

另外，参考图13，对燃料电池负载装置20的操作的诊断可以包括以下步骤：设置参考时间周期(T_f)，其为在燃料电池负载装置20的正常操作下燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)所需要的时间(S1001)；确定燃料电池负载装置20的电压是否达到特定电压(V11)(S1003)；并且根据参考时间周期和燃料电池堆10的电压达到特定电压(V11)(S1005)所需要的实际时间之间的差来诊断燃料电池负载装置的操作(S1007，S1009)。

换句话说，首先，燃料电池负载装置20可连接到燃料电池堆10，并且参考时间周期(T_f)可以被预先设定(S1001)，该参考时间周期为在燃料电池负载装置20的正常操作下连接之后将燃料电池堆10的电压降低到特定目标电压所花费的时间。此外，控制器可被配置成确定燃料电池堆10的电压是否降低到特定电压(S1003)，并且将燃料电池堆10的电压降低到特定电压所需要的时间也可以与参考时间周期相比较(S1005)。当参考时间周期和将燃料电池堆10的电压降低到特定电压所需的时间之间的差大于预定公差(L1)时，燃料电池负载装置可以被确定为损坏(S1007)。当参考时间周期和将燃料电池堆10的电压降低到特定电压所需的时间之间的差小于预定公差(L1)时，燃料电池负载装置20可被诊断为正常操作(S1009)。

当燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10时，特定时间周期之后的参考目标电压和达到特定电压所需的参考时间周期可以根据燃料 电池堆10的电压而变化。此外，参考时间周期和参考电压可随着燃料电池车辆速度增加而增加。此外，当检测到空气流时并且当燃料电池堆10处于燃料电池加湿不足的干透(dry-out)状态时，参考时间周期和参考电压可增加。另外，随着包括燃料电池堆10的燃料电池的膜的氢渗透率增加，参考时间周期和参考电压可降低。

图14和图15是示出根据本发明其它示例性实施例的燃料电池系统的控制方法的示例性流程图。在图14中从S1103至S1107的步骤和在图15中从S1203至S1207的步骤与在图10中从S801至S805的步骤相同。在图14中从S1109至S1113的步骤和在图15中从S1209至S1215的步骤分别与在图12中从S901至S907的步骤和在图13中从S1003至S1009的步骤相同。因此，关于前述步骤的描述将被省略。

当开始燃料电池负载装置20的操作诊断时，随着燃料电池堆负载大于或小于预定电压(V4)，图14和15所示的控制方法相应地改变了用于诊断燃料电池负载装置20的操作的方法。换句话说，燃料电池堆10的电压可被测量，并与预定的电压(V4)比较(S1101，S1201)。当燃料电池堆10的电压大于预定电压(V4)时，所估计的电流值(I_est)可以基于燃料电池堆10的电压和燃料电池负载装置20的电阻值两者计算(S1103，S1203)。然后，当估计的电流值(I_est)和燃料电池堆10的输出电流值(I_{real-fuelcell})之间的差大于预定的公差(K)(S1105，S1205)时，燃料电池负载装置20可以诊断为故障(S1107，S1207)。

此外，当燃料电池堆10的电压低于预定电压(V4)时，燃料电池负载装置20的操作可以使用图12或图13所示的方法来诊断。换句话说，当燃料电池堆10的电压低于预定电压(V4)时，基于在燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10之后燃料电池堆电压达到特定电压所需的时间(例如经过时间)，和作为在燃料电池负载装置20的正常操作下燃料电池堆达到特定电压所需的时间的参考时间周期(T_f)两者，燃料电池负载装置20的操作可被诊断。

此外，当燃料电池堆10的电压低于预定电压(V4)时，基于当在燃料电池负载装置20连接到燃料电池堆10之后经过了特定时间周期时的燃料电池堆电压，和当在燃料电池负载装置20的正常操作下经过了特定时间周期时燃料电池堆10达到的参考电压(V_f)两者，燃料 电池负载装置20的操作可被诊断。

使用电流传感器来诊断燃料电池负载装置20的操作，与基于随着时间的推移的电压的降低程度而诊断燃料电池负载装置20的操作相比，更准确。然而，考虑到电流传感器可经配置测量的范围，当在燃料电池负载装置20中流动的电流大小显著时，燃料电池负载装置20的操作可使用电流传感器来诊断，而当在燃料电池负载装置20中流动的电流足够小以致通过电流传感器不可检测时，燃料电池负载装置20的操作可以通过随时间在电压中的降低程度来诊断。

预定电压(V4)可被设置为，大于特定电压(V11)和在燃料电池负载装置20的正常操作下经过了特定时间周期(T11)时燃料电池堆10达到的参考电压(V_f)。另外，如图8所示，预定电压(V4)可以具有第一参考电压(V1)和第二参考电压(V2)之间的值。此外，预定电压(V4)可大于L2，公差(偏移量)。如上所述，由于测量电流的该方法与测量电压下降速度的方法相比更准确，预定电压(V4)可以是使该测量电压下降速度的方法有用的参考电压。

根据本发明的示例性实施例，燃料电池系统的控制方法可通过消耗燃料电池堆的残余氧气来提高燃料电池系统的耐用性。此外，该方法具有通过降低燃料电池堆的电压来消除高电压暴露危险的效果。另外，该方法可以保持当重新启动车辆时的稳定性，并且可以提高车辆的燃料效率。

尽管本发明的示例性实施例已被公开用于说明的目的，但本领域的技术人员将理解，各种修改、增加和替换都是可能的，而不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神。