燃料电池系统的控制方法和系统与流程

本发明总体涉及燃料电池系统的控制方法和系统，并且更具体地涉及当停止燃料电池的发电时改变氢气供给压力的燃料电池系统的控制方法和系统。

背景技术：

适用于氢燃料电池车辆(一种环保类型的车辆)的燃料电池系统是由下列各项组成的：燃料电池组(fuel cell stack)，其从反应气体的电化学反应生成电力；氢气供给系统，其被配置为将氢气作为燃料供给到燃料电池组；空气供给系统，其被配置为供给包含氧气的气体，作为电化学反应中的氧化剂；以及热和水管理系统，其被配置为管理水并通过放热维持用于驱动的最佳燃料电池组温度，该热是电化学反应中的副产物。

图1是示出整体的燃料电池系统的示例性视图。如图1中所示，燃料电池系统100包括燃料电池组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、排水阀42、排气阀44、脱水器50、氢气再循环装置55、氢气供给阀57、散热器60和恒温器65。在入口和出口中的空气截止阀35和45可以防止空气在燃料电池车辆关闭之后流入到燃料电池组。排水阀42被设置在氢气排气管路内，以除去在阳极处生成的水，并且排气阀44调整在阳极处的氢气浓度，并将氢气排放到空气出口以稀释空气。

此外，降低燃料电池组10的电压以耗尽该电压的燃料电池负载装置20连接到燃料电池组10，以在燃料电池车辆正在关闭时以及在燃料电池车辆已经关闭之后，除去燃料电池组10内的氧气。随着燃料电池负载装置20消耗电流，流入燃料电池组10中的氧气与在阳极处聚集的残留的氢气一起被除去。然而，氢气不足可能妨碍氧气的完全消耗，并且因此使用唤醒技术(Wakeup technique)来周期性地将氢 气供给到阳极。当停止燃料电池的发电时(FC STOP)，应当通过阳极压力控制来降低从阳极到阴极的氢气交换(crossover)量，以符合排气法规。因此，需要一种用于降低氢气交换量的方法。

技术实现要素：

因此，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，该系统在停止燃料电池的发电时通过改变氢气供给压力来最小化氢气交换。特别地，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法可以包括：当燃料电池车辆行驶中停止燃料电池的发电时，检测燃料电池组的电压；以及基于检测到的电压的变化来调整阳极侧处的氢气供给压力。

当停止燃料电池的发电之后燃料电池组的电压小于预定的参考电压时，可以执行对氢气供给压力的调整。预定的参考电压可以是当停止燃料电池的发电之后燃料电池组的电压已经被负载强行减小时的电压。此外，氢气供给压力的调整还可以包括将连接在燃料电池组的输出侧处的主总线端子的电压调整到大于燃料电池组的电压。

在调整氢气供给压力之前还可以包括切断向燃料电池组供给空气。此外，对阳极侧处的氢气供给压力进行调整可以包括，当燃料电池组的电压由于空气流入到燃料电池组而增加时，增加氢气供给压力。对阳极侧处的氢气供给压力进行调整还可以包括，随着燃料电池组的电压被降低，减小氢气供给压力。调整阳极侧处的氢气供给压力基于燃料电池组的电压的变化，用迟滞范围调整氢气供给压力。

燃料电池系统的控制方法还可以包括：将预设的参考时间段与用于调整阳极侧处的氢气供给压力的处理时间进行比较；以及当处理时间大于基于降低的氢气供给压力的预设的参考时间段时，在重启燃料电池的发电时用氢气进一步净化阳极。执行进一步净化的次数可以与超过预设的参考时间段的处理时间成比例。进一步地，燃料电池系统的控制方法可以包括：将预设的参考压力与如下压力之间的差的时间积分进行比较，该差是通过调整氢气供给压力而被减小的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力；以及当该积分大于预设的参考压力时，在重启燃料电池的发电时用氢气进一步净化阳 极。执行进一步净化的次数可以与该积分和预设的参考压力之间的差成比例。

此外，可以将氮的预设量与通过调整氢气供给压力而移入阳极侧的氮的转移速率的时间积分进行比较；以及当该积分值大于氮的预设量时，在重启燃料电池的发电时用氢气进一步净化阳极。执行进一步净化的次数可以与该积分和氮的预设量之间的差成比例。随着氢气供给压力通过重启燃料电池的发电而被增加，在阳极侧处的氢气的量达到目标量之后，可以向阴极供给空气。在向阴极供给空气之后，可以执行用氢气进一步净化阳极。在阳极侧处的氢气的量达到目标量之前，将连接在燃料电池组的输出侧处的总主线端子的电压调整到大于燃料电池组的电压。

燃料电池系统的控制方法还可以包括：将预设的参考时间段与用于调整阳极侧处的氢气供给压力的处理时间进行比较；以及如果处理时间大于基于减小的氢气供给压力的预设的参考时间段，则在重启燃料电池的发电时，在预定的时间段期间增加氢气供给压力。超过预设的参考时间段的处理时间可以与预定的时间段和增加的氢气供给压力两者中的至少一个成比例。

还可以将预设的参考压力与如下压力之间的差的时间积分进行比较，该差是通过调整氢气供给压力而被减小的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差；以及当该积分大于预设的参考压力时，在重启燃料电池的发电时，在预定的时间段期间增加氢气供给压力。该积分和预设的参考压力之间的差可以与预定的时间段和增加的氢气供给压力两者中的至少一个成比例。

此外，可以将氮的预设量与通过调整氢气供给压力而移入阳极侧的氮的转移速率的时间积分进行比较，以及如果该积分大于氮的预设量，则在重启燃料电池的发电时，可以在预定的时间段期间增加氢气供给压力。该积分和氮的预设量之间的差可以与预定的时间段和增加的氢气供给压力中的至少一个成比例。

氮的转移速率可以取决于以下当中的至少一个：燃料电池组的潮湿状态、燃料电池组的电压、以及通过调整氢气供给压力而被降低的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的 差。随着燃料电池组的潮湿状态增加、燃料电池组的温度增加、燃料电池组的电压降低、以及通过调整氢气供给压力而被减小的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差增加，可以增加氮的转移速率。

该积分可以具有上限，当注入冲压空气流时可以增加该上限。也可以在该积分大于预设值时执行重启燃料电池的发电。在增加氢气供给压力之后，还可以包括用氢气进一步净化。当处理时间大于预设的参考时间段时，可以执行重启燃料电池的发电。可以在完成用氢气进一步净化之后，完成重启燃料电池的发电。

根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法在停止燃料电池的发电时，通过调整燃料电池的氢气供给压力，可以最小化氢气交换。通过最小化氢气交换，可以提高燃料效率并且可以减少废气。当重启燃料电池的发电时，由于可以增加氢气供给压力并且接着可以用氢气净化阳极，因此可以除去阳极处的氮。

附图说明

结合附图根据以下具体实施方式，将更清楚地理解本发明的上述目标、特征和优点以及其它目标、特征和优点，其中：

图1是示出根据相关技术的整体的燃料电池系统的示例性视图；

图2是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的电力网的示例性方框图；

图3A和图3B是根据本发明的示例性实施例示出当停止燃料电池的发电时氢气供给压力根据燃料电池组的电压而变化的示例性曲线图；

图4是根据本发明的示例性实施例示出燃料电池控制方法的示例性视图，在该方法中，根据用于减小氢气供给压力的处理时间，当重启燃料电池时，增加氢气供给压力并且用氢气净化阳极；以及

图5是根据本发明的示例性实施例示出在燃料电池系统中燃料电池组的电压随时间的变化和氢气供给压力随时间的变化的示例性曲线图。

具体实施方式

应当理解，在此使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似的术语包括一般机动车辆，例如客运汽车(包括运动型多功能车辆(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车辆、水运工具(包括各种艇和船)、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源得到的燃料)。如在此提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既有汽油动力又有电动力的车辆。

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，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或复数个模块执行。此外，应当理解，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为存储模块，并且处理器被具体配置为运行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

而且，本发明的控制逻辑可以被体现为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读媒介，其包含可执行程序指令，可执行程序指令由处理器、控制器/控制单元等执行。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设备。计算机可读记录介质也可以分布在与计算机系统耦合的网络中，使得计算机可读媒介以分布式方式例如由远程信息处理服务器或者控制器局域网(CAN)存储和执行。

除非具体说明或者从上下文显而易见，否则如在此使用的，术语“大约”被理解为在本领域正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标准方差内。“大约”可以被理解为在所叙述的值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或者0.01％内。除非从上下文清楚地得出，否则在此提供的所有数值均由术语“大约”修饰。

在本说明书或申请中所公开的在本发明的示例性实施例中的具体结构或功能描述仅用于说明本发明的示例性实施例，并且可以以多种形式体现，而不应被解释为限于在本说明书或申请中所描述的实施例。在附图中示出并且在本说明书或申请中详细描述了具体的示例性 实施例，因为本发明的示例性实施例可以具有多种形式和修改。然而，应当理解，无意将本发明的实施例限制于具体的示例性实施例，而是意图涵盖包含在本发明的范围内的所有修改、等同和替代。

虽然在此可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，第一元件可以被称为第二元件，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。

应当理解，当元件被引用为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。与之相比，当元件被引用为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。用来描述元件之间的关系的其他词语应当以相似的方式解释(例如，“在…之间”相对于“直接在…之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等)。

在此使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并非意图限制本发明。如在此使用的，单数形式“一”、“一个/一种”以及“该/所述”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所叙述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其群组。

除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属的本领域技术人员通常所理解的含义相同的含义。还应当理解，诸如在常用字典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关领域的背景中的含义一致的含义，除非在此明确定义，否则将不以理想化或过于形式的意义来解释。

现在应当参考附图，在附图中贯穿不同附图使用相同的参考数字来指代相同的或相似的部件。下面在本文中所描述的控制方法可以由具有处理器和存储器的控制器来执行。另外，各种电压和压力可以使用各种类型的传感器来测量。

图2是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的电力网的示例性方框图。如图2中所示，用于车辆的燃料电池-蓄电池(fuel cell-battery)混合动力系统可以包括：作为主电源的燃料电池10和作 为辅助电源的高压蓄电池(主蓄电池)220，燃料电池10和高压蓄电池(例如，主蓄电池)220经由主总线端子211并联连接；连接到高压蓄电池220的双向直流/直流(DC/DC)转换器(例如，BHDC：双向高压DC/DC转换器)221，用于调整高压蓄电池220的输出功率；在燃料电池10和高压蓄电池220两者的输出侧上连接到主总线端子211的逆变器231；连接到逆变器231的驱动电动机232；车辆内的除逆变器231和驱动电动机232之外的高压负载233；低压蓄电池(例如，辅助蓄电池)240和低压负载241；低压DC/DC转换器(例如，LDC：低压DC/DC转换器)242，其连接在低压蓄电池240和主总线端子211之间，用于将高压转换成低压；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蓄电池220两者可以经由主总线端子211并联连接到系统内的负载，例如逆变器231、驱动电动机232等。连接到高压蓄电池的双向DC/DC转换器221可以在燃料电池10的输出侧处连接到主总线端子211，并且因此可以通过调整双向DC/DC转换器221的电压(例如，到主总线端子的输出电压)来控制燃料电池10和高压蓄电池220两者的输出功率。

燃料电池10在其输出端子处可以包括：二极管213，用于防止反向电流；以及中继器(relay)214，用于选择性地将燃料电池10连接到主总线端子211。中继器214可以被设置在图2中所示的电力网内。在燃料电池10的正常操作下(例如，当没有发生错误或故障时)，在燃料电池系统的空闲停止/重启过程期间以及在车辆的行驶期间，图2中的中继器214可以将燃料电池10连接到主总线。在车辆的切断(例如，正常关闭)或紧急关闭时，中继器214还可以使燃料电池10与主总线断开。在燃料电池的启动和关闭时，燃料电池负载装置20可以是用于耗尽燃料电池的电压的负载。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中继器25连接。

图3A和图3B是示出当停止燃料电池的发电时氢气供给压力根据燃料电池组的电压而变化的示例性曲线图。图4是示出燃料电池控制方法的示例性图示，在该方法中，根据用于减小氢气供给压力的处理时间，当重启燃料电池时，可以增加氢气供给压力并且可以用氢气净化(purge)阳极。图5是根据本发明的示例性实施例示出在燃料电池 系统中燃料电池组的电压随时间的变化和氢气供给压力随时间的变化的示例性曲线图。

根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法可以包括：当停止燃料电池的发电时，检测燃料电池组的电压；以及基于检测到的电压的变化来调整阳极侧处的氢气供给压力。换句话说，现有的燃料电池系统在停止燃料电池的发电之后仅停止空气的供给，而根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统在停止燃料电池的发电之后，不仅停止空气的供给，还降低氢气供给压力。

在停止燃料电池的发电之后，当燃料电池组的电压小于预设的参考电压时，可以执行对氢气供给压力的调整。在调整氢气供给压力之前，可以切断空气到燃料电池组10的流入。此外，当调整氢气供给压力时，通过将连接在燃料电池10的输出侧处的主总线端子的电压调整为大于燃料电池组10的电压，可以防止从燃料电池组10到主总线端子211的输出功率的供给。

进一步地，如图3B中所示，当调整氢气供给压力时，可以基于燃料电池组10的电压的变化，将氢气供给压力调整为具有迟滞范围(hysteresis range)。通常，在停止燃料电池的发电之后，通过包括燃料电池负载装置20等的装置可以降低燃料电池组10的电压。随着燃料电池组的电压被降低，可以降低氢气供给压力。当燃料电池组10的电压由于空气流入到燃料电池组10而增加时，可以增加氢气供给压力。

图3B是图3A中的标记区间的示例性详细视图。如图3A中所示，当燃料电池的发电被停止时，空气流的量可以约为零并且氢气供给压力可以保持基本恒定。然而，如图3B中所示，随着燃料电池组的电压被降低，本发明可以减小氢气供给压力。参考图3B，区间(section)A是用于除去燃料电池组10的电压的区间。换句话说，在区间A中，通过有意地对高压蓄电池进行充电或者使用燃料电池负载装置20，可以耗尽燃料电池组10的电压。在使用负载将燃料电池组10的电压强制降低到小于预设的电压之后，在区间B中，可以减小氢气供给压力。

在区间B中，因为主总线端子的电压被设定为大于燃料电池组的电压，所以来自燃料电池组的输出功率可以被切断，并且从阳极到阴极的氢气交换可以被最小化。此外，可以防止氧气流入阳极。特别地， 可以综合考虑包括当重启燃料电池时的响应、空气截止阀操作的频率、防止空气流入等因素。在区间B中，氢气供给压力可以被调整为具有迟滞带(hysteresis band)。因此，当燃料电池组10的电压由于空气的流入而增加时，可以增加氢气供给压力。当减小氢气供给压力时，可以测量用于减小氢气供给压力的处理时间。

参考图5，随着电压被降低，当燃料电池组的电压小于预设的电压时，可以降低氢气供给压力。此外，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法还可以包括，当重启燃料电池的发电时，如果用于调整阳极侧处的氢气供给压力的处理时间大于基于减小的氢气供给压力的预设的参考时间段，则用氢气净化阳极。

而且，可以包括以下步骤：将预设的参考压力与如下压力之间的差的时间积分进行比较，该差是通过氢气供给压力的调整而被降低的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差，当该积分大于预设的参考压力时，在重启燃料电池的发电时用氢气进一步净化阳极。此外，可以包括以下步骤：将氮的预设量与通过氢气供给压力的调整而移到阳极的氮的转移速率的时间积分进行比较，当该积分大于氮的预设量时，在重启燃料电池的发电时用氢气进一步净化阳极。

可以将预设的参考时间段与用于调整阳极侧处的氢气供给压力的处理时间进行比较，当处理时间大于基于减小的氢气供给压力的预设的参考时间段时，在重启燃料电池的发电时，可以在预定的时间段(Tadd_rst)期间增加氢气供给压力。当将预设的参考压力与如下压力之间的差的时间积分进行比较，该差是通过氢气供给压力的调整而被减小的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差，并且当该积分大于预设的参考压力时，在重启燃料电池的发电时，可以在预定的时间段(Tadd_rst)期间增加氢气供给压力。

可以将氮的预设量与通过氢气供给压力的调整而移到阳极侧的氮的转移速率的时间积分进行比较，当该积分大于氮的预设量时，在重启燃料电池的发电时，可以在预定的时间段(Tadd_rst)期间增加氢气供给压力。

特别地，预设的参考时间段可以根据氢气供给压力而变化。换句话 说，根据通过氢气供给压力的调整而使氢气供给压力减小的程度(例如，减小程度)，预设的参考时间段可以是不同的。例如，即使用于减小氢气供给压力的处理时间具有特定长度，当减小氢气供给压力的程度小于用于减小氢气供给压力的处理时间为最小的程度时，参考时间段也可以被设定为增加。

而且，超过预设的参考时间段的处理时间可以与执行进一步净化的次数成比例，并且可以与预定的时间段和增加的氢气供给压力中的至少一个成比例。换句话说，假设氢气供给压力的减小程度随时间保持基本恒定，用于调整氢气供给压力的处理时间超过预设的参考时间段的程度可以指示阳极侧处的氢气供给压力有多低。此外，随着氢气供给压力被减小，可以增加用于增加氢气供给压力的时间段(Tadd_rst)，并且要被增加的氢气供给压力可以是更显著的(例如，可以被增加)。此外，可以增加执行进一步净化的次数。

如上所述，在现有的燃料电池系统中，当停止燃料电池的发电时，可以调整所供给的空气的量，并且氢气供给压力可以保持基本恒定。因此，将预设的参考压力与恒定值(例如，恒定值被表示为燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力)和通过氢气供给压力的调整而被减小的氢气供给压力之间的差的时间积分进行比较，当该积分和预设的参考压力之间的差增加时，其表明在停止燃料电池的发电之后，氢气供给压力显著减小。因此，在预定的时间段(Tadd_rst)期间，可以用氢气进一步净化阳极，或者可以增加氢气供给压力。例如，在预设的参考压力和该积分之间的差可以与预定的时间段(Tadd_rst)成比例，与要被增加的氢气供给压力(Padd_rst)成比例，或者与执行用氢气进一步净化的次数成比例。

特别地，氮的转移速率可以取决于以下因素当中的至少一个：燃料电池组10的潮湿状态、燃料电池组10的温度、燃料电池组10的电压、或者通过氢气供给压力的调整而被减小的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差。具体地，随着燃料电池组10的潮湿状态增加、随着燃料电池组10的温度增加、随着燃料电池组10的电压降低、以及随着通过氢气供给压力的调整而被降低的氢气供给压力和燃料电池的发电被停止时的初始氢气供给压力之间的差是明 显的(例如，增加)，可以增加氮的转移速率。

上述两个积分具有上限，并且当注入冲压空气流(ram air flow)时，该上限可以被增加。可以通过空气流检测传感器来检测所注入的冲压空气的流入量，并且可以确定，当车辆的行驶速度增加时，冲压空气的流入量被增加。

而且，根据本发明的燃料电池系统的控制方法，在预定的时间段期间增加氢气供给压力之后，可以用氢气进一步净化阳极(图4中的Pugadd_rst)。然而，随着氢气供给压力通过重启燃料电池的发电而被增加，可以在阳极侧处的氢气量达到氢气的目标量之后，并且在将空气供给到阴极(由于当用氢气净化时需要空气稀释)之后，执行用氢气进一步净化。执行用氢气进一步净化的次数和用氢气净化的周期可以改变。另外，可以在完成用氢气进行净化之后，重启发电。

参考图5，可以增加氢气供给压力，并且接着可以执行用氢气进行净化，以降低氢气供给压力。可以在空气的供给已经被启动之后执行用氢气进行净化。换句话说，在阳极侧处的氢气量达到目标量之后，可以将空气供给到阴极，并且接着可以用氢气进一步净化阳极。氢气的目标量可以是在燃料电池发电的重启过程中重启燃料电池的发电所需的量。当氢气供给压力被增，或者用氢气进一步净化阳极时，氢气的量可以大于氢气的目标量。

换句话说，在重启燃料电池的发电时，当阳极侧处的氢气量达到氢气的目标量时，可以将空气供给到阴极。可以在供给空气之后，执行用氢气进一步净化。可以基于高压蓄电池的充电状态(SOC)和驾驶者所需的扭矩两者来启动燃料电池发电的重启过程。在燃料电池的发电停止中，当高压蓄电池的SOC小于SOC的参考值时，或者当驾驶者所需的扭矩大于扭矩的参考值时，可以启动燃料电池发电的重启过程。

此外，当积分大于预设值时或者当处理时间大于预设的时间时，可以启动燃料电池发电的重启过程。具体地，在阳极侧处的氢气的量达到目标量之前，通过将连接在燃料电池组的输出侧处的主总线端子的电压调整到大于燃料电池组的电压，可以切断来自燃料电池组的输出功率。因此，当停止燃料电池的发电时，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法和系统通过调整燃料电池的氢气供给压力，可以最小 化氢气交换。通过最小化氢气交换，可以提高燃料效率并且可以减少废气。当重启燃料电池的发电时，由于可以增加氢气供给压力，并且接着可以用氢气净化阳极，因此可以除去阳极处的氮。

虽然出于说明的目的已经公开了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，不偏离随附的权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，多种修改、添加和替换是可能的。