在不断开接触器的情况下估算多电压燃料电池系统的冷却剂导电率的制作方法

本发明总体上涉及一种用于估算在燃料电池系统内流动的冷却液的电导率的系统和方法，更具体地涉及一种用于估算在燃料电池系统内流动的冷却液的电导率的系统和方法，其中该方法在较高的系统功率水平下测量正极到底盘隔离电阻，在较低的系统功率水平下测量正极到底盘隔离电阻，在该两个功率水平下测量燃料电池堆电压和电池组电压，以及利用该两个正极到底盘隔离电阻和两个电压来确定堆冷却剂到底盘隔离电阻。

背景技术：

氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及位于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或者空气。氢气在负极发生离解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质，因此在被送到阴极前被引导穿过负载而做功。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种车辆普遍使用燃料电池，一般包含固态聚合物电解液质子传导膜，如，全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包含细碎分散的催化微粒，通常为铂(pt)，其以碳颗粒为载体并与离聚物混合，其中催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定出膜电极组件(mea)。

多个燃料电池通常组合在燃料电池堆中以产生所需电力。燃料电池堆通常包括一系列位于堆中多个mea之间的流场或双极板，其中双极板和mea位于两个端板之间。双极板包括用于堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上设有允许阳极反应气体流至各自的mea的阳极气体流动通道。在双极板的阴极侧上设有允许阴极反应气体流至各自的mea的阴极气体流动通道。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如，不锈钢或导电复合材料。端板传导由堆外的燃料电池产生的电流。双极板还包括冷却液流过的流动通道。

大多数燃料电池车辆是除了燃料电池堆外还使用辅助电源的混合动力车辆，辅助电源例如是高电压dc电池组或超级电容。dc/dc转换器通常用于将堆电压的电压与电池组的电压匹配。当燃料电池堆不能提供所需要的电力时，电源向各个车辆辅助负载、系统启动和高电力需求期间提供辅助电力。燃料电池堆通过dc高电压总线向电力牵引电机提供电力，用于车辆运行。在需要附加电力超过燃料电池堆可提供的电力时，如，在急加速过程中，电池组向电力总线提供辅助电力。例如，燃料电池堆可提供70kw的电力，然而，车辆加速可能需要100kw的电力。当燃料电池堆能够满足系统电力需求时，燃料电池堆用于向电池组或者超级电容充电。在再生制动过程中，从牵引电机获得的发电机电力也用于给电池组或超级电容充电。

有必要在燃料电池混合动力型车辆上提供控制算法，来确定：响应于驾驶员的电力请求，以及在所有的车辆运行状况下，燃料电池堆可提供的电力的大小，电池组可提供的电力的大小。理想的是，可优化由燃料电池堆和电池组提供的电力分配，从而将用于运行车辆的氢气的量最小化。换句话说，理想的是，可以最有效的方式运行燃料电池系统，其允许车辆利用最少量的氢气，行驶最远的距离。电池组必须在限定的荷电状态(soc)范围内运行，这里的控制算法通常提供了soc设定点，基于该设定点，电池组充电和放电控制到该点。

为了实现燃料电池混合动力车辆的安全运行，车辆上的电气系统的高电压部分均需要与车辆底盘电隔离。实现高电压绝缘的一种方式是，将一个或多个限制从高电压源流至底盘的电流的隔离电阻最大化，这是本领域技术人员都能很好理解的。车辆电气系统和车辆底盘之间的高电压绝缘的丧失必须能在车辆运行过程中可被检测到。当检测到高电压绝缘故障时，绝缘故障检测系统将采取合适的动作，如，关闭系统或者向车辆操作者提供报警光。

在燃料电池堆内流经冷却通道以冷却双极板的冷却液，可实现燃料电池堆和车辆底盘之间的电连接，如，在冷却系统散热器处。因此，冷却液设计为具有较低的电导率。然而，一段时间后，杂质和其它污染物进入冷却液内，引起系统的老化和磨损，这里的这些污染物增加了冷却液中的离子，使其导电性增加。同样，随着持续的加热和冷却，冷却液被分解，这同样增加它的导电性。因此，冷却液需要进行阶段性地更换，从而避免引起高电压绝缘的丧失。检测高电压绝缘的丧失可表明，在下一次安排的更换之前，已经发生绝缘丧失，且这可能由冷却液增加的导电率引起。当检测到高电压绝缘丧失，检修人员通常必须从高电压总线隔离部件，以确定绝缘故障的原因，这样既耗费时间又耗费人力。如果技术人员知道，是冷却液的导电率引起的故障，则不需要必须测试高电压系统内的所有其它部件，就可以更换冷却液。

技术实现要素：

本发明公开并描述了一种用于估算在车辆上的燃料电池系统内流动的冷却液的电导率的系统和方法，其不需要关闭和打开接触器。燃料电池系统包括电耦合到堆总线的燃料电池堆以及电耦合到推进总线的电池组，其中堆总线和推进总线在不同的电压电势下运行。方法包括，在第一功率水平下运行燃料电池系统，测量推进总线和车辆底盘接地线在该第一功率水平下的第一隔离电阻，测量在该第一功率水平下的第一堆电压，测量在该第一功率水平下的第一电池组电压。方法还包括，在不同于第一功率水平的第二功率水平下运行燃料电池系统，测量推进总线和车辆底盘接地线在该第二功率水平下的第二隔离电阻，测量在该第二功率水平下的第二堆电压，测量在该第二功率水平下的第二电池组电压。该方法使用第一和第二隔离电阻、第一和第二堆电压以及第一和第二电池组电压来计算堆冷却剂电阻，所述堆冷却剂电阻随后用于计算冷却液导电率。

通过下面的描述和所附的权利要求并结合附图，本发明的更多特征将变得显而易见。

附图说明

图1是包括燃料电池系统的车辆的示意图；

图2是燃料电池系统的高电压架构的示意性框图；

图3是图2中示出的高电压架构的简化隔离电阻模型。以及

图4是用于确定燃料电池堆中冷却液的导电率的方法的流程图。

具体实施方式

涉及一种用于确定流过燃料电池堆的冷却液的导电率的系统和方法的本发明实施例的下述讨论，其在本质上仅仅是示例性的，决不意欲限制本发明或其应用或用途。

图1是包括高压电池组12、燃料电池堆14、推进单元16和控制器18的混合燃料电池电动车辆10的简化图。如在此所讨论的，控制器18表示所有的控制模块、处理器、存储器和车辆10的运行和电力流控制所需的装置。

图2是燃料电池系统的高压架构20的示意性框图，其中，架构20包括电耦合至具有正极轨26和负极轨28的堆总线24的燃料电池堆22以及电耦合至包括正极轨34和负极轨36的推进总线32的高压电池组30，其中电接触器38和40分别耦合至轨34和36。高压电池组30可为任何合适的为燃料电池系统应用提供各种所需充电和放电特征的可充电电池组系统，包括但不限于：锂离子电池、镍氢电池、钠-氯化镍电池、铅酸电池、镍-镉电池等等。虽然电池组30在本非限制性实施例中用作辅助电源，但是除了电池组30之外，还可采用其他高压dc存储装置，如，超级电容器。

堆总线24和推进总线32由dc/dc升压变换器44电分离，所述dc/dc升压变换器44在堆22与电池组30之间实现电压匹配，并提供电流控制，通过所述电流控制，可选择性地确定由堆22提供并以本领域技术人员可很好地理解的方式驱动各种系统负载的电力的大小。如所示，燃料电池堆22和电池组30的电压为各种系统负载提供电力，包括压缩机逆变器模块(cpim)46及相关联的压缩机电机48、逆变器模块(pim)50及相关联的牵引电机52、以及其他电耦合跨越轨34和36的系统负载54。pim50将轨34和36上的dc电压转换成适用于ac牵引电机52的ac电压。牵引电机52提供牵引动力来运行车辆10，并可为用于该目的的任何合适的电机，如，ac感应电机、ac永磁电机、ac三相同步电机等等。对于典型的混合动力车辆策略来说，电池组30主要用于提高效率、降低燃料电池系统的动态要求，以及/或者提高车辆10的性能。如果车辆操作者要求更大的动力，则电池组30可快速地向牵引电机52提供存储电能。

架构20具有用于高压保护和隔离的隔离电阻，并试图以本领域技术人员可很好地理解的方式对其进行最大化。特别地，正极到底盘堆隔离电阻元件60电耦合至正极堆轨26和底盘接地线，负极到底盘堆隔离电阻元件62电耦合至负极堆轨28和底盘接地线，正极到底盘推进总线隔离电阻元件64电耦合至正极总线轨34和底盘接地线，负极到底盘推进总线隔离电阻元件66电耦合至负极总线轨36和底盘接地线。

图3是架构20的隔离电阻等效电路模型70的示意性框图，所述隔离电阻等效电路模型70包括表示燃料电池堆电压vs的dc源72和表示电池组电压vb的电池组源74。电阻元件76表示所有从燃料电池堆22的正极端连接至地面的电阻的并联组合，其在此被称为燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs，并包括正极到底盘堆隔离电阻元件60。电阻元件78表示所有从电池30的正极端连接至地面的电阻的并联组合，其在此被称为推进总线正极到底盘隔离电阻rpcb，并包括正极到底盘推进总线隔离电阻元件64。电阻元件80表示所有从共享负极端连接至地面的电阻的并联组合，其在此被称为推进总线负极到底盘隔离电阻rnc，并包括负极到底盘堆隔离电阻元件62和负极到底盘推进总线隔离电阻元件66。

隔离电阻等效电路模型70在推进总线32到底盘接地线之间提供三条可能的电流路径。因此，通过电路模型70，在推进总线32上测得的表观正极到底盘隔离电阻rpcpb可限定为：

然而，并不知道隔离电阻的哪一部分来自于正极推进总线电阻元件64，隔离电阻的哪一部分为来自于堆冷却液的电阻。

电池组电压与堆电压之间的比随着从系统获取的电力而变化，其中高电力请求形成低堆电压和高电池组电压，而低电力请求则形成高堆电压和低电池组电压。本发明提出，通过为两个不同的堆电压vs1和vs2(例如，给出对应电池组电压vb1的高堆电压和给出对应电池组电压vb2的低堆电压)测量表观正极到底盘隔离电阻来计算燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs，其中所述燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs可用于确定冷却液的导电率。

通过将所测得的隔离电阻堆电压vs1和电池组电压vb1用于等式(1)的一种版本，并将所测得的隔离电阻堆电压vs2和电池组电压vb2用于等式(1)的另一种版本，可对这两个等式进行求解来获得燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs，如下所示：

应注意的是，可以任何合适的本领域技术人员可很好地理解的方式对隔离电阻进行测量。例如，已知电阻值可在与隔离电阻64并联的推进总线轨36和底盘接地线之间进行变换，以建立分压器网络，其中已知电阻的值可用于确定隔离电阻的值。还应注意的是，燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs可由系统的任何合适的冷却液段或柱进行限定，其中可获得(例如)，如，燃料电池堆22中底板与在其上冷却液管与底盘接地线相接触的位置(如，在散热器处)之间的电势。

图4是上述用于计算燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs的方法的流程图90。所述方法开始于框92，并使燃料电池系统在框94处以较高的功率运行。在燃料电池系统以较高的功率运行的同时，方法在框96处测量高电压表观正极到底盘隔离电阻随后，方法在框98处测量堆电压vs1和电池组电压vb1。方法随后在框100处使燃料电池系统以较低的功率运行，并在框102处测量低电压表观正极到底盘隔离电阻随后，方法在框104处测量堆电压vs2和电池组电压vb2，并在框106处将所有测得的隔离电阻、堆电压和电池组电压用于等式(2)中，以计算堆冷却剂电阻rpcs。方法随后在框108处计算用于系统的特定设计的冷却剂导电率，其中，获得了用于所计算出的电阻的冷却剂柱的电压电势。方法在框110处结束。

应注意的是，上文所讨论的方法将燃料电池系统置于高功率条件和低功率条件下来进行电压测量，以获得堆电压与电池组电压之间的不同比率。然而，何时提供这些系统条件以及何时进行计算具有应用特定性，其在于，该方法在(例如)驱动循环期间可等待燃料电池系统进入高功率模式和低功率模式并在这些时间期间进行测量。因此，在一个实施例中，应理解的是，在车辆正以周期性方式运行的同时，可获得确定燃料电池堆冷却剂正极到底盘隔离电阻rpcs的诊断信息，如果确定了隔离电阻rpcs过低，则可向车辆驾驶员给出维修的警告。

如本领域技术人员将很好地理解，用于描述本发明的多种及各种本文所述的步骤和方法可能涉及，由利用电学现象进行数据的操纵和/或转换的计算机、处理器或其它电子计算装置执行的操作。所述计算机和电子装置可以采用各种其上存储有可执行程序的易失性和/或非易失性存储器(包括非暂时性计算机可读介质)，所述可执行程序包括各种能够由计算机或处理器执行的代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。

前述讨论公开了并描述了本发明的仅仅是示例性的实施例。从所述讨论及从附图和权利要求书，本领域技术人员可容易地认识到，在不脱离以下权利要求书中所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中作出各种改变、修改和变型。