在燃料电池车辆的停止模式下控制电压的方法及系统与流程

本发明涉及用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法和系统，当燃料电池车辆的燃料电池停止时，该方法和系统通过主动减小电压能够确保燃料电池的耐久性并且防止燃料效率降低。

背景技术：

在燃料电池车辆中，当满足燃料电池的停止进入条件时，执行停止模式处理。停止模式处理经历发电停止处理，发电停止处理停止鼓风机以确认空气流动速率是否降低。当空气流动速率降低时，发电停止处理完成并且燃料电池车辆进入停止模式。

即使在燃料电池进入停止模式之后，燃料电池堆的电压并不立刻降低。当引入冲压空气或者不存在氢跨越(hydrogen cross over)时，电压持续保持在开路电压(OCV)附近，这导致堆的耐久性劣化。此外，需要强行降低堆电压，但是当堆电压保持为过低时，当燃料电池重新启动时由于电压增加需要的时间，因此再加速劣化。因此，需要将电压降低控制在其中车辆的再加速不劣化的范围内，以防止堆电压保持在OCV附近。

同时，可以连接电阻器以减小电压，这导致燃料效率降低。因此，使用以下方法：(例如当停止空气的供应时)通过使用电力转换器控制总线终端的电压降低来生成燃料电池的输出以降低燃料电池的电压，通过驱动电机或者高压辅助设备消耗燃料电池的输出，并且利用高压电池强行充入额外电力。

可通过使用车辆的高压电池的电力转换器控制总线终端的电压降低，来生成燃料电池的输出，并且由于限制了用于对电池充电的可用输出，当再生制动量显著时，再生制动能量降低，这会引起燃料效率的损耗。此外，当没有降低再生制动的输出和燃料电池的输出的生成时，电池可能过度充电。

因此，现有技术仅当没有车辆速度或电流再生制动量不大于再生制动的限制值时，通过防止电池过度充电并且考虑燃料效率，使用电力转换器控制总线终端的电压降低。进一步，可以增加确定高压电池是否处于可充电状态的处理。换言之，通过预先理解执行总线终端的电压降低控制以生成燃料电池的输出并且降低燃料电池的电压，可以防止燃料效率的损耗和电池的过度充电的情况。

然而，当通过基于车辆速度、再生制动的余量以及电池是否处于可充电状态等预先确定不能通过控制总线终端的电压降低来生成燃料电池的输出时，即使当可以生成燃料电池的少量输出时，也可能不能执行总线终端的电压降低的控制。然而，再生制动的余量是不充分的，可以生成与不充分余量一样多的燃料电池的少量输出，并且因此燃料电池的电压甚至会以低速降低。因此，根据现有技术，燃料电池的电压以低速降低或者不能充分降低，并且因此不能充分确保燃料电池的耐久性。

提供作为现有技术描述的内容仅用于帮助理解本发明的背景，并且不应将其认为与本领域技术人员已知的现有技术相对应。

技术实现要素：

本发明的目的是提供用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法和系统，当燃料电池车辆的燃料电池停止时，该方法和系统通过主动降低电压能够确保燃料电池的耐久性并且防止燃料效率降低。

根据本发明的示例性实施方式，用于在燃料电池车辆的停止模式下控制电压的方法可以包括：通过控制器检测燃料电池是否进入停止模式；当燃料电池进入停止模式时，基于电池的可用充电功率通过控制器计算总线终端的电压指令值，电池的可用充电功率表示在高压电池中能够充入的电力水平；通过控制器操作连接在高压电池和总线终端之间的转换器，以将总线终端的电压调节为总线终端的电压指令值；以及当调节电压并且然后通过电压传感器测量的燃料电池的电压可以大于或等于存储器中预设的参考电压时通过控制器增加车辆的电场负载的功耗。

在检测处理中，当电池的充电状态(SOC)大于或等于第一参考或者车辆需要的扭矩小于或等于第二参考时，控制器可以被配置为操作燃料电池进入停止模式。可以使用在控制器的存储器中存储的数据图(data map)获得电池的可用充电功率。数据图可以使用高压电池是否故障(例如失效或不起作用)、高压电池的温度以及高压电池的SOC作为输入值，并且使用电池的可用充电功率作为输出值。

在计算处理中，在总线终端的电压中可以反映高压电池的可用充电功率和实际充电功率之间的差异，以计算总线终端的电压指令值。此外，可以基于下面的等式计算总线终端的电压指令值。

等式1：

总线终端的电压指令值＝总线终端的电压–K1×(电池的可用充电功率–电池的充电电压×电池的充电电流)

在等式1中，K1是预定常数值，诸如1[v/w]，因此，K1用于将功率单位改变为电压单位。在电压调节中，控制器可以被配置为基于总线终端的电压指令值计算高压电池的目标充电电流，并且基于目标充电电流操作转换器以对高压电池充电，以将总线终端的电压调节为总线终端的电压指令值。在功耗的增加中，可以通过将总线终端的电压指令值改变为存储器 中预设的参考电压同时增加车辆的电场负载的功耗，来操作转换器。

在计算处理中，控制器可以被配置为基于存储器中预设的斜率，计算逐渐下降的总线终端的电压指令值；并且在电压调节中，控制器可以被配置为基于总线终端的电压指令值计算高压电池的目标充电电流，基于目标充电电流操作转换器，并且基于电池的可用充电功率，将目标充电电流限制为电池充电限制电流的最大值。可以通过将电池的可用充电功率除以电池的充电电压来计算电池充电限制电流。在功耗的增加中，可以基于高压辅助设备(包括鼓风机、氢再循环鼓风机(hydrogen recirculation blower)或者冷却水泵)的低效率操作和驱动增加，来增加车辆的电场负载的功耗。

附图说明

现在将参考在附图中示出的示例性实施方式详细描述本发明的以上和其他特征，在下文中仅以图示的形式给出示例性实施方式，因此并不限制本发明，并且其中：

图1是示出用于执行根据本发明的示例性实施方式的在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的燃料电池车辆的系统的示图；

图2是根据本发明的示例性实施方式的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的流程图；以及

图3和图4是根据本发明的示例性实施方式的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的框图。

具体实施方式

应理解，如本文中使用的术语“车辆”或者“车辆的”或者其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆、包括各种船只和舰船的船舶、航天 器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆以及其他可替替代燃料车辆(例如源于除石油以外的资源的燃料)。如本文中所指代的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动车辆两者。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性处理，但是应理解，示例性处理也可以通过一个或多个模块执行。另外，应理解术语控制器/控制单元指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储模块并且处理器被特定配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可被体现为包含由处理器、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瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡以及光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在耦接网络的计算机系统中，使得以分布形式(例如，通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN))存储和执行计算机可读介质。

本文中所用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文另外明确指示，否则如本文中使用的单数形式“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”旨在也包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用术语“包含(comprises)”和/或“包括(comprising)”时，指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关列出项中的一个或多个的任何和所有的组合。

除非特别陈述或从上下文明显可见，否则如本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中域的正常公差的范围内，例如，在平均值的2个标 准偏差内。“约”可以被理解为在陈述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文中另外明确，否则本文中提供的所有数值由术语“约”修饰。

图1是示出用于执行根据本发明的示例性实施方式的在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的燃料电池车辆的系统的示图；图2是根据本发明的示例性实施方式的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的流程图；以及图3和图4是根据本发明的示例性实施方式的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的框图。

本发明提出在驱动的同时控制停止燃料电池的发电，并且在发电停止之后基于总线终端的电压控制，使用电力转换器减小燃料电池的电压。不同于现有技术，使用在执行总线终端的电压控制中通过考虑电池的可用充电功率和实际充电功率来修正电压的方法或限制电力转换器的电流的方法，以有效防止燃料效率的损耗和电池的过度充电，并且扩展燃料电池的电压降低控制进入(voltage decreasing control entry)。进一步，当上述方法不能控制燃料电池的电压降低时，使用暂时增加高压辅助设备的消耗的方法来执行控制以扩展燃料电池的高压回避。因此，可以提高燃料电池的耐久性。

图1是示出用于执行根据本发明的示例性实施方式的在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的燃料电池车辆的系统的示图，并且图1示出燃料电池100和高压电池(high voltage battery)200的混合系统。高压电池200可以包括转换器300，其是被配置为调节高压电池的输出的双向电力转换器。除了电机/逆变器以外，还存在电场负载(例如，高压电子负载、低压电池、低压电子负载、将高电压转换为低压的低压电力转换器)。另外，燃料电池可以包括防止反向电流流入燃料电池的二极管和将燃料电池100连接到主总线终端500的继电器。在车辆被驱动时以及在启动/停止期间继电器可以持续连接(其是本技术)，并且在车辆钥匙 关闭或者紧急关断期间继电器可以断开连接。进一步，控制器600可以被配置为操作装置，并且控制器还包括处理器620和存储器640，存储器640被配置为预先存储或者收集各种类型的信息。

图2是根据本发明的示例性实施方式的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法的流程图，并且用于在燃料电池车辆的停止模式下控制电压的方法可以包括：通过控制器检测燃料电池是否进入停止模式(S100)；当燃料电池进入停止模式时，基于电池的可用充电功率通过控制器计算总线终端的电压指令值，电池的可用充电功率表示在高压电池中可充入的电力水平(S200)；通过控制器操作连接在高压电池和总线终端之间的转换器，以将总线终端的电压调节为总线终端的电压指令值(S300)；以及当调节了电压并且然后通过电压传感器测量的燃料电池的电压大于或等于存储器中预设的参考电压时，通过控制器增加车辆的电场负载的功耗(S400和S500)。

本发明使用以下方法：在不预先确定总线终端的电压的降低控制抑制条件的情况下，基于高压电池的可用充电功率修正电压指令值。当调节了或修正了电压指令值时，高压电池的可用充电功率会被降低(例如，电池的故障、温度的突然增加、温度的突然降低、过多的SOC)，或者当再生制动量显著时，总线终端的电压指令可以被保持为大于在预设OCV附近的参考电压，并且因此也可将燃料电池的电压保持为较高。具体地，在不修正总线终端的电压降低控制的电压指令值而是增加工作高压辅助设备的数量等的情况下利用初始参考电压执行燃料电池的电压降低控制的方法随着工作辅助设备的数量增加，可以应用于补充燃料电池的输出，从而执行控制以减小燃料电池的电压。

工作辅助设备的数量的增加会引起燃料效率的损耗，并且因此，可仅当在预定时间段内燃料电池的高电压保持时(例如，当高电压可能劣化时)才执行工作辅助设备的增加。当燃料电池的电压小于或等于设定电压时，可以执行控制以停止辅助设备的数量的增加、正常驱动辅助设备以及维持 总线终端的电压指令值。具体地，可以通过在运行鼓风机的同时切断或关闭空气截止阀来防止冲压空气的引入，以防止燃料电池的电压再次增加。

首先，控制器可以被配置为检测燃料电池是否进入停止模式(S100)。当电池的SOC大于或等于第一参考或者车辆需要的扭矩小于或等于第二参考时，控制器可以被配置为识别不必进行燃料电池的发电，以操作燃料电池进入停止模式。另外，当燃料电池进入停止模式时，控制器可以被配置为基于电池的可用充电功率计算总线终端的电压指令值，电池的可用充电功率表示在高压电池中能够充入的电力水平(S200)。换言之，与高压电池的SOC或再生制动量相对地，可以仅基于高压电池的可充电水平执行电压下降控制(例如电压调节)，并且因此可执行直接的和精密的控制。

具体地，可以从存储在控制器的存储器中的数据图获得电池的可用充电功率。数据图可以使用高压电池是否故障、高压电池的温度以及高压电池的SOC作为输入值，并且使用高压电池的可用充电功率作为输出值。这些值可以基于等式或传感器数据实时地计算，并且可以被配置为通过实验、分析等预设的一组数据值。

进一步，在计算处理中，可以在总线终端的电压中反映高压电池的可用充电功率和实际充电功率之间的差异，以计算总线终端的电压指令值。具体地，可以基于下面的等式1计算总线终端的电压指令值。

等式1

总线终端的电压指令值＝总线终端的电压–K1×(电池的可用充电功率–电池的充电电压×电池的充电电流)

在等式1中，K1是预定常数值，诸如1[v/w]，因此，K1用于将功率单位改变为电压单位。控制器可以进一步被配置为操作连接在高压电池和总线终端之间的转换器，以将总线终端的电压调节为总线终端的电压指令 值。在电压调节中，控制器可以被配置为基于总线终端的电压指令值计算高压电池的目标充电电流，并且基于目标充电电流操作转换器以对高压电池进行充电，以将总线终端的电压调节为总线终端的电压指令值。

另外，当调节了电压并且然后通过电压传感器测量的燃料电池的电压大于或等于存储器中预设的参考电压(S400)时，控制器可以被配置为增加车辆的电场负载的功耗(S500)。在功耗增加中，可以通过增加车辆的电场负载的功耗并且将总线终端的电压指令值改变为存储器中预设的参考电压，来操作转换器。

将参考图3更详细地描述处理。如图3所示，可以基于如在以上等式1中的电池的可用充电功率修正电压指令。换言之，可以修正在总线终端的实际的电压中反映的高压电池的可用充电功率和实际充电功率之间的差异。通过等式1的以上计算，当实际充电功率大于可用充电功率时，电压指令值可以大于总线终端的当前电压，并且当实际充电功率小于可用充电功率时，电压指令值可以小于总线终端的当前电压，但是可以将其最小值设为参考电压，并且因此电压指令值仅可降低至参考电压。具体地，可以通过限制电压指令值的上升斜率和下降斜率防止电压指令值的突然改变。当设定了电压指令值时，可以计算用于跟随(例如到达)电压指令的电池的目标充电电流，并且可以使用电池的电流传感器反馈，通过转换器的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)占空比控制生成电池的充电电流。

使用数据图基于电池的特性来设定高压电池的电压指令值的方法并没有充分考虑车辆负载特性，并且因此，即使当燃料电池的电压会降低时，也可能没实现电压降低。如在本发明中，考虑总线终端的实际电压、电池的实际充电和放电电力以及电池的可用电力图来修正电压指令值的方法对于增加防止燃料效率的损耗或者电池的过度充电的频率、以及降低燃料电池的电压以提高燃料电池的耐久性的方法是更加精确的和高效的。

此外，根据本发明的另一个示例性实施方式，在计算处理中，控制器可以被配置为基于存储器中预设的斜率计算逐渐降低的总线终端的电压指令值；并且在电压调节中，控制器可以被配置为基于总线终端的电压指令值计算高压电池的目标充电电流、基于目标充电电流操作转换器、并且基于电池的可用充电功率将目标充电电流限制为电池的充电限制电流的最大值。进一步，可以通过将电池的可用充电功率除以电池的充电电压来计算电池的充电限制电流。

这在图4中详细示出了。参考图4，替代基于电池的可用充电功率来修正电压指令值的方法，使用设定转换器的控制的充电电流限制值的方法。当高压电池的可用充电功率降低或者再生制动量显著时，可以将电压指令值固定为参考电压并且可以设定转换器的充电电流限制，其中实际电压(等于燃料电池的电压)可被保持为大于总线终端的设定电压指令值(参考电压)。当总线终端的电压(燃料电池的电压)被保持为大于参考电压时，用于增加高压辅助设备的数量以将燃料电池的电压减小为参考电压或更小的方法如上所述。

具体地，通过以恒定斜率降低电压指令值而不修正电压指令值，可以生成电压指令值作为最终参考电压，并且还可以使用数据图生成充电电流限制值的指令。如图4所示，可以通过将电池的可用充电功率除以电池的充电电压来计算电池的充电限制电流。使用最终电压指令值和充电限制电流指令，可以执行用于跟随目标电流的电流控制。

此外，可以基于充电电流限制指令执行控制以限制电池的实际充电/放电电流。不同于以上描述的方法，用于控制电流限制的方法可以修正电压指令值。换言之，当即使总线终端的电压降低指令被设为参考电压也可能不生成燃料电池的输出时，基于高压电池的状态或者车辆的负载状态，通过限制电池的充电电流和放电电流，总线终端的实际电压可以自动增至大于参考电压。

此外，使用转换器的总线终端的电压的控制可以计算目标充电电流以跟随总线终端的设定的电压指令值，并且控制器可以使用用于通过被反馈实际电流传感器值I来控制转换器IGBT占空比的方法来生成目标充电电流。可以将基于温度或SOC的与电池的可用充电功率有关的信息存储在控制器的存储器中，并且可以基于温度或SOC实时地计算该信息。电路中还可以包括被配置为测量总线终端的实际电压的电压传感器和被配置为测量电池的电压的电压传感器。

作为高压电场负载的代表性实例，可以是燃料电池的辅助设备。辅助设备可以是鼓风机、水泵、氢再循环鼓风机等。由于高压辅助设备的输出增加，燃料电池系统的工作状态不应该被改变。例如，可以增加鼓风机的每分钟转数(RPM)同时防止空气引入到燃料电池系统中并且防止从燃料电池系统排出空气，或者可以增加水泵的RPM同时防止燃料电池系统被冷却。因此，当提供了堆的空气、冷却水或氢旁路阀时，可以增加辅助设备的驱动同时可以防止空气、氢或冷却水引入到堆中。

堆旁路阀(stack bypass valve)是被配置为选择性地将冷却水引入到堆或负载装置的阀，并且可以使用操作堆旁路阀以防止将冷却水引入到堆并且增加冷却泵的RPM的方法。这可以按类似方式应用于鼓风机或者氢再循环鼓风机。因此，可以将旁路阀布置在空气供应系统或氢再循环系统中。

进一步，也可以使用如下方法：在不供应空气/氢/冷却水的状态下，在一个方向上运行高压辅助设备，以通过高压辅助设备的低效率运行增加高压辅助设备的热损耗，以增加辅助设备的消耗输出。除了用于驱动燃料电池系统的高压辅助设备，可以增加在车辆中需要的高压辅助设备(例如，与车辆中的空气条件相关联的空气压缩机或热加热器、用于对低压12V电池充电的低压电力转换器)的消耗。一个实例可以是增加低压电力转换器的目标充电电压，以将低压电池充电到大于12V的约14V至15V。

在如上所述的电压控制方法中，当在燃料电池的停止模式进入状态下生成车辆的驱动输出时，可将通过总线终端的电压降低控制生成的燃料电池的输出作为车辆的驱动输出来消耗，以在没有车辆的驱动输出的状态下去除燃料电池和终端的电压；通过总线终端的电压降低控制生成的燃料电池的输出可被消耗用于电池的充电，以去除燃料电池的电压。

进一步，当燃料电池进入停止模式时，当再生制动量显著时，通过控制另外增加辅助设备可以补充通过总线终端的电压降低控制生成的燃料电池的输出，从而降低燃料电池的电压。

与限制总线终端的电压上限值以防止在保持燃料电池的发电的状态下燃料电池的电压增加至高压区域的方法相比，由于暂时地生成燃料电池的输出，在燃料电池的发电停止之后执行总线终端的电压降低控制的方法在燃料效率上是更有优势的。当保持发电时，为了降低总线终端的电压，可以持续生成燃料电池的输出，并且因此电池可能被过度充电，因此引起燃料效率的损耗。进一步，在发电停止之后，由于氢跨越，燃料电池可以自然地放电以降低电压；并且由于氢跨越，通过总线终端的电压降低控制，废弃的氢生成燃料电池的输出；并且因此，输出对电池进行充电或者可以被车辆辅助设备消耗，从而提高燃料效率。

根据本发明的用于在燃料电池车辆的停止模式下控制燃料电池的电压的方法，通过在燃料电池车辆的燃料电池停止时主动降低电压，可以确保燃料电池的耐久性并且防止燃料效率降低。进一步，在防止燃料效率降低和高压电池的过度充电的同时，通过更快速并且更确定地降低燃料电池的电压，可以充分地保护燃料电池的耐久性。

尽管已经相对于示例性实施方式示出并且描述了本发明，但对于本领域内的技术人员显而易见的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行各种修改和改变。