专利名称：使用反馈偏流来同时控制低电池和整个堆电压的功率管理方法
技术领域：
本发明通常涉及一种控制燃料电池堆(fuel cell stack)输出 电流的方法，和更特别的，涉及一种方法，其用于如果最小电池电压 或者堆电压降低到预定的电压设定点时，则立即降低燃料电池堆的输 出电流，和如果最小电池电压或者堆电压增加到高于该设定点时，则 以受控的方式提高所允许的电流。
背景技术：
氢气是一种非常吸引人的燃料，因为它是清洁的，并且能 够用来在燃料电池中有效地产生电。氢气燃料电池是一种电化学装 置，其包括阳极和阴极以及处于其之间的电解质。阳极接收氢气，阴 极接收氧气或者空气。氢气在阳极中解离来产生自由的氢质子和电 子。氢质子经过电解质流向阴极。氢质子与阴极中的氧气和电子进行 反应来产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，并因此在被送到阴 极之前，被引导通过负荷(load)来做功。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种流行的车辆用的燃 料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟 磺酸膜。阳极和阴极典型地包括细分的催化剂粒子，通常是铂(Pt)， 其承栽在碳粒子上并且混合有离聚物。将该催化混合物沉积在膜的相 对两侧(opposing sides)。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组 合限定了膜电极组件(MEA)。 MEA的制造是相对昂贵的，并且需要一
些条件来有效工作。典型的是将几个燃料电池结合到燃料电池堆中来产生期 望的功率。例如， 一种典型的车辆用的燃料电池堆可以具有二百个或
者更多的堆栈的(stacked)燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体， 典型的是通过压缩机驱动通过该堆的空气流。并非全部的氧气被堆所 消耗取出， 一些空气被作为阴极废气而被输出，其可以包括作为堆副 产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极一侧的阳极氢气输入气 体。
燃料电池堆包括一系列的位于该堆中的几个MEAs之间 的双冲及板，在这里该双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括 用于堆中邻近的燃料电池的阳极侧和阴才及侧。在双极板的阳极侧上提 供阳极气流通道来使得阳极反应物气体流向各自的MEA。在双极板 的阴极侧上提供阴极气流通道来使得阴极反应物气体流向各自的 MEA。 一个端板包括阳极气流通道，而另一个端板包括阴极气流通道。 该双极板和端板是由导电材料例如不锈钢或者导电复合材料制成的。 端板将燃料电池所产生的电传导到堆之外。如同本领域公知的那样，如果最小电池电压或者整个堆电 压降低到预定值以下，那么电池电压反转(cell voltage reversal)变成可 能，这可能导致在MEA中的催化剂碳载体快速减少，最终降低了电 池电压和整个体系的持久性和可靠性。例如，对于低于300mA的最 小电池而言，令人期望的是降低堆的电流输出，因为该低性能的电池 可能产生大量的热，并且如果该电池的电压输出低于0,则它将开始 腐蚀MEA中的碳。典型地， 一个重要的挑战是保持最小堆电压，并且在同时 允许非常快的向上瞬变(up-transients)和堆的电流取出(current draw from the stack)。对于其中堆的电流取出必须被降低来避免过低的堆电 压的那些情况而言， 一个挑战是知道如何快速和平稳地降低电流来避 免振荡或者比所需的更大的功率的损失。此外， 一个挑战是当电池堆 恢复(recover)时，知道何时开始往回添加(add back)所允许的电流。如 果所添加的电流随后将堆电压再次降低，则避免振荡的方法又是另外 的挑战。存在有已知的技术来在堆电压和/或最小电池电压降低到 阈值以下时降低所允许的堆电流。 一种已知的技术使用模型化的电压 /电流曲线，并完全基于预测的电压/电流曲线斜率限制电流。这种做 法的问题是斜率经常在它不需要的情况中介入(intervene)，典型地过 于苛刻，由此限制了瞬变速率。同样已知的是在它应当出现的情况中 没有介入。另 一备选方案可以使用没有偏压的标准比例-积分(PI)控制 器，其中存在着所产生的误差，其通过P和/增益(gain)放大从而降低 电流。这种没有偏压的做法的问题是如果在低电流时反馈电压低于阈 值，则存在着一段时间，其中/ 和/增益正降低来自最大的系统电流的电流，但是没有降低实际的系统电流。作为结乘，当它应当正在降 低时该电流可能升高，并失去了宝贵的介入时间。在提高这种做法的 响应的努力中，尝试着提高尸和/增益。但是它然后非常容易引发严 重的振荡和/或过度的降低。当该系统中的高电压元件将停工来保护该 系统，将堆电压阈值选择为高于真实的最小堆电压的某一值。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种控制燃料电池堆的电流输 出来防止堆电压或者最小燃料电池电压降低到预定的电压设定点以 下的方法。控制堆电压的方法包括确定堆电压是否已经降低到预定的 电压设定点，并且如果已经降低到该设定点，则俘获和保持在该点的 实际堆电流作为最大允许的堆电流。如果堆电压继续降低到该电压设 定点以下，则从该实际电压中减去该电压设定点来得到正误差信号 (positive error signal)。然后用该误差信号乘以控制器增益(controller gains)来降低所允许的来自堆的电流，以驱使该误差信号为零，并提 高堆电压。如果堆电压大于该电压设定点，但是小于电压阈值，则从 电压设定点中减去实际的堆电压来产生另一正误差信号，将该信号乘 以控制器增益来提高所允许的堆电流，并驱使堆输出电压达到设定 点。用于最小燃料电池电压的方法以同样的方式操作，但是具有不同 的值。结合附图，本发明另外的特征从下面的说明书和所附的权 利要求将变得显而易见。
图l是根据本发明的一种实施方案的燃料电池系统的结构 图，该系统使用控制燃料电池堆的电流输出的控制器；图2是根据本发明的一种实施方案的流程图，其表示了一 种方法，该方法通过图1所示的系统中的控制器的使用来降低和控制 燃料电池堆的电流输出，响应于降低到预定的电压设定点以下的堆电
压；和图3是根椐本发明的一种实施方案的流程图，其表示了一 种方法，该方法通过图1的系统中的控制器的使用来降低和控制燃料
8电池堆的电流输出，响应于降低到预龙钩电压设定点以下的最小电池 电压。
具体实施例方式下面的对本发明的实施方案的讨论本质上仅仅是示例性 的，并且目的绝非是对本发明或者它的应用或用途进行限制，所述的 本发明的实施方案涉及一种系统和方法，其用于降低和控制燃料电池 堆的电流输出，响应于降低到预定的电压设定点以下的堆电压或者最 小电池电压。如同下面将要详细讨论的那样，本发明提出了一种方法， 该方法用于如果堆电压或者最小电池电压降低到预定的电压设定点， 降低所允许的燃料电池堆的电流输出，然后随着最小电池电压或者堆 电压开始恢复(recover)，选择性地提高所允许的电流输出。该方法包 括一旦堆电压或者最小电池电压达到电压设定点时，就立即将所允许 的燃料电池堆的电流输出降低到它的现有值(presentvalue)。然后，随 着堆电压或者最小电池电压开始恢复，允许更多的电流以受控的方式 从该堆中取出(drawn)。这与控制燃料电池堆的堆电流的现有技术是不 同的，使用控制器的增益(gain)，当最小电池电压或者堆电压达到设 定点时，控制燃料电池堆的堆电流将电流从它的正常最大值降低或者 将电流从零增加。图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统IO的一般性结 构图。该系统IO还包括电池电压监控装置M来监控在燃料电池堆12 中的燃料电池的单个电压输出，并将该电压信号提供给控制器16。此 外，控制器16接收来自燃料电池堆12的堆电压信号。如同下面将要 详细讨论的那样，控制器16控制所允许的燃料电池堆12的电流输出， 响应于下降到最小电池电压设定点以下的燃料电池或者下降到最小 堆电压设定点以下的堆电压中的一个或者两个。控制器16能够通过 控制压缩机18来控制燃料电池堆12的输出电流，压缩机18将阴极 榆入空气提供到燃料电池堆12。图2是根据本发明一种实施方案的流程图30，其表示了 通过控制器16中的算法进行的方法，该方法用于在堆电压降低到预 定的阈值设定点例如220V以下时限制和控制燃料电池堆12的电流输出。值220V是应用'的具体^f,;斧直在这个实施方案中被选择来与180V 的最小堆电压(其中，系统10中的高电压元件开始关闭)相关联。 所迷的算法首先在框32处确定燃料电池模块或者堆12是否处于正常 的运行状态。如果该燃料电池模块处于正常的运行状态，则该算法将 在判定菱形34处询问堆输出电压是否大于230V。 230V被认为是所 述系统的工作电压(service voltage)的终点(end)。如果在判定菱形34处堆电压不大于230V,那么算法将在 判定菱形36处询问堆电压是否大于220V,其是电压设定点，用于限 制响应于最小堆电压的电流。如果在判定菱形36处该堆电压大于 220V,那么所述的算法从实际的堆电压中减去220V设定点来得到正 误差信号，在框38处。在这一点时，燃料电池堆的输出电压仍然高 于220V设定点，其中仍然能够从堆12提供更多的电流。在这个实例中，在框40处，在每个时间步长，用积分增 益/乘以误差信号并加入到在先的总量来提高可得的电流。但是，第 一次将所述方法的这个部分用于堆输出电压的降低时(the first time through this part of the process for a drop in the stack output voltage),堆 12应当已经处于最大允许的电流，因为电压还没有降低到电压设定点 220V。积分增益/加上(adds)电流直到误差信号为零和堆电压刚好是 220V,或者直到该堆的最大电流输出是399A，堆12的预定的最大电 流，在框46处。积分增益/应当具有被最大负误差除的最大爬坡速率 (ramp rate),例如10V或者50 A/s,在框48处。要注意的是在这种情 况中没有比例增益i5。然后，在框50处，基于所讨论的堆电压，设定 所允许的最大电流，并且将该算法返回到框32来确定燃料电池模块 是否仍然处于运行状态。如果，在判定菱形36处，堆电压不大于220V设定点，则 该算法将在判定菱形42处确定堆电压是否等于220V。在堆电压达到 220V设定点时，此时在框44处俘获和保持正从堆12中取出的电流， 并从所保持的电流中减去最大堆电流399A。这将是一个负数，其在 框46处加入到最大电流399A,目的是使得现在所存在的电流输出为 来自堆12的最大所允许的电流。如果所述的电流正^皮添加(在它正升 高时)，如上面所讨论的，在框48处，存在着关于电流能够升高多快 的速率限制。[0021堆lfi^大电流输出的任何下降是即鍵的(instant).此处 "即刻，，被定义为在一个时间步长中通过最大系统电流来降低电流的 能力。例如，如果最大电流是399A，系统时间步长是12.5ms，那么 对于待确保为(to be guaranteed)即刻的下降电流(down current)速率而 言，它将需要大于399/0.0125或者大于31920A/s。在框50处，最大 电流输出和所计算的偏流之间的差值现在是基于堆电压的所允许的 最大电流。所述方法然后将通过判定菱形34、 36和42返回，其中如 果堆电压仍然正下降的话，则判定菱形42的输出将是"否"，并且 在框52处，堆电压将小于220V。所述的算法然后从220V堆设定点 中减去该实际的堆电压来得到正误差信号，在框54处。然后每个时 间步长，该误差信号被乘以积分增益/和比例增益尸，并将积分增益 /加入到在先的总量，在框56处。积分增益/减去(subtracts)电流直到 误差信号为零和堆电压刚好是220V，或者直到最大电流输出是某一 值例如36A。积分增益/应当通过负误差情况(negative error case)来规 定(dictated)。在这种非限制性的实施方案中，积分增益/是恒定的，比 例增益尸通过查寻表58来提供，该表将比例增益户规定为堆电流的 函数。应当对比例增益尸进行校准来使得在每个电流输出，最小系统 电压例如180V的堆电压产生某一最小的电流例如IOA。这样的计算 必须包括这样的事实，即在220V，电流反馈被作为偏压项(bias term) 而俘获。比例增益戶还应当在某一最大值被省掉(clipped)。这种值可 以通过研究在稳态的最高比例增益P来试验找到，其给出了可接受低 的振荡。这还可以通过使用传感器精确性(accuracy),精度(precision)， 系统稳定性等来分析找到。然后，如上所述，在框46处，从最大电 流399A中减去该新的最小堆电流，并且在框50处> 再次重i殳基于堆 电压的所允许的新的最大电流。随着堆12的电流输出，由于电压已经下降到220V或者以 下，而正被降低，堆电压可以然后，因为该降低的最大电流输出，而 增加和恢复。随着算法通过判定菱形34、 36和42，该堆电压可以在 判定菱形34处小于230V，在判定菱形36处大于220V，其中，如上 所述，在框38处，产生正误差信号。在这种情况中，在框40处，误
ii差信号1^^'以积分增益/从而在框46处加入电流》其在框48处，是 速率受限的，从而在框50处，设定新的电流，其现在高于在先的最 大电5充。最后，堆12应当恢复，其中，由于已经从在先的值增加 的最大电流输出，在判定菱形34处，堆电压将高于230V。所述的算 法然后将询问是否存在由于低堆电压造成的在先的电流限制，在判定 菱形60处，并且如果存在，则该算法将来自在先的迭代的最大电流 输出保持预定数目的n秒，然后将最大电流设定为399A,在框62处。 在n秒已经过去后，电流的升高在框48处将是速率受限的，并在框 50处进行设定，如上所述的。如果在判定菱形60处没有由于低堆电 压造成的在先的限制，则该算法在框64处将最大电流设定为399A。 这种操作充当了除跳器(debouncer)以使得该控制不会立即回到降低堆 12的电流输出。时间n起到了记忆作用。在一种做法中，时间n可以是零 秒，其中一旦堆电压高于230V，最大电流输出，在框48处，开始以 50A/s增加。这将可能为性能牺牲(trade off)可靠性。在另外一种做法 中，时间n可以是60秒，其中当堆电压小于230V时先前所发现的最 大电流被作为最大电流保持60秒。这将为可靠性而牺牲性能。例如， 假如堆12处于最大功率，其中功率管理器将电流降低到250A,导致 完美地保持220V。如果存在向下瞬变(down-transient)并且最小电池电 压非常快地上升超过230V,于是该向下瞬变可以后面是向上瞬变而 在60秒内回到最大功率，并且最大电流将被从最后一次系统处于最 大功率记住。如果自从该最后一次系统健康没有变化，这将导致近乎 完美的至相应于220V的最大电流的向上瞬变。如同上面所讨论的那样，在这种非限制性的实施方案中， 如果最低性能的(lowest performing)电池的输出电压下降低于某电压 设定点如300mV,则同样对堆电流进行限制。对于低性能的电池，与 上迷相同的用于堆电压的方法被用来限制堆12的电流。图3是根据本发明另外一种实施方案的流程图70,其表 示了用于最小电池电压的操作，其中相似元素用相同附图标记来表 示。在判定菱形36和42处，低电池电压设定点被选为300mV，并且 对于判定菱形34,该低电池电压阈值被选为400mV。此外，在框38'和54处，从实际的最小电池电压中减去最小电池电压设定点。限.斜 电流的操作是以与图2相同的方式来进行的。比例增益尸和积分增益 /可以不同于图2方法中所用的，并且将是具体的应用值。前述的讨i仑Y又仅公开和描述本发明示例性的实施方案。本
领域技术人员将从这样的讨论和从附图以及权利要求中容易想到可 以在其中进行不同的改变、改进和变化，而不脱离下面的权利要求所
定义的本发明的主旨和范围。
权利要求
1.一种响应于下降到预定的堆电压设定点的燃料电池堆的输出电压来降低和控制燃料电池堆的电流输出的方法，所述的方法包括确定堆电压是否已经降低到预定的电压设定点；保持当电压降低到该电压设定点时从燃料电池堆中正取出的电流输出作为燃料电池堆所允许的最大堆电流输出；确定堆电压是否已经降低到了该堆电压设定点以下；如果堆电压已经降低到电压设定点以下，则从实际的堆电压减去堆电压设定点来得到第一正误差信号；和用至少一个增益信号乘以该误差信号来降低燃料电池堆所允许的最大堆电流输出，并驱使该第一正误差信号为零。
2. 根据权利要求1的方法，其进一步包括确定堆电压是否低于预 定的阈值电压，该阈值电压大于堆电压设定点，并且如果堆电压低于 预定的阈值电压，则从实际的堆电压减去电压设定点来得到第二正误 差信号，并用该第二正误差信号乘以预定的增益来将该第二正误差信 号降低为零，和将堆电压降低到电压设定点。
3. 根据权利要求2的方法，其进一步包括如果堆电压不低于阈值 电压，则确定是否存在着由于低的堆电压而产生的在先的堆电流输出 限制，以及进一步包括如果存在着由于低的堆电压而产生的电流限 制，则将处于在先的最大堆电流输出时所允许的最大堆电流输出保持 预定时间，该在先的最大堆电流输出是当堆电压低于电压阈值时所允 许的。
4. 根椐权利要求2的方法，其中用第二正误差信号所乘的预定的 增益是用于积分控制器的积分增益。
5. 根据权利要求1的方法，其进一步包括，如果堆电压降低到预 定的电压设定点并且然后升高，速率限制电流输出的增加。
6. 根据权利要求1的方法，其中该至少一个增益是用于比例-积 分控制器的积分增益和比例增益。
7. 根据权利要求6的方法，其中该积分增益是恒定的，该比例增 益是堆电流的函数。
8. 根据权利要求1的方法，其中该预定的堆电压设定点是220伏。
9. 一种响应于下降到预定的堆电压设定点的燃料电池堆的输出电压来降低和控制燃料电池堆的电流输出、的方法，所述的方法包括确定堆电压是否已经降低到预定的电压阈值以下，该电压阈值大 于电压设定点；如果堆电压已经降低到电压闳值以下，则确定该堆电压是否大于 电压i殳定点；确定该堆电压是否等于该电压设定点；确定该堆电压是否已经降低到该电压设定点以下；如果堆电压下降等于该电压设定点，则将燃料电池堆的电流输出 保持为该燃料电池堆所允许的最大堆电流输出；如果堆电压降低到该电压设定点以下，则从实际的堆电压减去该 堆电压设定点来得到第 一正误差信号；用至少一个增益信号乘以该第一正误差信号来降低燃料电池堆 所允许的最大堆电流输出，并驱使该第一正误差信号为零；如果堆电压介于电压阈值和电压设定点之间，则从实际的堆电压 减去电压设定点来得到第二正误差信号；用增益乘以该第二正误差信号来设定燃料电池堆所允许的最大 堆电流输出；如果堆电压不小于预定的电压阈值，则确定是否存在着由于低堆 电压所产生的在先的电流限制；和如果存在着由于低的堆电压而产生的电流限制，则将处于在先的 最大堆电流输出时所允许的最大堆电流输出保持预定时间，该在先的 最大堆电流输出是当堆电压低于电压阈值时所允许的。
10. 根椐权利要求9的方法，其进一步包括，如果堆电压降低到 预定的电压设定点并且然后升高，速率限制堆的电流输出的增加。
11. 根据权利要求9的方法，其中至少一个增益是积分增益和比 例增益，并且用于第二正误差信号的增益是用于比例-积分控制器的积 分增益。
12. 根据权利要求9的方法，其中堆电压设定点是220伏，电压 阈值是230伏。
13. —种响应于下降到预定的最小燃料电池电压设定点的堆中的 燃料电池的最小燃料电池电压来降低和控制燃料电池堆的电流输出 的方法，所述的方法包括确定最小燃料电池电压是否乞经降低封预定的最小燃料电池电压设定点；保持当电压降低到该电压设定点时从燃料电池堆中正取出的电 流输出作为燃料电池堆所允许的最大堆电流输出 ，确定最小燃料电池电压是否降低到了该最小燃料电池电压设定 点以下；如果最小燃料电池电压已经降低到电压设定点以下，则从实际的 最小燃料电池电压减去最小燃料电池电压设定点来得到第一正误差 信号；和用至少一个增益信号乘以该误差信号来降低燃料电池堆所允许 的最大堆电流输出，并驱使该第一正误差信号为零。
14. 根据权利要求3的方法，其进一步包括确定最小燃料电池电 压是否低于预定的阈值电压，该阈值电压大于最小燃料电池电压设定 点，且如果是这样，则从实际的最小燃料电池电压减去电压设定点来 得到第二正误差信号，和用预定的增益乘以该第二正误差信号来将该 第二正误差信号降低为零，和将最小燃料电池电压降低到电压设定 点。
15. 根据权利要求14的方法，其进一步包括如果最小燃料电池电 压不低于阈值电压，则确定是否存在着由于最小燃料电池电压所产生 的在先的堆电流输出限制，和进一步包括如果存在着由于最小燃料电 池电压而产生的电流限制，则将处于在先的最大堆电流输出时所允许 的最大堆电流输出保持预定时间，该在先的最大堆电流输出是当最小 燃料电池电压低于电压阈值时所允许的。
16. 根据权利要求14的方法，其中用第二正误差信号所乘的预定 的增益是用于积分控制器的积分增益。
17. 根据权利要求13的方法，其进一步包括，如果最小燃料电池 电压降低到预定的电压设定点并且然后升高，速率限制电流输出的增 力口。
18. 根据权利要求13的方法，其中该至少一种增益是用于比例-积分控制器的积分增益和比例增益。
19. 根据权利要求18的方法，其中该积分增益是恒定的，该比例 增益是堆电流函数。
20.根据权利要求,3的方法，其中预定的最小燃料电池电压设定点是300mV。
全文摘要
公开了使用反馈偏流来同时控制低电池和整个堆电压的功率管理方法。一种控制燃料电池堆的电流输出来防止堆电压或者最小燃料电池电压降低到预定的电压设定点以下的方法。控制堆电压的方法包括确定堆电压是否已经降低到预定的电压设定点，并且如果已经降低到该设定点，则俘获和保持在该点的实际堆电流作为最大允许的堆电流。如果堆电压继续降低到该电压设定点以下，则从该实际电压中减去该电压设定点来得到正误差信号。然后用该误差信号乘以控制器增益来降低所允许的来自堆的电流，以驱使该误差信号为零，并提高堆电压。用于最小燃料电池电压的方法以同样的方式操作，但是具有不同的值。
文档编号H01M8/24GK101582515SQ20091014092
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者D·A·阿瑟, S·加纳帕蒂 申请人:通用汽车环球科技运作公司