燃料电池功率控制系统和方法与流程

本发明总体上涉及一种燃料电池功率控制系统和方法，其将燃料电池堆、电池和负载单元连接到的燃料电池功率电路的电压保持在预定水平。

背景技术：

1、燃料电池是将氧化产生的化学能直接转化为电能的电池。燃料电池在使用氧化和还原反应方面与化学电池基本相似。然而，与在封闭电池系统内进行电池反应的化学电池不同，燃料电池的特征在于从外部源连续供应反应物并且从电池系统连续去除反应产物。最近，燃料电池发电系统正在进行实际应用。由于燃料电池的反应产物是纯水，因此正在积极开展将燃料电池用作环保车辆能源的研究。

2、燃料电池系统包括通过化学反应产生电能的燃料电池堆、向燃料电池堆的空气电极(或阴极)供应空气的空气供应单元以及向燃料电池堆的氢电极(或阳极)供应氢气的燃料供应单元。即，含氧空气供应至燃料电池堆的阴极，氢气供应至燃料电池堆的阳极。

3、质子交换膜/聚合物电解质膜燃料电池通过氧气和氢气的化学反应发电，另外还产生热和水。质子交换膜/聚合物电解质膜燃料电池的化学式如下：

4、

5、在由于重量大、行驶距离长而需要高能量密度的商用车辆中，燃料电池系统作为一种解决方案正在兴起，因为仅使用电池难以满足车辆的需求。

6、商用车辆的驱动系统和其他电气系统分别使用设置为较高电压范围的高容量系统，并根据较高电压范围应用电池的电压范围。这里，燃料电池通常使用输出较低电压的电池堆和用于提升燃料电池的输出电压的dc/dc转换器，因为例如，电池堆由于其尺寸随输出电压的增加而增大而难以封装，而且部件的共同使用也存在困难。

7、设置在燃料电池和负载单元之间的dc/dc转换器应该被配置为使得高压侧的电压维持为总是高于低压侧的电压。相反，在高压侧的电压低于低压侧的电压反转(voltagereversal)的情况下，电流从低压侧旁路到高压侧，从而损坏dc/dc转换器。

8、为了克服这些问题，已经使用了一种系统，其增加位于高压侧的电池模块的数量以将高压侧的最低电压提高到高于位于低压侧的燃料电池的最高电压。然而，存在的问题在于，由于电池的劣化导致电压的变化增大，或者在负载单元的再生制动期间由于电池电压的瞬时升高，电池的最高电压超过了dc/dc转换器的最高电压。

9、上述内容仅用于帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

技术实现思路

1、因此，本发明已经考虑到相关技术中出现的上述问题，并且本发明旨在提出一种燃料电池功率控制系统，其配置为控制负载单元的再生制动功率，使得dc/dc转换器的高压侧的电压不超过dc/dc转换器的最高允许电压。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池功率控制系统，包括：燃料电池，产生电功率；负载单元，电连接至燃料电池；dc/dc转换器，设置在燃料电池和负载单元之间，并且配置为在电连接至燃料电池的dc/dc转换器的低压侧与电连接至负载单元的dc/dc转换器的高压侧之间对电功率进行转换；电池，电连接至dc/dc转换器的高压侧以与负载单元并联；以及控制器，对负载单元、电池或dc/dc转换器的高压侧的电压进行监测，并根据监测的电压对输入到负载单元的电功率或从负载单元输出的电功率进行控制。

3、控制器可以对输入到负载单元的电功率或从负载单元输出的电功率进行控制，使得监测的电压保持在等于或低于dc/dc转换器的最高允许电压的电压。

4、当监测的电压等于或高于第一预定电压时，控制器可以增大输入到负载单元的电功率或减小从负载单元输出的电功率，以减小电池的充电功率，第一预定电压低于dc/dc转换器的最高允许电压。

5、负载单元可以包括再生电机，控制器可以根据监测的电压控制负载单元的再生制动功率。

6、当监测的电压升高时，控制器可以控制负载单元，从而减小负载单元的再生制动功率。

7、当监测的电压等于或高于第一预定电压时，控制器可以增大输入到负载单元的电功率或减小从负载单元输出的电功率，以减小电池的充电功率，第一预定电压低于dc/dc转换器的最高允许电压。

8、当监测的电压高于第一预定电压并且等于或高于第二预定电压时，控制器可以控制负载单元从而使得负载单元的再生制动扭矩为0，第二预定电压低于dc/dc转换器的最高允许电压。

9、还提供了一种燃料电池功率控制方法，包括：由dc/dc转换器，在连接至燃料电池的dc/dc转换器的低压侧与连接至电池和负载单元的dc/dc转换器的高压侧之间对电功率进行转换；对dc/dc转换器的高压侧的电压或者连接至dc/dc转换器的高压侧的负载单元或电池的电压进行监测；以及根据监测的电压对输入到负载单元的电功率或从负载单元输出的电功率进行控制。

10、对电功率进行控制的步骤可以包括：对输入到负载单元的电功率或从负载单元输出的电功率进行控制，使得监测的电压保持在等于或低于dc/dc转换器的最高允许电压的电压。

11、燃料电池功率控制方法还可以包括：在对电功率进行控制的步骤之前，将监测的电压与低于dc/dc转换器的最高允许电压的第一预定电压进行比较的步骤。在对电功率进行控制的步骤中，当监测的电压等于或高于第一预定电压时，输入到负载单元的电功率可以增大或从负载单元输出的电功率可以减小，从而使得电池的充电功率减小。

12、负载单元可以包括能够进行再生制动的电机，并且对电功率进行控制的步骤可以包括根据监测的电压控制负载单元的再生制动功率。

13、当监测的电压升高时，对电功率进行控制的步骤可以包括控制负载单元，从而使得负载单元的再生制动功率减小。

14、燃料电池功率控制方法还可以包括：在对电功率进行控制的步骤之前，将监测的电压与低于dc/dc转换器的最高允许电压的第一预定电压进行比较的步骤。当监测的电压等于或高于第一预定电压时，对电功率进行控制的步骤可以包括：增大输入到负载单元的电功率或减小从负载单元输出的电功率，从而使得电池的充电功率减小。

15、燃料电池功率控制方法还可以包括：在对电功率进行控制的步骤之前，将监测的电压与第二预定电压进行比较的步骤，第二预定电压低于dc/dc转换器的最高允许电压而高于第一预定电压。当监测的电压等于或高于第二预定电压时，对电功率进行控制的步骤可以包括：控制负载单元从而使得负载单元的再生制动扭矩为0。

16、根据本发明的燃料电池功率控制系统和方法，能够防止dc/dc转换器的高压侧的电压超过dc/dc转换器的最高允许电压。同时防止dc/dc转换器中的电压反转。

17、因此，能够改善dc/dc转换器的耐用性并防止昂贵的电气部件损坏。

技术特征：

1.一种燃料电池功率控制系统，包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池功率控制系统，其中，所述控制器对输入到所述负载单元的电功率或从所述负载单元输出的电功率进行控制，使得监测的电压保持在等于或低于所述dc/dc转换器的最高允许电压的电压。

3.根据权利要求1所述的燃料电池功率控制系统，其中，当监测的电压等于或高于第一预定电压时，所述控制器增大输入到所述负载单元的电功率或减小从所述负载单元输出的电功率，以减小所述电池的充电功率，所述第一预定电压低于所述dc/dc转换器的最高允许电压。

4.根据权利要求1所述的燃料电池功率控制系统，其中，所述负载单元包括再生电机，并且所述控制器根据监测的电压控制所述负载单元的再生制动功率。

5.根据权利要求4所述的燃料电池功率控制系统，其中，当监测的电压升高时，所述控制器控制所述负载单元以减小所述负载单元的再生制动功率。

6.根据权利要求4所述的燃料电池功率控制系统，其中，当监测的电压等于或高于第一预定电压时，所述控制器增大输入到所述负载单元的电功率或减小从所述负载单元输出的电功率，以减小所述电池的充电功率，所述第一预定电压低于所述dc/dc转换器的最高允许电压。

7.根据权利要求6所述的燃料电池功率控制系统，其中，当监测的电压高于所述第一预定电压并且等于或高于第二预定电压时，所述控制器控制所述负载单元，使得所述负载单元的再生制动扭矩为0，所述第二预定电压低于所述dc/dc转换器的最高允许电压。

8.一种燃料电池功率控制方法，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的燃料电池功率控制方法，其中，对电功率进行控制包括：对输入到所述负载单元的电功率或从所述负载单元输出的电功率进行控制，使得监测的电压保持在等于或低于所述dc/dc转换器的最高允许电压的电压。

10.根据权利要求8所述的燃料电池功率控制方法，还包括，在对电功率进行控制之前，将监测的电压与低于所述dc/dc转换器的最高允许电压的第一预定电压进行比较，

11.根据权利要求8所述的燃料电池功率控制方法，其中，所述负载单元包括能够进行再生制动的电机，并且对电功率进行控制包括根据监测的电压控制所述负载单元的再生制动功率。

12.根据权利要求11所述的燃料电池功率控制方法，其中，当监测的电压升高时，对电功率进行控制包括：控制所述负载单元，使得减小所述负载单元的再生制动功率。

13.根据权利要求11所述的燃料电池功率控制方法，还包括，在对电功率进行控制之前，将监测的电压与低于所述dc/dc转换器的最高允许电压的第一预定电压进行比较，

14.根据权利要求13所述的燃料电池功率控制方法，还包括，在对电功率进行控制之前，将监测的电压与第二预定电压进行比较，所述第二预定电压低于所述dc/dc转换器的最高允许电压而高于所述第一预定电压，

技术总结
提出一种燃料电池功率控制系统。燃料电池产生电功率。负载单元电连接至燃料电池。DC/DC转换器设置在燃料电池与负载单元之间，从而在电连接至燃料电池的DC/DC转换器的低压侧与电连接至负载单元的DC/DC转换器的高压侧之间对电功率进行转换。电池电连接至DC/DC转换器的高压侧以与负载单元并联。控制器对负载单元、电池或DC/DC转换器的高压侧的电压进行监测，并根据监测的电压对输入到负载单元的电功率或从负载单元输出的电功率进行控制。

技术研发人员：成秉俊,张尚必
受保护的技术使用者：现代自动车株式会社
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12