[发明专利]用于以HV锂蓄电池为特征的燃料电池车辆的HV总线电压控制的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于减少包括高压蓄电池的燃料电池系统中的高压总线上的扰动的系统和方法，且更具体地涉及用于减少包括高压蓄电池的燃料电池系统中的高压总线上的扰动的系统和方法，其中所述系统还包括计算总线电压的时间导数的DC/DC增压转换器以调节燃料电池堆电流设定点。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。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物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。

大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，除了燃料电池堆之外，采用补充功率源，如高压DC蓄电池或超电容器。功率源给各种车辆辅助负载提供补充功率，用于系统启动且在高功率需求期间在燃料电池堆不能提供期望功率时。燃料电池堆通过DC高压电总线将功率提供给电牵引马达，以用于车辆操作。蓄电池在需要超过燃料电池堆所能够提供的附加功率时的时间期间（例如，在急加速期间）给电总线提供补充功率。例如，燃料电池堆可产生70 kW的功率。然而，车辆加速可能需要100 kW的功率。在燃料电池堆能够提供系统功率需求时，燃料电池堆用于给蓄电池或超电容器再次充电。在再生制动期间，从牵引马达可用的发电机功率也用于给蓄电池或超电容器再次充电。

在上述混合动力车辆中，有时采用双向DC/DC转换器来将蓄电池电压与燃料电池堆的电压匹配。

通常，燃料电池系统的电气结构中的每个高压部件都包括输入电容，其用作低通滤波器，以滤波高压总线上的扰动以便减少其影响。通常，为了将高压总线上的扰动减少至合适的水平，在联接到高压总线的每个部件中都需要相对高的电容，这增加了系统的成本，增加了系统的尺寸，增加了系统的重量等等。此外，在系统关闭时，由于这些电容可能需要放电，因而较高电容存在潜在问题。因而，期望将燃料电池系统的高压电气结构的电容大小减少为尽可能小。

在一种燃料电池系统设计中，电牵引马达和其它各种负载以由燃料电池堆确定的电压操作。燃料电池堆电压和蓄电池电压之间的差由DC/DC转换器提供，DC/DC转换器将蓄电池联接到高压总线，所述高压总线将燃料电池堆连接到其它高压部件。总线上的任何扰动将由各种装置的输入电容（非常小）和燃料电池堆的内在电容（相对大）滤波。由于其内在性能，转换器将不会使扰动传送到蓄电池，且来自于高级别系统控制器的各种系统设定点将太慢而不能对扰动起反应。