用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置及其方法与流程

本公开涉及用于控制单体电池电压的下限电压以使设置在燃料电池车辆中的燃料电池堆的耐久性最大化的技术。

背景技术：

1、通常，燃料电池是一种在堆内通过电化学反应将燃料的化学能转换为电能，而不是通过燃烧将其转换为热量的发电机。燃料电池不仅可以用于为工业、家庭和车辆驱动目的而供应电力，而且还可以用于为小型电气/电子产品（特别是便携式装置）供应电力。

2、目前，在燃料电池中具有最高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池（pemfc：质子交换膜燃料电池）已被最广泛地研究作为用于驱动车辆的动力源，并且由于其低操作温度而具有快速启动时间和快速功率转换响应时间。

3、这种聚合物电解质膜燃料电池包括：膜电极组件（mea），该膜电极组件具有在其中发生电化学反应并且围绕氢离子移动通过的固体聚合物电解质膜附接在该膜的两侧的催化剂电极层；气体扩散层（gdl），该气体扩散层用于均匀地分布反应气体并且传输所产生的电能；垫片和密封装置，该垫片和密封装置用于保持反应气体和冷却水的紧密性和适当的密封压力；以及双极板，该双极板用于移动反应气体和冷却水。

4、当使用这样的单体电池（unit cell）组装燃料电池堆时，作为主要部件的膜电极组件和气体扩散层的组合位于电池的最内部。膜电极组件具有催化剂电极层，即阳极和阴极，在其上在聚合物电解质膜的两侧涂覆催化剂以使氢气与氧气反应，并且在阳极和阴极所在的外部部分上堆叠气体扩散层、垫片等。在这种情况下，双极板位于气体扩散层的外部，在该双极板上供应反应气体（作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气或空气）并且冷却水通过该双极板形成流场。

5、使用这样的配置作为单体电池，堆叠多个单体电池，并且然后在最外侧组合用于支撑集电体的端板、绝缘板和堆叠的电池。通过在端板之间重复地堆叠和连接单体电池，形成燃料电池堆。

6、为了在实际车辆中获得所需的电位，堆叠与所需的电位一样多的单体电池并且将堆叠的单体电池称为堆。从一个单体电池产生的电位约为1.3v，并且串联堆叠多个单体电池以产生驱动车辆所需的电力。

7、当将氢气供应至这种堆的燃料电极并且将氧气供应至空气电极时，在燃料电极处通过催化反应分离氢离子。分离的氢离子通过电解质膜转移至作为空气电极的氧化电极，并且在氧化电极处，与燃料电极分离的氢离子与电子和氧气一起发生电化学反应，从而获得电能。具体地，在燃料电极处发生氢气的电化学氧化，并且在空气电极处发生氧气的电化学还原。通过在本过程期间产生的电子的移动产生电和热，并且通过结合氢气和氧气的化学反应产生水蒸气或水。

8、同时，燃料电池车辆通过考虑燃料电池堆（fuel cell stack）的状态和电池（battery）的状态等在燃料电池堆与电池之间不同地分配输出，以产生匹配驾驶员的意图的输出（即，驾驶员要求的输出）。在这种情况下，用作在燃料电池堆与电池之间分配输出的基准的输出分配比被预先确定。

9、因为这种输出分配比是在燃料电池堆的状况最佳时在寿命产生（bol）点处确定的值，所以燃料电池堆的输出可以根据燃料电池堆的状况而变化。例如，当单体电池电压（cell voltage）为第一电压时，燃料电池堆可以产生60kw的功率，当单体电池电压为第二电压时，燃料电池堆也可以产生60kw的功率。

10、最终，用于控制燃料电池堆的单体电池电压的传统技术即使在保持由于电池的足够的可用输出而能够确保燃料电池堆的耐久性的单体电池电压（例如，0.7 v至0.8 v）的同时也可以产生驾驶员要求的输出，但是可以削弱燃料电池堆的耐久性，因为它将单体电池电压降低至对燃料电池堆的耐久性具有负面影响的0.5 v至0.7 v。即，因为传统技术基于预设的输出分配比来控制单体电池电压而不考虑燃料电池堆的耐久性，所以可能削弱燃料电池堆的耐久性。作为参考，燃料电池堆具有根据电池的数量具有低劣化率的操作区域。例如，操作区域是单体电池电压为0.7v至0.8v的区域。

11、该背景技术部分中所描述的内容旨在促进对本公开的背景的理解，并且可以包括本领域普通技术人员已知的内容。

技术实现思路

1、已经做出本公开以解决在相关技术中出现的上述问题，同时保持由相关技术实现的优点不受影响。

2、本公开的一个方面提供了一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置及其方法，该装置和方法构造成通过获得设置在燃料电池车辆中的电池的荷电状态（soc）值和最大输出值、获得设置在燃料电池车辆中的燃料电池堆的输出电压、基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的输出电压来确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压、以及基于与单体电池电压的下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压来控制燃料电池堆的电压，来满足驾驶员要求的输出，同时使燃料电池堆的耐久性最大化以保持燃料电池车辆的驾驶性能。

3、本公开的另一方面提供了一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置及其方法，该装置和方法构造成通过获得设置在燃料电池车辆中的电池的荷电状态（soc）值和最大输出值、获得设置在燃料电池车辆中的燃料电池堆的输出电压、当电池的soc值超过第一基准soc值时，将燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压确定为第一下限电压、当电池的最大输出值超过第一阈值时或当燃料电池堆的输出电压超过阈值电压时，确定与单体电池电压的第一下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压、以及控制燃料电池堆的电压不低于下限电压，来满足驾驶员要求的输出，同时使燃料电池堆的耐久性最大化以保持燃料电池车辆的驾驶性能。

4、本公开的又一方面提供了一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置及其方法，该装置和方法构造成通过获得设置在燃料电池车辆中的电池的荷电状态（soc）值和最大输出值、获得设置在燃料电池车辆中的燃料电池堆的目标输出值和实际输出值、基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的目标输出值和实际输出值来确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压、以及基于与单体电池电压的下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压来控制燃料电池堆的电压，来满足驾驶员要求的输出，同时使燃料电池堆的耐久性最大化以保持燃料电池车辆的驾驶性能。

5、本公开的又一方面提供了一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置及其方法，该装置和方法构造成通过获得设置在燃料电池车辆中的电池的荷电状态（soc）值和最大输出值、获得设置在燃料电池车辆中的燃料电池堆的目标输出值和实际输出值、当电池的soc值不超过第二基准soc值时，将燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压确定为第二下限电压、当电池的最大输出值不超过第二阈值时或当从燃料电池堆的目标输出值减去实际输出值而获得的值超过阈值输出时，确定与单体电池电压的第二下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压、以及控制燃料电池堆的电压不低于下限电压，来满足驾驶员要求的输出，同时使燃料电池堆的耐久性最大化以保持燃料电池车辆的驾驶性能。

6、本公开要解决的技术问题不限于上述问题，并且本公开所属领域的技术人员从以下描述中将清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。此外，可以容易地理解，本公开的目的和优点可以通过权利要求中记载的单元及其组合来实现。

7、根据本公开的一个方面，一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的装置包括：电池，设置在燃料电池车辆中；燃料电池堆，设置在燃料电池车辆中；以及处理器，获得电池的荷电状态（soc）值和最大输出值，获得燃料电池堆的输出电压，基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的输出电压，确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压，以及将单体电池电压限制到下限电压。

8、根据本公开的一个方面，处理器被配置为当电池的soc值超过第一基准soc值时确定单体电池电压的下限电压。

9、根据本公开的一个方面，处理器被配置为当电池的最大输出值超过第一阈值时确定单体电池电压的下限电压。

10、根据本公开的一个方面，处理器被配置为当燃料电池堆的输出电压超过阈值电压时确定单体电池电压的下限电压。

11、根据本公开的一个方面，处理器被配置为确定与单体电池电压的下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压，并且当燃料电池堆的输出电压达到燃料电池堆的下限电压时限制燃料电池堆的目标输出。

12、根据本公开的一个方面，处理器可以获得双向高压转换器（bhdc）电压命令指示的电压，作为燃料电池堆的输出电压。

13、根据本公开的一个方面，当电池的soc值不超过第二基准soc值时，处理器可以解除对单体电池电压的限制。

14、根据本公开的一个方面，当电池的最大输出值不超过第二阈值时，处理器可以解除对单体电池电压的限制。

15、根据本公开的一个方面，当从燃料电池堆的目标输出值减去实际输出值而获得的值超过从电池的最大输出值减去电池的输出分配值和裕度而获得的值时，处理器可以解除对单体电池电压的限制。

16、根据本公开的一个方面，处理器被配置为在解除了对单体电池电压的限制之后，基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的输出电压，重新确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压，并且将单体电池电压重新限制到重新确定的下限电压。

17、根据本公开的各个方面，一种用于控制燃料电池堆的单体电池电压的方法包括：由处理器获得设置在燃料电池车辆中的电池的荷电状态（soc）值和最大输出值；由处理器获得设置在所述燃料电池车辆中的燃料电池堆的输出电压；由处理器基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的输出电压，来确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压；以及由处理器将单体电池电压限制到下限电压。

18、根据本公开的一个方面，确定下限电压可以包括：当电池的soc值超过第一基准soc值时，确定单体电池电压的下限电压。

19、根据本公开的一个方面，下确定下限电压可以包括：当电池的最大输出值超过第一阈值时，确定单体电池电压的下限电压。

20、根据本公开的一个方面，确定下限电压可以包括：当燃料电池堆的输出电压超过阈值电压时，确定单体电池电压的下限电压。

21、根据本公开的一个方面，该方法可以进一步包括：由处理器确定与单体电池电压的下限电压相对应的燃料电池堆的下限电压，以及当燃料电池堆的输出电压达到燃料电池堆的下限电压时，由处理器限制燃料电池堆的目标输出。

22、根据本公开的一个方面，获得燃料电池堆的输出电压可以包括：获得双向高压转换器（bhdc）电压命令指示的电压，作为燃料电池堆的输出电压。

23、根据本公开的一个方面，该方法可以进一步包括：由处理器获得燃料电池堆的目标输出值和实际输出值；由处理器基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的目标输出值和实际输出值，来解除对单体电池电压的限制；在解除了对单体电池电压的限制之后，基于电池的soc值和最大输出值以及燃料电池堆的输出电压，重新确定燃料电池堆内的单体电池电压的下限电压；以及将单体电池电压限制到重新确定的下限电压。

24、根据本公开的一个方面，解除对单体电池电压的限制可以包括：当电池的soc值不超过第二基准soc值时，解除对单体电池电压的限制。

25、根据本公开的一个方面，解除对单体电池电压的限制可以包括：当电池的最大输出值不超过第二阈值时，解除对单体电池电压的限制。

26、根据本公开的一个方面，解除对单体电池电压的限制可以包括：当从燃料电池堆的目标输出值减去实际输出值而获得的值超过从电池的最大输出值减去电池的输出分配值和裕度而获得的值时，解除对单体电池电压的限制。