燃料电池的发电控制系统及方法与流程

1.本公开涉及一种燃料电池的发电控制系统及方法，更具体地，涉及跟随燃料电池的所需电力或所需电流的发电控制。


背景技术：

2.燃料电池是将燃料氧化产生的化学能直接转化成电能的电池，并且是一种发电装置。燃料电池与化学电池的相同之处在于它基本上使用氧化和还原反应。然而，燃料电池与在封闭系统中进行电池反应的化学电池的不同之处在于，反应物从外部连续供应并且反应产物被连续移除到系统外部。近来，燃料电池发电系统已投入实际使用。由于燃料电池的反应产物是纯水，因此已经积极进行了将燃料电池发电系统用作环保车辆的能源的研究。
3.燃料电池发电系统包括通过化学反应产生电能的燃料电池堆、向该燃料电池堆的阴极供应空气的空气供应装置、以及向该燃料电池堆的阳极供应氢气的氢气供应装置。换句话说，包括氧气的空气供应到燃料电池堆的阴极并且氢气被供应到燃料电池堆的阳极。
4.提供现有技术内容的说明仅为用于帮助理解本公开的背景，不应被视为对应于本领域技术人员已知的现有技术。


技术实现要素：

5.本公开的目的是提供一种根据燃料电池运行的负载区域来控制燃料电池的发电从而维持燃料电池耐久性的技术。
6.根据本公开的实施例，燃料电池的发电控制系统包括通过燃料和空气之间的化学反应来进行发电的燃料电池。该系统还包括连接到燃料电池的输出端子并消耗从燃料电池输出的电力的消耗装置。该系统还包括串联或并联地连接在燃料电池与消耗装置之间并调节燃料电池的输出电压的转换器。该系统还包括向燃料电池供应空气的供应装置。该系统还包括电压控制器，该电压控制器基于燃料电池需要输出的所需电力或所需电流来控制转换器。该系统还包括基于燃料电池需要输出的所需电力或所需电流来控制供应装置的供应控制器。
7.燃料电池的发电控制系统还可以包括高电压电池，该高电压电池并联地连接在燃料电池与消耗装置之间，该高电压电池相对于转换器在与燃料电池相反的一侧，并且用燃料电池产生的电力进行充电或在该高电压电池放电时辅助燃料电池产生的电力。
8.电压控制器可以基于燃料电池中供应空气量与反应空气量的比率将燃料电池的负载区域划分为第一区域和第二区域，并且可以基于所划分的负载区域控制转换器。
9.在负载相对较低的第一区域中，电压控制器可以将燃料电池的输出电压维持在一预设电压。
10.在负载相对较高的第二区域中，电压控制器可以基于燃料电池的所需电力与输出电力的差值，对燃料电池的输出电压执行比例积分控制，使得燃料电池的输出电力跟随所需电力。
11.供应控制器可以基于燃料电池的输出电压将燃料电池的负载区域划分为第一区域和第二区域，并且可以基于所划分的负载区域来控制供应装置。
12.在负载相对较低的第一区域中，供应控制器可以基于燃料电池的所需电流与输出电流的差值，对供应的空气量执行比例积分控制，使得燃料电池的输出电流跟随所需电流。
13.在负载相对较低的第一区域中，供应控制器可以控制供应装置，使得燃料电池中的供应空气量与反应空气量的比率随着所需电流的减小而减小。
14.在负载相对较高的第二区域中，供应控制器可以将燃料电池中的供应空气量与反应空气量的比率维持在一预设比率。
15.电压控制器或供应控制器可以根据负载区域过渡时燃料电池的所需电力与输出电力的差值、或者燃料电池的所需电流与输出电流的差值来重置积分值。
16.根据本公开的另一实施例，燃料电池的发电控制方法包括接收燃料电池需要输出的所需电力或电流。该方法还包括基于接收到的所需电力或电流来设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量。该方法还包括基于燃料电池的设定的输出电压控制串联或并联地连接在燃料电池和消耗装置之间的转换器、或者基于设定的空气供应空气量控制向燃料电池供应空气的供应装置。
17.燃料电池的发电控制方法还可以包括，在设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量的比率之前，基于燃料电池的输出电压、或者燃料电池中的供应空气量与反应空气的量的比率，将负载区划分为第一区和第二区。在设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量中，燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量基于划分的负载区域设定。
18.设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量可以包括在负载相对较低的第一区域中将燃料电池的输出电压维持在一预设电压。设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量还可以包括基于在负载相对较高的第二区域中燃料电池的所需电力与输出电力的差值，通过对燃料电池的输出电压执行比例积分控制来设定燃料电池的输出电压，使得燃料电池的输出电力跟随所需电力。
19.设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量可以包括在负载相对较低的第一区域中基于燃料电池的所需电流与输出电流的差值，对供应空气量执行比例积分控制，使得燃料电池的输出电流跟随所需电流。设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量可以包括在负载相对较低的第一区域中设定供应空气量，使得燃料电池中的供应空气量与反应空气量的比率随着所需电流的减小而减小。
20.在设定燃料电池的输出电压或到燃料电池的供应空气量时，可以根据在负载区域过渡时燃料电池的所需电力与输出电力的差值、或者燃料电池所需电流与输出电流的差值来重置积分值。
附图说明
21.图1是示出根据本公开的实施例的燃料电池的发电控制系统的配置的视图。
22.图2是根据本公开的实施例的燃料电池的输出电流的输出电力与输出电压的曲线图。
23.图3是示出根据本公开的实施例的根据燃料电池中的供应空气量与反应空气量的
比率的燃料电池的性能曲线i-v的曲线图。
24.图4和图5是示出根据本公开的实施例的燃料电池的发电控制方法的流程图。
25.图6是示出根据本公开的实施例的燃料电池的发电控制系统和方法的控制结果的曲线图。
具体实施方式
26.提供具体的结构和功能描述仅用于说明在本说明书或申请中公开的本公开的实施例。因此，本公开的实施例可以以各种形式实现。本公开不应被解释为限于本说明书或申请中说明的实施例。
27.由于本公开的实施例可以进行各种修改并且可以具有若干形式，因此具体实施例在附图中示出并且在本说明书或申请中进行了详细说明。然而，应当理解的是，本公开不限于此等具体实施例，而是包括在本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。
28.诸如“第一”和/或“第二”的术语可用于描述各种组件，但不应将这些组件解释为限于这些术语。这些术语仅用于将一组件与另一组件区分开来。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，“第一”组件可被称为“第二”组件并且“第二”组件可类似地被称为“第一”组件。
29.应当理解的是，当一组件被称为“连接到”或“耦接到”另一组件时，该组件可以直接连接到或直接耦接到另一组件，或者该组件可以连接到或耦接到插入另一组件，其间存在其他组件。另一方面，应当理解的是，当一组件被称为“直接连接到”或“直接耦接到”另一个组件时，该组件可以连接到或耦接到另一个组件，而其间不存在其他组件。描述组件之间关系的其他表达(即“在
…
之间”、“直接在
…
之间”、“邻近于”、“直接邻近于”等)应类似地解释。
30.本说明书中使用的术语仅用于说明特定实施例而不限制本公开。除非上下文另有明确指示，否则单数形式旨在包括复数形式。应当理解的是，本说明书中使用的术语“包括”或“具有”指定所述特征、数字、步骤、操作、组件、组件或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或更多其他特征、数字、步骤、操作、组件、组件或其组合。
31.除非另有说明，否则应当理解，本文使用的所有术语包括技术和科学术语与本公开内容所属领域的技术人员通常理解的那些术语具有相同的含义。由通用词典定义的术语应被解释为具有与现有技术上下文中的含义一致的含义。除非在本说明书中明确定义，否则这些术语不应被解释为具有理想的或过于正式的含义。
32.下面将参考附图详细说明本公开的实施例。每幅图中相同的附图标记表示相同或等效的组件。当本公开的组件、装置、元件等被描述为具有目的或执行操作、功能等时，该组件、装置或元件在本文中应被视为“被配置为”满足该目的或执行该操作或功能。
33.图1是示出根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制系统的配置的视图。
34.参考图1，根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制系统包括通过燃料与空气之间的化学反应来进行发电的燃料电池10。该系统还包括连接到燃料电池10的输出端子并且消耗从燃料电池10输出的电力的消耗装置20。该系统还包括串联或并联地连接在燃料电池10与消耗装置20之间并调节燃料电池10的输出电压的转换器30。该系统还包括向燃料电池10供应空气的供应装置40。该系统还包括电压控制器50，该电压控制器50基于燃料电
池10需要输出的所需电力或所需电流来控制转换器30。该系统还包括基于燃料电池10需要输出的所需电力或电流来控制供应装置40的供应控制器60。
35.根据本公开的实施例的电压控制器50和供应控制器60可以通过非易失性存储器(未示出)来实现，该非易失性存储器被配置为存储关于算法的数据或再现算法的软件指令，该算法被配置为控制车辆的各种组件的操作。电压控制器50和供应控制器60也可以通过处理器(未示出)来实现，该处理器被配置为使用存储在非易失性存储器中的数据来执行下面描述的操作。此处，存储器和处理器可以作为单独的芯片实现。可替代地，存储器和处理器可以相互集成并且作为单个芯片实现。处理器可以具有一个或多个处理器的形式。
36.燃料电池10可以是通过在阳极和阴极处接收的包括作为燃料的氢和氧的空气进行化学反应发电的燃料电池10。
37.在一个实施例中，燃料电池10可以包括多个堆叠的单位电池、通过被引入到每个单位电池中的燃料和空气来发电、以及通过彼此串联的单位电池输出高电压电力。
38.消耗装置20可以是消耗从燃料电池10或高电压电池70供应的电力的用电装置。在实施例中，消耗装置20的所需电力可以实时变化。
39.在实施例中，根据本公开的燃料电池10的发电控制系统可以安装在燃料电池车辆上。消耗燃料电池车辆中的电力的全部或部分用电装置可以包括在消耗装置20中。
40.消耗装置20可以包括诸如驱动燃料电池车辆的驱动马达、供应以用于燃料电池10的发电的空气的供应装置40等的附件。
41.转换器30可以位于将燃料电池10与消耗装置20彼此连接的主总线端子处。在实施例中，转换器30可以串联地连接到燃料电池10与消耗装置20之间的主总线端子。
42.在另一实施例中，转换器30可以在串联地连接到高电压电池70的同时并联地连接到主总线端子。
43.供应装置40可以是在被供应的电力驱动的同时向燃料电池10供应空气的装置。在实施例中，供应装置40可以包括空气压缩机或鼓风机、压力调节阀等。
44.电压控制器50可以通过控制转换器30来调节燃料电池10的输出电压。在实施例中，电压控制器50可基于燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流来控制燃料电池10的输出电压。
45.此外，供应控制器60可以通过控制供应装置40来调节供应至燃料电池10的空气量。在实施例中，供应控制器60可以基于燃料电池10需要输出的所需电力或所电流来控制供应空气的量。
46.因此，燃料电池10的发电量根据燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流来控制。防止向燃料电池10过度供应空气并且维持燃料电池10的电压以提高燃料电池10的耐久性。
47.在实施例中，燃料电池10进入燃料电池(fc)停止模式的频率降低，从而可以提高燃料电池10的耐久性。即使在高电压电池70的过充、高温或低温时，燃料电池10的输出电压也可以保持在预设电压或更低。
48.燃料电池10的发电控制系统还可以包括高电压电池70，高电压电池70并联地连接在燃料电池10与消耗装置20之间，该高电压电池70相对于转换器30在与燃料电池10相对的一侧，并且利用燃料电池10所产生的电力充电、或者在该高电压电池70放电时辅助该燃料
电池10所产生的电力。
49.具体地，从燃料电池10产生并输出的电力可以通过转换器30供应给高电压电池70和消耗装置20。供应给高电压电池70的电力可以是正的或负的。在供应给高电压电池70的电力为负的情况下，高电压电池70可以在放电的同时辅助从燃料电池10供应给消耗装置20的电力。
50.高电压电池70可以用从燃料电池10供应的电力充电或者可以在该高电压电池70放电时辅助由燃料电池10产生的电力。在实施例中，高电压电池70可在放电的同时辅助燃料电池10以向消耗装置20供应电力，使得消耗装置20消耗电力并且可在由燃料电池10产生的电力过剩的情况下充电。
51.在实施例中，燃料电池10的发电控制系统还可以包括高级控制器80，高级控制器80根据燃料电池10的状态、高电压电池70的充电状态、消耗装置20的所需电力等，来计算燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流。
52.在实施例中，高级控制器80可以通过预先存储的关于燃料电池10需要输出的所需电力的三维图来根据消耗装置20的所需电力和高电压电池70的充电状态，来计算燃料电池10需要输出的所需电力。
53.图2是根据本公开的实施例的根据燃料电池10的输出电流的输出电力和输出电压的曲线图。
54.进一步参考图2，电压控制器50可基于燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率，将燃料电池10的负载区域划分成第一区域和第二区域。电压控制器50可以基于所划分的负载区域来控制转换器30。
55.在实施例中，第一区域可以是具有相对较低负载的低负载区域并且第二区域可以是具有相对较高负载的中/高负载区域。
56.在中/高负载区域中，根据i-v性能曲线，燃料电池10的输出电流与输出电压彼此成反比。换言之，在中/高负载区域中，随着燃料电池10的输出电流增加，输出电压降低。
57.此外，在中/高负载区域中，随着输出电流增加，作为输出电压与输出电流的乘积的输出电力增加。
58.然而，为了解决燃料电池10的耐久性随着燃料电池10的电压在低负载区域增加而降低的问题，即使燃料电池10的输出电流变化，燃料电池10的输出电压也可以保持在预设电压。
59.另外，在低负载区域，随着输出电流的增加，输出电压恒定并且作为输出电压与输出电流的乘积的输出电力增加。
60.电压控制器50可基于第一区域和第二区域通过转换器30控制燃料电池10的输出电压。
61.具体地，电压控制器50可以在负载相对较低的第一区域中将燃料电池10的输出电压维持在预设电压。
62.燃料电池10不应暴露于高电位以防止自由基引起的电解质膜腐蚀和电极的碳腐蚀。此处，预设电压可以被预设为使燃料电池10的耐久性不会劣化的电压。例如，预设电压可以是单位电池的电压(v)约为0.8v的燃料电池10的输出电压。
63.因此，在燃料电池10的输出电力为低负载的区域中，可以通过控制燃料电池10的
输出电压的保持而不是增加来提高燃料电池10的耐用性。
64.在负载相对较高的第二区域中，电压控制器50可以基于燃料电池10的所需电力与输出电力的差值，来对燃料电池10的输出电压执行比例积分控制，使得燃料电池10的输出电力跟随所需电力。
65.具体地，电压控制器50可以基于接收到的燃料电池10需要输出的所需电力与当前从该燃料电池10输出的燃料电池10的输出电力之间的差值，来控制输出电压，使得与燃料电池10的输出电压一一对应的燃料电池10的输出电力跟随所需电力。
66.图3是示出根据本公开的实施例的燃料电池10中的根据供应空气量与反应空气量的比率的燃料电池10的性能曲线i-v的视图。
67.进一步参考图3，供应控制器60可以基于燃料电池10的参考输出电压(v
hilim
)或参考输出电流(i
base
)将燃料电池10的负载区域划分为第一区域和第二区域，并且可以基于所划分的负载区域来控制供应装置40。
68.燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率是指化学计量比(sr)。换言之，供应空气量可以通过与对应于燃料电池10的输出电力或输出电流的空气量的sr相对应的比率而供应。
69.通常，根据燃料电池10的性能特性，燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率可以在0到2.3之间变化。
70.在负载相对较低的第一区域中，供应控制器60可以基于燃料电池10的所需电流与输出电流的差值，来对供应空气量执行比例积分控制，使得燃料电池10的输出电流跟随所需电流。
71.在低负载区域中，燃料电池10的输出电压可以维持在一预设电压。因此，为了调节燃料电池10的输出电流和输出电力，燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率sr以与输出电流一一对应的方式可变化。在实施例中，可以对供应空气量执行比例积分控制，使得燃料电池10的输出电流跟随所需电流。
72.在实施例中，如图3所示，随着燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率sr增加，同一输出电流的电压可增加并且因此输出电力也可以增加。
73.因此，在负载相对较低的第一区域中，供应控制器60可以控制供应装置40，使得燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率随着所需电流的减小而减小。
74.在负载相对较高的第二区域中，供应控制器60可以将燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率维持在一预设比率。
75.供应控制器60可以将燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率维持在预设比率，以使燃料电池10在第二区域中的发电性能最大化。预设比率可预设在燃料电池10的耐用性得以维持同时燃料电池10的发电性能增加的范围内。
76.此外，在燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流增加的情况下(当负载增加时)，供应控制器60可以通过相对缓慢地增加燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的预设比率sr(将时间常数设定为大)来延迟空气供应时间。
77.相反，在燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流减小的情况下(当负载减小时)，供应控制器60可以通过相对快速地增加燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的预设比率sr(将时间常数设定为小)来确保空气的供应。
78.此外，电压控制器50或供应控制器60可根据负载区域时燃料电池10的所需电力与输出电力的差值或燃料电池10的所需电流与输出电流的差值来重置积分值。
79.因此，可以防止燃料电池10的输出电压或燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的预设比率sr发生错误的现象。这种现象由负载区域过渡时(例如，从低负载过渡到中/高负载时或从中/高负载过渡到低负载时)不必要的积分值引起。
80.此外，电压控制器50或供应控制器60还可以包括用于通过积分控制防止饱和的抗饱和控制。
81.图4和图5是示出根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制方法的流程图。
82.进一步参考图4和图5，根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制方法包括接收燃料电池10需要输出的所需电力或所需电流(s100)。该方法还包括基于接收到的所需电力或所需电流来设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量(s300)。该方法还包括基于燃料电池10的设定的输出电压来控制串联或并联地连接在燃料电池10与消耗装置20之间的转换器30或者基于设定的供应空气量来控制供应装置40向燃料电池10供应空气(s400)。
83.根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制方法还可包括：在设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池的供应空气量(s300)之前，根据燃料电池10的输出电压或燃料电池中的空气供应量与反应空气量的比率，将燃料电池10的负载区域划分为第一区域和第二区域10(s200或s200')。在设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量时，燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量基于所划分的负载区域而设定。
84.设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量(s300)可以包括在负载相对较低的第一区域将燃料电池10的输出电压维持在一预设电压(s310)。设定(s300)还可以包括在负载相对较高的第二区域中基于燃料电池10的所需电力与输出电力之间的差值，通过对燃料电池10的输出电压执行比例积分(pi)控制来设定燃料电池10的输出电压，使得燃料电池10的输出电力跟随所需电力(s320)。
85.设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量(s300)可以包括在负载相对较低的第一区域中，基于燃料电池10的所需电流与输出电流之间的差值，对供应空气量执行比例积分(pi)控制，使得燃料电池10的输出电流跟随所需电流(s310)。设定(s300)还可以包括在负载相对较低的第一区域中，设定空气供应量，使得燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的比率随着所需电流减小而减小(s320)。
86.在设定燃料电池10的输出电压或到燃料电池10的供应空气量(s300)中，根据燃料电池10的所需电力与输出电力之间的差值或在负载区域过渡时燃料电池10的所需电流与的输出电流之间的差值，可以重置积分值。
87.图6是示出根据本公开的实施例的燃料电池10的发电控制系统和方法的控制结果的曲线图。
88.进一步参考图6，可以在低负载区域中通过控制燃料电池10中的供应空气量与反应空气量的预设比率(sr)来确认燃料电池10的输出电力和输出电流跟随所需电力和所需电流。
89.在实施例中，可以确认燃料电池10的输出电压、输出电流和输出电力分别跟随所需电压、所需电流和所需电力，而燃料电池10运行的负载区域是以恒定的倾斜度变化。
90.此外，可以确认，即使在燃料电池10运行的负载区域过渡的区间(负载区域从低负载过度到中/高负载并从中/高负载过度到低负载的区间)，燃料电池10的输出电压、输出电流和输出电力的控制稳定性也得到保证。
91.根据本公开的燃料电池的发电控制系统和方法，根据燃料电池需要输出的所需电力或电流来控制燃料电池进行的发电。此外，防止向燃料电池过度供应空气并且维持燃料电池的电压以提高燃料电池的耐用性。
92.尽管已经针对特定实施例示出和说明了本公开，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下可以对本公开进行各种修改和改变。