用于燃料電池推進系統(tǒng)的基于效率的待機模式的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于燃料電池推進系統(tǒng)的基于效率的待機模式，公開了用于在待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。該方法包括基于燃料電池堆和電池功率優(yōu)化而確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于功率極限值，則系統(tǒng)將進入待機模式。系統(tǒng)首先進入動態(tài)待機模式，其中燃料電池堆關(guān)閉并且向電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作。該方法通過在動態(tài)待機模式期間在怠速下操作壓縮機而累計識別已消耗多少能量的壓縮機功率值，然后切換至靜態(tài)待機模式，其中當(dāng)累計的壓縮機功率值達到識別啟動壓縮機所花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時壓縮機關(guān)閉。
【專利說明】用于燃料電池推進系統(tǒng)的基于效率的待機模式
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及用于在待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，并且更特別地涉及用于在待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的這樣的系統(tǒng)和方法，該方法包括:基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化確定進入待機模式的時間；然后提供動態(tài)待機模式操作，其中燃料電池堆關(guān)閉并且陰極壓縮機在怠速下操作，直到經(jīng)過計算時間；然后提供其中壓縮機不操作的靜態(tài)待機模式。
【背景技術(shù)】
[0002]氫是非常有吸引力的燃料，因為它是清潔的并且能用來在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是一種包括陽極和陰極并在兩者間具有電解質(zhì)的電化學(xué)裝置。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極中解離以生成自由的質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極。質(zhì)子與陰極中的氧和電子反應(yīng)以生成水。來自陽極的電子不能穿過電解質(zhì)，并且因此被導(dǎo)向穿過負載以便在被送至陰極之前做功。
[0003]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種流行的車輛用燃料電池。PEMFC—般包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟代磺酸膜。陽極和陰極通常包括承載在碳粒上且與離聚物混合的細分的催化劑粒子，通常為鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件(MEA)。MEA制造相對昂貴并且需要某些條件來有效操作。
[0004]幾種燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生所需功率。例如，典型的車輛用燃料電池堆可具有兩百個或以上的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)物氣體，該氣體通常為由壓縮機迫使通過電池堆的空氣流。典型的陰極壓縮機將包括空氣軸承。并非所有氧均被電池堆消耗，其中一些空氣被輸出為可包括作為電池堆副產(chǎn)物的水的陰極排氣。燃料電池堆還接收流入電池堆的陽極側(cè)的陽極氫反應(yīng)物氣體。電池堆還包括其中流過冷卻流體的流動通道。
[0005]燃料電池堆包括定位在電池堆中的若干MEA之間的一系列雙極板，其中雙極板和MEA定位在兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)。陽極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，其允許陽極反應(yīng)物氣體流至相應(yīng)的MEA。陰極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，其允許陰極反應(yīng)物氣體流至相應(yīng)的MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由諸如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物的導(dǎo)電材料制成。端板將由燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)至電池堆外部。雙極板也包括其中流過冷卻流體的流動通道。
[0006]大多數(shù)燃料電池車輛為混合動力車輛，其采用除了燃料電池堆之外的補充電源，例如高壓直流電池或超級電容器。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器有時用來匹配電池電壓與燃料電池堆的電壓。當(dāng)燃料電池堆不能夠提供所需功率時，電源為各種車輛輔助負載、為系統(tǒng)起動和在高功率需求期間提供補充功率。燃料電池堆通過直流高壓電氣母線為電氣牽引馬達提供功率以用于車輛操作。在對額外功率的需求超出電池堆能提供的功率期間，例如在重載加速期間，電池為電氣母線提供補充功率。例如，燃料電池堆可提供70kW的功率，然而，車輛加速可能需要IOOkW的功率。燃料電池堆用來在燃料電池堆能夠提供系統(tǒng)功率需求時對電池或超級電容器再充電。在再生制動期間可從牽引馬達得到的發(fā)電機功率也用來對電池或超級電容器再充電。
[0007]需要提供用于燃料電池混合動力車輛的控制算法以確定響應(yīng)于駕駛員功率請求和在所有車輛操作條件下將由燃料電池堆提供多少功率以及將由電池提供多少功率。希望優(yōu)化由燃料電池堆和電池提供的功率分布，以使得用來操作車輛的氫的量被最小化。換言之，希望以最有效的方式操作燃料電池系統(tǒng)，以允許車輛使用最少量的氫行駛最遠的距離。電池必須在限定的荷電狀態(tài)(SOC)范圍內(nèi)操作，其中控制算法通常提供SOC設(shè)定點，基于該設(shè)定點而對電池充電和放電進行控制。
[0008]當(dāng)車輛上的燃料電池系統(tǒng)處于空閑模式時，例如當(dāng)車輛在停車燈處停止時，此時，燃料電池堆不產(chǎn)生用于操作系統(tǒng)裝置的功率，空氣和氫通常仍然被提供至燃料電池堆，并且電池堆正產(chǎn)生輸出功率。該功率通常用來對電池再充電，直到達到電池的SOC上限，此時如果電池被充電超出該上限，電池可能會損壞。當(dāng)達到該SOC極限時，電池堆上的電池負載被移除，這增加了電池堆電壓，但引起減少電池堆壽命的某些現(xiàn)象。如果燃料電池系統(tǒng)在空閑條件期間關(guān)閉，則不需要解決當(dāng)電池達到其最大SOC時在電池堆上提供負載的問題。另外，當(dāng)燃料電池堆處于空閑模式時向其提供氫通常是一種浪費，因為在該條件下操作電池堆不產(chǎn)生非常有用的功，如果有的話。
[0009]對于這些和其它燃料電池系統(tǒng)操作條件來說，可能有利的是使系統(tǒng)處于待機模式，此時系統(tǒng)消耗極少功率或零功率，使用的氫燃料的量最少，并且系統(tǒng)能從待機模式迅速恢復(fù)，以便增加系統(tǒng)效率和減少系統(tǒng)劣化。提交于2010年3月12日的名稱為“StandbyMode for Optimization of Efficiency and Durability of a Fuel Cell VehicleApplication^用于優(yōu)化燃料電 池車輛應(yīng)用的效率和耐久性的待機模式)的美國專利申請序列號N0.12/723，261公開了一種用于使車輛上的燃料電池系統(tǒng)處于待機模式以節(jié)約燃料的方法，該申請轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且以引用的方式并入本文中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了用于在待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。該方法包括基于燃料電池堆和電池功率優(yōu)化而確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于功率極限值，則系統(tǒng)將進入待機模式。當(dāng)功率請求低于功率極限值時，系統(tǒng)首先進入動態(tài)待機模式，其中燃料電池堆關(guān)閉并且向電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作。該方法通過在動態(tài)待機模式期間在怠速下操作壓縮機而累計識別已消耗多少能量的壓縮機功率值，然后切換至靜態(tài)待機模式，其中當(dāng)累計的壓縮機功率值達到識別啟動壓縮機所花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時壓縮機關(guān)閉。
[0011]本發(fā)明提供下列技術(shù)方案。
[0012]技術(shù)方案1.一種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括:
確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式； 確定所述系統(tǒng)功率請求已低于所述功率極限值；
進入動態(tài)待機模式，其中所述燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆關(guān)閉，并且向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作；
通過在所述動態(tài)待機模式期間在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值；以及
當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時，進入靜態(tài)待機模式，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機。
[0013]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中確定功率極限值包括基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化而確定所述功率極限值。
[0014]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的方法，其中在所述燃料電池堆功率和電池功率之間的所述優(yōu)化包括用于使用燃料電池堆功率對所述電池充電直到所述電池達到預(yù)定電池荷電狀態(tài)的優(yōu)化。
[0015]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中進入動態(tài)待機模式包括延遲所述系統(tǒng)從所述系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值時進入所述動態(tài)待機模式的時間。
[0016]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案4所述的方法，其中延遲所述時間包括將所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的時間延遲1-2秒。
[0017]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，還包括當(dāng)所述系統(tǒng)功率請求高于所述功率極限值時退出所述系統(tǒng)待機模式。
[0018]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中所述壓縮機包括空氣軸承。
[0019]技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案I所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
[0020]技術(shù)方案9.一種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆、高壓電池和向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機，所述方法包括:
確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式，其中所述功率極限值基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化而確定，所述優(yōu)化包括使用所述燃料電池堆功率對所述電池充電以使得所述電池荷電狀態(tài)處于
預(yù)定值；
確定所述系統(tǒng)已低于所述優(yōu)化功率極限值；
在從所述系統(tǒng)功率請求低于所述優(yōu)化功率極限值時開始已經(jīng)過預(yù)定時間段之后進入動態(tài)待機模式，其中所述燃料電池堆關(guān)閉并且所述壓縮機在怠速下操作，其中進入所述動態(tài)待機模式包括從所述系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值時延遲所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的時間；
通過在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值；當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟值時，進入靜態(tài)待機模式，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機；以及在所述功率請求高于所述優(yōu)化功率極限值時退出所述待機模式。
[0021]技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中延遲所述時間包括將所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的時間延遲1-2秒。
[0022]技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中所述壓縮機包括空氣軸承。[0023]技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案9所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
[0024]技術(shù)方案13.—種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括:
用于確定功率極限值的裝置，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式；
用于確定所述系統(tǒng)功率請求已低于所述功率極限值的裝置；
用于進入動態(tài)待機模式的裝置，其中所述燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆關(guān)閉，并且向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作；
用于通過在所述動態(tài)待機模式期間在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值的裝置；以及
用于當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時進入靜態(tài)待機模式的裝置，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機。
[0025]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于確定功率極限值的裝置基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化而確定所述功率極限值。
[0026]技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案14所述的控制系統(tǒng)，其中在所述燃料電池堆功率和電池功率之間的所述優(yōu)化包括用于使用燃料電池堆功率對所述電池充電直到所述電池達到預(yù)定電池荷電狀態(tài)的優(yōu)化。
[0027]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案13所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于進入動態(tài)待機模式的裝置延遲所述系統(tǒng)從所述系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值時進入所述動態(tài)待機模式的時間。
[0028]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案16所述的控制系統(tǒng)，其中所述用于進入動態(tài)待機模式的裝置將所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的所述時間延遲1-2秒。
[0029]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案13所述的控制系統(tǒng)，還包括用于當(dāng)所述系統(tǒng)功率請求高于所述功率極限值時退出所述系統(tǒng)待機模式的裝置。
[0030]技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案13所述的控制系統(tǒng)，其中所述壓縮機包括空氣軸承。
[0031]技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案13所述的控制系統(tǒng)，其中所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
[0032]根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的另外的特征將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是燃料電池系統(tǒng)的簡化框圖；
圖2是時間在橫軸上并且功率在縱軸上的坐標圖，示出了電池堆輸出功率和在待機模式期間節(jié)約的能量之間的各種關(guān)系；以及
圖3是示出用于在待機模式下操作圖1所示系統(tǒng)的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的實施例的以下討論涉及用于在待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，其包括電池堆和電池功率以及陰極壓縮機的控制兩者的優(yōu)化，這些討論在本質(zhì)上僅為示例性的，而絕不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。例如，本發(fā)明適用于在車輛上的燃料電池系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可以適用于不在車輛上的其它燃料電池系統(tǒng)。
[0035]圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的框圖。燃料電池堆12包括接收在陰極輸入管線16上來自壓縮機14的陰極空氣的陰極側(cè)。壓縮機14可以是適用于本文所述目的的任何壓縮機，并且通常將為采用空氣軸承的壓縮機。陰極側(cè)排氣在陰極輸出管線18上通過排氣閥90從燃料電池堆12輸出。包括旁路閥22的旁路管線20設(shè)置成允許來自壓縮機14的空氣在各種系統(tǒng)操作條件期間(例如在下面更詳細討論的待機模式期間)被導(dǎo)向繞過電池堆12。當(dāng)旁路閥22打開并且輸出閥90關(guān)閉時，陰極空氣繞過電池堆12行進，而不是流過電池堆12。
[0036]燃料電池系統(tǒng)10還包括向噴射器28提供氫氣的氫源24,噴射器28以受控的脈沖占空比將氫氣在陽極輸入管線26上噴入燃料電池堆12的陽極側(cè)。陽極側(cè)排氣在陽極再循環(huán)管線30上從燃料電池堆12輸出，陽極再循環(huán)管線30將陽極排氣通過噴射器28再循環(huán)回陽極輸入管線26，噴射器28也可以作為排出器操作，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。
[0037]燃料電池系統(tǒng)10還包括高壓電池34，其可以是為燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用提供各種所需的充電和放電特性的任何合適的可再充電電池系統(tǒng)，包括但不限于鋰離子電池、N1-MH電池、鈉鎳氯化物電池、鉛酸電池、鎳鎘電池等。雖然在該非限制性實施例中采用電池34作為補充電源，但其它高壓直流儲存裝置可以代替電池34使用，例如超級電容器。
[0038]燃料電池堆12和電池34可具有不同的輸出電壓，具體取決于其設(shè)計和負載電流。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器36提供在電池堆12和電池34之間的電壓匹配，并且提供電流控制，這種電流控制針對變化的燃料電池系統(tǒng)操作條件和駕駛員功率請求，選擇性地確定由電池堆12提供以驅(qū)動各種系統(tǒng)負載和電氣牽引馬達38的功率的大小。
[0039]在該非限制性設(shè)計中，燃料電池堆12由電池堆母線40電聯(lián)接到DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器36，并且DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器36由高壓母線42電聯(lián)接到高壓電池34。系統(tǒng)10的各種高壓部件在升壓轉(zhuǎn)換器36和電池34之間電聯(lián)接到高壓母線42。特別地，壓縮機14和雜項系統(tǒng)負載44在節(jié)點46處電聯(lián)接到高壓母線42。此外，電氣牽引馬達38與高壓電池34 —起在節(jié)點48處電聯(lián)接到高壓母線42。系統(tǒng)控制器32控制燃料電池系統(tǒng)10并且包括用于提供與本文所討論的一致的功率優(yōu)化和待機模式控制的算法。
[0040]提交于2012 年 2 月 14 日的名稱為“Analytic Method of Fuel ConsumptionOptimized Hybrid Concept for Fuel Cell Systems”(用于燃料電池系統(tǒng)的燃料消耗優(yōu)化的混合動力概念的分析方法)的美國專利申請序列號N0.13/396, 145公開了一種功率優(yōu)化器，該優(yōu)化器確定對于特定駕駛員功率請求來說將由燃料電池堆12提供的功率的量以及將由高壓電池34提供的功率的量，以使得氫的耗用量最小化，該申請轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且以引用的方式并入本文中。該功率優(yōu)化器基于燃料電池堆12和高壓電池34的效率表。在給定的駕駛員功率請求
胃下，優(yōu)化器計算在電池堆12和電池34之間的最佳功率分布,其中效率表被轉(zhuǎn)化為多項式方程。該計算將由電池堆12提供的功率限定為實際電池堆氫功率&?^?3 ,并且將由電池34提供的功率限定為實際電池氫功率。求解多項式方程以確定電池堆功率請求PfCS.reg ,然后從包括其它因子的駕駛員功率請求中減去該功率，以獲得電池功率請求Pset,。[0041]本發(fā)明提出一種用于燃料電池系統(tǒng)10的有效的待機模式。當(dāng)滿足諸如以上引用的‘261申請中討論的條件的某些要求和進入條件時，可以使系統(tǒng)10處于待機模式。這些進入條件可包括例如電池S0C、駕駛員功率請求、點火鑰匙位置等。一旦滿足待機模式的進入條件，系統(tǒng)控制器32就基于在電池堆和電池功率之間的計算功率優(yōu)化而確定是否應(yīng)進入待機模式，主要是確定燃料電池堆12是否應(yīng)繼續(xù)提供用于對電池34充電的功率，以使得電池34處于所需的SOC水平。換言之，系統(tǒng)控制器32首先確定是否已滿足進入待機模式的所有必要要求，如果滿足，則使用例如在‘145申請中公開的功率優(yōu)化算法來確定燃料電池堆12是否應(yīng)繼續(xù)操作或開始待機模式。
[0042]如果控制器32確定應(yīng)進入待機模式，則控制器32首先使系統(tǒng)10在動態(tài)待機模式下操作，在該模式下，壓縮機14保持在旁路閥22處于打開位置且輸出閥90處于關(guān)閉位置的情況下操作。在動態(tài)待機模式下，壓縮機14以例如30，000RPM的怠速操作，但燃料電池堆12關(guān)閉。由于壓縮機14需要大量的加速能量來重啟，更有效的是在待機模式開始之后使壓縮機14在動態(tài)待機模式下以其怠速保持旋轉(zhuǎn)一段時間。換言之，如果壓縮機14在進入待機模式時關(guān)閉，接著在此后不久結(jié)束待機模式，則重啟壓縮機14花費的功率的量大于通過在待機模式開始時關(guān)閉壓縮機14所節(jié)約的功率的量。
[0043]根據(jù)壓縮機14的速度、壓縮機的類型等，可以進行計算以確定應(yīng)在何時關(guān)閉壓縮機14，此時使壓縮機14保持操作將使用比在待機模式期間可能節(jié)約的更多的能量。當(dāng)壓縮機14關(guān)閉時，待機模式事件從動態(tài)待機模式變?yōu)殪o態(tài)待機模式，此時燃料電池堆12和壓縮機14均關(guān)閉。本發(fā)明確定壓縮機14的怠速能量和壓縮機重啟能量的損益平衡點。
[0044]通過在動態(tài)待機模式下操作壓縮機14，壓縮機14可以從怠速非常迅速地旋轉(zhuǎn)至當(dāng)功率請求滿足時的所需速度。然而，在其怠速下操作壓縮機14花費連續(xù)的功率。此外，有利的是在其怠速下操作壓縮機14，因為對于那些采用空氣軸承的壓縮機來說，每當(dāng)壓縮機14變?yōu)榱闼俣葧r，軸承上都存在可能造成損壞的摩擦。此外，當(dāng)壓縮機14不操作時，將壓縮機加速至其怠速所需的加速能量的量是相當(dāng)大的。在壓縮機14在動態(tài)待機模式下操作的同時，對于非?？斓貜牡∷傥恢眉铀俚母みM的駕駛員來說將實現(xiàn)益處，因為壓縮機14不用不得不從零增加其速度。
[0045]圖2是時間在橫軸上并且功率和能量在縱軸上的坐標圖，示出了以上針對待機模式討論的功率關(guān)系。圖線50表示通過例如混合動力功率優(yōu)化器而從燃料電池系統(tǒng)10請求的功率。線52表示功率極限值，該值識別其中燃料電池系統(tǒng)10在怠速條件期間應(yīng)關(guān)閉并且其中進一步的電池充電不可取或不可能的功率水平。此外，當(dāng)壓縮機14在燃料電池堆12關(guān)閉時旋轉(zhuǎn)時，電池功率用來操作壓縮機14并且能量被消耗。由于電池功率在待機模式期間用來操作壓縮機14，當(dāng)電池堆12關(guān)閉時電池34的SOC有必要高于預(yù)定的SOC極限，以使得在待機模式期間操作壓縮機14和其它系統(tǒng)裝置不引起電池SOC低于最低SOC要求。線68表示在其怠速下操作壓縮機14所需的功率的量，并且線60表示從零速度到怠速重啟壓縮機14所需的加速能量。線58表示與在其怠速下隨時間推移操作壓縮機14的能量一致的功率的積聚。
[0046]當(dāng)功率請求開始下降時，這表明潛在的待機模式條件，功率請求在由線54表示的時間^處將最終達到功率線52，此時控制器32將開始待機模式?？刂破?2允許在待機模式條件已滿足之后經(jīng)過一定時間段以提供穩(wěn)定性、緩沖和消除功率請求將立即返回到功率極限線52以上的可能性。在一個非限制性實施例中，該時間為1-2秒。一旦在由線56表示的時間t2處已經(jīng)過該時間，控制器32就接著通過首先在動態(tài)待機模式下操作而具體地進入待機模式，在動態(tài)待機模式下，壓縮機14繼續(xù)在其怠速旋轉(zhuǎn)速度下操作。
[0047]在系統(tǒng)10在動態(tài)待機模式下操作的同時，由壓縮機14消耗以在其怠速下旋轉(zhuǎn)的能量的量在由線62表示的時間t3處將達到壓縮機重啟加速能量，其中如果壓縮機14在時間t2處關(guān)閉，則由壓縮機14用來旋轉(zhuǎn)的能量的量等于重啟壓縮機14所需的能量的量。在時間t3處，控制器32進入靜態(tài)待機模式，其中在待機模式的剩余部分中壓縮機14關(guān)閉。最終，當(dāng)駕駛員退出怠速條件時，功率請求將增加。當(dāng)功率請求在由線66表示的時間t4處達到功率極限線52時，待機模式將結(jié)束并且混合動力功率優(yōu)化控制將取而代之。
[0048]通過以這種方式在動態(tài)待機模式和靜態(tài)待機模式下操作壓縮機14，由以線56、壓縮機能量線58和壓縮機重啟能量線60為邊的三角形表示的能量的量是節(jié)約的能量的量。線64是線58的延長線，示出了在壓縮機14未關(guān)閉時將由壓縮機14在靜態(tài)待機模式期間使用的能量的多少。
[0049]圖3是流程圖70，示出了用于以上文討論的方式控制燃料電池系統(tǒng)10的待機模式的過程。算法監(jiān)測燃料電池系統(tǒng) 功率請求以在決策菱形72處確定其是否低于功率極限線52。如果功率請求的確低于功率極限線52，則算法在框74處開始計數(shù)器并在決策菱形76處確定計數(shù)是否已達到預(yù)定計數(shù)值，以設(shè)定在時間A和t2之間的延時。一旦在決策菱形76處已經(jīng)過該時間，算法就在框78處通過關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)10、打開旁路閥22、關(guān)閉輸出閥90和在其怠速下操作壓縮機14而進入動態(tài)待機模式。算法接著在框80處累計在怠速下操作壓縮機14的功率并在決策菱形82處確定所請求的功率是否以增加至功率極限線52，并且如果是這樣，則算法退出待機模式。如果請求的功率未增加至功率極限線52，則算法在決策菱形84處確定累計的功率是否已達到壓縮機重啟功率值。如果在決策菱形84處累計的功率達到壓縮機重啟能量，則算法在框86處通過關(guān)閉壓縮機14而進入靜態(tài)待機模式。算法在決策菱形88處再次監(jiān)測所請求的功率是否已增加至功率極限線52，并且如果不是這樣，則返回至框86以保持實際的待機模式。如果在決策菱形88處功率請求不升高至功率極限線52，則算法退出待機模式。
[0050]如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將充分理解的，本文討論的描述本發(fā)明的若干和各種步驟和過程可能是指由計算機、處理器或其它電子計算裝置執(zhí)行的操作，該電子計算裝置利用電氣現(xiàn)象操縱和/或轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。這些計算機和電子裝置可以采用各種易失性和/或非易失性存儲器，包括其上儲存有可執(zhí)行程序的非暫時性計算機可讀介質(zhì)，這些程序包括能夠由計算機或處理器執(zhí)行的各種代碼或可執(zhí)行指令，其中存儲器和/或計算機可讀介質(zhì)可包括所有形式和類型的存儲器和其它計算機可讀介質(zhì)。
[0051]所公開的以上討論僅描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易從此類討論和附圖及權(quán)利要求認識到，在不脫離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在其中做出各種更改、修改和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式； 確定所述系統(tǒng)功率請求已低于所述功率極限值； 進入動態(tài)待機模式，其中所述燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆關(guān)閉，并且向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作； 通過在所述動態(tài)待機模式期間在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值；以及 當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時，進入靜態(tài)待機模式，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中確定功率極限值包括基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化而確定所述功率極限值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述燃料電池堆功率和電池功率之間的所述優(yōu)化包括用于使用燃料電池堆功率對所述電池充電直到所述電池達到預(yù)定電池荷電狀態(tài)的優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中進入動態(tài)待機模式包括延遲所述系統(tǒng)從所述系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值時進入所述動態(tài)待機模式的時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中延遲所述時間包括將所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的時間延遲1-2秒。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)所述系統(tǒng)功率請求高于所述功率極限值時退出所述系統(tǒng)待機模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述壓縮機包括空氣軸承。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池系統(tǒng)在車輛上。
9.一種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆、高壓電池和向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機，所述方法包括: 確定功率極限值，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式，其中所述功率極限值基于在燃料電池堆功率和電池功率之間的優(yōu)化而確定，所述優(yōu)化包括使用所述燃料電池堆功率對所述電池充電以使得所述電池荷電狀態(tài)處于預(yù)定值； 確定所述系統(tǒng)已低于所述優(yōu)化功率極限值； 在從所述系統(tǒng)功率請求低于所述優(yōu)化功率極限值時開始已經(jīng)過預(yù)定時間段之后進入動態(tài)待機模式，其中所述燃料電池堆關(guān)閉并且所述壓縮機在怠速下操作，其中進入所述動態(tài)待機模式包括從所述系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值時延遲所述系統(tǒng)進入所述動態(tài)待機模式的時間； 通過在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值； 當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟值時，進入靜態(tài)待機模式，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機；以及 在所述功率請求高于所述優(yōu)化功率極限值時退出所述待機模式。
10.一種用于在系統(tǒng)待機模式下操作燃料電池系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括:用于確定功率極限值的裝置，其中如果系統(tǒng)功率請求低于所述功率極限值，則所述系統(tǒng)將進入所述系統(tǒng)待機模式； 用于確定所述系統(tǒng)功率請求已低于所述功率極限值的裝置； 用于進入動態(tài)待機模式的裝置，其中所述燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池堆關(guān)閉，并且向所述燃料電池堆的陰極側(cè)提供陰極空氣的壓縮機在怠速下操作； 用于通過在所述動態(tài)待機模式期間在所述怠速下操作所述壓縮機而累計識別已消耗的能量的量的壓縮機功率值的裝置；以及 用于當(dāng)所述累計的壓縮機功率值達到識別啟動所述壓縮機花費的能量的量的壓縮機重啟能量值時進入靜態(tài)待機模式的裝置，其中進入所述靜態(tài)待機模式包括關(guān)閉所述壓縮機。`
【文檔編號】H01M8/04GK103515637SQ201310243331
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】O.邁爾 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司