燃料電池系統(tǒng)和用于控制該燃料電池系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)及用于控制該燃料電池系統(tǒng)的方法，更具體而言涉及在冷啟動條件下迅速增加燃料電池堆的溫度的燃料電池系統(tǒng)和用于控制該燃料電池系統(tǒng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池車包括堆疊有用作驅(qū)動電源的多個燃料電池、配置成將作為燃料工作的氫提供應(yīng)燃料電池堆的燃料供應(yīng)系統(tǒng)、配置成供應(yīng)在燃料電池堆中的電化學(xué)反應(yīng)中的用作氧化劑的空氣的空氣供應(yīng)系統(tǒng)、以及配置成調(diào)節(jié)燃料電池堆的溫度的水熱管理系統(tǒng)。
[0003]燃料供應(yīng)系統(tǒng)減小存儲在氫儲罐中的壓縮氫的壓力，并將壓力減小后的氫提供給燃料電池堆的燃料電極(陽極)?？諝夤?yīng)系統(tǒng)還配置成操作鼓風(fēng)機(jī)以將吸入的空氣提供給燃料電池堆的空氣電極(陰極)。
[0004]當(dāng)將氫和氧分別提供給燃料電池堆的燃料電極和空氣電極時，經(jīng)由催化反應(yīng)從燃料電極產(chǎn)生氫離子。氫離子經(jīng)由電解質(zhì)膜移動到氧化電極(空氣電極)，并且在氫離子、電子與氧之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因而產(chǎn)生能量。更具體而言，經(jīng)由燃料電極中的氫的電化學(xué)氧化反應(yīng)而發(fā)生氧化反應(yīng)，并且經(jīng)由空氣反應(yīng)中的氧的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生還原反應(yīng)。此外，所產(chǎn)生的離子移動，因而產(chǎn)生電和熱。在該過程中，經(jīng)由使氫與氧結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生蒸汽和水。
[0005]排放設(shè)備被安裝來排放副產(chǎn)品諸如在燃料電池堆產(chǎn)生電能時所產(chǎn)生的熱、蒸汽和水，以及殘余物諸如氫和氧。經(jīng)通風(fēng)管釋放氣體諸如蒸汽、氫和氧。由電流指令生成器發(fā)出的電流指令輸出到電流控制器(未示出)。電流控制器配置成生成d軸電壓指令和q軸電壓指令，并接著生成三相電壓指令。因此，可以經(jīng)由脈沖寬度調(diào)制和三相電流控制來控制電動機(jī)。
[0006]當(dāng)燃料電池車停止時，在驅(qū)動車輛的期間所產(chǎn)生的一部分水殘留在燃料電池堆內(nèi)。當(dāng)外部溫度相當(dāng)?shù)?例如，在預(yù)定溫度以下)時，殘留的水通常凍結(jié)并且可能最終變成冰且導(dǎo)致不能啟動發(fā)動機(jī)。存在多種實現(xiàn)冷啟動的可靠方法。一種方法包括使用加熱器快速地使冷卻水暖和，另一種方法包括使用安裝在空氣供應(yīng)系統(tǒng)的管道上的加熱器來加熱空氣。
[0007]然而，將加熱器安裝冷啟動時布置在鼓風(fēng)機(jī)與加濕器之間的抽吸管道上、以及通過使用從燃料電池堆排放的熱空氣使圍繞燃料電池堆的殼體通風(fēng)來加熱燃料電池堆具有一些缺點。一些缺點的例子是需要額外的加熱器來加熱燃料電池堆并且燃料電池堆要求結(jié)構(gòu)上的改變。換言之，必需的改變使組成部件的配置和設(shè)計復(fù)雜化并且增加了制造成本。此夕卜，使用加熱器將燃料電池堆加熱到所期望的水平要求可觀的時間增加。
[0008]上述僅旨在幫助理解本發(fā)明的背景，并且不旨在意指本發(fā)明落入本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供可以使用感應(yīng)電動機(jī)(當(dāng)感應(yīng)電動機(jī)用作驅(qū)動電動機(jī)時)來迅速增加燃料電池堆的溫度的燃料電池系統(tǒng)和用于控制該燃料電池系統(tǒng)的方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，用于控制燃料電池系統(tǒng)的方法可以包括:迅速增加配置成最大化感應(yīng)電動機(jī)的鐵損耗的感應(yīng)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度，這可以導(dǎo)致燃料電池堆的溫度增加；以及使用扭矩消除器消除可以通過旋轉(zhuǎn)磁場的角速度增加而產(chǎn)生的驅(qū)動電動機(jī)的扭矩。扭矩消除器可以包括選自P檔減速器和液壓制動器中的至少一個。P檔減速器指示處于減速器與駐車齒輪(P齒輪)嚙合的狀態(tài)下的減速器。
[0011]控制方法可以還包括:確定車輛的變速齒輪是否可以與P齒輪嚙合；以及當(dāng)確定車輛的變速齒輪與P齒輪嚙合時，迅速增加旋轉(zhuǎn)磁場的角速度。當(dāng)變速齒輪未與P齒輪嚙合時，可以輸出齒輪改變請求信號，以便將變速齒輪換擋到P齒輪。當(dāng)響應(yīng)于齒輪改變請求信號而將變速齒輪換擋到P齒輪時，可以增加旋轉(zhuǎn)磁場的角速度?？刂品椒梢赃€包括:確定燃料電池車是否處于燃料電池車的外部溫度等于或小于預(yù)定溫度的冷啟動環(huán)境。當(dāng)確定燃料電池車處于冷啟動環(huán)境時，可以執(zhí)行增加驅(qū)動電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度?？刂品椒梢赃€包括:在增加旋轉(zhuǎn)磁場的角速度之后增加電動機(jī)的電流指令值以增加感應(yīng)電動機(jī)的感應(yīng)電流。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，燃料電池系統(tǒng)可以包括燃料電池堆、配置成從燃料電池堆接收功率的逆變器、根據(jù)從逆變器輸出的信號驅(qū)動的感應(yīng)電動機(jī)、配置成迅速增加感應(yīng)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度以最大化可以導(dǎo)致燃料電池堆的溫度增加的感應(yīng)電動機(jī)的鐵損耗的控制器、以及配置成消除可以由于旋轉(zhuǎn)磁場的角速度增加而產(chǎn)生的感應(yīng)電動機(jī)的扭矩的扭矩消除器。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，可以通過增加感應(yīng)電動機(jī)的鐵損耗來降低感應(yīng)電動機(jī)的效率從而可以促進(jìn)燃料電池堆內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)是可能的，這可以導(dǎo)致燃料電池堆的溫度的迅速增加。此外，通過消除由于從感應(yīng)電動機(jī)產(chǎn)生的廢熱的增加而產(chǎn)生電動機(jī)的扭矩來使感應(yīng)電動機(jī)的操作穩(wěn)定是可能的。
【附圖說明】
[0014]本發(fā)明的上面和其他目的、特征及其他優(yōu)點將從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中更清楚地被理解，其中:
[0015]圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統(tǒng)的示例性框圖；
[0016]圖2是示出用于根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的示例性流程圖；
[0017]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度增加、以及根據(jù)角速度增加的扭矩和功率損耗的示例性圖表；以及
[0018]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的在恒定的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度下根據(jù)電流指令值的功率損耗的變化的示例性圖表。
【具體實施方式】
[0019]本文所使用的術(shù)語僅出于描述特定實施方式的目的并且不旨在限制發(fā)明。如本文所使用的，除非上下文中清楚地另外指出，單數(shù)形式“一個(a)”、“一個(an)”、和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，當(dāng)使用在本說明書中時，術(shù)語“包括”和/或“包括有”具體指定所陳述的特征、整體、步驟、操作、元素和/或組成的存在，但不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元素、組成和/或其組合的存在或添加。如本文所使用，術(shù)語“和/或”包括一個或多個關(guān)聯(lián)列出項目的任何或全部組合。
[0020]盡管示例性實施方式被描述為使用多個單元來執(zhí)行示例性過程，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以通過一個或多個模塊來執(zhí)行示例性過程。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，術(shù)語控制器/控制單元指代包括存儲器和處理器的硬件設(shè)備。存儲器配置成存儲模塊并且處理器具體地配置成執(zhí)行所述模塊以執(zhí)行在下面進(jìn)一步描述的一個或多個過程。
[0021]此外，本發(fā)明的控制邏輯可以實施為包含由處理器、控制器/控制單元等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令的計算機(jī)可讀介質(zhì)上的非臨時性計算機(jī)可讀媒介。計算機(jī)可讀介質(zhì)的例子包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃盤驅(qū)動器、智能卡和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。計算機(jī)可讀記錄介質(zhì)還可以分布在網(wǎng)絡(luò)耦合的計算機(jī)系統(tǒng)中，從而例如通過遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)器或控制器局域網(wǎng)(CAN)以分布式方式存儲并執(zhí)行計算機(jī)可讀媒介。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解此處使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術(shù)語包括，諸如包括運(yùn)動用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、多種商用車輛的載客汽車的機(jī)動車輛，包括各種船和艇的水運(yùn)工具，航行器等，并且包括混合動力車、電動車輛、內(nèi)燃車輛、插入式混合電動車輛、氫動力車輛和其它可選的燃料車輛(例如從除了石油以外的資源中獲得的燃料)。
[0023]除非特別指明或從上下文明顯，如本文所用，術(shù)語“大約”理解為在本領(lǐng)域中正常容差的范圍內(nèi)，例如在平均值的2個標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)?！按蠹s”可以理解為在規(guī)定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01 % 內(nèi)。除非上下文另有清楚說明，否則這里所提供的所有數(shù)值都由術(shù)語“大約”修飾。
[0024]本文所公開的本發(fā)明的示例性實施方式的具體結(jié)構(gòu)和功能描述僅用于本發(fā)明的示例性實施方式的說明性目的。在不偏離本發(fā)明的精神和重要特征的情況下可以以許多不同形式實施本發(fā)明。因此，僅出于說明性目的公開本發(fā)明的示例性實施方式，并且不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明。
[0025]由于可以以許多不同形式不同地修改本發(fā)明的示例性實施方式，因此現(xiàn)將詳細(xì)參考本發(fā)明的各種示例性實施方式，它們的具體例子在附圖中示出并且在下面描述。盡管將結(jié)合其示例性實施方式描述本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解的是，本描述不旨在將本發(fā)明局限于那些示例性實施方式。相反，本發(fā)明旨在不僅涵蓋示例性實施方式，還涵蓋各種替代方式、變形方式、等同方式。
[0026]應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管這里可以使用術(shù)語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但這些元件不應(yīng)被這些術(shù)語所限制。這些術(shù)語僅用來將一個元件跟另一個元件區(qū)分開。例如，在不偏離本發(fā)明的教導(dǎo)的情況下，下面所討論的第一元件可以被稱作第二元件。類似地，第二元件也可以被稱作第一元件。
[0027]應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)元件被稱為“耦合”或“連接”于另一個元件時，其可以直接耦合或連接于另一個元件或者在其之間可以存在中間元件。相反，應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)元件被稱為“直接耦合”或“直接連接”于另一個元件時，不存在中間元件。說明元件之間的關(guān)系的其他表述諸如“在…之間”、“直接在…之間”、“鄰接于”或“直接鄰接于”應(yīng)該以相同方式詮釋。
[0028]除非另有定義，否則這里所使用的包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語的所有術(shù)語具有與由本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，在常用詞典中定義的那些術(shù)語應(yīng)被解釋為具有與在相關(guān)技術(shù)背景以及本公開中的它們含義一致的意思，并且將不以理想化或過度形式化的意義來解釋，除非這里明確限定。
[0029]在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施方式。在所有附圖中，相同的參考標(biāo)記指代相同或相似的部件。
[0030]圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統(tǒng)的示例性框圖。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的燃料電