控制燃料电池堆的温度的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种控制燃料电池堆的温度的系统和方法。该方法包括以下步骤：当执行泵正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第一温度，则执行泵关闭模式，上述泵正常模式是将冷却水泵的旋转速度调整为等于或大于预设基准旋转速度并且基于上述冷却水出口温度改变每分钟转数(rpm)的模式，上述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作上述冷却水泵的同时将上述冷却水泵的旋转速度减小至小于上述基准旋转速度的模式。另外，当执行上述泵关闭模式时，如果冷却水出口温度估计值超过预设第二温度，则执行上述泵正常模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种控制燃料电池堆的温度的系统和方法，并且更具体地，涉及一种通过调整冷却泵和电力转换器的电压来控制燃料电池堆的温度的方法。
技术介绍
燃料电池车辆包括用作电源的多个燃料电池堆叠形成的燃料电池堆、将作为燃料的氢气等供应到燃料电池堆的燃料供应系统、供应作为电化学反应需要的氧化剂的氧气的空气供应系统、调整燃料电池堆的温度的水和热管理系统等。燃料供应系统降低氢罐中的压缩氢气的压力并且将压缩的氢气供应到燃料电池堆的阳极，并且空气供应系统将通过操作鼓风机而抽吸的外部空气供应到燃料电池堆的阴极。当氢气被供应到燃料电池堆的阳极并且氧气被供应到燃料电池堆的阴极时，氢离子通过阳极中的催化反应被分离。分离的氢离子穿电解质膜被转移到作为阴极的氧化电极，并且在阳极中的分离的氢离子与在氧化电极中的电子和氧气发生电化学反应，使得可以获得电能。具体地，在阳极中发生氢气的电化学氧化，并且在阴极中发生氧气的电化学还原。进一步地，由于通过上述过程产生的电子的运动而产生电和热，并且通过氢气和氧气的化学键合产生水蒸气或水。另外，为了排放不与在燃料电池堆的电能产生过程中产生的诸如水蒸气、水和热等副产品起反应的氢气、氧气等，设置有一种排放装置，并且诸如水蒸气、氢气和氧气等气体通过排放路径被排放到大气中。用于操作燃料电池的组件诸如鼓风机、氢气再循环鼓风机和水泵被连接到主总线端，便于燃料电池的启动，其中主总线端可被连接到便于电源的切断和连接的各种类型的继电器和阻止反向电流在燃料电池中流动的二极管。在作为环保车辆之一的氢燃料电池车辆中使用的燃料电池系统配
置成包括从反应气体的电化学反应中产生电能的燃料电池堆；将作为燃料的氢气供应到燃料电池堆的氢气供应系统；将作为电化学反应需要的氧化剂的氧气供应到燃料电池堆的空气供应系统；热和水管理系统，其通过将作为燃料电池堆的电化学反应副产品的热排放到外部而最优化地调整燃料电池堆的操作温度并且执行水管理功能；以及操作燃料电池系统的燃料电池系统控制器。通过该配置，燃料电池堆从作为反应气体的氢气和氧气的电化学反应中产生电能并且排放作为反应副产品的热和水。因此，燃料电池系统基本上包括用于冷却燃料电池堆以阻止燃料电池堆的温度增加的装置。具体地，由于低操作温度，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC：polymer electrolyte membrane fuel cell)具有快速启动时间和快速电源转换反应时间的优点，同时具有高功率密度；然而，PEMFC需要水并且因此需要在约100℃或更低被操作。一般来讲，在车辆的燃料电池系统中的用于将燃料电池堆维持在最优化的温度的冷却系统已经广泛采用水冷却类型，其通过使水通过燃料电池堆中的水通道循环来冷却燃料电池堆。燃料电池系统的温度控制系统被示于图1。如图1所示，燃料电池系统的温度控制系统包括将热从冷却水排放到外部的散热器60和冷却风扇21、设置在燃料电池堆10和散热器60之间以循环冷却水的冷却水管线31、用于绕过冷却水以防止冷却水穿过散热器60的旁通管线32和三通阀33，以及用于泵送冷却水并且将泵送的冷却水通过冷却水管线31递送的冷却水泵70。具体地讲，旁通管线32是不穿过散热器60的冷却水管线，其通过从在散热器的上游和下游侧的冷却水管线被分支以绕过冷却水和三通阀40，用于选择性地调整主线和不穿过散热器的旁通管线32之间的冷却水的流动。同时，燃料电池堆具有其中水泛滥的溢流(flooding)现象和其中水的量供应不足的变干(dry-out)现象。为了改善这种现象，需要将燃料电池堆的温度要保持在正常范围内(例如，其中水不溢出或变干)。换句话说，需要一种方法，用于通过调整燃料电池堆的温度防止溢流现象和变干现象，同时通过优化冷却水泵和冷却风扇的操作来最小化功耗。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例涉及一种调整燃料电池堆的温度的系统和方法，并且本专利技术的目的是提供一种通过调整冷却泵和电力转换器的电压来调整燃料电池堆的温度的方法。本专利技术的其他的目的和优点可通过以下描述来理解，并且参照本专利技术的示例性实施例变得显而易见。此外，对于本专利技术所属领域技术人员明显的是，本专利技术的目的和优点可以通过如所要求的手段及其组合来实现。根据本专利技术的一个示例性实施例，调整燃料电池堆的温度的方法可以包括：当执行泵正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第一温度，则执行泵关闭模式，上述泵正常模式是将冷却水泵的旋转速度调整为等于或大于预设基准旋转速度并且基于上述冷却水出口温度改变每分钟转数(rpm：revolutions per minute)的模式，上述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作上述冷却水泵的同时将上述冷却水泵的旋转速度减小至小于基准旋转速度的模式；以及当执行上述泵关闭模式时，如果冷却水出口温度估计值超过预设第二温度，则执行上述泵正常模式。在第一过程中，当上述冷却水出口温度等于或小于上述预设第一温度并且上述燃料电池堆的发热量等于或小于预设第一基准发热量时，可以执行上述泵关闭模式，并且在第二过程中，当上述冷却水出口温度估计值超过预设第二温度或者上述燃料电池堆的发热量超过预设第二基准发热量时，可以执行上述泵正常模式。另外，当上述冷却水出口温度等于或小于上述预设第一温度并且上述燃料电池堆的空气出口温度小于预设第一空气出口温度时，可以执行上述泵关闭模式，并且当上述冷却水出口温度估计值超过预设第二温度或者上述燃料电池堆的空气出口温度超过预设第二空气出口温度时，可以执行上述泵正常模式。还可以当上述冷却水出口温度等于或小于预设第一温度并且连接到上述燃料电池堆的电动机中所需的转矩值小于预设第一所需转矩持续预设第一时间时，执行上述泵关闭模式。当上述冷却水出口温度估计值超过预设第二温度或者连接到上述燃料电池堆的电动机中所需的
转矩值超过预设第二所需转矩时，可以执行上述泵正常模式。当上述燃料电池堆的冷却水出口温度估计值和由温度传感器检测到的上述冷却水出口温度中的较大值者超过上述预设第二温度时，可以执行上述泵正常模式。上述预设第一温度和上述预设第二温度可以等于或小于在冷却水入口侧的目标冷却水温度。在上述泵关闭模式期间，可以使用上述冷却水出口温度估计值设定上述燃料电池堆的输出限值。当执行上述泵关闭模式时，可以基于冷却水的非循环，设定上述燃料电池堆的输出限值。上述燃料电池堆的冷却水出口温度估计值可以被初始化为刚好在执行上述泵关闭模式之前检测到的冷却水温度。根据本专利技术的另一示例性实施例，一种控制燃料电池堆的温度的方法，可以包括以下步骤：当执行输出正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第三温度，则执行低输出回避模式，上述输出正常模式是上述燃料电池堆的输出端和电力转换器之间的总线端的电压上限具有预定值的模式，上述低输出回避模式是使上述电力转换器减小上述总线端的电压上限的模式；以及当执行上述低输出回避模式时，如果上述冷却水出口温度等于或大于预设第四温度，则执行上述输出正常模式，其中上述冷却水出口温度在泵关闭模式中为冷却水出口温度估计值，而在泵正常模式中为上述冷却水出口温度的感测值，上述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作上述冷却水泵的同时将上述冷却水泵的旋转速度减小至小于基准旋转速度的模式，上述泵正常模式是将冷却水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制燃料电池堆的温度的方法，包括以下步骤：当执行泵正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第一温度，则执行泵关闭模式，所述泵正常模式是将冷却水泵的旋转速度调整为等于或大于预设基准旋转速度并且基于所述冷却水出口温度改变每分钟转数(rpm)的模式，所述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作所述冷却水泵的同时将所述冷却水泵的旋转速度减小至小于所述基准旋转速度的模式；以及当执行所述泵关闭模式时，如果冷却水出口温度估计值超过预设第二温度，则执行所述泵正常模式。

【技术特征摘要】
2014.11.05 KR 10-2014-01525171.一种控制燃料电池堆的温度的方法，包括以下步骤：当执行泵正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第一温度，则执行泵关闭模式，所述泵正常模式是将冷却水泵的旋转速度调整为等于或大于预设基准旋转速度并且基于所述冷却水出口温度改变每分钟转数(rpm)的模式，所述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作所述冷却水泵的同时将所述冷却水泵的旋转速度减小至小于所述基准旋转速度的模式；以及当执行所述泵关闭模式时，如果冷却水出口温度估计值超过预设第二温度，则执行所述泵正常模式。2.根据权利要求1所述的方法，其中当所述冷却水出口温度等于或小于所述预设第一温度并且所述燃料电池堆的发热量等于或小于预设第一基准发热量时，执行所述泵关闭模式，并且当所述冷却水出口温度估计值超过所述预设第二温度或者所述燃料电池堆的发热量超过预设第二基准发热量时，执行所述泵正常模式。3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述冷却水出口温度等于或小于所述预设第一温度并且所述燃料电池堆的空气出口温度小于第一空气出口温度时，执行所述泵关闭模式，并且当所述冷却水出口温度估计值超过所述预设第二温度或者所述燃料电池堆的空气出口温度超过预设第二空气出口温度时，执行所述泵正常模式。4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述冷却水出口温度等于或小于所述预设第一温度并且连接到所述燃料电池堆的电动机中所需的转矩值小于预设第一所需转矩时，执行所述泵关闭模式，并且当所述冷却水出口温度估计值超过所述预设第二温度或者连接到所述燃料电池堆的电动机中所需的转矩值超过预设第二所需转矩时，执行所述泵正常模式。5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述燃料电池堆的冷却水出口温度估计值和由温度传感器检测到的所述冷却水出口温度中的较大值者超过所述预设第二温度时，执行所述泵正常模式。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预设第一温度和所述预设第二温度等于或小于在冷却水入口侧的目标冷却水温度。7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述泵关闭模式期间，使用所述冷却水出口温度估计值设定所述燃料电池堆的输出限值。8.根据权利要求1所述的方法，其中当执行所述泵关闭模式时，基于冷却水的非循环，设定所述燃料电池堆的输出限值。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料电池堆的冷却水出口温度估计值被初始化为刚好在执行所述泵关闭模式之前检测到的冷却水温度。10.一种控制燃料电池堆的温度的方法，包括以下步骤：当执行输出正常模式时，如果冷却水出口温度等于或小于预设第三温度，则执行低输出回避模式，所述输出正常模式是所述燃料电池堆的输出端和电力转换器之间的总线端的电压上限具有预定值的模式，所述低输出回避模式是使所述电力转换器减小所述总线端的电压上限的模式；以及当执行所述低输出回避模式时，如果所述冷却水出口温度等于或大于预设第四温度，则执行所述输出正常模式，其中所述冷却水出口温度在泵关闭模式中为冷却水出口温度估计值，而在泵正常模式中为所述冷却水出口温度的感测值，所述泵关闭模式是关闭冷却水泵或在操作所述冷却水泵的同时将所述冷却水泵的旋转速度减小至小于预设基准旋转速度的模式，所述泵正常模式是将所述冷却水
\t泵的旋转速度调整为等于或大于所述预设基准旋转速度并且基于所述冷却水出口温度改变每分钟转数(rpm)的模式。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述预设第三温度和所述预设第四温度等于或小于在冷却水入口侧的目标冷却水温度。12.根据权利要求10所述的方法，其中在所述低输出回避模式中，增加所述电力转换器的充电电流限值或高电压电池的目标充电状态(SOC)，而在所述输出正常模式中，解除所述电力转换器的充电电流限值或所...

【专利技术属性】
技术研发人员：权相旭，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR