管理混合系统操作的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于管理混合连续电源的操作的方法，所述电源包括燃料电池堆（2）、电池（6）和包括输入和输出的DC/DC转换器（4），转换器（4）的输入被连接到燃料电池堆的输出并且其输出被连接到与所述电池并联的可变负载（8），由适合从燃料和氧化气体产生电力的多个电化学电池元形成所述燃料电池堆。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于管理混合连续电源操作的方法，所述电源包括燃料电池堆、电池(battary)和包括输入和输出的DC/DC转换器，所述转换器的输入被连接到燃料电池堆输出并且其输出被连接到与与电池并联的可变负载，由适合从燃料和氧化气体产生电力的多个电化学电池元(ce 11)形成燃料电池堆。
技术介绍
串联连接的电化学单元装配(常称为堆)已公知。可以通过例如蓄电池元件或者通过燃料电池形成这样装配的电化学单元。燃料电池指将化学能直接转化成电能的电化学器件。例如，一种类型的燃料电池包括阳极和阴极，其间安置通常称作聚合物电解质膜的质子交换膜。此类型的膜仅允许质子在燃料电池的阴极和阳极之间通过。在阳极上双原子氢进行反应以产生穿过聚合物电解质膜的H+离子。通过此反应产生的电子通过燃料电池的外部 电路到达阴极，从而产生电流。因为单个燃料电池一般仅能产生低电压(约I伏特)，通常串联连接燃料电池以形成能够产生包括每个电池的电压的总和的更高的电压的燃料电池堆。当在汽车工业中使用时，这些燃料电池堆通常与电池关联以形成混合系统。此系统将燃料电池堆和电池并联以便燃料电池堆和电池通过称为母线(bus)的公共部分同时或者分别给汽车供电。此混合还允许燃料电池堆给电池充电。当其使用连接在燃料电池堆的输出处的DC/DC转换器时混合系统称为“激活(active)”，参见图I。此DC/DC转换器经常用于适应燃料电池堆和电池的电压水平并且调整通过燃料电池堆输出的功率。调整功率要求实施控制方案，以根据汽车电机的功率要求和系统约束在燃料电池堆和电池之间分配功率。控制方案必须考虑的系统约束是燃料电池堆和电池的最大电压和电流、必须不能超过的温度范围、电池充电状态，即，例如，当其已经100%充电时，电池必须不再充电，等等。用于此混合系统的一个控制方案包括将电池充电状态调整在额定值附近，不达到该电池的最大和最小充电状态。从而，电池从来不需要外部充电，因为其通过燃料电池堆以及通过当车辆处在制动状态时的再生动能再充电。这意味着燃料电池堆提供车辆的电机消耗的平均功率，而电池用作充电或放电能量的能量缓冲器装置。通过使用DC/DC转换器调整母线电压在恒定值实现此方案。此已知方案的一个缺点是没有防止燃料电池堆在开路电压(“0CV”)下操作的措施。“开路电压”意义为每个电池元的电压高于O. 85-0. 9V/电池元的操作区域。公知该电压会减少燃料电池堆的寿命。因此不希望燃料电池堆在此模式中操作。当燃料电池堆仅用恒定压力电流(pressure current)控制时,会出现开路电压操作模式。此控制方法来源于减少燃料电池堆的操作压力到低功率以避免OCV范围的构思。然而，必须认识到压力变化的动态远慢于电流变化的动态(对于压力在秒的量级并且对于电流在毫秒量级)。还必须认识到，燃料电池堆压力的降低仅在消耗电流时发生并且电流值直接影响压力降低的速率。因此，如果燃料电池堆的功率瞬间(或者快速)从几千瓦特变化到OKW，就不可能避免OCV范围，因此就不会再有任何电流来减少压力，因而燃料电池堆将被损坏。
技术实现思路
本专利技术的一个方面目的为提供一种用于管理混合系统的操作的方法，该系统包括燃料电池堆和电池，其能优化混合系统的性能并且增加燃料电池堆的寿命。因此，根据所附权利要求1，本专利技术涉及一种用于管理混合连续电源的操作的方 法。本专利技术的一个优点是为燃料电池堆提供更长的寿命。实际上，通过根据混合系统是在低功率模式还是高功率模式选择不同的调整方法，该系统利用了这两种调整模式而又能避免其缺点。实际上，因为低功率意味着低电流，所以在低功率下使用压力变化的调整是有利的。因此，在低功率下感觉不到电流变化和压力变化之间的反应性的差异，然而在高功率下，即，具有高电流，此差异会导致混合系统进入OCV范围。本专利技术的方法的优选实施例形成所附权利要求的主题。通过权利要求2限定第一有利实施例。在根据权利要求3的第二有利实施例中，表示可变负载的变量是第三参考值和测量的电池电压之间的差。在根据权利要求4的第三有利实施例中，表示可变负载的变量是可变负载要求的功率和燃料电池输出功率之间的差。在另一个有利实施例中，第二临界值是2. 45巴。在另一个有利实施例中，第一预定临界值是O. 845伏特。在另一个有利实施例中，第二参考值是每电池元O. 85伏特。在另一个有利实施例中，第一参考值是2. 5巴。在另一个有利实施例中，所述燃料电池堆使用氢气作为燃料并且氧气作为氧化气体。本专利技术还涉及一种包括燃料电池堆的混合系统，该燃料电池堆包括多个串联的电池元，其使用还原燃料和氧化剂的以提供燃料电池电压；以及包括提供电池电压、与可变负载并联的电池；所述燃料电池堆通过控制所述燃料电池堆的DC/DC转换器与可变负载连接。混合系统使用作为本专利技术操作的主旨的该操作方法。附图说明在随后独立给出非限制性实例并且在附图中示出的本专利技术的至少一个实施例的详细描述中将更清晰的展现根据本专利技术的混合系统的目标、优点和特征，其中图I是已知混合系统的示意图；图2是根据本专利技术的第一实施例操作的混合系统的示意图；图3是根据本专利技术的第二操作模式操作的混合系统的示意图；图4是根据本专利技术的一个实施方式在两个操作模式之间的转换条件的示意图；图5是根据本专利技术的混合系统操作的模拟；图6是根据本专利技术在图4中示出的实施方式操作时，燃料电池堆的操作点。具体实施例方式在随后的描述中，仅以简化方式描述所有本领域的技术人员已公知的燃料电池堆的那些部分。图I示出了根据本专利技术的混合系统I的示意图。此混合系统I包括燃料电池堆2，即多个串联安装的电化学电池元。此燃料电池堆2以如氢气的还原燃料和如氧气的氧化剂功能。还原燃料和氧化剂之间的反应产生燃料电池电压。通过装备有再循环泵的循环回路抽空来源于还原燃料和氧化剂之间的反应的气体。混合系统I还包括存储能量的装置6，例如一个或几个电池。在说明书的余下部分，此存储能量的装置被假定为电池6但是不限制使用几个电池。此电池6提供电池电压并且与燃料电池堆2并联连接以便燃料电池堆2和电池6两者都与可变负载8连接。此可变负载8可以是，例如，汽车发动机。此混合系统I还包括包含两个输入和两个输出的DC/DC转换器4。燃料电池堆2的输出与DC/DC转换器4的两个输入连接，这因此意味着由燃料电池堆2提供的电压进入DC/DC转换器4。可变负载8和电池6的连接点被连接到DC/DC转换器4的两个输出。 还设置DC/DC转换器4以控制混合系统1，因为DC/DC转换器4能够适应燃料电池堆2的电压水平和电池6的电压水平。同样，DC/DC转换器能够调整由燃料电池堆2提供的功率。实际上，DC/DC转换器4的任务是控制混合系统I以便电池6和燃料电池堆2共同操作以给负载8供电。DC/DC转换器的功能还有在负载(是汽车应用中的发送机)和电池之间分配由燃料电池堆提供的功率。当然，要对混合系统I的控制收到约束，该约束是燃料电池堆2的电压和电流限制、电池6的电压和电流限制、电池6的充电状态限制、必须不能超过的温度限制等等。一种控制方案是调整电池6的充电状态在额定值附近，不到达最大和最小充电限制。换句话说，电池从来不需要外部充电，并且其通过燃料电池堆以及通过当车辆处在制动状态期间的动能的再生而再充电。此方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于管理混合连续电源的操作的方法，所述电源包括燃料电池堆（2）、电池（6）和包括输入和输出的DC/DC转换器（4），所述转换器（4）的输入被连接到所述燃料电池堆的输出并且所述转换器的输出被连接到与所述电池并联的可变负载（8），由适合从燃料和氧化气体产生电力的多个电化学电池元形成所述燃料电池堆，所述方法的特征在于包括以下操作：a）向所述电化学电池元的每一个提供燃料流和氧化气体流；b）限定表示所述可变负载的设定点；c）监视在所述燃料电池堆中的所述燃料压力和所述氧化气体压力；d）将所述燃料电池堆中的所述压力（P）调整到第一参考值；e）通过改变所述DC/DC转换器（4）的所述输出电压（Vcell）根据所述设定点在所述燃料电池堆（2）和所述电池（6）之间分配所述可变负载；f）监视表示在所述燃料电池堆的至少一个电化学电池元的端子处的电压的电压；g）监视所述变量；如果表示至少一个所述电池元的端子处的所述电压的电压超过第一预定临界值并且如果所述变量指示所述可变负载的下降；h）中断操作（d）并且中断操作（e）；以及i）通过适应所述DC/DC转换器的输入阻抗将表示在至少一个电池元的端子处的所述电压的电压调整到第二参考值；j）通过改变压力在所述燃料电池堆和所述电池之间分配所述可变负载。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J·伯纳德，
申请(专利权)人：巴莱诺斯清洁能源控股公司，
类型：发明
国别省市：