燃料電池系統(tǒng)和用于控制該燃料電池系統(tǒng)的方法
【技術領域】
[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】
[0002]燃料電池車包括堆疊有用作驅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燃料電池堆的燃料供應系統(tǒng)、配置成供應在燃料電池堆中的電化學反應中的用作氧化劑的空氣的空氣供應系統(tǒng)、以及配置成調節(jié)燃料電池堆的溫度的水熱管理系統(tǒng)。
[0003]燃料供應系統(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到y(tǒng)還配置成操作鼓風機以將吸入的空氣提供給燃料電池堆的空氣電極(陰極)。
[0004]當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，經由催化反應從燃料電極產生氫離子。氫離子經由電解質膜移動到氧化電極(空氣電極)，并且在氫離子、電子與氧之間發(fā)生電化學反應，因而產生能量。更具體而言，經由燃料電極中的氫的電化學氧化反應而發(fā)生氧化反應，并且經由空氣反應中的氧的電化學反應而發(fā)生還原反應。此外，所產生的離子移動，因而產生電和熱。在該過程中，經由使氫與氧結合的化學反應而產生蒸汽和水。
[0005]排放設備被安裝來排放副產品諸如在燃料電池堆產生電能時所產生的熱、蒸汽和水，以及殘余物諸如氫和氧。經通風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，可以經由脈沖寬度調制和三相電流控制來控制電動機。
[0006]當燃料電池車停止時，在驅動車輛的期間所產生的一部分水殘留在燃料電池堆內。當外部溫度相當低(例如，在預定溫度以下)時，殘留的水通常凍結并且可能最終變成冰且導致不能啟動發(fā)動機。存在多種實現冷啟動的可靠方法。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機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構上的改變。換言之，必需的改變使組成部件的配置和設計復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)明落入本領域技術人員已知的相關技術的范圍內。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供可以使用感應電動機(當感應電動機用作驅動電動機時)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電動機的鐵損耗的感應電動機的旋轉磁場的角速度，這可以導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磁場的角速度增加而產生的驅動電動機的扭矩。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；以及當確定車輛的變速齒輪與P齒輪嚙合時，迅速增加旋轉磁場的角速度。當變速齒輪未與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。當響應于齒輪改變請求信號而將變速齒輪換擋到P齒輪時，可以增加旋轉磁場的角速度。控制方法可以還包括: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定溫度的冷啟動環(huán)境。當確定燃料電池車處于冷啟動環(huán)境時，可以執(zhí)行增加驅動電動機的旋轉磁場的角速度?？刂品椒梢赃€包括:在增加旋轉磁場的角速度之后增加電動機的電流指令值以增加感應電動機的感應電流。
[0012]根據本發(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、根據從逆變器輸出的信號驅動的感應電動機、配置成迅速增加感應電動機的旋轉磁場的角速度以最大化可以導致燃料電池堆的溫度增加的感應電動機的鐵損耗的控制器、以及配置成消除可以由于旋轉磁場的角速度增加而產生的感應電動機的扭矩的扭矩消除器。
[0013]根據本發(fā)明的另一個方面，可以通過增加感應電動機的鐵損耗來降低感應電動機的效率從而可以促進燃料電池堆內的電化學反應是可能的，這可以導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電動機產生的廢熱的增加而產生電動機的扭矩來使感應電動機的操作穩(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)點將從以下結合附圖的詳細描述中更清楚地被理解，其中:
[0015]圖1是示意性示出根據本發(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是示出根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的旋轉磁場的角速度增加、以及根據角速度增加的扭矩和功率損耗的示例性圖表；以及
[0018]圖4是示出根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的在恒定的旋轉磁場的角速度下根據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，單數形式“一個(a)”、“一個(an)”、和“該”也旨在包括復數形式。應當進一步理解的是，當使用在本說明書中時，術語“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，術語“和/或”包括一個或多個關聯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，但是應當理解的是，也可以通過一個或多個模塊來執(zhí)行示例性過程。此外，應當理解的是，術語控制器/控制單元指代包括存儲器和處理器的硬件設備。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可讀介質上的非臨時性計算機可讀媒介。計算機可讀介質的例子包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃盤驅動器、智能卡和光學數據存儲設備。計算機可讀記錄介質還可以分布在網絡耦合的計算機系統(tǒng)中，從而例如通過遠程信息處理服務器或控制器局域網(CAN)以分布式方式存儲并執(zhí)行計算機可讀媒介。
[0022]應當理解此處使用的術語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術語包括，諸如包括運動用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、多種商用車輛的載客汽車的機動車輛，包括各種船和艇的水運工具，航行器等，并且包括混合動力車、電動車輛、內燃車輛、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，術語“大約”理解為在本領域中正常容差的范圍內，例如在平均值的2個標準偏差內?！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。除非上下文另有清楚說明，否則這里所提供的所有數值都由術語“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構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，因此現將詳細參考本發(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。盡管將結合其示例性實施方式描述本發(fā)明，應當理解的是，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]應當理解的是，盡管這里可以使用術語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但這些元件不應被這些術語所限制。這些術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]應當理解的是，當元件被稱為“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，應當理解的是，當元件被稱為“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和科學術語的所有術語具有與由本發(fā)明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同含義。應當進一步理解的是，在常用詞典中定義的那些術語應被解釋為具有與在相關技術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，相同的參考標記指代相同或相似的部件。
[0030]圖1是示意性示出根據本發(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。根據本發(fā)明的一個實施方式的燃料電