燃料电池蓄电池混合动力电动汽车的功率转换控制方法和控制装置.pdf

本发明涉及一种用于控制燃料电池—蓄电池混合动力系统的功率分配的方法和装置。在低于提供有来自燃料电池和/或蓄电池的恒定电压的发动机的最大功率值的范围内设定模式转换输出值，该模式转换输出值是功率提供状况和功率分配的参考。被请求输出值被实时地提取。将模式转换输出值与被请求输出值相比较。当被请求输出值小于模式转换输出值时，燃料电池转换器工作，并且停止操作蓄电池转换器。当被请求输出值等于或大于模式转换输出值时，以预定的输出比率同时操作燃料电池转换器和蓄电池转换器。

1.  一种控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法，包括：参考值设定步骤，在低于提供有来自燃料电池和/或蓄电池的恒定电压的发动机的最大功率值的范围内设定模式转换输出值，所述模式转换输出值是用于功率提供状况和燃料电池与蓄电池之间的功率分配的参考；
被请求值提取步骤，在行驶期间实时地提取出发动机所请求的输出值；
输出值比较步骤，实时比较所述模式转换输出值与从发动机提取的被请求输出值；
低输出转换步骤，当所述被请求输出值小于所述模式转换输出值时，操作燃料电池转换器，所述燃料电池转换器将来自所述燃料电池的恒定电压施加给所述发动机，并且停止操作蓄电池转换器，所述蓄电池转换器将来自蓄电池的恒定电压施加至所述发动机；以及
高输出转换步骤，当被请求输出值等于或大于所述模式转换输出值时，以预定输出比率同时操作所述燃料电池转换器和所述蓄电池输出转换器。

2.  根据权利要求1所述的方法，还包括：
输出比率设定步骤，设定燃料电池与蓄电池的输出分配比率，在同时操作燃料电池和蓄电池的情况下可以应用所述输出分配比率；以及
输出比率调节步骤，在从所述燃料电池转换器到所述发动机的电压提供路径上调节电阻，从而以燃料电池与蓄电池的预定的输出分配比率调节电压。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述模式转换输出值设定为电流值，从而产生在执行速度、制动和倾斜角的保持或变化的预设行驶条件下由发动机请求的功率值的平均值，通过将平均功率除以从燃料电池和燃料电池转换器提供的恒定电压而生成平均电流值，并且将电流值设定为超出所产生的平均电流值的数值。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述被请求输出值是通过将执行速度、制动和倾斜角的保持或改变的行驶条件下实时请求的功率值除以从燃料电池和燃料电池转换器产生的电流值。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中，燃料电池和蓄电池的输出分配比率是燃料电池(和燃料电池转换器)和蓄电池(和蓄电池转换器)的最大可用功率之比。

6.  根据权利要求1或2所述的方法，还包括：蓄电池充电步骤，将来自燃料电池的电压提供给蓄电池并且对蓄电池进行充电。

7.  一种用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的装置，包括：
燃料电池，电气连接到发动机以提供功率至发动机；
蓄电池，电气连接到发动机，以便有选择地将来自燃料电池的功率或来自燃料电池和蓄电池的功率提供给所述发动机；
燃料电池转换器，其安装在燃料电池和发动机之间的连接路径上，从而将从燃料电池提供到发动机的功率调节到某个水平；
可变电阻，其设置在燃料电池转换器和发动机之间的连接路径上，从而调节从燃料电池转换器的外部提供到发动机的功率；
蓄电池转换器，其安装在蓄电池和发动机之间的连接路径上，从而从蓄电池提供到发动机的功率被调节到某个水平，并且所述蓄电池转换器电气连接到可变电阻和发动机之间的连接路径，从而燃料电池和蓄电池以预定输出比率将功率提供给发动机；以及
控制单元，当发动机请求的输出值小于预设的参考输出值时，通过在燃料电池和发动机之间的连接路径上断开蓄电池和发动机之间的连接路径来执行调节。

8.  根据权利要求7所述的装置，其中，在发动机具有4kw的最大功率、燃料电池具有1.7kw的最大额定功率以及蓄电池具有2.4kw的最大功率的行驶条件下，燃料电池和蓄电池具有1∶1.3-1.5的输出比率。

燃料电池-蓄电池混合动力电动汽车的功率转换控制方法和控制装置
技术领域
本发明一般地涉及一种用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法和装置，更具体地，涉及一种用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法和装置，其中，所述燃料电池-蓄电池混合动力系统可以使用燃料电池和蓄电池根据所要求的输出值切换到不同的功率供应方法，并且可以稳定地将功率供给汽车。
背景技术
一般地，当用术语“混合动力”表示汽车时其表示向汽车提供两种或更多类型的功率。混合动力汽车使用两种能源，例如，现有的发动机和蓄电池，发动机和燃料电池，以及蓄电池和燃料电池，从而例如电力、石油和气体的燃料可以以能量效率更高的方式使用，并且可以解决汽车废气所导致的问题，因此已经对混合动力汽车的适当应用进行了大量的研究。
燃料电池根据以下的操作原理进行工作，在该操作原理中，具有例如氢的活动材料通过电气化学反应被氧化，由这种处理释放的化学能量被转换为电能。相应地，当将纯的燃料电池施加到汽车的能源上时，由于在输出密度上保持优化效率的输出特性落入特定范围中，所以出现燃料电池偏离其高效率区域的情况频繁出现，从而降低了能量效率。
为了在燃料电池的应用中克服这种限制，同时还利用了其它的能够补偿燃料电池的输出特性的补充能源。与此相关的现有技术在名为“System and Method for ControllingPower Allocation of Fuel Cell-Hybrid Electric Vehicle”(用于控制燃料电池混合动力汽车的能量分配的系统和方法)的韩国专利NO.460881中被公开，下面将简要地描述这个韩国专利。
现有技术具有一个结构，该结构包括：用作主要能源的燃料电池；用作辅助能源的蓄电池；连接到蓄电池且用于输入或输出能量的双向DC/DC转换器；电气连接到燃料电池和双向DC/DC转换器的变极器；连接到变极器且用于将电能转换为驱动汽车所需要的转动能；以及控制单元，用于估算汽车所需的能量并且所估算的汽车所需的能量以及燃料电池和蓄电池的状态来控制燃料电池、蓄电池、双向DC/DC转换器和变极器之间的功率传递。
另外，控制单元配置为用于执行从以下模式中选择出任何一种模式：燃料电池模式，其能够仅仅使得燃料电池的能量用于驱动发动机；蓄电池放电模式，使得燃料电池和蓄电池的能量同时驱动发动机；蓄电池充电模式，使得从燃料电池输出的能量的一部分驱动发动机，而剩余的一部分则对蓄电池进行充电；以及再生模式，使得再生制动能量对蓄电池进行充电。
考虑到燃料电池的工作范围以及蓄电池的状态，现有技术旨在通过根据具体情况在上述模式中适当地选择一种模式来优化能量分配，但是其限制在于，即使在可以执行电池的操作的蓄电池放电模式中，蓄电池只能负责不能由工作在最大功率的燃料电池供应能量的那部分。
当蓄电池通过辅助燃料电池负责一小部分功率时，蓄电池依赖于燃料电池自身的特性，而这不能在高功率上实现均匀的性能，因此，现有技术仍然存在这样的问题，即功率供应不能在需要高功率的区域中稳定地进行，所述需要高功率的区域例如为加速区域和汽车上坡的区域，或者输出功率迅速变为高功率的区域。
另外，由于与考虑了燃料电池的能量使用效率的情况相比，蓄电池的工作效率没有得到考虑，所以燃料电池和蓄电池的输出部分没有得到适当的分配。因此，很难以组合的方式使用电池来适当地补充燃料电池的使用，从而也就不可能改善能量分配的效率。
发明内容
因此，本发明考虑到现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法和装置，所述燃料电池-蓄电池混合动力系统适当地分配燃料电池和蓄电池的输出部分并且使用所分配的输出部分，从而更加稳定地提供高输出功率产且能够提高能量分配的效率。
根据实现上述目的的本发明的一个方法，提供一种控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法，包括：参考值设定步骤，在低于提供有来自燃料电池和/或蓄电池的恒定电压的发动机的最大功率值的范围内设定模式转换输出值，所述模式转换输出值是用于功率提供状况和燃料电池与蓄电池之间的功率分配的参考；被请求值提取步骤，在行驶期间实时地提取出发动机所请求的输出值；输出值比较步骤，实时比较所述模式转换输出值与从发动机提取的被请求输出值；低输出转换步骤，当所述被请求输出值小于所述模式转换输出值时，操作燃料电池转换器，所述燃料电池转换器将来自所述燃料电池的恒定电压施加给所述发动机，并且停止操作蓄电池转换器，所述蓄电池转换器将来自蓄电池的恒定电压施加至所述发动机；以及高输出转换步骤，当被请求输出值等于或大于所述模式转换输出值时，以预定输出比率同时操作所述燃料电池转换器和所述蓄电池输出转换器。
优选地，所述方法还可以包括输出比率设定步骤，设定燃料电池和蓄电池的输出分配比率，在同时操作燃料电池和蓄电池的情况下可以应用所述输出分配比率；以及输出比率调节步骤，在从燃料电池转换器到所述发动机的电压提供路径上调节电阻，从而以燃料电池与蓄电池的预定的输出分配比率调节电压。
优选地，所述模式转换输出值可以是以下方式设定的电流值，使得产生在执行速度、制动和倾斜角的保持或变化的预设行驶条件下由发动机请求的功率值的平均值，通过将平均功率除以从燃料电池和燃料电池转换器提供的恒定电压而生成平均电流值，并且将电流值设定为超出所产生的平均电流值的数值。
优选地，所述被请求输出值是通过将执行速度、制动和倾斜角的保持或改变的行驶条件下实时请求的功率值除以从燃料电池和燃料电池转换器产生的电流值。
优选地，燃料电池和蓄电池的输出分配比率是燃料电池和燃料电池转换器与蓄电池和蓄电池转换器的最大可用功率之比。
优选地，所述方法还包括蓄电池充电步骤，将来自燃料电池的电压提供给蓄电池并且对蓄电池进行充电。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的装置，包括：燃料电池，电气连接到发动机以提供功率至发动机；蓄电池，电气连接到发动机，以便有选择地将来自燃料电池的功率或来自燃料电池和蓄电池的功率提供给所述发动机；燃料电池转换器，其安装在燃料电池和发动机之间的连接路径上，从而将从燃料电池提供到发动机的功率调节到某个水平；可变电阻，其设置在燃料电池转换器和发动机之间的连接路径上，从而调节从燃料电池转换器的外部提供到发动机的功率；蓄电池转换器，其安装在蓄电池和发动机之间的连接路径上，从而从蓄电池提供到发动机的功率被调节到某个水平，并且所述蓄电池转换器电气连接到可变电阻和发动机之间的连接路径，从而燃料电池和蓄电池以预定输出比率将功率提供给发动机；以及控制单元，当发动机请求的输出值小于预设的参考输出值时，通过在燃料电池和发动机之间的连接路径上断开蓄电池和发动机之间的连接路径来执行调节。
有利效果
具有上述构造的本发明的优势在于，当需要高于模式转换输出值的高输出时，燃料电池和蓄电池以预定比率提供输出电压，从而燃料电池和蓄电池的输出部分被适当地分配并被用于补充燃料电池和蓄电池的输出特性的限制，从而进一步改进能量分配的效率。
另外，本发明的优势在于，当提供高输出时，燃料电池和蓄电池具有均匀的输出部分，从而降低燃料电池的最大允许功率，并且可以在高输出的范围内稳定地提供功率，其优势还在于，具有限制重量和体积并且昂贵的燃料电池的部分可以减小，从而可以实现装置的轻型、小尺寸和最适当的应用。
另外，本发明的优势在于，由于燃料电池的剩余能量可以在低输出模式和高输出模式中对电池连续地进行充电，所以在燃料电池工作期间无论被请求输出值是高还是低都可以连续地供应功率。
另外，本发明的优势在于，通过使用转换器和可变电阻的简单的结构，可以容易地分别实施仅能使用燃料电池的模式和能够以预定输出比率使用燃料电池和蓄电池的模式，并且可以容易地实施一种控制方案，该控制方案能够根据预定的输出值在将要执行的各个模式之间进行切换和调节，并且有利于调节燃料电池和蓄电池的输出比率。
附图说明
图1为示出了根据本发明的用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法的第一个实施例的流程图；
图2为示出了根据本发明的用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的装置的构造的示意图；
图3为示出了在指定行驶条件下的行驶期间对应于被请求输出值的数据的示意图；
图4为概念性地示出了被请求输出和燃料电池和蓄电池的被分配输出的示意图；以及
图5为示出了在4kw最大功率和30A模式转换输出值下对应于被请求输出和燃料电池与蓄电池的被分配输出的数据的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行详细的描述。图1示出了根据本发明的用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配方法的第一个实施例，图2示出了根据本发明的用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的结构示意图。
进一步地，图3示出了在指定行驶条件下的行驶期间对应于被请求输出数值的数据的示意图，图4在概念上示出了燃料电池和蓄电池的被请求输出和被分配输出的示意图，图5示出了在4kw的最大功率和30A的模式转换输出值处的对应于燃料电池和蓄电池的被请求输出和被分配输出的数据的示意图。
根据本发明的用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配的方法主要包括：参考值设置步骤、被请求值提取步骤、输出值比较步骤、低输出转换步骤和高输出转换步骤。在高输出模式中，燃料电池和蓄电池被操作来具有均匀的输出部分，从而可以改善使用由燃料电池和蓄电池供应电压作为主功率源的发动机的短途移动的紧凑型电动汽车的行驶性能。
参考值设置步骤是设置模式转换输出值的步骤，所述模式转换输出值是用于将燃料电池和蓄电池的功率供应状态转换为低输出转换步骤或高输出转换步骤所需要的参考值。模式转换输出值必须在低于发动机最大功率以下的范围中设置，所述发动机提供有来自具有指定规格的燃料电池和蓄电池的恒定电压。
模式转换输出值是电流值，该电流值的设置使得在预设的行驶条件下产生预设的时间长度上发动机请求的平均功率值，在所述行驶条件下执行速度、制动和倾角的保持和改变，并且通过将平均功率除以通过具有指定规格的燃料电池和燃料电池转换器提供给发动机的预定电压生成平均电流值，并且在平均电流值之上发动机最大功率之下的范围中设定电流值。
图3示出了对应于预设行驶条件下的行驶期间请求的输出值的数据的示意图。28A的平均电流值可以通过将以规格间隔检测的功率值除以燃料电池和燃料电池转换器的预定输出电压而获得。当模式转换输出值被设定为小于28A的数值时，必须对蓄电池频繁充电。当模式转换输出值为28A时，模式转换频繁发生，从而燃料电池转换器和蓄电池转换器过度工作。因此，在获得图4的数值的行驶条件下，模式转换输出值优选地被设为30A，其稍稍高于28A的平均电流值。
被请求数值提取步骤是实时地提取出行驶期间由发动机请求的输出值的步骤。所请求的输出值为通过将实际汽车行驶期间实时请求的功率值除以从具有指定规格的燃料电池和燃料电池转换器提供的恒定电压值而获得的电流值。
输出值比较步骤是实时地将模式转换输出值与从发动机实时提取出的被请求输出值相比较的步骤。当如图1中所示输出值比较步骤进行到低输出转换步骤或高输出转换步骤时，如果被请求输出值小于模式转换输出值，则输出值比较步骤进行转换或进行到低输出转换步骤，而如果被请求输出值等于或大于模式转换输出值时，则输出值比较步骤进行转换或进行到高输出转换步骤。
低输出转换步骤是在被请求输出值小于模式转换输出值时执行的步骤，其被执行从而对将恒定电压从燃料电池提供到发动机的燃料电池转换器进行操作，而将恒定电压从蓄电池提供到发动机的蓄电池转换器则不进行操作，从而能够仅从燃料电池提供电压。
高输出转换步骤是在被请求输出值等于或大于模式转换输出值时执行的步骤。在这个步骤中，燃料电池转换器和蓄电池转换器同时进行工作，从而各个电压以预定比率输出，其中，具有指定规格的燃料电池(和燃料电池转换器)和蓄电池(和蓄电池转换器)的最大可用功率得到考虑。
当燃料电池和蓄电池的电压以预定比率输出时，如果本发明包括输出比率设定步骤和输出比率调节步骤，其中，在输出比率设定步骤中，事先将燃料电池和蓄电池的输出分配比率设定为燃料电池(和燃料电池转换器)和蓄电池(和蓄电池转换器)的最大功率值的比率，在输出比率调节步骤中，则通过调节从燃料电池转换器到发动机的电压提供路径上的电阻值来调节高输出转换步骤中输出的预设的分配比率上的燃料电池和蓄电池所提供的电压，则燃料电池和蓄电池可以同时在高输出转换步骤中与燃料电池和蓄电池的输出规格成比例的分配比率被激活。
当提供高输出时，燃料电池和蓄电池通过高输出转换步骤分别占据均匀的输出部分，从而在减小燃料电池的最大允许功率时甚至在高输出的范围中也可以稳定地提供功率，并且可以通过减小具有限定重量和体积的燃料电池部分来实现轻型、小尺寸的混合动力汽车。
当本发明进一步包括将来自燃料电池的电压供应给蓄电池并对蓄电池进行充电的蓄电池充电步骤时，在低输出转换步骤中单独工作的燃料电池的情况以及在高输出转换步骤中工作的燃料电池和蓄电池的情况下，燃料电池在最大允许功率小于最大功率的范围内工作。因此，由于蓄电池可以使用燃料电池的剩余能量连续地充电，所以无论被请求的输出值在燃料电池工作期间是高还是低都可以提供功率。
根据本发明，当等于或大于模式转换输出值的高输出被发动机请求时，燃料电池和蓄电池以与各个输出性能成比例的预定比率提供输出电压，因此补偿了具有限制的燃料电池的输出特性，从而性能并不保持在高输出上以及具有限制的蓄电池的输出特性上，并且从而难以长时间地在高输出上操作蓄电池。因此，与仅将重点放在燃料电池的功能上执行能量分配的常规方案相比较，可以提高能量分配的效率。
下面将描述用于控制燃料电池-蓄电池混合动力系统以便实施前面所述的燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配控制方法的装置。
根据本发明的燃料电池-蓄电池混合动力系统的功率分配控制装置包括燃料电池、蓄电池、燃料电池转换器、可变电阻、蓄电池转换器以及控制单元，并且被配置为执行调节，例如通过断开从蓄电池向发动机供应功率的路径或者通过将蓄电池和发动机在电气上进行连接从而蓄电池和燃料电池可以以预定比率提供功率。
燃料电池电气连接到发动机从而向其提供功率，燃料电池转换器安装在燃料电池和发动机之间的连接路径上，以便调节从燃料电池向发动机提供的功率的某个水平。
蓄电池电气连接到发动机，从而可以有选择地提供来自燃料电池或来自燃料电池和蓄电池的功率。蓄电池转换器安装在蓄电池和发动机之间的连接路径上以便将从蓄电池提供到发动机的功率调节到某个水平。
每个燃料电池转换器和蓄电池转换器使用DC-DC转换器实现，其具有这样的结构，即其中作为变压器线圈的感应器叠加在用于控制电流的半导体电路上，或者具有这样的结构，即其中感应器与半导体电路平行设置，并且用于将蓄电池或类似装置生成的直流电转换为适于各个部件的直流电压并且分配该直接电压。
可变电阻置于燃料电池转换器和发动机之间的连接路径上，从而能够调节从燃料电池转换器的外部提供到发动机的功率。从蓄电池转换器延伸到发动机的电压提供路径的末端电气连接到可变电阻和发动机之间的连接路径，从而允许燃料电池和蓄电池以预定的输出比率将功率提供到发动机。
当发动机请求的输出值小于对应于模式转换输出值的预设参考输出值时，控制单元断开燃料电池和发动机的连接路径中的蓄电池和发动机之间的连接路径，从而仅允许燃料电池转换器工作。当发动机请求的输出值等于或大于模式转换输出值时，燃料电池和蓄电池以可变电阻形成的电压分配比率同时工作。
当提供具有4kw最大功率的发动机、具有1.7kw最大额定功率的燃料电池和具有2.4kw最大功率的蓄电池时，来自图3示意图中的30A的模式转换输出值被施加，燃料电池和蓄电池的被请求输出和被分配输出可以在高于模式转换输出值且低于4kw的最大功率的输出范围内通过应用对应于燃料电池1.7kw的最大额外功率与蓄电池2.4kw的最大功率的比率的1∶1.4的输出比率而在概念上指定，如图4所示。
图5是对应于燃料电池和蓄电池的被请求输出和被分配输出的数据的示意图，所述被请求输出和被分配输出的数据事实上在通过施加4kw的最大功率、30A的模式转换输出值、47.8V的电压以及1∶1.4的燃料电池和蓄电池的电压比而均匀增加被请求输出时进行测量。可以看出，在对应于30A的模式转换输出值的1,425kw的被请求功率之上的范围中，燃料电池和蓄电池以1∶1.3-1.5的比率输出功率。
模式转换输出值和燃料电池和蓄电池的输出比率优选地根据行驶条件或设备规格作为不同数值施加，但是可以使用燃料电池转换器、蓄电池转换器和可变电阻进行简单的调节。当按顺序将不同的数值施加到模式转换输出值时可以发现优化的效率，根据所述模式转换输出还可以容易地执行模式间转换的调节。