专利名称：匹配蓄电池和燃料电池的无dc/dc连接的利记博彩app
技术领域：
本发明主要涉及一种燃料电池系统，以及，更具体地说，涉及一种采用 了匹配蓄电池(matched battery)从而使得不需要DC/DC变换器(converter)的燃料电池系统。2. 背景技术由于清洁并可用于在燃料电池中高效地产生电能，因此氢是一种非常有 吸引力的燃料。汽车工业在开发氢燃料电池作为车辆电源方面花费了大量资 源。与现在i顿内燃机的糊相比，这种糊更高效且产生的排放物更少。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极以及置于二者之间的 电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极解离产生自由 子和电子。氢质子经过电解质到达阴极。氢质子在阴极中与氧和电子反应生成 水。来自阳极的电子不能通过电解质，并且由此在被送至阴极前舰负载而做 功。所做的功用于操作车辆。质子交^M料电池(PEMFC)是一种，普遍^ffi的燃料电池。PEMFC 通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包 括承载在碳颗茅lh并与离聚物混合的极细催化剂颗粒，通常是钼(PO。催化混 合物被沉积在膜的相对面上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限 定了膜电极组件(MEA)。 MEA的生产相对昂贵并需要一定的条件皿行有效 操作。这些剝牛包括适当的水管理和湿化，以皿催化剂中毒成分如一氧化碳 (CO)的控制。多个燃料电池典型地被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。该燃料电 池堆接收阴极输入气体，典型的是经压縮机强M过电池堆的空气流。不是全 部的氧气都被电池堆消耗，其中一部分空气作为可能包含电池堆副产物水的阴 极废气被输出。M料电池舰接收流入电池堆阳极侦啲阳极氢气输入气体。
大多聽料电池糊縣用了除燃料电池堆外的如DC蓄电^g^电容 的辅助电源的混合,。该电源为各种，附属负荷、系统启动和在燃料电池 堆不能提供所需功率的大功率需求期间提供附加电源。OT料电池JtililDC 电压总线向牵弓I电机供电以供车辆运行。蓄电池在功率超出了电池堆能,给 的功率从而需要客妙卜功率时，例如在重勧B速时，向该电压总线麟辅助电源。 例如，燃料电池堆可供电70kW。然而，糊加速可能需要lOOkW的功率。当 燃料电池堆能够满足系统功率需求时，燃料电池堆被用于向蓄电池再充电。从 牵引电机在再生制动(regenerative braking)过程中获得的发电功率也被用于给 蓄电池再充电。在上述混合车辆中，典型地需要双向DC/DC变换器以对来自蓄电池的直 流电压进行升压(step up)从而使蓄电池电压与取决于燃料电池堆的输出电压 的总线电压相匹配并且在蓄电池再充电期间对电池堆电压进行降压。然而， DC/DC变换器相对体积较大、昂贵并且笨重，具有明显的缺点。因此希望从 包括辅助电源的燃料电池车辆中去除DC/DC变换器。工4Lh己经有各种通过供给电源来去除燃料电池动力车中的DC/DC变换 器的尝试，该电源肖滩在车辆的运行条件下利用其V/I特性(极化曲线)处理 来自燃料电池堆的大的电压摆幅(Voltage Swing)。附图2是横轴为电流密度、 纵轴为燃料电池堆电压、表示包括400个串联电池的电池堆的典型的燃料电池 堆V/I特性或极化曲线的图。在一已知系统中，使用超级电容作为辅助电源。 然而，由于其储能量低，因此超级电容受限于其肖激出多少电能。此外，超级 电容还需要用于在系统启动时升高超级电容电压的功率装置。某些类型的蓄电 池也已被用于去除车辆燃料电池系统中的DC/DC变换器。然而，这些系统都 受限于将蓄电池放电至一定程度的能力。换句话说，这些类型的蓄电池会由于 系縦行期间DC总线上的大的电压摆幅而受损。发明内容根据本发明的教导，公开了一种采用使蓄电池的电压与电源总线电压相 匹配的匹配蓄电池以使得DC/DC变换器不需要的燃料电池系统。该匹配蓄电 池的内部特性和参数使得其可以在取决于燃料电池V/I特性的大电压放电摆幅 下操作，并防止蓄电池过放电。设计蓄电池的类型，蓄电池单元的数量和蓄电
池内阻抗以达至鹏想匹配。在一实施方案中，该蓄电池是锂离子电池。该系统 还包括电连接到电源总线的二极管和与该二极管并联连接到该总线的旁路开 关。该旁路开关，，择性地打开和闭合以使得燃料电池,该蓄电池再充电并 防止该蓄电池过充电。结合附图，本发明的其它优点和特点将在下面的说明和所附权利要求中 变得明显。
附图1为根据本发明实施方案的包括匹配蓄电池的燃料电池系统的原理框图；附图2为表示包括400个串联电池单元的电池堆的典,料电池V/I特性 或极化曲线的图，其中横轴是电流密度，纵轴;1M料电池堆电压；和附图3为表示包括100个串联电池单元的典型锂离子蓄电池的图，其中 横轴为充电状态(soc)，纵轴为蓄电池开路电压。
具体实施例方式
下面对有关采用匹配蓄电池的燃料电池系统的本发明实施方案的论述实 际上仅仅是示范性的，并不意,限第体发明或其应用OT途。例如，在此描 述的燃料电池系统特定地用于车辆电源。然而，该燃料电池系统也可用于除车 辆外的其它场合。
附图1为包括具有串联电连接的燃料电池20的堆的燃料电池堆12的燃 料电池系统10的示意性方框图。 料电池堆12向高压总线供电，在lkk^ 为正总线16和负总线18。在，燃料电池应用中，OT料电池堆12可包^^勺 400个电池20。在本应用中，燃料电池堆12在满负荷需求下,约260伏电 源到总线16和18上，并在车辆空闲情况时衝共约400伏到总线16和18上。 开关32选择性地将正总线16皿料电池堆12断开和幵关34选择'M将负总 线18皿料电池堆12断开，用以在关断时出于安全的目的而将燃料电池堆12 从系统10电气断开。根据本发明， 料电池系统10包括电连接到总线16和18的匹配蓄电 池14。该蓄电池包括一定数量的蓄电池单元30。正如将在下面详细论述的那 样，蓄电池14的输出电压与取决于燃料电池堆12的输出的总线16和18的电 压相匹配，从而不需要DC/DC变换器。蓄电池14在电池堆12不能满足功率 需求时，例如在重働卩速期间，向总线16和18供给嫩卜的功率，并在燃料电 池堆12不运行时为各种车辆系统,辅助电源。在一个例子中，70kW的功率 由燃料电池堆12樹共，额》卜的30kW功率由蓄电池14麟。开关36选择性 地将蓄电池14从负总线18断开和开关38选择性地将蓄电池14从正总线16 断开，以在关断时处于安全的目的将蓄电池14从系统10电气断开。位于正总线16内的阻断二极管44防止电流回流至ij燃料电池堆12,阻断 二极管42防止电流在蓄电池14满充电时流入蓄电池14。旁路开关46对二极 管42进行旁路以使得蓄电池14可以在再生制动期间由燃料电池堆12来再充 电。例如，在某些运行剝牛下，蓄电池14可能已被充满电，然而燃料电池堆12 仍继续输出能够给蓄电池14充电的电流。在这种运行^#下，就希望将蓄电 池14从总线16断开，以防鹏蓄电池14进一步的充电而可肖隨^m电池14 的损害。燃料电池系统10会包括各种传繊及其类似物来监测，如蓄电池14 的驗和蓄电池14的充电状态以控制旁路开关46的开刘ia。控制器50按 与在此论述一致的方式对开关32， 34， 36， 38和46及其它系统^g进行控制。燃料电池系统10包括电连接至总线16和18的功率逆变^^莫块(PEVO 22 和AC或DC牵引电机24。该PIM 22将总线上的DC电压变换为适用于AC 牵弓I电机24的AC电压。牵弓I电机24按本领域公知那样供给牵弓l功率以运行 车辆。^Jit牵弓i电机24可以是用于赵鹏述的作用的任意适当的电机，如AC 感应电机，AC永磁电机和AC三相同步电机。在牵引电机24作为发电禾/Ut行 的再生制动期间，来自电机24的AC电能被PM 22转换为DC电能并施加给 总线16和18以对蓄电池14进行再充电。阻断二极管44防，加给总线16 和18的再生电能、駄燃料电池堆12，否则这可肖树电池堆12造成损害。燃料电池系统10还包括电连接至总线16和18并将总线16和18上的高 压电转换为适用于车辆中的如灯、加热器等辅助单元28的较低DC电压或AC 电压的电力管理和配电(PMD)装置26。根据本发明，蓄电池14为匹配蓄电池，其中该蓄电池14的特性,了 具有大的电压对充电状态的斜率的放电曲线，这使得其在大电压摆幅时可与总 线16和18上的电压相匹配，从而不需要DC/DC变换器。具体地说，蓄电池
14具有放电或充电状态(SOC)特性，该特性允许其在满电池堆负荷时放电至 由燃料电池堆12所决定的电压而不损坏蓄电池14。换句话说，必须选择蓄电 池单元的数目以使得蓄电池的开路电压(OVC)等于或大于燃料电池堆满功率 时的最小电池堆电压。附图3为g包括100个串联电池单元的典型锂离子蓄 电池的图，其中横轴为SOC，纵轴为蓄电池开路电压。当蓄电池14被用皿 给辅助电力时，其将按一定速率放 至蓄电池的OCV达到电池堆12的输出 电压。这时，电池堆12的输出电压等于蓄电池14的空纖出顿，且由于没 有了驱动电压差的蓄电池电流，所以该匹配蓄电池14的特性防止了其进一步 的放电。通过恰当地选取蓄电池的类型、蓄电池单元30的数量、蓄电池14的内 阻抗和单元大小，包括Ah等级和内阻抗，将蓄电池14与燃料电池堆12的输 出电皿行匹配，以使得蓄电池14不会被过放电。电池单元30的数量决定了与大负荷下燃料电池堆12的低电压输出相匹酉em必需的电压。蓄电池14必须被匹配以保护其不^1放电。^!3i^择具有相对于充电 状态(SOC)电压显著变化的蓄电池和选择电池单元的数量使得 V—fUdcdl_min>=V—batcell_OCV(SOC_min) X n—cells_bat而实现，其中 V—foelcelljnin为燃料电池的最小电压(满负荷电压)，V一batcell一OCV(SOCjnin) 为最小允许蓄电池充电状态B寸单个蓄电池电池单元的开路电压，n_cells_bat为 串联连接的蓄电池单元的数目。蓄电池14还必须被匹配以保护其不^1电流。该^W1M^取蓄电池大 小以使蓄电池的阻抗和燃料电池的阻抗将电流限制至树于所有实际SOC剝牛 而言可接受的程度来实现。例如，较大的蓄电池可以具有较低的内阻抗并因此将电流限制为较高的值，反之亦然。该蓄电池阻抗还可以M:使用例如增加或减小蓄电池系统阻抗从而降低或增大蓄电池的电流的较薄或较厚的互连接和电 阻、或阻性蓄电池导线来人为地增加。蓄电池还必须被匹配以保护其不，充电。这由位于蓄电池14前方的二 极管/触点组合而完成。当触点打开时，ft^可MiS—步的蓄电池充电电流都被二 极管阻断功能所禁止。在一个实施方案中，蓄电池14为锂离子蓄电池以,匹配特性。同样， 可以想到该锂离子蓄电池为具有与高度有序石墨(ordered graphic)阳极相对的
无序碳阳极的锂离子蓄电池，因为无序碳有助于形成蓄电池的电压相对soc曲线中的大的斜率。其它蓄电池类型，包括镍金属氢化物(NiMH)蓄电池也 皿合的。在一个例子中，蓄电池14为具有240个电池单元且输出功率为30kW 的NiMH蓄电池。前述仅仅揭露和论述了本发明的典型实施方案。本领域技术人员容易从 这些i仑述和附图及权利要求得知，如下述权利要求限定的那样在不背离本发明 的精神和范围的情况下可以作出各种改变、修改和变化。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括电源总线；电连接至该电源总线的燃料电池堆；和电连接至该电源总线的匹配蓄电池，所述蓄电池通过蓄电池单元的数目和蓄电池的依赖充电状态(SOC)的参数而匹配，所述参数防止其放电至有害SOC以下。
2. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括电连接至该电源总线的阻断 二极管和与该二极管并联电连接至该电源总线的旁路开关，所述旁路开关被选 择性地打开或闭合以使得该燃料电池堆对该蓄电池再充电并防止该蓄电池过充电。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中该蓄电池的所述SOC参数包, 蓄电池的电压和内阻抗。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中该蓄电池被匹配以保护不会蓄电池 过放电、蓄电池过电流和蓄电池过充电。
5. 根据权禾腰求1戶脱的系统，其中该蓄电、鹏择自由锂离子蓄电池和 镍-金属-氢化物蓄电'池组成的组。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中该蓄电池为具有240个电池单;^口 30kW输出功率的银金属-氢化物蓄电池。
7. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括电连接至该电源总线的AC 或DC牵引电机系统，所述电机系统在再生帝恸期间供给该电源总线电压来为 蓄电池再充电。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中i^料电池系统安^车辆上。
9. 一种燃料电池系统，包括 电源总线；电连接至该电源总线的燃料电池堆；禾口电连接至该电源总线的锂离子蓄电池，所述蓄电池包括预定数目的蓄电 池单元和特定内阻抗以使该蓄电池可以根据其充电状态(SOC)特性与燃料电 池堆供给该电源总线的电压相匹配。
10. 根据权禾頓求9戶脱的系统，其中该蓄电池的单元数目防止其放电至 有害充电状态以下。
11. 根据权利要求9所述的系统，其中该蓄电池被匹配以保护不会蓄电池 过放电、蓄电 tfeil电流和蓄电池过充电。
12. 根据权利要求9所述的系统，进一步包括电连接至该电源总线的阻断 二极管和与该二极管并联连接至该电源总线的旁路幵关，所述旁路开关被选择 性地打开或闭合以使 料电池,该蓄电池再充电并防止该蓄电池过充电。
13. 根据权利要求9所述的系统，进一步包括电连接至该电源总线的AC 或DC牵引电机系统，所述电机系统在再生审恸期间供给该电源总线电压来为 蓄电池再充电。
14. 根据权利要求9戶脱的系统，其中娜料电池系统安驗糊上。
15. —种用于车辆的燃料电池系统，所述系统包括 电源总线；电连接至该电源总线的燃料电池堆电连接至该电源总线的锂离子蓄电池，所述蓄电池包括预定数目的蓄电 池单元和特定内阻抗以使该蓄电池可以根据其放电特性与燃料电池堆供给该电 源总线的电压相匹配并防止其放电至有害充电状态以下；禾口电连接至该电源总线的阻断二极管和与该二极管并联连接至该电源总线 的旁路开关，所述旁路开关IK择性地打开或闭合以使该燃料电池堆对该蓄电 池再充电或防止该蓄电池过充电。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中该蓄电池被匹配以保护不会蓄电 池过放电、蓄电池过电流和蓄电池过充电。
17. 根据权利要求15戶腿的系统，进一步包括电连接至该电源总线的AC或DC牵引电机系统，所述电机系统在再生制动期间供给该电源总线电压来为 蓄电池再充电。
全文摘要
一种燃料电池系统，其采用使得蓄电池电压与燃料电池电源总线电压相匹配的匹配蓄电池，从而不需要DC/DC变换器。该匹配蓄电池的内部特性和参数使其可以在燃料电池的大载控电压摆幅下工作，并防止蓄电池的充电状态降到危害值以下。选择该蓄电池的类型、蓄电池单元的数量和蓄电池内阻抗以获得理想的匹配。在一实施方案中，该蓄电池为锂离子蓄电池。该系统还包括电连接至该电源总线的二极管和与该二极管并联连接至该电源总线的旁路开关。该旁路开关被选择性地打开或闭合以使得燃料电池堆对蓄电池再充电并防止蓄电池过充电。
文档编号H02J9/00GK101164217SQ200680013352
公开日2008年4月16日 申请日期2006年1月3日 优先权日2005年4月22日
发明者G·R·伍迪, M·W·费布吕吉, S·赖泽 申请人:通用汽车环球科技运作公司