專利名稱：匹配蓄電池和燃料電池的無dc/dc連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種燃料電池系統(tǒng)，以及，更具體地說，涉及一種采用 了匹配蓄電池(matched battery)從而使得不需要DC/DC變換器(converter)的燃料電池系統(tǒng)。2. 背景技術(shù)由于清潔并可用于在燃料電池中高效地產(chǎn)生電能，因此氫是一種非常有 吸引力的燃料。汽車工業(yè)在開發(fā)氫燃料電池作為車輛電源方面花費(fèi)了大量資 源。與現(xiàn)在i頓內(nèi)燃機(jī)的糊相比，這種糊更高效且產(chǎn)生的排放物更少。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽極和陰極以及置于二者之間的 電解質(zhì)。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極解離產(chǎn)生自由 子和電子。氫質(zhì)子經(jīng)過電解質(zhì)到達(dá)陰極。氫質(zhì)子在陰極中與氧和電子反應(yīng)生成 水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，并且由此在被送至陰極前艦負(fù)載而做 功。所做的功用于操作車輛。質(zhì)子交^M料電池(PEMFC)是一種，普遍^ffi的燃料電池。PEMFC 通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包 括承載在碳顆茅lh并與離聚物混合的極細(xì)催化劑顆粒，通常是鉬(PO。催化混 合物被沉積在膜的相對(duì)面上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限 定了膜電極組件(MEA)。 MEA的生產(chǎn)相對(duì)昂貴并需要一定的條件皿行有效 操作。這些剝牛包括適當(dāng)?shù)乃芾砗蜐窕悦蟠呋瘎┲卸境煞秩缫谎趸?(CO)的控制。多個(gè)燃料電池典型地被組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。該燃料電 池堆接收陰極輸入氣體，典型的是經(jīng)壓縮機(jī)強(qiáng)M過電池堆的空氣流。不是全 部的氧氣都被電池堆消耗，其中一部分空氣作為可能包含電池堆副產(chǎn)物水的陰 極廢氣被輸出。M料電池艦接收流入電池堆陽極偵啲陽極氫氣輸入氣體。
大多聽料電池糊縣用了除燃料電池堆外的如DC蓄電^g^電容 的輔助電源的混合,。該電源為各種，附屬負(fù)荷、系統(tǒng)啟動(dòng)和在燃料電池 堆不能提供所需功率的大功率需求期間提供附加電源。OT料電池JtililDC 電壓總線向牽弓I電機(jī)供電以供車輛運(yùn)行。蓄電池在功率超出了電池堆能,給 的功率從而需要客妙卜功率時(shí)，例如在重勧B速時(shí)，向該電壓總線麟輔助電源。 例如，燃料電池堆可供電70kW。然而，糊加速可能需要lOOkW的功率。當(dāng) 燃料電池堆能夠滿足系統(tǒng)功率需求時(shí)，燃料電池堆被用于向蓄電池再充電。從 牽引電機(jī)在再生制動(dòng)(regenerative braking)過程中獲得的發(fā)電功率也被用于給 蓄電池再充電。在上述混合車輛中，典型地需要雙向DC/DC變換器以對(duì)來自蓄電池的直 流電壓進(jìn)行升壓(step up)從而使蓄電池電壓與取決于燃料電池堆的輸出電壓 的總線電壓相匹配并且在蓄電池再充電期間對(duì)電池堆電壓進(jìn)行降壓。然而， DC/DC變換器相對(duì)體積較大、昂貴并且笨重，具有明顯的缺點(diǎn)。因此希望從 包括輔助電源的燃料電池車輛中去除DC/DC變換器。工4Lh己經(jīng)有各種通過供給電源來去除燃料電池動(dòng)力車中的DC/DC變換 器的嘗試，該電源肖灘在車輛的運(yùn)行條件下利用其V/I特性(極化曲線)處理 來自燃料電池堆的大的電壓擺幅(Voltage Swing)。附圖2是橫軸為電流密度、 縱軸為燃料電池堆電壓、表示包括400個(gè)串聯(lián)電池的電池堆的典型的燃料電池 堆V/I特性或極化曲線的圖。在一已知系統(tǒng)中，使用超級(jí)電容作為輔助電源。 然而，由于其儲(chǔ)能量低，因此超級(jí)電容受限于其肖激出多少電能。此外，超級(jí) 電容還需要用于在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)升高超級(jí)電容電壓的功率裝置。某些類型的蓄電 池也已被用于去除車輛燃料電池系統(tǒng)中的DC/DC變換器。然而，這些系統(tǒng)都 受限于將蓄電池放電至一定程度的能力。換句話說，這些類型的蓄電池會(huì)由于 系縦行期間DC總線上的大的電壓擺幅而受損。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開了一種采用使蓄電池的電壓與電源總線電壓相 匹配的匹配蓄電池以使得DC/DC變換器不需要的燃料電池系統(tǒng)。該匹配蓄電 池的內(nèi)部特性和參數(shù)使得其可以在取決于燃料電池V/I特性的大電壓放電擺幅 下操作，并防止蓄電池過放電。設(shè)計(jì)蓄電池的類型，蓄電池單元的數(shù)量和蓄電
池內(nèi)阻抗以達(dá)至鵬想匹配。在一實(shí)施方案中，該蓄電池是鋰離子電池。該系統(tǒng) 還包括電連接到電源總線的二極管和與該二極管并聯(lián)連接到該總線的旁路開 關(guān)。該旁路開關(guān)，，擇性地打開和閉合以使得燃料電池,該蓄電池再充電并 防止該蓄電池過充電。結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將在下面的說明和所附權(quán)利要求中 變得明顯。


附圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括匹配蓄電池的燃料電池系統(tǒng)的原理框圖；附圖2為表示包括400個(gè)串聯(lián)電池單元的電池堆的典,料電池V/I特性 或極化曲線的圖，其中橫軸是電流密度，縱軸;1M料電池堆電壓；和附圖3為表示包括100個(gè)串聯(lián)電池單元的典型鋰離子蓄電池的圖，其中 橫軸為充電狀態(tài)(soc)，縱軸為蓄電池開路電壓。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)有關(guān)采用匹配蓄電池的燃料電池系統(tǒng)的本發(fā)明實(shí)施方案的論述實(shí) 際上僅僅是示范性的，并不意,限第體發(fā)明或其應(yīng)用OT途。例如，在此描 述的燃料電池系統(tǒng)特定地用于車輛電源。然而，該燃料電池系統(tǒng)也可用于除車 輛外的其它場(chǎng)合。
附圖1為包括具有串聯(lián)電連接的燃料電池20的堆的燃料電池堆12的燃 料電池系統(tǒng)10的示意性方框圖。 料電池堆12向高壓總線供電，在lkk^ 為正總線16和負(fù)總線18。在，燃料電池應(yīng)用中，OT料電池堆12可包^^勺 400個(gè)電池20。在本應(yīng)用中，燃料電池堆12在滿負(fù)荷需求下,約260伏電 源到總線16和18上，并在車輛空閑情況時(shí)衝共約400伏到總線16和18上。 開關(guān)32選擇性地將正總線16皿料電池堆12斷開和幵關(guān)34選擇'M將負(fù)總 線18皿料電池堆12斷開，用以在關(guān)斷時(shí)出于安全的目的而將燃料電池堆12 從系統(tǒng)10電氣斷開。根據(jù)本發(fā)明， 料電池系統(tǒng)10包括電連接到總線16和18的匹配蓄電 池14。該蓄電池包括一定數(shù)量的蓄電池單元30。正如將在下面詳細(xì)論述的那 樣，蓄電池14的輸出電壓與取決于燃料電池堆12的輸出的總線16和18的電 壓相匹配，從而不需要DC/DC變換器。蓄電池14在電池堆12不能滿足功率 需求時(shí)，例如在重働卩速期間，向總線16和18供給嫩卜的功率，并在燃料電 池堆12不運(yùn)行時(shí)為各種車輛系統(tǒng),輔助電源。在一個(gè)例子中，70kW的功率 由燃料電池堆12樹共，額》卜的30kW功率由蓄電池14麟。開關(guān)36選擇性 地將蓄電池14從負(fù)總線18斷開和開關(guān)38選擇性地將蓄電池14從正總線16 斷開，以在關(guān)斷時(shí)處于安全的目的將蓄電池14從系統(tǒng)10電氣斷開。位于正總線16內(nèi)的阻斷二極管44防止電流回流至ij燃料電池堆12,阻斷 二極管42防止電流在蓄電池14滿充電時(shí)流入蓄電池14。旁路開關(guān)46對(duì)二極 管42進(jìn)行旁路以使得蓄電池14可以在再生制動(dòng)期間由燃料電池堆12來再充 電。例如，在某些運(yùn)行剝牛下，蓄電池14可能已被充滿電，然而燃料電池堆12 仍繼續(xù)輸出能夠給蓄電池14充電的電流。在這種運(yùn)行^#下，就希望將蓄電 池14從總線16斷開，以防鵬蓄電池14進(jìn)一步的充電而可肖隨^m電池14 的損害。燃料電池系統(tǒng)10會(huì)包括各種傳繊及其類似物來監(jiān)測(cè)，如蓄電池14 的驗(yàn)和蓄電池14的充電狀態(tài)以控制旁路開關(guān)46的開劉ia?？刂破?0按 與在此論述一致的方式對(duì)開關(guān)32， 34， 36， 38和46及其它系統(tǒng)^g進(jìn)行控制。燃料電池系統(tǒng)10包括電連接至總線16和18的功率逆變^^莫塊(PEVO 22 和AC或DC牽引電機(jī)24。該P(yáng)IM 22將總線上的DC電壓變換為適用于AC 牽弓I電機(jī)24的AC電壓。牽弓I電機(jī)24按本領(lǐng)域公知那樣供給牽弓l功率以運(yùn)行 車輛。^Jit牽弓i電機(jī)24可以是用于趙鵬述的作用的任意適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)，如AC 感應(yīng)電機(jī)，AC永磁電機(jī)和AC三相同步電機(jī)。在牽引電機(jī)24作為發(fā)電禾/Ut行 的再生制動(dòng)期間，來自電機(jī)24的AC電能被PM 22轉(zhuǎn)換為DC電能并施加給 總線16和18以對(duì)蓄電池14進(jìn)行再充電。阻斷二極管44防，加給總線16 和18的再生電能、駄燃料電池堆12，否則這可肖樹電池堆12造成損害。燃料電池系統(tǒng)10還包括電連接至總線16和18并將總線16和18上的高 壓電轉(zhuǎn)換為適用于車輛中的如燈、加熱器等輔助單元28的較低DC電壓或AC 電壓的電力管理和配電(PMD)裝置26。根據(jù)本發(fā)明，蓄電池14為匹配蓄電池，其中該蓄電池14的特性,了 具有大的電壓對(duì)充電狀態(tài)的斜率的放電曲線，這使得其在大電壓擺幅時(shí)可與總 線16和18上的電壓相匹配，從而不需要DC/DC變換器。具體地說，蓄電池
14具有放電或充電狀態(tài)(SOC)特性，該特性允許其在滿電池堆負(fù)荷時(shí)放電至 由燃料電池堆12所決定的電壓而不損壞蓄電池14。換句話說，必須選擇蓄電 池單元的數(shù)目以使得蓄電池的開路電壓(OVC)等于或大于燃料電池堆滿功率 時(shí)的最小電池堆電壓。附圖3為g包括100個(gè)串聯(lián)電池單元的典型鋰離子蓄 電池的圖，其中橫軸為SOC，縱軸為蓄電池開路電壓。當(dāng)蓄電池14被用皿 給輔助電力時(shí)，其將按一定速率放 至蓄電池的OCV達(dá)到電池堆12的輸出 電壓。這時(shí)，電池堆12的輸出電壓等于蓄電池14的空纖出頓，且由于沒 有了驅(qū)動(dòng)電壓差的蓄電池電流，所以該匹配蓄電池14的特性防止了其進(jìn)一步 的放電。通過恰當(dāng)?shù)剡x取蓄電池的類型、蓄電池單元30的數(shù)量、蓄電池14的內(nèi) 阻抗和單元大小，包括Ah等級(jí)和內(nèi)阻抗，將蓄電池14與燃料電池堆12的輸 出電皿行匹配，以使得蓄電池14不會(huì)被過放電。電池單元30的數(shù)量決定了與大負(fù)荷下燃料電池堆12的低電壓輸出相匹酉em必需的電壓。蓄電池14必須被匹配以保護(hù)其不^1放電。^!3i^擇具有相對(duì)于充電 狀態(tài)(SOC)電壓顯著變化的蓄電池和選擇電池單元的數(shù)量使得 V—fUdcdl_min>=V—batcell_OCV(SOC_min) X n—cells_bat而實(shí)現(xiàn)，其中 V—foelcelljnin為燃料電池的最小電壓(滿負(fù)荷電壓)，V一batcell一OCV(SOCjnin) 為最小允許蓄電池充電狀態(tài)B寸單個(gè)蓄電池電池單元的開路電壓，n_cells_bat為 串聯(lián)連接的蓄電池單元的數(shù)目。蓄電池14還必須被匹配以保護(hù)其不^1電流。該^W1M^取蓄電池大 小以使蓄電池的阻抗和燃料電池的阻抗將電流限制至樹于所有實(shí)際SOC剝牛 而言可接受的程度來實(shí)現(xiàn)。例如，較大的蓄電池可以具有較低的內(nèi)阻抗并因此將電流限制為較高的值，反之亦然。該蓄電池阻抗還可以M:使用例如增加或減小蓄電池系統(tǒng)阻抗從而降低或增大蓄電池的電流的較薄或較厚的互連接和電 阻、或阻性蓄電池導(dǎo)線來人為地增加。蓄電池還必須被匹配以保護(hù)其不，充電。這由位于蓄電池14前方的二 極管/觸點(diǎn)組合而完成。當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)，ft^可MiS—步的蓄電池充電電流都被二 極管阻斷功能所禁止。在一個(gè)實(shí)施方案中，蓄電池14為鋰離子蓄電池以,匹配特性。同樣， 可以想到該鋰離子蓄電池為具有與高度有序石墨(ordered graphic)陽極相對(duì)的
無序碳陽極的鋰離子蓄電池，因?yàn)闊o序碳有助于形成蓄電池的電壓相對(duì)soc曲線中的大的斜率。其它蓄電池類型，包括鎳金屬氫化物(NiMH)蓄電池也 皿合的。在一個(gè)例子中，蓄電池14為具有240個(gè)電池單元且輸出功率為30kW 的NiMH蓄電池。前述僅僅揭露和論述了本發(fā)明的典型實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易從 這些i侖述和附圖及權(quán)利要求得知，如下述權(quán)利要求限定的那樣在不背離本發(fā)明 的精神和范圍的情況下可以作出各種改變、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括電源總線；電連接至該電源總線的燃料電池堆；和電連接至該電源總線的匹配蓄電池，所述蓄電池通過蓄電池單元的數(shù)目和蓄電池的依賴充電狀態(tài)(SOC)的參數(shù)而匹配，所述參數(shù)防止其放電至有害SOC以下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電連接至該電源總線的阻斷 二極管和與該二極管并聯(lián)電連接至該電源總線的旁路開關(guān)，所述旁路開關(guān)被選 擇性地打開或閉合以使得該燃料電池堆對(duì)該蓄電池再充電并防止該蓄電池過充電。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該蓄電池的所述SOC參數(shù)包, 蓄電池的電壓和內(nèi)阻抗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該蓄電池被匹配以保護(hù)不會(huì)蓄電池 過放電、蓄電池過電流和蓄電池過充電。
5. 根據(jù)權(quán)禾腰求1戶脫的系統(tǒng)，其中該蓄電、鵬擇自由鋰離子蓄電池和 鎳-金屬-氫化物蓄電'池組成的組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該蓄電池為具有240個(gè)電池單;^口 30kW輸出功率的銀金屬-氫化物蓄電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電連接至該電源總線的AC 或DC牽引電機(jī)系統(tǒng)，所述電機(jī)系統(tǒng)在再生帝慟期間供給該電源總線電壓來為 蓄電池再充電。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中i^料電池系統(tǒng)安^車輛上。
9. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 電源總線；電連接至該電源總線的燃料電池堆；禾口電連接至該電源總線的鋰離子蓄電池，所述蓄電池包括預(yù)定數(shù)目的蓄電 池單元和特定內(nèi)阻抗以使該蓄電池可以根據(jù)其充電狀態(tài)(SOC)特性與燃料電 池堆供給該電源總線的電壓相匹配。
10. 根據(jù)權(quán)禾頓求9戶脫的系統(tǒng)，其中該蓄電池的單元數(shù)目防止其放電至 有害充電狀態(tài)以下。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該蓄電池被匹配以保護(hù)不會(huì)蓄電池 過放電、蓄電 tfeil電流和蓄電池過充電。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電連接至該電源總線的阻斷 二極管和與該二極管并聯(lián)連接至該電源總線的旁路幵關(guān)，所述旁路開關(guān)被選擇 性地打開或閉合以使 料電池,該蓄電池再充電并防止該蓄電池過充電。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電連接至該電源總線的AC 或DC牽引電機(jī)系統(tǒng)，所述電機(jī)系統(tǒng)在再生審慟期間供給該電源總線電壓來為 蓄電池再充電。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9戶脫的系統(tǒng)，其中娜料電池系統(tǒng)安驗(yàn)糊上。
15. —種用于車輛的燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 電源總線；電連接至該電源總線的燃料電池堆電連接至該電源總線的鋰離子蓄電池，所述蓄電池包括預(yù)定數(shù)目的蓄電 池單元和特定內(nèi)阻抗以使該蓄電池可以根據(jù)其放電特性與燃料電池堆供給該電 源總線的電壓相匹配并防止其放電至有害充電狀態(tài)以下；禾口電連接至該電源總線的阻斷二極管和與該二極管并聯(lián)連接至該電源總線 的旁路開關(guān)，所述旁路開關(guān)IK擇性地打開或閉合以使該燃料電池堆對(duì)該蓄電 池再充電或防止該蓄電池過充電。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中該蓄電池被匹配以保護(hù)不會(huì)蓄電 池過放電、蓄電池過電流和蓄電池過充電。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15戶腿的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括電連接至該電源總線的AC或DC牽引電機(jī)系統(tǒng)，所述電機(jī)系統(tǒng)在再生制動(dòng)期間供給該電源總線電壓來為 蓄電池再充電。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，其采用使得蓄電池電壓與燃料電池電源總線電壓相匹配的匹配蓄電池，從而不需要DC/DC變換器。該匹配蓄電池的內(nèi)部特性和參數(shù)使其可以在燃料電池的大載控電壓擺幅下工作，并防止蓄電池的充電狀態(tài)降到危害值以下。選擇該蓄電池的類型、蓄電池單元的數(shù)量和蓄電池內(nèi)阻抗以獲得理想的匹配。在一實(shí)施方案中，該蓄電池為鋰離子蓄電池。該系統(tǒng)還包括電連接至該電源總線的二極管和與該二極管并聯(lián)連接至該電源總線的旁路開關(guān)。該旁路開關(guān)被選擇性地打開或閉合以使得燃料電池堆對(duì)蓄電池再充電并防止蓄電池過充電。
文檔編號(hào)H02J9/00GK101164217SQ200680013352
公開日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者G·R·伍迪, M·W·費(fèi)布呂吉, S·賴澤 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司