CN101519069B - 控制燃料电池车辆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制燃料电池车辆的方法，包括：产生基于燃料电池启动完成后的加速踏板下压值计算的扭矩(TACCEL)，并进入燃料电池单一模式；对基于加速踏板下压值计算的扭矩(TACCEL)进行扭矩限制控制；当车辆在燃料电池单一模式下通过扭矩限制控制缓慢移动时，进行从燃料电池到电能存储装置的充电；并且当燃料电池和电能存储装置之间的电压差在预定范围内时，通过主继电器将燃料电池直接连接到电能存储装置以进入混合模式。这种方法保护燃料电池，减少车辆的启动时间并提高驾驶性能。

Description

控制燃料电池车辆的方法
相关申请的交叉引用
依据35U.S.C.§119(a)，本申请要求2008年2月29日提交的韩国专利申请第10-2008-0018722的优先权，其全部内容在此引入本文以供参考。
技术领域
本发明涉及一种控制燃料电池车辆的方法，其中使用扭矩校正因子来保护燃料电池，减少启动时间并提高驾驶性能。
背景技术
在传统的燃料电池-蓄电池混合动力车辆中，将高电压DC-DC转换器置于燃料电池和蓄电池之间以消除燃料电池和蓄电池之间的电压差，并进行蓄电池的充放电控制或燃料电池的功率控制。因此，没有必要为专门的启动控制提供策略以匹配燃料电池和蓄电池的电压。
另一方面，在没有使用任何高电压DC-DC转换器的燃料电池-蓄电池混合动力车辆中，需要初始蓄电池充电设备及与其对应的启动控制策略以匹配燃料电池和蓄电池的电压。
美国专利第6,815,100号公开了一种用于启动燃料电池的控制设备，在车辆启动过程中，在燃料电池被连接到具有较低电压的电能存储单元之前，在例如蓄电池的电能存储单元向电动机和辅助设备提供电能以驱动燃料电池之后，该控制设备通过使用设置在燃料电池输出端的DC-DC断路器来控制燃料电池的输出电流，以防止燃料电池的过度消耗(reduction)。
另外，韩国未经审查的专利申请公开第2006-0003543号公开了一种控制燃料电池-超级电容器混合动力车辆的启动的方法，其中，在启动过程中，燃料电池由辅助蓄电池启动，通过初始超级电容器充电设备的多个电阻将燃料电池的电能充入超级电容器，并且当超级电容器的电压与燃料电池的电压相等时，通过主继电器将燃料电池连接到超级电容器以驱动车辆。
然而，上述传统的启动控制方法有如下缺点：需要具有多个电阻的DC-DC转换器或初始充电设备对电能存储单元或超级电容器进行充电。另外，当燃料电池单一模式被改变为混合模式时，其中燃料电池和超级电容器直接连接，通过踩下加速踏板扭矩可能突然增加，并且因此车辆可能突然移动。
因此，在燃料-超级电容器混合动力***中需要能同时保护燃料电池、减少启动时间、为超级电容器充电、并提高驾驶性能的适当的启动顺序控制。
在该背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，并因此其可包含不形成对于本国家的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
为了解决与现有技术相关的上述问题而做出本发明。
一方面，本发明提供一种控制燃料电池车辆的方法，该方法包括：产生基于燃料电池启动完成后加速踏板下压值计算的扭矩(TACCEL)，并进入燃料电池单一模式；对基于加速踏板下压值计算的扭矩(TACCEL)进行扭矩限制控制；当车辆在燃料电池单一模式下通过扭矩限制控制缓慢移动时，进行从燃料电池到电能存储装置的充电；并且当燃料电池和电能存储装置之间的电压差在预定范围内时，通过主继电器将燃料电池直接连接到电能存储装置以进入混合模式。
在优选的实施方式中，在燃料电池和电能存储装置被直接连接之前，根据连接在燃料电池和电能存储装置之间的初始充电设备的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的占空比控制，通过限流控制进行电能存储装置的充电。
在另一个优选的实施方式中，在扭矩限制控制中，通过将最大电动机扭矩(TMAX)乘以加速踏板下压值(βDep：0到1)得到基于加速踏板下压值计算的扭矩(TACCEL)，并且通过将扭矩(TACCEL)乘以具有常数值的扭矩校正因子(a)来计算受限扭矩。
在又一个优选的实施方式中，当燃料电池单一模式被改变为在其中燃料电池和电能存储装置直接连接的混合模式时，扭矩校正因子(a)逐渐增加，并且如果扭矩校正因子(a)增加到预定的最大值，进行没有任何扭矩限制控制的常规操作。
可以理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车，例如载客汽车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车，包括各种船和艇的水运工具，飞机，等等。
本发明的上述特性和优点将从附图和以下详细说明中变得明显或在其中更详细地说明，附图结合在此说明书中并且形成此说明书的一部分，以下详细说明一起被用作通过实施例说明本发明的原理。
附图说明
本发明的上述和其它特性将参考其某些示例性的实施方式详细说明，该实施方式由附图举例说明，下文提供的附图仅仅出于举例说明的目的，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是显示根据本发明的优选实施方式的在燃料电池启动完成后的控制顺序的流程图；
图2是显示直到燃料电池的启动完成为止的顺序的流程图；
图3是示出包括燃料电池和电能存储装置的混合动力车辆的电网的示意图，根据本发明的控制燃料电池车辆的方法应用于该电网；且
图4示出根据本发明的控制燃料电池车辆的方法所应用的实际驾驶测试数据。
应该理解的是，附图不必然呈比例，而只是表示用于说明本发明的基本原理的各种优选特征的简化表示。包括例如特定尺寸、方向、位置和形状的本文所公开的本发明的特定设计特征，将通过特定应用和使用环境被部分地确定。
具体实施方式
现在将参照本发明的优选实施方式详细说明，其实施例在以下附图中举例说明，其中类似的参考数字表示类似的元件。以下说明实施方式从而通过参照附图来解释本发明。
参考图3，对燃料电池-电能存储装置混合动力车辆的电网进行说明。燃料电池-电能存储装置混合动力车辆包括供电装置，该供电装置包括燃料电池10、辅助电源、低电压电能转换器(LDC)12、和12V辅助蓄电池14。该车辆进一步包括连接到供电装置上的燃料电池辅助设备(balance ofplant，BOP)18、电动机20、电动机控制单元(MCU)22、燃料电池继电器24和MCU继电器26。
辅助电源表示例如超级电容、高电压蓄电池等的电能存储装置16，并且被连接到初始充电设备30上。
低电压电能转换器(LDC)12是一种将电能转换为低电压的器件，该低电压用于操作使用12V辅助蓄电池14的电能的元件。由于在车辆操作过程中元件持续消耗电能，其以低电压对辅助蓄电池14进行充电。
为了启动燃料电池10，应操作例如鼓风机、氢气环流风机、抽水泵等的高电压燃料电池BOP18，并且燃料电池10中产生的电压与高电压燃料电池BOP18的电压具有相同的水平，例如，电压范围从250V到450V。
为了动力辅助和再生制动，电动机20和反相器被直接连接到燃料电池10上，并且通过初始充电设备30将电能存储装置16连接到燃料电池10上。
另外，在主汇流排终端安装用于开关电能的多种继电器，例如燃料电池继电器24和MCU继电器26。另外，设置了阻塞二极管28以防止反向电流流向燃料电池10。
初始充电设备30是一种BUCK型转换器，其具有与主继电器32分离并且设置在燃料电池10和电能存储装置16之间的电路。初始充电设备30用于通过防止过流流过绝缘栅双极晶体管(IGBT)34的占空比控制来防止主继电器32的粘附(sticking)，并且对电能存储装置16进行充电。
当燃料电池10和电能存储装置16的两端的电压变为彼此相等时，停止IGBT34的操作，并打开主继电器32以使得燃料电池10和电能存储装置16直接连接。
参考数字36表示用于保护内部电容器的超级电容器截止继电器。
下文中，将说明具有上述配置的燃料电池-电能存储装置混合动力车辆中的燃料电池的启动顺序。
图2是显示直到燃料电池的启动完成为止的顺序的流程图。
由低电压电能转换器(LCD)12的升压(boost)来启动燃料电池10。然而，如果辅助蓄电池14不正常或者如果需要大量的初始启动能量(例如在冷启动过程中)，由电能存储装置16来进行燃料电池10的启动。电能存储装置16的电压根据情况快速改变的事实导致了上述启动控制的必要性。
控制器确定辅助蓄电池14的电压是否很低或者是否进行冷启动或者启动时间是否很长(S101)，如果是这样，在LCD升压过程中将主汇流排终端的电压VLDC_REF设置为等于电能存储装置16的电压(S102)。然后，打开初始充电设备30的超级电容器截止继电器36和主继电器32(S103)，并关闭低电压电能转换器(LCD)12(S104)，使得由电能存储装置16驱动燃料电池BOP18以增加燃料电池电压VFC(S105)。
在这里，VLP1是能够被应用于燃料电池BOP18的燃料电池电压VFC的较大值，还是燃料电池BOP18操作所要求的最小电压，并且会根据情况而改变。
如果电能存储装置16的电压VCAP低于VLP1，在LDC升压过程中主汇流排终端的电压VLDC_REF被保持在VLP1(S106)。然后，确定燃料电池电压VFC是否大于VLP1，如果是这样，关闭低电压电能转换器(LDC)12和初始充电设备30的主继电器32(S107)。
同时，如果辅助蓄电池14很高或者如果没有进行冷启动，在LDC升压过程中主汇流排终端的电压VLDC_REF被保持在VLP1(S108)，并且由辅助蓄电池14驱动燃料电池BOP18以增加燃料电池电压VFC(S109)。
如果燃料电池电压VFC大于VLP1，关闭低电压电能转换器(LCD)12(S110)以防止燃料电池10产生过电压。
如上所述，在由电能存储装置16放电或通过LDC升压来启动燃料电池电压之后，如果燃料电池电压VFC大于VLP1，断开低电压电能转换器(LDC)12和电能存储装置16之间的连接，并且由燃料电池10的输出来驱动燃料电池BOP18(S112)。
另外，燃料电池10的启动完成后(S114)，通过LDC补偿(buck)以低电压对辅助蓄电池14进行充电，并且打开MCU继电器26和超级电容器截止继电器36以准备车辆的操作(S116)，从而进入燃料电池单一模式。
接下来将说明燃料电池启动完成并进入燃料电池单一模式后的顺序控制方法。
图1示出根据本发明的优选实施方式的燃料电池启动完成后的控制顺序。图4示出对电能存储装置16的动态充电的实际驾驶测试数据并示出一系列过程，在这些过程中，即使在充电过程中也应用受限扭矩以能够对车辆进行操作，并且在进入混合模式之前限制扭矩增加速率以防止突然启动。
如果在燃料电池启动完成后进入燃料电池单一模式(在其中电能存储装置16没有被连接到燃料电池10上)(S118)，产生用于车辆操作的扭矩。
就是说，当司机踩下加速踏板时，产生基于加速踏板的下压值由下式1计算的扭矩，从而使得车辆能够移动。
[公式1]
TACCEL＝TMAX×βDep
其中TACCEL表示基于加速踏板下压值计算的运行扭矩，TMAX表示最大电动机扭矩，而βDep表示加速踏板下压值。
进行对基于加速踏板下压值计算的扭矩TACCEL的扭矩限制控制(S109)。基于下式2进行扭矩限制控制。
[公式2]
TCMD＝TACCEL×a，a＝aINIT
其中TCMD表示受限扭矩，而a表示扭矩校正因子(0到1)。
如公式2所示，通过将基于加速踏板下压值计算的扭矩TACCEL乘以具有常数值的扭矩校正因子a计算受限扭矩，并且在扭矩限制控制的开始阶段，将扭矩TACCEL乘以表示扭矩校正因子的初始值(最小值)的aINIT以开始扭矩限制控制。
像这样，在燃料电池单一模式下，进行扭矩限制控制以使得车辆缓慢移动，并且同时进行从燃料电池到电能存储装置16的充电。
就是说，在直接连接燃料电池10和电能存储装置16之前对电能存储装置16进行充电，并且根据连接在燃料电池10和电能存储装置16之间的初始充电设备30的IGBT34的占空比控制通过限流控制来进行充电。
例如，当打开IGBT34时，电能存储装置16的充电电流增加 ΔI L _ on ( ΔI L _ on = 1 L ∫ T ON ( V FC - V CAP ) dt ) , 并且当关闭IGBT34时，电能存储装置16的超级电容器的充电电流减少ΔIL_off。因此，如果将充电电流设为，例如50A，根据电能存储装置16的充电电流的增加和减少来调节占空比，以保持充电电流为50A。
此时，ΔIL_ON表示打开IGBT34时流向初始充电设备30的超级电容器的电流增加量，ΔIL_oFF表示关闭IGBT34时流向初始充电设备30的超级电容器的电流减少量。
像这样，进行扭矩限制控制以使得车辆缓慢移动，并因此更容易地进行从燃料电池10到电能存储装置16的充电。
接下来，当初始充电设备30完成对电能存储装置16的充电时，打开初始充电设备30的主继电器32以直接连接燃料电池10和电能存储装置16，使得车辆进入混合模式(S122)。
如果燃料电池10和电能存储装置16之间没有电压差(即，如果燃料电池电压VFC变为等于电能存储装置16的电压VCAP)，控制器确定电能存储装置16的充电已完成，并从而由主继电器32直接连接燃料电池10和电能存储装置16，因此进入混合模式。
当车辆进入混合模式时，扭矩校正因子a逐渐增加到预定的最大值，并且如果扭矩校正因子a增加到最大值，进行没有任何扭矩限制控制的常规操作(S126)。例如，如图4所示，当燃料电池10和电能存储装置16直接连接时，扭矩校正因子逐渐增加，并且如果该值达到“1”(最大值)，进行没有任何扭矩限制控制的常规操作。这样的扭矩校正因子的逐渐增加防止车辆的突然启动。
如上所述，本发明提供了包括以下的各种优点。首先，通过使用扭矩校正因子的扭矩限制控制可更动态地进行从燃料电池到电能存储装置的充电，同时当燃料电池启动完成后，车辆在燃料电池单一模式下缓慢移动。其次，当在燃料电池电压变为等于电能存储装置电压之后进入混合模式时，有可能通过逐渐增加扭矩校正因子来防止车辆的突然启动。
本发明参考其优选实施方式进行了详细地说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。

Claims (1)

1.一种控制燃料电池车辆的方法，所述方法包括：
产生基于燃料电池启动完成后的加速踏板下压值所计算的扭矩TACCEL，并进入燃料电池单一模式；
对基于加速踏板下压值所计算的所述扭矩TACCEL进行扭矩限制控制；
当车辆在所述燃料电池单一模式下通过所述扭矩限制控制而缓慢移动时，进行从所述燃料电池到电能存储装置的充电；以及
当所述燃料电池和所述电能存储装置之间的电压差在预定范围内时，通过主继电器将所述燃料电池直接连接到所述电能存储装置以进入混合模式；
其中在直接连接所述燃料电池和所述电能存储装置之前，根据连接在所述燃料电池和所述电能存储装置之间的初始充电设备的绝缘栅双极晶体管IGBT的占空比控制，通过限流控制来进行所述电能存储装置的充电；
其中，在所述扭矩限制控制中，通过将最大电动机扭矩TMAX乘以加速踏板下压值βDep而获得基于加速踏板下压值所计算的所述扭矩TACCEL，并且通过将所述扭矩TACCEL乘以具有常数值的扭矩校正因子a来计算受限扭矩，所述加速踏板下压值βDep具有0到1的范围；并且
其中当所述燃料电池单一模式被改变为所述燃料电池和所述电能存储装置直接连接的混合模式时，所述扭矩校正因子a逐渐增加，并且如果所述扭矩校正因子a增加到预定的最大值，则进行没有任何扭矩限制控制的常规操作。
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