具有电池电容器能量存储系统的混合燃料电池系统

摘要

一种燃料电池系统，其使用彼此串联并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。当电源总线上的电压随着系统的操作要求而改变时，超级电容器在相对较大的电压摆动(诸如85％SOC摆动)上被充电和放电。超级电容器均衡或电压匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为电池的电压。因此，电池当在充电和放电期间提供大部分能量和功率时，具有相对小的被限定SOC摆动，其用来维护电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电耦合的二极管，用于提供反向电压保护和电源旁路。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种燃料电池系统，并且尤其涉及一种使用电池/电容器电能存储系统的燃料电池系统，所述存储系统不必需要DC/DC转换器。

背景技术

氢是十分诱人的燃料，这是因为它是清洁的并且可以用来在燃料电池中有效地生成电流。在开发氢燃料电池作为车辆功率源的过程中汽车工业消耗显著的资源。这种车辆可能是更高效的并且比今天使用内燃机的车辆产生更少的排放物。

氢燃料电池是电化学设备，包括阳极和阴极以及在它们之间的电解液。阳极接收氢气并且阴极接收氧气或空气。氢气在阳极被分解以便产生游离氢质子和电子。氢质子穿过电解液到阴极。氢质子与阴极中的氧气和电子反应以便产生水。来自阳极的电子无法穿过电解液，并且从而被从负载引导以便在被发送到阴极之前做功。所述功用于操作所述车辆。

质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行燃料电池。PEMFC通常包括固相聚合物电解质子导电薄膜，诸如全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)薄膜。阳极和阴极典型情况下包括细碎的催化粒子，通常为铂(Pt)，维持在碳粒子上并且与离子聚合物混合。催化混合物被淀积在薄膜的相对端上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和薄膜的组合限定了薄膜电极组件(MEA)。MEA制造起来相对昂贵并且要求确定的条件才能有效操作。这些条件包括适当的水管理和湿化，并且控制诸如一氧化碳(CO)之类的催化剂中毒组分。

典型情况下在燃料电池组中组合几种燃料电池以便产生所想要的功率。燃料电池组接收阴极输入气体，典型情况下为通过压缩器压到燃料电池组的气流。并非所有的氧气都被电池组消耗并且一些空气作为阴极废气输出，所述废气可以包括水作为电池组的副产品。燃料电池组还接收阳极氢输入气体，所述阳极氢输入气体流入电池组的阳极端。

大部分燃料电池车辆是混合动力型汽车，其除燃料电池组之外使用可充电的附加电源，诸如DC电池或超级电容器(也被称为超电容器或双层电容器)。当燃料电池组不能提供所想要的功率时，电源向各个车辆辅助负载、系统启动和高功率需求期间提供了附加功率。更特别地是，燃料电池组经由DC电压总线线路向牵引电动机及其它车辆系统提供了功率以用于车辆操作。在那些需要附加功率超出电池组可以提供的功率期间，诸如在巨大加速度期间，电池向电压总线线路提供了附加功率。例如，燃料电池组可以提供70kW的功率。然而，车辆加速度可能要求100kW或更多的功率。使用燃料电池组来在燃料电池组能够满足系统功率需求的那些时间为电池重新充电。在再生制动期间可从牵引电动机获得的发电机功率也用于经由DC总线为电池重新充电。

在上述混合动力型车辆中，典型情况下需要双向的DC/DC转换器来提升来自电池的DC电压以便使电池电压匹配由电池组电压所规定的总线线路电压并且在电池重新充电期间降低所述电池组电压。然而，DC/DC转换器相对较大、昂贵且沉重，这是明显的缺点。因此希望从包括附加电源的燃料电池车辆中去除DC/DC转换器。

在工业中存在各种尝试通过提供能够在燃料电池组的操作情况下处理较大的燃料电池电压摆动来消除在燃料电池供电的混合动力型车辆中的DC/DC转换器。在一个已知的系统中，超电容器(也被称为超级电容器和双层电容器)被用为附加电源。然而，超电容器由于其与电池相比较而言的低能容量而受到其可以放电多少的限制。超电容器还要求用于在系统启动时提升电容器电压的供电设备。还使用确定类型的电池来消除车辆燃料电池系统中的DC/DC转换器。然而，这些系统还受到使电池在确定电平以上放电的能力的限制。换句话说，作为在系统操作期间DC总线上大电压摆动的结果，这些类型的电池可能会被损坏。

于____________提交的、并且分配给本申请受让人的美国专利申请序号(代理人概要号GP-304895)题目为DC/DC-Less Couplingof Matched Batteries to Fuel Cells公开了一种所建议的系统，用于去除燃料电池混合动力型车辆中的DC/DC转换器。此系统使用匹配的电池，其电压输出在整个电压操作范围内与DC总线线路相匹配。然而在此设计中，对于诸如NiMH电池之类的现有技术的电池的当前状态来说，在车辆操作期间电池充电状态(SOC)摆动可能导致缩短电池寿命。例如，电池SOC摆动可能在其最低放电点的20％容量和在其最高充电点的80％容量之间，产生了60％的SOC摆动。当电池在这种大SOC摆动上循环时，电池寿命可能被显著地减少。

发明内容

依照本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其使用彼此串联并且与电源总线上的燃料电池组并联电耦合的超级电容器和电池。在一个实施例中，超级电容器的额定功率和能量显著地小于电池的额定功率和能量，而二者被额定为用于相同的电流。当在系统操作期间电源总线上的电压随着电池组电压改变而改变时，超级电容器在相对较大的电压摆动(诸如85％SOC摆动)上被充电和放电。超级电容器均衡或匹配电源总线上的电压变化，其被电池组电压设置为电池的电压。因此，电池具有相对小的SOC摆动，其减少其SOC循环并且用于维持电池寿命。所述系统还可以包括与超级电容器并联电耦合的二极管，用于对电容器提供反向电压保护。

结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的附加优点和特征将变得更加清楚。

附图说明

图1是依照本发明实施例用于混合动力型车辆的燃料电池系统的示意性框图，其中所述系统包括电池和超级电容器，用于提供电能存储系统并且不必需要DC/DC转换器。

具体实施方式

针对使用超级电容器和电池的燃料电池系统的本发明实施例的以下论述实质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，这里所描述的燃料电池系统对于燃料电池混合动力型车辆来说具有特定应用。然而，燃料电池系统除车辆应用之外还可以具有其它应用。

图1是包括燃料电池组12的燃料电池系统10的示意性框图，所述燃料电池组12具有许多串联电耦合的燃料电池20。燃料电池组12向高电压总线线路提供电功率，所述高电压总线线路这里被表示为正的总线线路16和负的总线线路18。在车辆燃料电池系统中，燃料电池组12可以包括大约400个单元20。在本申请中，燃料电池组12在全负载要求期间在总线线路16和18上提供了大约280伏，并且在低负载要求期间在总线线路16和18上提供大约400伏。这在总线线路16和18上提供了大约120伏的摆动。开关32有选择地使正的总线线路16从燃料电池组12脱离并且开关34有选择地使负的总线线路18与燃料电池组12脱离以便在关闭期间使燃料电池组12与系统10电断开连接以用于安全目的。

依照本发明，燃料电池系统10包括被串联电耦合到正的总线线路16和18的电池14和超电容器、双层电容器或超级电容器30。如下面所进一步详细描述，在系统10的操作期间超级电容器30在总线线路16和18上在相对较大的SOC电压摆动(120V)上放电和充电，并且使电池14与总线电压摆动隔离。电池14和超级电容器30组合以便提供电能存储系统(EESS)，用于在那些电池组12不能提供功率需求期间(诸如在巨大加速度期间)向总线线路16和18提供附加功率，并且当燃料电池组12不操作时向各个车辆系统提供附加功率。在一个例子中，70kW的功率由燃料电池组12提供，并且通过组合电池14和超级电容器30来提供附加30kW的功率。

通过适当地选择电池类型、电池的数目、电池14的内阻抗和电池尺寸(包括额定Ah和内电阻)来使电池14与燃料电池组12的电压输出相匹配，使得电池14不会被过度充电或过度放电。对于这里所描述的目的，电池14可以是任何适当的可充电电池，诸如锂离子(Li-ion)电池、镍金属氢化物(NiMH)电池和铅酸电池。超级电容器30被匹配和选择以便处理燃料电池系统电压摆动(额定电容量电压capvoltage rating)并且限制电池SOC摆动(额定电容量法拉cap Faradrating)。

开关36有选择地使电池14和超级电容器30从负的总线线路18脱离并且开关38有选择地使所述电池14和超级电容器30与正的总线线路16脱离以便在关闭期间使所述电池14和超级电容器30与系统10电断开连接以用于安全目的。与超级电容器30并联电耦合的可选旁路二极管40提供了反向电压保护。特别地是，如果电容器30的顶端开始比所述电容器30的底端更加去往负向，那么二极管40开始在电容器30周围提供电流旁路。

位于正的总线线路16中的阻塞二极管44防止电流流回到燃料电池组12中。燃料电池系统10可能包括各种传感器等，用于监视电池14和超级电容器30的温度以及所述电池14和超级电容器30的充电状态。按照这里的论述，控制器50控制开关32、34、36和38以及其它系统设备。

燃料电池系统10包括与总线线路16和18以及AC或DC牵引电动机24电耦合的功率变换器模块(PIM)22。PIM 22把总线线路上的DC电压转换为适于AC牵引电动机24的AC电压。牵引电动机24提供了用于操作车辆的牵引功率，如在本领域中所公知。对于这里所描述的目的，牵引电动机24可以是任何适当的电动机，诸如AC感应电动机、AC永磁电动机和AC三相同步机。在牵引电动机24作为发电机操作的再生制动期间，来自电动机24的电AC电源被PIM 22转换为DC电源，其然后被施加到总线线路16和18以便使电池14和电容器30被重新充电。阻塞二极管44防止被施加到总线线路16和18的再生电能流入燃料电池组12，否则这可能会损坏电池组12。

燃料电池系统10还包括与总线线路16和18电耦合的电源管理和分送(PMD)系统26，用于在车辆中把总线线路16和18上的高压电力转换为适于辅助部件28(诸如灯、暖气等)的较低DC电压或AC电压。

超级电容器30通过提供在电池组12和电池14之间匹配的电压来在系统10操作期间均衡电池组12的电压变化。当诸如牵引电动机24之类的车辆系统例如在车辆空闲期间从电源总线16和18提取最小电力时，总线线路16和18上的电压根据电池组电压为高(400V)。随着车辆功率需求增加，在线路16和18上的电势降低。在已知的系统中，DC/DC转换器使电池14的电压匹配总线线路16和18上的电压，这是因为其改变以便防止电池14的大SOC摆动。如上所述通过去除DC/DC转换器并且提供超级电容器30，超级电容器30遭受很大的充电摆动状态，从而提供了电压匹配并且使电池14远离电压摆动。对于理想电容器来说，SOC和电压有直接关系，其中SOC＝V_actual/V_max，并且所述电压还直接取决于在电容器30中所存储的电荷量，V＝Q/C(Q＝电荷[As]，C＝电容[F])。

在一个实施例中，电池14的开路电压(OCV)大约为280伏并且超级电容器30的电压当充满电时大约为120伏。因此，超级电容器30和电池14的电压的组合在提供电压匹配的低功率需求期间大约与电池组电压相同。随着系统10的功率需求增加并且电池组电压降低，超级电容器30开始放电，其电压降低。电池14上的电压会留在与减去跨过电池电阻的电压降几乎相同。当系统10上的功率需求处于最大时，电池组电压大约为280伏，并且超级电容器30上的电压变为完全放电状态。在此情况下，电池组电压匹配电池14的280伏。电池14通过经由二极管40分路电流仍然可以用于车辆启动和关闭，即便电容器30已经为空。因此，系统10得益于超级电容器30提供大电压以及限定的SOC摆动的能力和电池14的大能量。

在一个实施例中，电池14提供系统10所需要附加功率的大约2/3，并且超级电容器30提供所述附加功率的大约1/3。例如，如果电池组12提供70kW的功率，那么电池14可以提供20kW的功率并且超级电容器30可以提供10kW的功率以便达到系统10所想要的100kW。另外，电池14可以具有大约20％的SOC摆动，并且电容器30可以具有大约85％的SOC摆动。超级电容器的额定功率和能量还显著地小于电池的额定功率和能量，而二者被额定为用于相同的电流。

可以提供与电池14和超级电容器30串联的适当二极管/接触器/电阻器(未示出)以免电池14和电容器30过量充电或过载电流。此外，电池14可以用于系统10的启动和关闭，即使当电容器30为空时也是如此。如果两个存储系统具有不同的自放电特性的话，那么分别与电容器30或电池14并联的开关电阻器52和54可以用来提供电池14或电容器30的长期SOC均衡。

以上论述仅仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员根据这类论述和附图以及权利要求可以容易地认识到，在不脱离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、修改和变化。