燃料电池的电力网设备及其控制方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年7月13日提交的韩国申请No.10-2022-0086500的权益，该申请在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的电力网(power net)设备及其控制方法，更具体地，涉及能够减小电力网设备的体积和成本的技术。

背景技术

燃料电池通过使用分别从氢气供应装置和空气供应装置供应的氢气和氧气的氧化还原反应将化学能转化为电能，燃料电池包括产生电能的燃料电池堆和用于冷却该燃料电池堆的冷却系统。

如图1所示，常规的电力网设备包括燃料电池11、输入滤波器12、转换器13、超级电容器14、逆变器15和电机16，并且燃料电池11和超级电容器14并联连接。

这样，在常规的并联连接中，超级电容器14的电压和燃料电池11的电压应当各自被升压到逆变器驱动电压，并且因此超级电容器14还需要高耐受电压。因此，超级电容器14内的单元的数量增加，从而增加了电力网设备的体积和成本。

此外，由于燃料电池11和超级电容器14的并联结构，超级电容器14可能仅放电至燃料电池11的电压，因此使用超级电容器14的效率低。

在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，因此，它可能包含不构成本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

实施方式提供一种用于燃料电池的电力网设备及其控制方法，其能够通过减小燃料电池电动车辆中的超级电容器的体积来减小车辆的重量和成本，并提高超级电容器的使用效率。

实施方式提供一种用于燃料电池电动车辆的电力网设备，包括：燃料电池，配置为向车辆的逆变器供电；超级电容器，配置为辅助燃料电池；双向转换器，配置为对燃料电池和超级电容器进行充放电；以及控制器，配置为通过根据用于驱动车辆的逆变器所需电流控制超级电容器被充放电以辅助燃料电池来驱动车辆。

在本发明的示例性实施方式中，燃料电池和超级电容器可以串联连接。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为通过将燃料电池的电压和超级电容器的电压求和来确定用于驱动车辆的电压。

在本发明的示例性实施方式中，双向转换器可以包括第一开关以及与第一开关串联连接的第二开关。

在本发明的示例性实施方式中，第一开关和第二开关可以与燃料电池和超级电容器并联连接。

在本发明的示例性实施方式中，双向转换器可以配置为作为降压转换器或升压转换器操作。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为在驱动车辆之前以预充电模式执行操作以对超级电容器充电。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为控制双向转换器以作为升压转换器操作，从而通过控制燃料电池的电流来对超级电容器充电。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为确定：根据车辆的逆变器所需电流通过使用燃料电池来驱动车辆的稳态模式，通过使用燃料电池和超级电容器两者来驱动车辆的峰值负载模式，以及通过使用在再生制动期间生成的电力来对超级电容器充电的再生模式。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为确定逆变器所需电流是否等于或大于燃料电池的预定最大电流值，并且当逆变器所需电流等于或大于燃料电池的预定最大电流值时，在多个峰值负载模式中的重峰值模式下操作逆变器。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为接通和断开第一开关以将双向转换器操作为降压转换器，以限制燃料电池的电流并使超级电容器放电。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为通过将超级电容器放电到最低操作电压来降低超级电容器的电压。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为：当将通过将燃料电池两端的电压除以输出电压而获得的值乘以燃料电池的最大电流值而获得的值小于或等于逆变器所需电流时，在多个峰值负载模式中的轻峰值负载模式下执行操作，逆变器所需电流小于燃料电池的最大电流值；以及通过接通和断开第二开关来将双向转换器操作为升压转换器。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为：当逆变器所需电流大于0且小于将燃料电池两端的电压除以输出电压而获得的值乘以燃料电池的最大电流值而获得的值时，在稳态模式下执行操作；以及通过接通和断开第二开关来将双向转换器操作为升压转换器。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为：当在稳态模式下执行操作时控制燃料电池的输出电流以对超级电容器充电；以及当超级电容器达到额定电压时，通过恒流恒压(CCCV)控制来控制燃料电池的电流不超过预定最大电流值。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为：当逆变器所需电流小于0时，在再生模式下执行操作以限制燃料电池的电流；通过使用在再生制动期间生成的电力来对超级电容器充电；以及通过接通和断开第一开关来将双向转换器操作为降压转换器。

在本发明的示例性实施方式中，还可以包括在第一开关和第二开关之间的节点与燃料电池和超级电容器之间的节点之间的电感器。

在本发明的示例性实施方式中，控制器可以配置为：通过使用流过电感器的电流来控制燃料电池的输出电流。

本发明的示例性实施方式提供了一种用于燃料电池车辆的电力网设备的控制方法，电力网设备包括：配置为向车辆的逆变器供电的燃料电池；配置为辅助燃料电池的超级电容器；配置为对燃料电池和超级电容器进行充放电的双向转换器，方法包括：由控制器通过根据用于驱动车辆的逆变器所需电流控制超级电容器被充放电以辅助燃料电池来驱动车辆。

在本发明的示例性实施方式中，还可以包括：由控制器在驱动车辆之前以预充电模式执行操作以对超级电容器充电；以及由控制器确定：根据逆变器所需电流通过使用燃料电池来驱动车辆的稳态模式，通过使用燃料电池和超级电容器两者来驱动车辆的峰值负载模式，以及通过使用在再生制动期间生成的电力来对超级电容器充电的再生模式。

实施方式能够通过减小燃料电池电动车辆中的超级电容器的体积来减小车辆的重量和成本并提高超级电容器的使用效率。

此外，各种实施方式提供了可通过本文直接或间接识别的效果。

附图说明

图1示出常规氢燃料电池电动车辆的电力网设备的配置图；

图2示出氢燃料电池电动车辆的电力网设备的配置图；

图3示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的预充电模式、稳态模式和轻峰值负载模式中的每一个的操作方法的视图；

图4示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的用于控制重峰值负载模式的操作的方法的视图；

图5示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的用于控制再生模式的操作的方法的视图；

图6示出示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池电动车辆的电力网控制方法的流程图；以及

图7示出根据本发明的示例性实施方式的计算系统。

具体实施方式

在下文中，将参考示例性附图详细描述本发明的一些示例性实施方式。应当注意，在将附图标记添加到每个附图的组成元件时，相同的组成元件具有尽可能相同的附图标记，即使它们在不同的附图上指示。此外，在描述本发明的示例性实施方式时，当确定相关公知配置或功能的详细描述干扰对本发明的示例性实施方式的理解时，将省略其详细描述。

在描述根据本发明的示例性实施方式的组成元件时，可以使用诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语。这些术语仅用于将组成元件与其它组成元件区分开，并且组成元件的性质、顺序或次序不受这些术语的限制。此外，本文使用的所有术语(包括技术科学术语)具有与本发明的示例性实施方式所属的技术领域的技术人员(本领域技术人员)通常理解的那些相同的含义，除非它们被不同地定义。在通常使用的字典中定义的术语应当被解释为具有与相关技术的上下文中的那些含义相匹配的含义，并且不应当被解释为具有理想化的或过度正式的含义，除非它们在本说明书中被明确地定义。

在下文中，将参考图2至图7详细描述本发明的各种示例性实施方式。

图2示出根据本发明的实施方式的氢燃料电池电动车辆的电力网设备的配置图。

根据本发明的示例性实施方式的电力网设备100可以在车辆的车辆路径内实现。在这种情况下，用于燃料电池电动车辆的电力网设备100可以与车辆的内部控制单元一体地形成，或者可以实现为通过单独的连接装置连接到车辆的控制单元的单独装置。

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100可以通过将燃料电池和超级电容器串联连接并包括它们来根据逆变器所需电流将超级电容器的电压降低燃料电池的电压。此外，由于超级电容器可以放电到最低操作电压，因此可以提高使用效率。结果，可以降低超级电容器的电压以减少单元的数量，并且可以降低超级电容器的充电电压以减少初始充电期间的浪涌电流现象。

此外，电力网设备100可以通过包括单个的双向转换器103而不是用于氢燃料电池的单向DC/DC转换器和用于对超级电容器充放电的双向DC/DC转换器，使体积最小化。即，通过串联连接燃料电池101和超级电容器102并用一个双向转换器103(DC/DC转换器)对超级电容器102充电和放电，电力网设备100可以提供驱动车辆所需的电力。

参考图2，根据本发明的示例性实施方式的用于氢燃料电池车辆的电力网设备100可包括燃料电池101、超级电容器102、双向转换器103、逆变器104、电机105、电感器L

燃料电池101和超级电容器102串联连接以向逆变器104提供电力。

串联连接的电容器C

双向转换器103转换电力，并且在本发明中，其可以由降压转换器(buckconverter)或升压转换器(booost converter)驱动。在这种情况下，降压转换器是DC-DC开关模式电源，用于稳定未经调节的DC电源的输入电压以将其降压(buck)或下降(stepdown)到较低的输出电压，并且也被称为下降转换器(step-down converter)。降压转换器可以按原样输出大部分的输入电力。升压转换器是DC-DC开关模式电源，用于稳定未经调节的DC电源的输入电压以将其升压(boost)或升高(increase)到较低的输出电压，并且被称为升高转换器(step-up converter)。

双向转换器103可以包括串联连接的开关S

开关S

燃料电池101与超级电容器102串联连接，使得驱动车辆所需的输出电压V

因此，对于驱动车辆所需的电压V

此外，根据本发明，双向转换器103控制燃料电池101的电流I

在这种情况下，升压拓扑可以根据车辆的操作而不同地操作。即，用于燃料电池电动车辆的电力网设备100可以根据逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100通过以PWM方法通过开关S

预充电模式是在驱动车辆之前对超级电容器102充电的操作模式，并且用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的双向转换器103作为升压转换器操作以控制燃料电池101的电流并对超级电容器102充电。

稳态模式是车辆仅由燃料电池101驱动的操作模式，并且双向转换器103作为升压转换器操作以使用燃料电池101中的驱动之后的剩余电力对超级电容器102充电。

峰值模式是通过使用燃料电池101和超级电容器102两者来驱动车辆的操作模式，并且当需要来自车辆的逆变器的高电流时，它是通过使用超级电容器102来补偿燃料电池101的不足电流的操作。

在这种情况下，在轻峰值负载模式下，双向转换器103作为升压转换器工作，而在重峰值负载模式下，双向转换器103作为降压转换器工作，以限制燃料电池101的电流并使超级电容器102放电。

再生模式是使用在再生制动期间产生的电力对超级电容器102充电的操作模式，并且双向转换器103作为降压转换器操作以限制电流，使得电流不在燃料电池101中流动并且使用在再生制动期间产生的电力对超级电容器102充电。

在这种情况下，在除了预充电模式之外的模式中，可以基于逆变器所需电流I

此外，双向转换器103可以实现为升压转换器、降压转换器等，并且可以使用其他拓扑对超级电容器102充电或放电。在这种情况下，用于控制燃料电池101的电流的I

逆变器104驱动电机105以使得车辆的车轮旋转。

控制器200可以电连接到用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的内部部件，可以电控制每个部件，并且可以是执行软件命令的电路，从而执行下面描述的各种数据处理和计算。

控制器200可以以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式实现。例如，控制器40可以实现为微处理器，但是本发明不限于此。控制器200可以是例如电子控制单元(ECU)、微控制器单元(MCU)或安装在车辆中的其他子控制器。

控制器200可以在驱动车辆之前在预充电模式下操作以对超级电容器102充电。

控制器200可以通过将双向转换器103操作为升压转换器通过控制燃料电池101的电流来对超级电容器102充电。

控制器200可以确定：根据逆变器所需电流通过使用燃料电池来驱动车辆的稳态模式，通过使用燃料电池和超级电容器102两者来驱动车辆的峰值负载模式，以及通过使用再生制动期间产生的电力来对超级电容器102充电的再生模式。

控制器200可以确定逆变器所需电流是否等于或大于燃料电池的预定最大电流值。此外，当逆变器所需电流等于或大于燃料电池的预定最大电流值时，控制器200可以在峰值负载模式中的重峰值模式下执行操作。

控制器200可以接通和断开第一开关S

控制器200可以通过将超级电容器102放电到最低操作电压来降低超级电容器102的电压。

当将通过将燃料电池两端的电压除以输出电压而获得的值乘以燃料电池的最大电流值而获得的值小于或等于逆变器所需电流，并且逆变器所需电流小于燃料电池的最大电流值时，控制器200可以在峰值负载模式中的轻峰值负载模式下执行操作。另外，控制器200可以接通和断开第二开关S

当逆变器所需电流大于0且小于通过将通过将燃料电池两端的电压除以输出电压而获得的值乘以燃料电池的最大电流值而获得的值时，控制器200可以在稳态模式下执行操作，并且可以通过接通和断开第二开关将双向转换器103操作为升压转换器。

当在稳态模式下执行操作时，控制器200可以控制燃料电池101的输出电流以对超级电容器102充电，并且当超级电容器102达到额定电压时，控制器200可以通过恒流恒压(CCCV)控制来控制燃料电池101的电流不超过预定最大电流值。

当逆变器所需电流小于0时，控制器200可以在再生模式下执行操作以限制燃料电池的电流，并且可以通过使用在再生制动期间产生的电力来对超级电容器102充电，并且接通和断开第一开关以将双向转换器103操作为降压转换器。

控制器200可以通过使用流过电感器的电流来控制燃料电池的输出电流。

图3示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的预充电模式、稳态模式和轻峰值负载模式中的每一种的操作方法的视图。即，将对升压转换器操作时每种车辆控制模式的操作方法进行说明。

参考图3，预充电模式是在车辆刚刚启动之后且在驱动车辆之前没有逆变器所需电流时用燃料电池101对超级电容器102充电的操作。用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的双向转换器103在开关S

稳态模式是驱动车辆之后当逆变器104所需电流仅由燃料电池101电流满足时，通过剩余电流对超级电容器102充电的操作。用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的双向转换器103通过开关S

当在车辆加速期间逆变器所需电流I

控制器300计算通过将超级电容器两端的电压V

另外，控制器300计算通过将燃料电池电流I

控制器300从输出值e1和e2中选择最小值“e”(303)，并通过使用最小值e向开关S

图4示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的用于控制重峰值负载模式的操作的方法的视图。

参考图4，重峰值负载模式指示在驱动车辆之后在加速期间当逆变器所需电流I

通过使用流过电感器L

(等式1)

(等式2)

I

(等式3)

I

等式4和等式5可以通过等式1、等式2和等式3导出。V

当I

(等式4)

(等式5)

I

当根据时间t设置等式4时，它与下面的等式6相同，而当根据时间t设置等式5时，它与下面的等式7相同。

(等式6)

(等式7)

I

控制器400将逆变器所需电流I

图5示出用于描述根据本发明的示例性实施方式的用于控制再生模式的操作的方法的视图。

参考图5，再生模式指示当车辆减速或下坡行驶时通过由电机的再生制动产生的电力对超级电容器102充电的操作。用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的双向转换器103可以断开开关S

通过使用流过电感器L

(等式8)

I

可以使用等式1和8导出等式10。

(等式9)

用于控制在电感器L

(等式10)

控制器500将逆变器所需电流I

在下文中，将参考图6详细描述根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池车辆的电力网控制方法。图6所示为示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池电动车辆的电力网控制方法的流程图。

提供用于燃料电池电动车辆的电力网设备100的标准，以通过根据逆变器所需电流I

在下文中，假设图2的电力网控制设备100执行图6的过程。此外，在图6的描述中，描述为由装置执行的操作可以理解为由用于燃料电池电动车辆的电力网控制设备100的控制器200控制。

参见图6，当车辆启动时(S101)，用于燃料电池电动车辆的电力网设备100开始被驱动(S102)。

在车辆移动之前，即在产生逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100可以测量逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100确定逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100确定在步骤S104中测量的逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100确定在步骤S104中测量的逆变器所需电流I

用于燃料电池电动车辆的电力网设备100确定在步骤S104中测量的逆变器所需电流I

当逆变器所需电流I

这样，根据本发明，逆变器所需电流可以通过将燃料电池101和超级电容器102串联而不是并联来由燃料电池101和超级电容器102的总和形成。当燃料电池101和超级电容器102串联连接时，超级电容器102的电压可以为逆变器驱动电压减去燃料电池101的电压。

此外，通过串联连接燃料电池101和超级电容器102，超级电容器102可以放电到最低操作电压，从而提高使用效率。

此外，可以降低超级电容器102的电压以减少超级电容器102中的单元的数量，从而减小超级电容器102的体积和成本。此外，可以降低超级电容器102的充电电压以减少初始充电期间的浪涌电流现象。

图7示出根据本发明的示例性实施方式的计算系统。

参考图7，计算系统1000包括通过总线1200连接的至少一个处理器1100、存储器1300、用户接口输入装置1400、用户接口输出装置1500、存储装置1600以及网络接口1700。

处理器1100可以是对存储在存储器1300和/或存储装置1600中的命令执行处理的中央处理单元(CPU)或半导体器件。存储器1300和存储装置1600可以包括各种类型的易失性或非易失性存储介质。例如，存储器1300可以包括只读存储器(ROM)1310和随机存取存储器(RAM)1320。

因此，结合本文所公开的示例性实施方式描述的方法或算法的步骤(由处理器1100执行)可由硬件、软件模块或两者的组合直接实施。软件模块可以驻留在诸如RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘和CD-ROM的存储介质(即，存储器1300和/或存储装置1600)中。

示例性存储介质耦合到处理器1100，其可从存储介质读取信息并将信息写入到存储介质。替代性地，存储介质可与处理器1100集成。处理器和存储介质可以驻留在专用集成电路(ASIC)内。ASIC可以驻留在用户终端内。替代性地，处理器和存储介质可以作为单独的部件驻留在用户终端内。

以上描述仅仅说明了本发明的技术思想，并且本发明所属领域的技术人员可以在不脱离本发明的基本特征的情况下做出各种修改和变化。

因此，在本发明中公开的示例性实施方式不旨在限制本发明的技术思想，而是对其进行解释，并且本发明的技术思想的范围不受这些示例性实施方式的限制。本发明的保护范围应由所附权利要求解释，并且在等效范围内的所有技术思想应解释为包括在本发明的范围内。

虽然已经参考说明性实施方式描述了本发明，但是该描述不旨在以限制的意义来解释。本领域技术人员在参考说明书后将理解说明性实施方式的各种修改和组合以及本发明的其它实施方式。因此，所附权利要求旨在涵盖任何此类修改或实施方式。