CN1717832A

CN1717832A - 燃料电池系统及控制方法

Info

Publication number: CN1717832A
Application number: CNA2004800015694A
Authority: CN
Inventors: 麻生刚
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2006-01-04
Also published as: EP1565956A1; US20060088738A1; KR20050085927A; JP2004342461A; WO2004102720A1

Abstract

在正常控制(CP)期间，其具有供应燃料(Fg)的燃料供应(3)、供应氧化剂(Og)的空气供应(3)、使用供应的燃料和氧化剂产生电能的燃料电池堆(1)、作为可充电和放电操作的二次电池的电池(7)，以及从电池堆向主要负载(5)分配电能、并且可以从电池堆向电池以及从电池向负载分配电能的电力分配器(4)，在电池堆起动和电池预热后，控制器(8)在可能的发电(Gp)降低时用于升高电池堆的温度(Ts)，并且在可能的充电(Cp)或者可能的放电(Dp)降低时用于升高电池的温度(Tb)，从而即使在连续的低输出条件下，也能维持向负载稳定的电能供应。

Description

燃料电池系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统和相关的控制方法，并且具体地说涉及安装在车辆上的燃料电池系统(例如燃料电池汽车或火车)，用于向一组电学负载供应电能，包括车辆驱动马达和燃料电池堆的外围设备，以及相关的控制方法。

背景技术

日本专利申请特许公开申请第9-231991号已经公开了用于向包括驱动马达和电池堆外围设备的一组电学负载正常供应电能的燃料电池系统的技术。

为了应付在只允许产生降低电能的低温条件下对燃料电池堆过多电能的需求，燃料电池系统被修改成向马达供应充电电池(二次电池)的电能，控制低输出发电的电池堆从那里简单地向可由低电流驱动的外围设备和小负载供应电能。

发明内容

但是，在电池堆具有低温条件的可能的大多数的情况中，电池也会有充电和放电性能降低的低温情况。因此，电池中储备的能量是有限的，结果不能向马达供应充足的电能。

举例来说，在完全预热后的燃料电池车辆中，因为在寒冷的空气中车辆停下来或者以低速行驶，电池以及电池堆可能经历温度下降。更不用说，在预热期间电池堆的发电控制得较低，结果趋向于花费长的预热时间。

甚至在以预热的电池堆和电池行驶中，马达可能需要低的电能，要求电池堆输出低功率。对于电池，所需输出也可能是低的。这种需求可能维持室外的低温。因此电池堆和/或电池具有逐渐降低的温度，从中可获得的输出同等地降低。

出于这种观点考虑，做出本发明。因此，本发明的一个目标是提供一种燃料电池系统和相关的控制方法，其允许燃料电池和二次电池每个分别适应于向一组相关负载稳定地供应电能，甚至在系统完成起动后维持低输出的条件下。

根据本发明的一个方面，燃料电池系统包括燃料电池、与燃料电池连接的电力分配器，以及与电力分配器连接的二次电池的组合、与电力分配器连接的负载组，以及控制器，在燃料电池的起动完成和二次电池预热后，在从电力分配器向负载组分配电能期间，所述控制器在燃料电池不能满足其服务的第一标准时升高燃料电池的温度，并且在二次电池不能满足其服务的第二标准时升高二次电池的温度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，所述系统包括燃料电池、与燃料电池连接的电力分配器，以及与电力分配器连接的二次电池的组合、与电力分配器连接的负载组，该控制方法包括：在燃料电池的起动完成和二次电池预热后，在从电力分配器向负载组分配电能期间，在燃料电池不能满足其服务的第一标准时升高燃料电池的温度，并且在二次电池不能满足其服务的第二标准时升高二次电池的温度。

当结合附图阅读时，本发明的上述和其它目标，以及其功能和作用将从下面实施本发明的最佳方式变得完全明显。

附图说明

图1是根据本发明实施方案的燃料电池系统的示意方框图。

图2是图1燃料电池系统的详细方框图。

图3是图1燃料电池系统的燃料电池堆控制过程的流程图。

图4是图1燃料电池系统的电池控制过程的流程图。

图5是具有根据本发明另一个实施方案的燃料电池系统的燃料电池车辆的纵向剖视图。

图6是图5燃料电池系统的电池控制过程的流程图。

图7是图5燃料电池系统的电池另一个控制过程的流程图。

具体实施方式

下面参照附图详述本发明优选的实施方案。相同的元件由相同的参考符号表示。

第一实施方案

参考图1至4，有时参照图5，作为最佳方式，说明根据本发明第一实施方案的燃料电池系统FS。

(燃料电池系统)

图1是燃料电池系统FS的方框图，并且图2是具有基本电路的同一个图的详图。图5是燃料电池车辆V的纵向部分，在其上面安装了根据本发明第二实施方案的燃料电池系统FSr，该系统被配置为第一实施方案的燃料电池系统FS与一组后面描述的附加元件(例如电池室冷却空气扇72和回气阀74)的组合。

燃料电池系统FS具有燃料电池堆1(图1，2，5)，被配置成用从氢气供应2(图1)供应的气态燃料Fg(图1，2)和从空气供应3(图1)供应的气态氧化剂Og(图1，2)产生并供应电能的电能供应装置。

燃料电池系统FS被安装在作为燃料电池电动马达驱动的汽车的车辆V(图5)上，并且借助其电能供应线SL(图1，2)，燃料电池堆1正常适于向车辆中的整个相关电学负载组WL(图1)供应足够的电能。整个负载组WL被分成：

作为系统FS内部负载(下文有时统称为“内部负载”)IL(图1，2)的电池堆外围设备组(例如氢气供应2、空气供应3、冷却剂和热介质(下文中简称“冷却剂”)Wc的再循环管线L4、未显示的纯水供应线、电力分配器4，以及图1-2的系统控制器8)；及

相对于系统FS，作为外部负载(下文有时统称为“外部负载”)EL(图1，2)的车辆组件组(例如作为主要负载的驱动马达5、图1-2的加热器6，以及图5的空调65)。

内部负载IL和某些外部负载(例如加热器6和带有散热器和风扇的空调65)用于支持电池堆1的操作，因此在本发明中使用时，它们有时被称作“辅助设备”。注意使用加热器6来加热再循环管线L4的冷却剂Wc，并且在某种意义上其组成内部负载IL。所述辅助设备被分成：

作为主要或者相对可变的内部负载(即图2的空气压缩机15)工作的第一类型；

作为次要或者相对不可变的内部负载(即空气压缩机15以外的内部负载IL，例如冷却剂Wc的泵16、散热器18的冷却扇19、电力分配器4的反相器)工作的第二种类型；

用作向电池堆1供应热的外部负载(即加热器6)的第三种类型；

用作向电池7供应热的外部负载(即空调65)的第四种类型。

外部负载EL分成：

主要或者有影响的负载(下文简称“负载”)5(图1，2)，其在本实施方案中指用来驱动车辆V的驱动马达(在图5的马达外壳50中安装)，但是可以附加覆盖其它；

一组构成辅助设备的一部分的电池堆或电池加热元件(即加热器6和空调65)；及

一组耗电的其它元件，作为外部负载EL的一部分。

电池堆1是层状单元电池和作为框架部件的电池隔板的层叠体。每个单元电池在相邻的隔板之间形成膜电极组件MEA(图2)，并且配备一对相对的氢气和空气电极1a，1b(图2)，以及位于电极1a，1b之间的固体高聚物电解质膜1c(图2)。

为了发电，用干的或者加湿的氢气作为燃料Fg供应氢气电极1a，并且用包含氧气的干的或者加湿的空气作为氧化剂Og供应空气电极1b。每个电极1a，1b可以按照需要通过作为冷却剂Wc(图2)供应给每个电池隔板中的冷却剂管道1d(图2)网络的水来冷却(或加热)。

注意对于电池堆1的外部连接，每个电极1a或1b(以及任何相关的流体路径或检测信号导线)被连接到，并且为如图2所示的共用的(在并联情况中)、端点的(在串联情况中)，或者典型的(在信号的情况下)连接，例如：

(端点)阳极连接1f，及(端点)阴极连接1g；

(典型的)温度信号连接1h；及

(共用)燃料供应连接1p，(共用)空气供应连接1q，(共用)冷却剂供应连接1r，(共用)未用燃料收集连接1s，(共用)废气收集连接1t和(共用)冷却剂收集连接1u。

如图2所示，氢气供应2包括与氢气罐11连接的氢气供应管线L1，所述管线L1具有氢气压力控制阀12和一组安装在压力控制阀12下游的喷射器13。压力控制阀12具有阀动器14，作为由来自系统控制器8(图1，2)的一组流体控制命令(下文统称为“流体控制命令”或者简称“命令”)CTf的相应命令控制的打开调节器。喷射器组13也可以由流体控制命令CTf来控制。

沿着供应管线L1，通过控制其压力的控制阀12，并且通过与借助返回管线L2从氢气收集连接1s返回的未用氢气相伴随的喷射器组13(图2)，储存在罐11中的高压氢气被作为燃料Fg供应给每个氢气电极1a。未用燃料收集连接1s具有通过流体控制命令CTf控制的，从而在需要时进行电池堆1氢气净化的净化阀(未显示)。

如图2所示，空气供应3包括与适于压缩大气的空气压缩机15连接，输送压缩空气的空气供应管线L3。所述空气在控制的压力下，以控制的流速作为氧化剂Og供应给每个空气电极1b，因此，流体控制命令CTf控制马达的rpm(每分钟转速)和压缩机15的转矩。空气收集连接1t具有空气压力控制阀(未显示)，其打开也由流体控制命令CTf来控制。

如图2所示，电池堆1提供有用来再循环冷却剂Wc通过电池堆1的冷却剂再循环管线L4。再循环管线L4包括冷却剂再循环泵16、带有冷却扇19的散热器18，以及可以绕过散热器18，进入旁路通道操作的三通阀17，其中冷却剂Wc可以通过加热器6直接或者间接地加热。流体控制命令CTf控制泵16的开-关转换，输送流和压力，以及阀17的端口选择和风扇19的rpm，从而调节冷却剂Wc的温度。

上述四个流体管线L1至L4都与电池堆1相关，并且可以具有各自的管线阀，例如供应总管、电磁关闭阀和安全阀，以及各种管线控制，所述阀也可以由流体控制命令CTf控制。电池堆1具有其自身的外围设备(包括四个流体管线L1至L4)，每个都可以由一组电池堆外围控制命令(下文统称“外围控制命令”或者简称“命令”)CT1(图2)分别控制，使得命令CT1 命令CTf。

燃料电池系统FS包括以下组合：作为用于电能储备的二次电池或者作为用于电能蓄积的蓄电池的电池7；以及安装在电池堆1的供电管线SL中并且全部由控制器8的电力分配器控制命令CT2(图2)控制的电力分配器4(图1，2)。注意电能等于电功率的时间积分。如果电池堆1的供电不足以分配，电力分配器4使电池7放电，取出储备的电能。

在控制器8的控制下，配置电力分配器4和电池7的组合，在某种意义上用作以蓄积的方式泵取能量(或者供能的电子)的能量泵EP(图1，2)，其允许延迟或者定时控制的能量供应具有线性或非线性的数量变化。

为了有效地服务，电池7可以具有I/O(输入/输出)电路或者安装在大量并联电池堆单元装置及其一对正极(+)和负极(-)接线端之间的并-串联转换连接，并且适于通过来自控制器8的电池控制命令CT3(图2)来控制，从而分别改变充电/放电电流和/或(+)接线端上和/或(+)和(-)接线端之间的电压。

电力分配器4具有大量具有(+)或(-)极性的接线端L，例如与电池7相连的(+)和(-)接线端对、用于向外部负载EL配电的共用(-)线的(-)接线端、共用(+)线的(+)接线端，以及用于向内部负载IL配电的共用(+)线的(+)接线端。

电力分配器4控制能量流动的交往，从而从电池堆1按照需要向内部负载IL(具有流体管线L1至L4的电池堆外围设备、控制器8、电力分配器4自身、电池I/O电路或者如果需要，转换连接等)和外部负载EL(负载5、加热器6、空调65等)分配供应的能量，同时在电池7中储备过剩的能量。

对于内部负载IL通过三个控制命令CT1至CT3相应的一个，或者通过一组外部负载控制命令(下文统称“外部负载控制命令”或者简称“命令”)CTe(图2)中相应的一个命令来分别控制单独向内部或者外部负载IL或EL供电。

如图2所示，燃料电池系统FS具有检测相关系统组件、流体和车辆组件的电流状况的检测系统DS，例如：

电池堆1的工作状况，包括通过阴极连接1g的输出电流Io、阳极和阴极连接1f，1g之间的输出电压Vo，以及作为电池堆1典型温度Tr(或者作为冷却剂Wc温度)的电池堆温度Ts；

包括流体管线L1至L4的电池堆外围设备的工作状况；

电力分配器4的工作状况；

电池7的工作状况，包括SOC(充电状态)、作为电池7典型温度的电池温度Tb、代表电池室C4中(图5)电池壳70(图5)内环境空气或电池7温度的大气温度To(图5)，以及(如果需要)电池7(+)端的充电/放电电流和/或(+)和(-)端之间的充电/放电电压；

外部负载EL的工作状况，包括代表装有空调65的车辆V的乘客室PR(图5)中空气温度的室温Ti(图5)；及

车辆组件，例如调速踏板、点火开关，以及车辆控制器的操作或者工作状况。

检测系统DS具有必要的检测器，如图2和图5所示，例如：

检测电池堆1的输出电流Io，提供电流Io的检测信号SA的电流检测器20；检测电池堆1的输出电压Vo，提供电压Vo的检测信号SV的电压检测器21；检测电池堆温度Ts，提供代表温度Ts的检测信号ST的温度检测器22；

一组检测元件(未显示)，用来检测电池堆外围设备的工作状况，提供代表这些状况的一组电池堆外围设备检测信号(下文统称“外围设备检测信号”)SG1，包括一个检测元件，用于检测四个流体管线L1至L4的工作状况，提供代表这些状况的一组流体管线检测信号(下文统称“流体管线检测信号”)SGf，从而有检测信号SG1 SGf；

一组内建检测元件(未显示)，检测电力分配器4的工作状况，提供代表这些状况的一组电力分配器检测信号(下文统称“电力分配器检测信号”)SG2；

电池状况组合检测器23(图2，5)和大气温度检测器90(图5)，用来检测SOC、电池温度Tb、大气温度To，以及(如果需要)电池7(+)端和(-)端的充电/放电电流和/或(+)和(-)端之间的充电/放电电压，提供代表这些状况的电池检测信号SG3；

一组不同的检测元件(包括图5中室温传感器66)，检测外部负载EL的工作状况(包括对室温Ti的热影响)，提供代表这些状况的外部负载检测信号SGe；及

一组必要的检测器和接口(包括调速踏板角度传感器、点火开关传感器、车速传感器，以及与车辆控制器接口)，检测车辆组件的操作或工作状况，或者接收车辆V的控制数据，获得作为外部负载检测信号SGe一部分来传输并处理的车辆信息。

电流Io的检测信号SA、电压Vo的检测信号SV，以及温度Ts的检测信号ST有时在本文中统称为“电池堆检测信号”。

明显地，电池7的I/O电路或者转换连接可以从电池7移到电力分配器4上。在此情况下，来自控制器8的电池控制命令CT3包含在电力分配器控制命令CT2中，并且电力分配器检测信号SG2取自电池检测信号SG3，并且包含电池7在(+)端和/或(+)和(-)端之间的充电/放电电流和/或充电/放电电压的信息。

就此而言，电力分配器控制命令CT2和电池控制命令CT3在本文中有时统称为“能量泵控制命令”，并且电力分配器检测信号SG2和电池检测信号SG3在本文中有时统称为“能量泵检测信号”。

燃料电池系统FS整体由系统控制器8控制，控制器8配备为具有微型计算机、存储器、接口等的数据处理器。具有必要控制程序、表格和存储在其存储器中的数据的控制器8进一步：

在其中存储各自的接口数据，包括电池堆检测信号(SA、SV、ST)、外围设备检测信号SG1(包括流体管线检测信号SGf)、EP(能量泵)检测信号(SG2、SG3)，以及外部负载检测信号SGe的数据；及

执行读出程序，按照计算、判断的需要处理这些数据和/或命令，提供外围设备控制命令CT1(包括流体管线控制命令CTf)、EP(能量泵)控制命令(CT2、CT3)和/或外部负载控制命令CTe，从而控制电池堆1的发电和能量流交往，以及能量泵EP处的能量积累，使两者适于整个负载组WL(即内部负载IL和外部负载EL)所需的供电。

可以看出用电池堆1的电能供应的能量泵EP(作为电池7和电力分配器4的组合)(即EP+1＝1+4+7)以蓄能的方式构成作为电源，用于向整个负载组WL作为电能供应电能的电能供应ES(图1，2)。

换句话说，在燃料电池系统FS中：

能量供应ES配备燃料电池(1)、与燃料电池(1)连接的电力分配器(4)，以及与电力分配器(4)连接的二次电池(7)；并且

为了高效地预热能量供应(ES)，以及向整组负载(WL)配电，从控制器(8)控制电力分配器(4)。

注意电池堆1、电力分配器4及电池7的组合(1+4+7)作为电源工作，但是为了与在内部用作电源的电池堆1区分，在本文中被称作“能量供应”ES。

为了在系统起动中控制能量供应ES，控制器8提供电池堆外围设备控制命令CT1和EP控制命令CT2+CT3，该组合有时称作“ES(能量供应)控制命令”(CT1+CT2+CT3)，等于IL(内部负载)控制命令。

因此，在起动中，检测系统DS检测电池堆1及其外围设备，提供电池堆检测信号(SA、SV、ST)及外围设备检测信号SG1，并且检测能量泵EP，提供EP检测信号SG2+SG3。所有这些信号(SA、SV、ST、SG1、SG2、SG3)统称为“ES(能量供应)检测信号”，它是电池堆检测信号(SA+SV+ST)和IL(内部负载)检测信号(SG1+SG2+SG3)的组合。

注意ES检测信号包括EL(外部负载)检测信号SGe，并且ES控制命令包括EL(外部负载)控制命令CTe，特别是在正常操作中，部分发的电能被分配给整个负载组，举例来说包括：驱动马达(5，图2)大约60％或更多、空调(65，图5)大约2％、空气压缩机(15，图2)大约1％或更少、冷却剂泵(16，图2)大约0.4％，以及例如前灯、刮水器、扫雾器、无线电等的电器约0.5％。

配置系统控制器8作为(内部-ES或者ES-外部)管理器或控制器，执行：

在燃料电池系统FS起动中控制待完全预热的电池堆1和电池7组合的“预热控制”，特别是在低温条件下，通过在电池堆1中连续或者脉冲发电，伴随着电池堆自身热量的补偿耗散，并且通过在电池7同时重复充放电循环，也伴随着电池堆自身热量的耗散；及

特别是在低温条件下，按照在系统起动后循环控制CP的每个时间间隙的需要，执行性能保障正常控制CP(图3-4)，编程来控制能量供应ES正常操作，同时保障其能量供应性能，其包括两个集中的控制程序：

“电池堆温度控制”CF1(图3)，用于为了增加自身热量的耗散，通过增加电池堆1的发电，直至可能的发电Gp(图3的步骤S3)来保持电池堆的温度Ts在阈值Th1之上(图3的步骤S2)，在负载5消耗所需的电能，以及在也产生热量的辅助设备处消耗额外的电能；及

“电池温度控制”CF2(图4)，用于为了增加自身热量的耗散，通过使电池7放电(图4的步骤S19)或充电(图4的步骤S25)来保持电池的温度Tb在阈值Th2之上(图4的步骤S12)，同时运转电池堆1和负载5，并且在也产生热量的辅助设备处消耗额外的电能。

(电池堆温度控制)

现在，参照图3说明燃料电池系统FS的电池堆温度控制CF1。

在步骤S0中，性能保障正常控制CP流程进入电池堆温度控制FC1，并且进行至步骤S1。

在步骤S1中，采样获取并存储电流CP循环的电池堆温度Ts。CP流程从步骤S1进行至判断步骤S2。

在步骤S2中，比较电池堆温度Ts与阈值Th1，判断是否Ts≤Th1。阈值Th1对应于判断在系统起动中从电池堆1向负载5开始供电，或者判断起动中电池堆1预热完成的Ts阈值。

如果Ts≤Th1，判断为‘YES’(电池堆1需要升温)，CP流程从步骤S2进行至后连续的步骤S3至S7。如果不满足Ts≤Th1，判断为‘NO’(电池堆1不需要升温)，CP流程从步骤S2进行至步骤S8，退出电池堆温度控制FC1。

该连续步骤S3至S7对应于控制CF1的核心部分，其中按照需要检查电池堆1和负载组WL(负载5和辅助设备)的状况，估计电池堆1的可能发电Gp(步骤S3)，以及负载组WL，特别是辅助设备的可能消耗(步骤S4至S7)，其中在不会影响车辆V的运动下增加电能消耗。在负载5(作为电能消耗最高的驱动马达)情况下，在负载5的输出不显著变化的情况下改变电能消耗是困难的。对于当前的发电，估计目标发电Gt(步骤S8)，作为实现当前循环中电池堆1的可能发电Gp要增加的增量。

在步骤S3中，做出估计，确定可能发电Gp，为此估计出对应于步骤S1中采样的电池堆温度Ts的电流(Io)对电压(Vo)的特性曲线。对于基于系统FS电路系统的最大电流Io，Io-Vo曲线给出相应的电压Vo，允许确定可能发电Gp为发电的上限。可以在存储器中作为格式化的实验数据预先存储所述曲线，根据采样获取电池堆温度Ts来读出，或者作为温度Ts与气体供应压力的函数来确定。

在步骤S4中，在估计其可能的增加之前，检测第三种类型的辅助设备(即加热器6)对于相对当前工作状况电能消耗增加有效的允许性能。举例来说，如果加热器6停止服务，起动其操作，从而增加电池堆1的发电而不影响车辆V的驱动力。

在步骤S5中，在估计其可能的增加之前，检测第四种类型的辅助设备(即空调65)对于相对当前工作状况电能消耗增加有效的操作方式。举例来说，如果空调65停止服务，起动其操作，增加电能消耗。即使空调65已经在服务，在估计其可能的增加之前，也检查对于调节送给乘客室PR的空气可控制的操作方式，从而增加电能消耗。

在步骤S6中，在估计其可能的增加之前，检查第一种类型的辅助设备(即空气压缩机15)对于相对当前工作状况电能消耗增加有效的工作点范围。举例来说，在估计电能消耗可能的增加之前，检查空气供应3以及燃料供应2对于增加有效的对电池堆1的供应流范围和/或其流体压力，从而增加压缩机15的电能消耗。

在步骤S7中，因为在当前循环中需要目标发电Gt和当前发电的和不超过步骤S3中估计的可能发电Gp，所以采用步骤S4至S6中估计的各自电能消耗的可能增加的和来确定其总量，基于该总量作为要增加到当前发电上的目标发电Gp的估计上限。

换句话说，如果电能消耗的可能增加和当前发电的简单总和超过可能发电Gp，适当调整电能消耗(在加热器6、空调65和压缩机15处)的可能增加，使其满足设置为目标发电Gt的总和。当电能消耗的可能增加和当前发电的简单总和不超过可能发电Gp时，设备目标发电Gt为所述简单总和。

因此，根据设置的目标发电Gt控制燃料供应2和空气供应3，并且控制辅助设备(在加热器6、空调65和压缩机15处)，消耗相应的电能。在如此增加的发电和相应的电能消耗情况下，控制电池堆1具有升高或者维持的电池堆温度Ts。

在步骤S2中，通过在燃料返回管线L2的未使用燃料收集连接1s下游实施的燃料净化的频率，做出升高或者维持的电池堆温度Ts的判断。

典型地当电池堆1的单元电池已经分散了电压，使得一些电池比其它电池具有较低电压时，为了相对例如由于冷凝的湿气或增加的湿气浓度引起的燃料供应状况的变化而维持电池堆1的发电特性，通过以燃料供应及返回管线L1和L2的湿气排放速度排放部分再循环的燃料，实施燃料净化。这部分因为在电池堆1的流道产生了冷凝水，其中用于发电的反应膜由于涂敷了冷凝水，其有效面积降低，这就导致发电性能降低。

随着净化(冷凝水排放需求)频率的增加，流道中的冷凝水典型地趋向于在温度低的位置发生，这就意味着电池堆温度Ts可能降低。

因此，在第一实施方案的修改方案中，为了在步骤S2中通过与阈值比较而做出判断，在步骤S1测量净化频率并且采样。对于过高的净化频率，判断电池堆温度Ts低至需要增加发电来升高温度，CP流程进行至步骤S3。

所述修改与第一实施方案良好结合提供了另一个修改方案，其中在步骤S1中采样获取电池堆温度Ts和净化频率，并且通过其间的OR(逻辑和)操作在步骤S2中检查判断，进行至步骤S3。

(电池温度控制)

现在，参照图4说明燃料电池系统FS的电池温度控制CF2。

在步骤S10中，CP流程进入电池堆温度控制FC2，并且进行至步骤S11。

在步骤S11中，采样获取并存储电流CP循环的电池温度Tb。CP流程从步骤S11进行至判断步骤S12。

在步骤S12中，比较电池温度Tb与阈值Th2，判断是否Tb≤Th2。阈值Th2对应于判断在系统起动中从电池7向负载5开始供电，或者判断起动中电池7预热完成的Tb阈值。

如果Tb≤Th2，判断为‘YES’(电池7需要升温)，CP流程从步骤S12进行至连续的步骤S13至S15。如果不满足Tb≤Th2，判断为‘NO’(电池7不需要升温)，CP流程从步骤S12进行至步骤S26，退出电池温度控制FC2。

该连续步骤S13至S15对应于控制CF2的核心部分，其中电池7通过充电或者放电，即通过控制电池堆1产生大于负载5所需电能的电能，从而使过剩的产生电能充入电池7的充电过程，或者通过控制电池堆1产生小于负载5所需电能的电能，从而通过从电池7的放电修正产生的电能平衡的放电过程，电池7具有升高或者维持的温度。为了连续地充电或者放电，周期性重复充电或放电过程，伴随着电能的损失，从而升高或者维持电池温度Tb。在图4中，在这种充电或放电之后，CP流程进行至步骤S11，但要理解其可以改变成进行至步骤S26。

在步骤S13中，判断电池7是否需要充电或不需要(即放电)。为了判断，采样获取电池7当前的SOC。如果所述SOC大于阈值，判断为‘NO’(电池7放电)，CP流程进入包括连续步骤S14至S19的放电模式。如果SOC不大于阈值，判断为‘YES’(电池7充电)，CP流程进入包括连续步骤S20至S25的充电模式。

对于第二实施方案的修改方案，在步骤S13的第一次判断中，在连续的正常操作后，例如在所述对SOC的判断后在充电和放电模式之间选择，假定在电池温度Tb升高或维持的判断后，在步骤S13的第二次或者随后次数判断时，充电和放电模式之间的选择取决于连续相同模式的总持续时间是否超过阈值的判断。如果连续放电模式的总持续时间超过阈值，CP流程进行至充电模式。相反，如果连续充电模式的总持续时间超过阈值，CP流程进行至放电模式。

另外，在阈值时间消逝前的连续放电模式期间，如果检测出电池7不能放出修正电能平衡所需的电能，CP流程可以进行至充电模式。同样，在阈值时间消逝前的连续充电模式期间，如果检测出电池7不能用产生的过量电能充电，CP流程可以进行至放电模式。

如果在步骤S13中选择放电模式，CP流程进行至步骤S14，估计电池7的可能放电Dp。在电池可能活性不足的低温条件下，电池7的放电性能降低。电池7可放出的电能也取决于SOC。如果SOC高，可能放电Dp大。随着放电，SOC降低，并且可能放电Dp降低。因此，在步骤S14中，为了估计的可能放电Dp，采样获取当前电池温度Ts和电池7的当前SOC。可能放电Dp可以从存储的描述其与电池温度Tb及SOC组合关系的实验数据图中读出，或者通过存储的这种关系的表达式来确定。CP流程从步骤S14进行至步骤S15。

在步骤S15中，通过组合第二种类型(即最小内部负载IL，包括冷却剂再循环泵16、流体管线驱动器和传感器，以及控制器电源)、第三种类型(即加热器6)，以及第四种类型(即空调65)的辅助设备，估计确定当前的电能消耗W1。举例来说，从流速命令(CTf)等计算冷却剂Wc的再循环泵16的当前电能消耗。CP流程从步骤S15进行至步骤S16。

在步骤S16中，通过第一种类型辅助设备(即压缩机15)来估计确定当前电能消耗W2。基于在步骤S14中估计的电池7的可能放电Dp以及在步骤S15中估计的辅助设备电能消耗W1，做出另外的估计，确定电池堆1相关的发电，为此供应的空气具有通过压缩机15的相应操作而实现的相应流速和压力的组合，其通过计算压缩机15的电能消耗W2来确定。CP流程从步骤S16进行至步骤S17。

在步骤S17中，通过负载5(即驱动马达)做出估计，确定当前的电能消耗W3。为了所述估计，处理当前包括车速Vs(图5)和调速踏板角度的车辆信息，计算马达上的需要的驱动转矩和马达所需的电能消耗。CP流程从步骤S17进行至步骤S18。

在步骤S18中，假定当前总电能消耗(W1+W2+W3：在包括压缩机15和负载5的第一至第四种类型的辅助设备处)主要由电池7的放电来供应(即只要可能)，通过电池堆1的发电G来补充平衡，从而估计确定电池堆1要实现的发电G。CP流程从步骤S18进行至步骤S19。

在步骤19中，控制氢气供应2和空气供应3，从而操作电池堆1，简单地用于步骤S18中确定的发电G，并且同时控制电力分配器4，使得从电池7向辅助设备和负载5组合供应在步骤S14中确定的与可能放电Dp等量的电能，优选从电池7而不是电池堆1，从而由于电池7的放电促进了自身热量的耗散。CP流程从步骤S19进行至步骤S11。

在步骤S13中选择充电模式的情况中，CP流程进行至步骤S20，其中基于要采样获取的当前电池温度Ts和电池7当前的SOC，估计电池7的可能充电Cp。可能充电Cp可以从存储的描述其与电池温度Tb和SOC组合关系的实验数据图中读出，或者通过存储的这种关系的表达式来确定。

CP流程从步骤S20进行至连续的步骤S21至S23，其中与步骤S15至S17相同，做出计算估计，确定包括压缩机15的辅助设备的当前电能消耗W1和W2，以及负载5的前电能消耗W3。CP流程从步骤S23进行至步骤S24。

在步骤S24中，做出估计，确定电池堆1要实现的发电G，作为对电池7可能充电Cp与包括压缩机15的辅助设备和负载5的当前总电能消耗(W1+W2+W3)的总和(Cp+W1+W2+W3)。CP流程从步骤S24进行至步骤S25。

在步骤S25中，控制氢气供应2和空气供应3，从而操作电池堆1，用于步骤S24中确定的发电G，并且同时控制电力分配器4，使得从电池堆1向辅助设备和负载5供应必需的电能(W1+W2+W3)，并且从电池堆1向电池7供应在步骤S20中确定的与可充电Cp等量的剩余电能，从而促进电池7自身热量的耗散。CP流程从步骤S25进行至步骤S11。

随着循环正常控制CP，每个循环重复电池温度控制FC2，伴随着电池按照需要充电或放电，从而电池温度Tb升高至足以使电池7维持充电和放电性能。

(第一实施方案的作用)

根据所述第一实施方案，其中在起动从预热的能量供应ES向整个负载组WL供应电能后，继续性能保障正常控制CP，对于电池堆1降低的可能发电Gp，升高电池堆的温度Ts，并且对于电池7降低的可能充电Cp或者可能放电Dp，升高电池温度Tb，能量供应ES甚至在低温条件或者甚至在抑制电池堆1和电池7自身热耗散维持的低输出条件下，也能适于稳定地向负载5供应电能。

根据所述实施方案，控制支持电池堆1发电的辅助设备，消耗增加的电能，并且通过增加电池堆1的发电来补充这种电能的增加，从而增加了电池堆1自身的热耗散，使得可以升高电池堆温度Ts而不会影响车辆V的驱动力。

另外，增加作为辅助设备的空气压缩机15的电能消耗，升高供应给电池堆1的空气压力，并且控制氢气供应2，从而提供在电池堆1中高聚物膜两侧供应的小的气体压力差，使得通过等量增加空气压力可以增加燃料供应压力，从而允许燃料净化的速率增加，并且净化作用增强。

此外，增加作为辅助设备的空气压缩机15的电能消耗，从而增加空气供应压力，使电池堆1中的空气流增加，并且容易排放电池堆1的气体通道中残留的产物水。

根据所述实施方案，甚至在系统起动后的持续低输出条件下，在确保发电Gp降低性能的检测下，基于电池堆温度Ts，也能判断电池堆1降低的可能发电Gp。

根据基于净化频率判断电池堆1的可能发电Gp的所述实施方案的修改方案，提供了如下优点：冷凝水趋向于在电池堆1的低温位置发生，这意味着伴随着增加的净化频率电池堆温度Ts降低，从而简化了判断的结构，因此消除了复杂的操作和额外的安排。

第二实施方案

现在，参照图5至7，根据本发明的第二实施方案说明燃料电池系统FSr。燃料电池系统FSr配置为第一实施方案中的燃料电池系统FS(图1-2)与下述附加元件(图5)的组合。

图5在示意剖面上表示了其中安装了燃料电池系统FSr的燃料电池车辆V。图6和7说明了相关的控制过程CF3和修改的控制过程CF4，每个分别作为第一实施方案的性能保障正常控制CP的一部分。

(燃料电池车辆)

燃料电池车辆V配备安装了前后板ST1和ST2的纵向乘客室PR，具有前室C1和前轮FW的前面部分、具有位于前后轮FW及RW轴之间的中前室C2和中后室C3的中下部分，以及具有后室C4和后轮RW的后面部分。

乘客室PR由前面挡风玻璃61、后面挡风玻璃62、在其间延伸的顶蓬部件63，以及地板部件、门部件，以及必要的支柱和壁部件组合来定义。

乘客室PR具有：

在其前端，加热作为介质的冷却剂Wc的加热器6(图2)、结合中车辆控制器中的系统控制器8、用于检测乘客室PR典型室温Ti的传感器66、空调65，以及未显示的调速踏板和调速踏板角度传感器的组合；及

在其尾部，乘客室PR和后室C4之间水平分隔的突起隔板，其隔板1用一对配置用于乘客室PR和制造在后室C4中的电池壳70内部之间空气流通的前后舱门71和73形成。

前舱门71中安装了空气扇72，并且由控制器8控制，从乘客室PR向电池壳70内吹空气，从而维持其中安装了电池检测器23的电池7的代表温度Tb(在预定的范围内)。通常，当电池温度Tb超过其阈值时，操作风扇72冷却电池7。

后舱门73用作空气从电池壳70的内部返回乘客室PR的舱门，并且其中安装了截止阀74，并且由控制器8控制正常关闭舱门73。可以除去截止阀74。

前室C1中安装了覆盖住车辆V主要驱动马达的电动机壳50、从前面引入大气的前面栅栏51，以及用于中前室C2空气流通的后舱门52。

中前室C2中安装了燃料电池堆1、用于和车辆V外空气流通的底部栅栏53，以及用于中后室C3空气流通的后舱门54。

中后室C3中安装了氢气罐11、与外面空气流通的底部栅栏55，以及用于和后室C4前面舱门80流通空气的后舱门56。

在后室C4中，所述电池壳70具有和前面开口80空气流通的前栅栏57。电池壳70和后室C4可以具有与外面空气流通的后舱门。

后室C4的前面开口80具有与外面空气流通的底部舱门，其中安装了温度传感器90，用于检测大气温度To，作为随着车辆V以车速Vs行驶而变化的电池环境温度。

(控制过程)

性能保障正常控制CP包括在判断出由于低于其阈值的降低的电池温度Tb引起电池7具有低于其阈值的降低的性能后，通过操作风扇72，借助舱门71将乘客室PR中调节了温度的空气引入电池壳70中而升高电池温度Tb的风扇控制过程CF3。

正常控制CP流程进行至步骤S30(图6)的控制过程CF3，并且进行至步骤S31。

在步骤31中，采样获取当前大气温度To。CP流程从步骤S31进行至步骤S32。

在步骤32中，采样获取当前乘客室温度Ti。CP流程从步骤S32进行至判断步骤S33。

在步骤S33中，判断是否To＜Ti，如果To＜Ti，判断为‘YES’，CP流程从步骤S33进行至步骤S34。如果不满足To＜Ti，判断为‘NO’，CP流程从步骤S33进行至步骤S35，退出控制过程CF3。

在步骤S34中，做出估计，确定风扇72驱动马达的目标转矩，并且在控制的目标转矩功率下操作所述风扇72，使得电池温度Tb从大气温度To逐渐升高至，或者维持在从乘客室PR引入的空气的温度(接近Ti)。CP流程从步骤S34进行至步骤S35。

在本实施方案中，代替大气温度To，可以在步骤S31中采样获取电池温度Tb，并与室温Ti比较，在S33中进行相似的判断。

现在说明具有修改控制过程CF4(图7)的第二实施方案的修改方案，其中第二实施方案的步骤S34(图6)被修改成步骤S41至S43的组合(图7)，其中在步骤S33的判断为‘YES’后，CP流程进行至步骤S41。剩余步骤S30至S33和S35(图7)与第二实施方案中的步骤(图6)相同。

在步骤S41中，计算室温Ti的变化率dTi，作为在当前循环中采样获取的室温Ti和在前一循环采样获取的温度Ti之间的差值。CP流程从步骤S41进行至判断步骤S42。

在步骤S42中，判断是否dTi≤Th3(阈值)。如果dTi≤Th3，判断为‘YES’，CP流程从步骤S42进行至步骤S43。如果不满足dTi≤Th3，判断为‘NO’，CP流程从步骤S42进行至步骤S45，退出控制过程CF4。

在步骤S43中，以抑制风扇行为的方式计算风扇驱动马达的目标转矩，并且在控制的目标转矩功率下操作所述风扇72。也在此情况下，当大气温度低于室温Ti(步骤S33)时，从乘客室PR向电池壳70中引入调节的空气。

但是，为了维持乘客室PR的舒适性，通过避免(步骤S42中的‘NO’)从乘客室PR向电池壳70中过度传送调节的(加热的或预热的)空气，其会导致室温Ti的过度降低或者延迟升高，控制室温变化(dTi)在范围(Th3)内。

此外，在本实施方案中，当风扇72的驱动马达的目标转矩大于其阈值时，舱门73中的截止阀74保持打开，从而允许电池壳70中引入的空气借助舱门73返回乘客室PR，引起调节空气在两者之间的再循环。

CP流程从步骤S43进行至步骤S35，退出控制过程CF4。

(第二实施方案的作用)

根据所述第二实施方案，当电池7具有降低的充电和放电性能时，比较对应于电池温度Tb的大气温度To与乘客室的温度Ti，并且如果该室温Ti高于大气温度To，操作风扇72，升高电池温度Tb。在包括第一实施方案的电池温度控制过程CF2的正常控制CP的流程中，执行所述控制过程CF3，从而使电池温度Tb充分地升高或者维持。

根据第二实施方案的修改方案，考虑室温Ti的变化率dTi，抑制风扇72的操作，使得即使在需要从乘客室PR向电池壳70中引入大量空气的情况下，抑制乘客室PR中的空气温度Ti，避免剧烈降低，并且阻止乘客室PR中的气压变负而不增加构成空调65的空气调节扇的负载，使乘客以及驾驶员享受持续的舒适。

因此，根据所述实施方案，在从燃料电池(1)和/或二次电池(7)的电能供应开始后，当燃料电池的可能发电(Gp)降低至低于第一预定值时，升高燃料电池的温度(Ts)，并且当二次电池的可能充电(Cp)或者二次电池的可能放电(Dp)降低至低于第二预定值时，升高二次电池的温度(Tb)，从而甚至在系统起动后连续的低输出条件下，也能使燃料电池和二次电池向负载5供应稳定的电能。

日本专利申请第2003-137801号的内容被引入本文作参考。

当使用特定的术语已经说明了本发明的实施方案时，这些说明只是出于举例说明的目的，并且应当理解为可以做出改变和变化而不会背离下面权利要求的精神和范围。

工业应用性

本发明允许燃料电池和二次电池的组合甚至在完全预热的起动后连续的低输出条件下，也能向负载供应稳定的电能。

Claims

1.一种燃料电池系统，其包括

燃料电池、与燃料电池连接的电力分配器，以及与电力分配器连接的二次电池的组合；

与电力分配器连接的负载组；以及

控制器，在燃料电池的起动完成和二次电池预热后，在从电力分配器向负载组分配电能期间，所述控制器适于

当燃料电池不能满足其服务的第一标准时升高燃料电池的温度，并且

当二次电池不能满足其服务的第二标准时升高二次电池的温度。

2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中

所述燃料电池具有作为负载组的一部分的辅助设备，并且

所述控制器被配置成增加所述辅助设备处的电能消耗，并且增加燃料电池的发电以补偿所述增加，升高燃料电池的温度。

3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述第一标准包括燃料电池可能发电的阈值。

4.根据权利要求3的燃料电池系统，其中根据燃料电池的温度估计所述可能的发电。

5.根据权利要求3的燃料电池系统，其中

所述燃料电池具有用于向其进行燃料供应的燃料再循环管线，并且

根据燃料再循环管线的净化频率来估计可能的发电。

6.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述第二标准包括二次电池的可能充电和可能放电之一的阈值。

7.根据权利要求6的燃料电池系统，其进一步包括车辆部分，其包括乘客室、配置来容纳二次电池的电池室，以及可以操作从乘客室向电池室引入空气的风扇，其中

当满足乘客室的第三标准时，配置控制器，操作风扇，从而升高二次电池的温度，并且

所述第三标准包括乘客室的典型温度要高于电池室典型温度的判断。

8.根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述第三标准包括乘客室典型温度变化率的阈值。

9.根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述风扇包括可以操作用来冷却二次电池的空气扇。

10.一种燃料电池系统，其包括

与电力分配器连接的负载组；以及

控制装置，在燃料电池的起动完成和二次电池预热后，在从电力分配器向负载组分配电能期间，所述控制装置用于：

11.一种燃料电池系统的控制方法，所述系统包括燃料电池、与燃料电池连接的电力分配器，以及与电力分配器连接的二次电池的组合，以及与电力分配器连接的负载组，所述控制方法包括，在燃料电池的起动完成和二次电池预热后，在从电力分配器向负载组分配电能期间：