專利名稱：用于燃料電池應用的有源直流總線濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，尤其涉及消除燃料電池系統(tǒng)中的電流波紋(current ripple)。
背景技術：
車輛系統(tǒng)可以包括燃料電池組，用于產(chǎn)生能量以通過電壓總線對推進系統(tǒng)和/或輔助電系統(tǒng)供能。該推進系統(tǒng)包括產(chǎn)生傳動轉矩的電機。燃料電池組所產(chǎn)生的多余能量可以被存儲在能量儲存設備(ESD)中。由其他裝置，包括但不限于再生制動裝置所產(chǎn)生的能量也可以由ESD儲存。ESD可以用于選擇性地補充燃料電池組以對該推進和/或輔助電系統(tǒng)供能。例如，ESD汽車可以用于在起動周期期間對車輛系統(tǒng)部件供能。
在正常工作期間，功率從燃料電池組流到推進系統(tǒng)。在某些工作條件下，該推進系統(tǒng)以六步進模式(six-stepmode)工作。在六步進模式中，該電機的轉矩性能在高速時最大化。當以六步進模式工作時，在電壓總線中產(chǎn)生低頻波紋電流。該波紋電流會對燃料電池組產(chǎn)生不利影響。
為了對來自電壓總線的低頻波紋電流充分濾波，需要相對較高的性能。在薄膜型散裝電容器的情況中，不易制造足夠大的電容器。雖然可以使用鋁電解電容器，但是它們具有相對較低的電流操控性能。因此需要相當數(shù)量的電容器，這就對整體系統(tǒng)成本和大小產(chǎn)生了不利影響。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明提供了一種用于由燃料電池供能的車輛的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括通過電壓總線與燃料電池連通的電壓轉換設備，和由燃料電池通過電壓總線選擇性供能并且在電壓總線中選擇性產(chǎn)生波紋電流的推進系統(tǒng)。該電壓轉換設備被調節(jié)以選擇性產(chǎn)生反波紋電流以減少該波紋電流。
在一個特征中，該推進系統(tǒng)在以六步進模式工作時產(chǎn)生波紋電流。
在另一特征中，當燃料電池對推進系統(tǒng)供能時，調節(jié)該電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生反波紋電流。
在另一特征中，該電壓轉換設備包括DC/DC轉換器。
在另一特征中，該波紋電流是A/C波紋電流。
在另一特征中，該反波紋電流是A/C反波紋電流。
在另一特征中，該控制系統(tǒng)還包括通過電壓總線對推進系統(tǒng)選擇性供能的能量儲存設備。由燃料電池產(chǎn)生的能量被能量儲存設備選擇性儲存。
在另一特征中，該電壓總線是DC電壓總線。
根據(jù)下文中提供的詳細說明，本發(fā)明的其他應用方面將變得清楚。應當理解，該詳細說明和特定示例雖然給出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是僅用于說明性目的而不是要限制本發(fā)明的范圍。


根據(jù)該詳細說明和附圖，本發(fā)明將變得更容易理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性燃料電池系統(tǒng)的功能性框圖；圖2是圖1的燃料電池系統(tǒng)的示例性DC/DC轉換器的示意性說明；圖3是示出了由本發(fā)明的轉換器控制系統(tǒng)所執(zhí)行的步驟的流程圖；圖4A是示出了具有波紋的燃料電池組電流的曲線圖；圖4B是示出了減少波紋的燃料電池組電流的曲線圖；圖5A是示出了具有波紋的DC總線電壓的曲線圖；圖5B是示出了減少波紋的DC總線電壓的曲線圖。
具體實施例方式
以下對于優(yōu)選實施例的說明實質上僅僅是示例性的，而決不是要限制本發(fā)明、其應用或用途。為了清楚起見，在附圖中將使用相同的參考數(shù)字來標識相似的元件。如這里所使用的，術語模塊是指特定用途集成電路(ASIC)、電子電路、用于執(zhí)行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共用、專用或群集)和存儲器、組合邏輯電路、和/或提供所述功能的其他適當部件。
現(xiàn)在參照圖1，示出了一個示例性車輛系統(tǒng)10。車輛系統(tǒng)10包括燃料電池組12、能量儲存設備(ESD)14和推進系統(tǒng)16。燃料電池組12通過處理陽極和陰極反應物(例如分別為H2和O2)來產(chǎn)生能量。燃料電池組12所產(chǎn)生的能量用于對推進系統(tǒng)16供能。一部分能量可以被儲存在ESD14中。儲存在ESD14中的能量可以用于對推進系統(tǒng)供能以補充燃料電池組12。
電流沿電壓總線18在車輛系統(tǒng)的部件之間傳輸。更特別地，電壓總線18提供燃料電池組12、ESD14和推進系統(tǒng)16之間的電連通。DC/DC轉換器20被設置在電壓總線18和ESD14之間。DC/DC轉換器20優(yōu)選為在電壓總線18和ESD14之間提供接口的雙向DC/DC轉換器。以這種方式，ESD14可以儲存由燃料電池組12產(chǎn)生的能量，并且可以提供能量以驅動推進系統(tǒng)16。該DC/DC轉換器在相對較高的電壓總線(例如255V-425V)和相對較低的電壓總線ESD(例如200V-400V)之間傳輸能量。
車輛系統(tǒng)10還包括控制模塊22，用于調節(jié)這里所述的各個部件的操作。更特別地，控制模塊22基于本發(fā)明的轉換器控制系統(tǒng)而調節(jié)DC/DC轉換器20的操作?？刂颇K22基于操作員輸入24所產(chǎn)生的信號而產(chǎn)生控制信號，該操作員輸入24包括但不限于，點火裝置、加速器和制動器。例如，在點火裝置的情況下，控制模塊22控制DC/DC轉換器20以使得ESD14在起動周期期間對車輛系統(tǒng)部件(例如陰極反應物壓縮機(未示出))供能。在制動器的情況下，控制模塊22控制DC/DC轉換器20以使得ESD14儲存在再生制動期間產(chǎn)生的能量。在加速器的情況下，控制模塊22控制推進系統(tǒng)16以驅動車輛。
推進系統(tǒng)16包括推進控制模塊26和電機28。推進控制模塊26基于控制模塊22所產(chǎn)生的控制信號調節(jié)電機28的操作。更特別地，推進控制模塊26包括反相器(未示出)，用于將來自電壓總線18的DC電壓反轉化為AC電壓以驅動電機28。電機28是包括外部定子和內部轉子的AC電機。外部定子包括三個相位繞組。當對相位繞組應用AC電流時，會產(chǎn)生變化的電磁場并且感應轉子旋轉。電機28包括基本速度，即電機28被設計工作的最快速度。
在某些工作條件下，電機28以六步進模式工作。當電機28以基本速度或以上的速度旋轉時會發(fā)生六步進模式。更特別地，當電機28在基本速度或以上的速度時，電機28的后EMF相對較高。DC輸入電壓不夠高，從而不能使該反相器產(chǎn)生峰值額定相位電流。因此，該反相器輸出占空因數(shù)(duty cycle)即脈寬調制(PWM)占空因數(shù)是最大值(即等于1)，以便最大化電機28的輸出。對于電循環(huán)的180°，接通反相器的每個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。當以這種方式切換所有六個IGBT時，電動機繞組電壓波形(相位為中性)在每個循環(huán)具有六個不同步進(即六步進模式)。
當以六步進模式工作時，反相器的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的正常頻率切換(例如10kHz)停止，并且該每個IGBT在每個循環(huán)中僅切換一次。例如，如果輸出電流的基頻為200Hz，那么在六步進模式中在200Hz切換每個IGBT。當以這種方式切換所有IGBT時，電壓總線18上的干擾或波紋電流是該輸出電流基頻的六倍，這是比反相器的正常切換頻率(例如10kHz)低得多的頻率。DC總線電容器對于濾除所得到的六步進波紋是無效的。然而，該六步進模式顯著增加了電機28的輸出功率。更特別地，該六步進模式最大化了電機28在高速時的轉矩性能。
現(xiàn)在參照圖2，對DC/DC轉換器20進行更詳細的說明。DC/DC轉換器20包括高壓側30和低壓側32。高壓側30與燃料電池組12電連通，而低壓側32與ESD14電連通。高壓側30包括電阻器36、38，電容器40，和一對半導體開關42、44，其中每個半導體開關42、44分別包括二極管46、48。類似地，低壓側32包括電阻器50、52，電容器54，和一對半導體開關56、58，其中每個半導體開關56、58分別包括二極管60、62。高壓側30和低壓側32通過電阻器64和電感器66電連通。
當功率從低壓側32流向高壓側30時，DC/DC轉換器20以升壓(boost)/放電模式工作以便對高壓側負載(例如電機28)供能。當功率從高壓側30流向低壓側32時，DC/DC轉換器20以降壓(buck)模式工作以便對ESD14充電。半導體開關42、44、56、58在導電和不導電模式之間選擇性切換以調節(jié)經(jīng)過DC/DC轉換器20傳輸?shù)墓β?。更特別地，當電機28以六步進模式工作時，本發(fā)明的轉換器控制系統(tǒng)選擇性地切換半導體開關42、44、56、58以產(chǎn)生反波紋電流。該反波紋電流優(yōu)選為注入電壓總線18的AC電流。以這種方式，通過反波紋電流抵消了六步進模式工作而產(chǎn)生的波紋電流。該反波紋電流的頻率由控制模塊22并且基于車輛速度確定?？梢愿鶕?jù)推進系統(tǒng)16提供的信號確定該車輛速度?？刂颇K22基于該車輛速度產(chǎn)生控制信號以產(chǎn)生預期的反波紋電流。
現(xiàn)在參照圖3，對轉換器控制系統(tǒng)的工作進行詳細說明。在步驟300，控制判斷燃料電池組12是否對推進系統(tǒng)16供能。如果燃料電池組12沒有對推進系統(tǒng)16供能，則控制循環(huán)返回。如果燃料電池組12對推進系統(tǒng)16供能，控制在步驟302判斷推進系統(tǒng)16是否以六步進模式工作。如果推進系統(tǒng)16沒有以六步進模式工作，控制循環(huán)返回步驟300。如果推進系統(tǒng)16是以六步進模式工作，控制操作DC/DC轉換器20以在電壓總線18上產(chǎn)生反波紋電流，控制結束。
現(xiàn)在參照圖4A、4B、5A和5B，示出了本發(fā)明的轉換器控制系統(tǒng)的優(yōu)點。圖4A示出了當以六步進模式工作時在電壓總線18中產(chǎn)生的具有波紋電流的示例性燃料電池組電流。更特別地，圖4A的燃料電池電流包括DC電流和AC波紋電流。圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明通過DC/DC轉換器20所產(chǎn)生的反波紋電流得到的具有低波紋電流的示例性燃料電池組。圖5A示出了當以六步進模式工作時在電壓總線18中產(chǎn)生的具有波紋電流的示例性DC總線電壓。圖5B示出了根據(jù)本發(fā)明通過DC/DC轉換器20所產(chǎn)生的反波紋電流得到的具有低波紋電流的示例性DC總線電壓。
根據(jù)前述說明，本領域技術人員現(xiàn)在可以認識到，本發(fā)明的寬泛教導可以以各種形式實現(xiàn)。因此，雖然發(fā)明人結合特定示例進行了說明，但是本發(fā)明的實際范圍不應對被限制于此，因為基于對附圖、實施例和所附權利要求的學習，技術人員將會明白其他的修改方式。
權利要求
1.一種用于由燃料電池供能的車輛的控制系統(tǒng)，包括電壓轉換設備，通過電壓總線與所述燃料電池連通；推進系統(tǒng)，由所述燃料電池通過所述電壓總線選擇性供能，并且在所述電壓總線中選擇性產(chǎn)生波紋電流，其中所述電壓轉換設備被調節(jié)以選擇性產(chǎn)生用于減少所述波紋電流的反波紋電流。
2.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述推進系統(tǒng)在以六步進模式工作時產(chǎn)生所述波紋電流。
3.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中當所述燃料電池對所述推進系統(tǒng)供能時，調節(jié)所述電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生所述反波紋電流。
4.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電壓轉換設備包括DC/DC轉換器。
5.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述波紋電流是A/C波紋電流。
6.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述反波紋電流是A/C反波紋電流。
7.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，還包括能量儲存設備，用于通過所述電壓總線對所述推進系統(tǒng)進行選擇性供能。
8.如權利要求7所述的控制系統(tǒng)，其中由所述燃料電池產(chǎn)生的能量被所述能量儲存設備選擇性儲存。
9.如權利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電壓總線是DC電壓總線。
10.一種減少燃料電池系統(tǒng)中的波紋電流的方法，包括使用所述燃料電池通過電壓總線對推進系統(tǒng)選擇性供能；選擇性操作所述推進系統(tǒng)以在所述電壓總線中產(chǎn)生波紋電流；和調節(jié)與所述電壓總線連通的電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生反波紋電流，從而減少所述波紋電流。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述操作所述推進系統(tǒng)以產(chǎn)生所述波紋電流的步驟包括以六步進模式操作所述推進系統(tǒng)。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述調節(jié)所述電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生所述反波紋電流的步驟發(fā)生在所述燃料電池對所述推進系統(tǒng)供能時。
13.如權利要求10所述的方法，其中所述電壓轉換設備包括DC/DC轉換器。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述波紋電流是A/C波紋電流。
15.如權利要求10所述的方法，其中所述反波紋電流是A/C反波紋電流。
16.如權利要求10所述的方法，還包括使用能量儲存設備通過所述電壓總線對所述推進系統(tǒng)選擇性供能。
17.如權利要求16所述的方法，還包括使用所述能量儲存設備選擇性儲存由所述燃料電池產(chǎn)生的能量。
18.如權利要求10所述的方法，其中所述電壓總線是DC電壓總線。
19.一種用于在由燃料電池供能的車輛中減少電壓總線中的波紋電流的控制系統(tǒng)，包括電壓轉換設備，通過所述電壓總線與所述燃料電池連通；推進系統(tǒng)，被以六步進模式選擇性操作，并且由所述燃料電池通過所述電壓總線選擇性供能；和控制模塊，調節(jié)所述電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生反波紋電流，用于減少當以所述六步進模式操作所述推進系統(tǒng)時所產(chǎn)生的波紋電流。
20.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中當所述燃料電池對所述推進系統(tǒng)供能時，所述控制模塊調節(jié)所述電壓轉換設備以選擇性產(chǎn)生所述反波紋電流。
21.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述電壓轉換設備包括DC/DC轉換器。
22.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述波紋電流是A/C波紋電流。
23.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述反波紋電流是A/C反波紋電流。
24.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，還包括能量儲存設備，用于通過所述電壓總線對所述推進系統(tǒng)選擇性供能。
25.如權利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中由所述燃料電池產(chǎn)生的能量被所述能量儲存設備選擇性儲存。
26.如權利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中所述電壓總線是DC電壓總線。
全文摘要
一種用于由燃料電池供能的車輛的控制系統(tǒng)，包括通過電壓總線與該燃料電池連通的電壓轉換設備，和由該燃料電池通過該電壓總線選擇性供能并且在該電壓總線中選擇性產(chǎn)生波紋電流的推進系統(tǒng)。該電壓轉換設備被調節(jié)以選擇性產(chǎn)生用于減少該波紋電流的反波紋電流。
文檔編號B60L11/18GK1881727SQ200610093690
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權日2005年6月15日
發(fā)明者D·唐, S·希蒂, C·C·斯坦庫, G·S·史密斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司