CN105564256B - 燃料电池车辆起动控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种燃料电池车辆起动控制方法和系统。所述方法包括以下步骤：设定作为驱动所需的输出功率的第一输出功率；以及在设定所述第一输出功率之后，由所述控制器开始提高燃料电池温度。估计燃料电池的可用输出功率并接收高电压电池的放电功率。计算第二输出功率，所述第二输出功率为燃料电池的可用输出功率和所述高电压电池的放电功率之和。所述方法还包括以下步骤确定所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率；以及基于所述第二功率是否大于所述第一功率的确定结果，确定能否允许车辆起动。

Description

燃料电池车辆起动控制方法及系统
技术领域
本发明总体涉及一种控制车辆起动的方法和系统，其包括确定当在低温下车辆起动时能否驱动燃料电池的车辆起动控制过程。
背景技术
因燃料电池结冰是可预测的而在起动车辆前，需要提高燃料电池的温度时，燃料电池车辆将会进行温度升高过程。具体而言，重要的是准确地确定温度升高过程完成的时间。现有方法通过估计燃料电池在其排气口的温度，或者估计燃料电池的温度升高时燃料电池内产生的发热量来确定温度升高过程的完成。
然而，在有些情况下，当温度升高过程完成之后驱动车辆时，由于燃料电池的电池电压不均匀，燃料电池输出功率会被限制，并且不能满足驾驶者需求。此外，电池电压的下降可能会引起电池的劣化。现有方法也不包括使用混合式(hybrid)高电压电池，而且没有反映燃料电池状态随浸泡时间、燃料电池内的结冰水分量等而变化。因此，即使能够迅速完成车辆起动并驱动车辆的状态下，起动过程也将被严重推迟。相反，在现有技术中，即便是燃料电池的内部状态对驱动车辆而言并不理想，但车辆也有可能起动。然而，在起动完成之后，燃料电池可能不能输出所需功率。
上述内容仅用于帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明落入本领域技术人员所已知的现有技术的范围内。
发明内容
因此，本发明提供一种燃料电池起动控制方法和系统，其在低温下起动车辆时，通过估计高电压电池的放电功率和燃料电池的可用输出功率来确定起动完成时间。所述低温在-30～0℃的范围内。
具体而言，本发明教导一种用于估计燃料电池的可用输出功率的技术。此技术包括，当在低温下起动车辆时，在提高电池堆温度的同时实时测量电池堆性能，并且估计电池堆在特定低临界电压下可输出的可用功率。特别地，当车辆的温度升高操作被执行时，在执行该操作的同时，可基于输出功率，分析电池堆电流-电压性能来估计第一可用输出功率。此外，可根据温度升高，分析燃料电池性能来估计第二可用输出功率。随后，可根据第一可用输出功率和第二可用输出功率之和来估计燃料电池的可用输出功率。因此，本发明提供通过利用在燃料电池的温度升高时更准确地估计出的燃料电池的可用输出功率和高电压电池的可用输出功率，能够迅速且更安全地确定燃料电池温度升高的完成的控制方法。
根据本发明的燃料电池车辆起动控制方法可以包括以下步骤：设定作为驱动所需的输出功率的第一输出功率；在设定所述第一输出功率之后，开始提高燃料电池温度；通过估计燃料电池的可用输出功率并接收高电压电池的放电功率，计算第二输出功率，所述第二输出功率为燃料电池的可用输出功率和所述高电压电池的放电功率之和；确定所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率；以及基于所述第二功率是否大于所述第一功率的确定结果，确定能否允许车辆起动。
在设定所述第一输出功率前，所述燃料电池车辆起动控制方法还可以包括以下步骤：基于利用外界温度传感器测量的外界温度，确定能否在低温下起动车辆。所述高电压电池的放电功率可以从电池管理系统(BMS：battery management system)接收。此外，确定能否允许车辆起动的步骤可以包括：终止燃料电池温度的升高。在确定能否允许车辆起动后，所述燃料电池车辆起动控制方法还可以包括以下步骤：在预定时间段内将车辆的输出功率限制在所述第一输出功率。
根据上述车辆起动控制方法，通过基于高电压电池和燃料电池的状态确定车辆起动可以完成的时间，来防止起动中不必要的延迟，并且燃料电池的低温起动性能和可销性能得到提高。而且，能够防止这样的情况下发生：即使燃料电池的内部状态对驱动车辆而言并不理想，也有可能完成车辆起动，导致燃料电池不能输出所需或者足够的功率。因此，能够避免燃料电池耐用性的劣化。
附图说明
本文上述及其他特征将参考本发明的示例性实施例，结合以下附图进行更详细的描述，这些附图仅用于例示的目的，而不在于限制本发明，其中：
图1为根据本发明示例性实施例的燃料电池车辆起动控制设备的方框图；
图2为根据本发明示例性实施例的燃料电池车辆起动控制方法的流程图；
图3为根据本发明示例性实施例的高电压电池和燃料电池的可用输出功率随时间变化的曲线图；
图4是根据本发明示例性实施例的高电压电池放电功率、燃料电池所需输出功率以及第一输出功率随温度变化的曲线图。
具体实施方式
应当理解的是，本文中所使用的术语“车辆”、“车辆的”或者其他类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多途用车(SUV)、巴士、卡车和各种商用车在内的乘用车辆、包括各种船和舰艇在内的水运工具，以及航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其他替代燃料车辆(例如，源于除石油外的其他燃料)。
虽然示例性实施例被描述为用多个单元执行示例性过程，但是应该理解，示例性过程也可由一个或多个模块执行。此外，应该理解，术语控制器/控制单元指包括存储器和处理器的硬件设备。所述存储器配置成储存模块且所述处理器具体配置成执行所述模块，从而执行一个或多个过程，稍后将进一步描述。
此外，本发明的控制逻辑在计算机可读介质上可呈现为非瞬时计算机可读媒体，所述计算机可读介质含有由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读媒体的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD：compact disc)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡和光数据存储设备。计算机可读记录介质也能够在网络耦合的计算机系统中分布，从而以分布式方式储存和执行计算机可读媒体，如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN：controller area network)。
这里所用的术语仅为了描述特定实施例，并不为了限制本发明。除非上下文另外清楚地规定，如这里所用的单数形式“一种/个(a/an)”、以及“该”也旨在包括复数形式。应该进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、要素、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如这里所用的术语“和/或”包括一个或更多相关所列项的任一和所有组合。
下文中，将参考附图对本发明的示例性实施例的燃料电池车辆起动控制设备进行描述。图1为根据本发明示例性实施例的燃料电池车辆起动控制设备方框图。
参考图1，燃料电池车辆起动控制设备可以包括燃料电池110；高电压电池130，其被配置成充电和放电；以及控制器120，其被配置成在设定作为驱动车辆所需的输出功率的第一输出功率之后，开始提升燃料电池的温度，在开始升高燃料电池温度之后，估计燃料电池110的可用输出功率，通过接收高电压电池130的放电功率来计算第二输出功率，确定第二输出功率是否大于第一输出功率，以及基于第二输出功率是否大于第一输出功率的确定结果，确定能否允许车辆起动，所述第二输出功率为燃料电池110的可用输出功率和高电压电池130的放电功率之和。此外，本发明可包括：外界温度传感器150，其被配置成测量外界温度；以及电池管理系统140，其被配置成将高电压电池130的放电功率传输到控制器120。
下文中，将参考附图对本发明示例性实施例的燃料电池车辆起动控制方法进行描述。图2为根据本发明示例性实施例的燃料电池车辆起动控制方法的流程图；图3为根据本发明示例性实施例的高电压电池和燃料电池的可用输出功率随时间变化的曲线图；图4是根据本发明示例性实施例的高电压电池放电功率、燃料电池所需输出功率以及第一输出功率随温度变化的曲线图；
参考图2到图4，燃料电池车辆起动控制方法包括：设定作为驱动车辆所需的输出功率的第一输出功率(S210)；在设定第一输出功率(S210)后，开始提升燃料电池温度(S220)；在开始提升燃料电池温度(S220)后，估计燃料电池的可用输出功率(S230)，接收高电压电池的放电功率(S240)，并且计算作为燃料电池的可用输出功率和高电压电池的放电功率之和的第二输出功率(S250)；确定第二输出功率是否大于第一输出功率(S260)；以及基于第二输出功率是否大于第一输出功率的确定结果(S260)，确定能否允许车辆起动(S270)。
另外，升高燃料电池温度的步骤可通过向燃料电池供给氢和空气来进行。第一输出功率可以为基于点火温度的预设输出功率。当车辆呈现起动意图时，控制器可以被配置成测量点火温度，并且基于测量出的点火温度确定第一输出功率(S210)。特别地，第一输出功率可以随点火温度升高而升高。
如上所述，燃料电池的可用输出功率可以设置为升高燃料电池温度时基于输出功率对电池堆电流-电压性能进行分析得到的值与升高燃料电池温度时基于输出功率对燃料电池性能进行分析得到的值之和。因此，可更精确地估计燃料电池的可用输出功率。如图3所示，在温度提升开始后，燃料电池的可用输出功率可以随时间升高。图4示出的燃料电池所需输出功率可以是基于点火温度，完成车辆起动所需的燃料电池的可用输出功率。换句话说，随着点火温度的升高，可能需要更多的燃料电池输出功率。
高电压电池的放电功率可以从电池管理系统接收。由于利用在燃料电池温度升高过程中产生的燃料电池的输出功率对高电压电池充电，所以高电压电池的放电功率可持续升高，并且贡献于驱动车辆所需的第一输出功率。因此，当作为燃料电池的可用输出功率与高电压电池的放电功率之和的第二输出功率小于第一输出功率时，控制器可被配置为确定出高电压电池和燃料电池堆的输出功率还未达到驱动车辆所需的输出功率，并由此可被配置为继续提高燃料电池温度并且估计燃料电池的可用输出功率(S230)。当第二输出功率大于第一输出功率时，控制器可以被配置为确定出高电压电池和燃料电池堆的输出功率足以驱动车辆，并由此可被配置为确定能否允许车辆起动(S270)。换句话说，能否允许车辆起动可以是基于第二输出功率是否大于第一输出功率的确定结果而定的。在确定能否允许车辆起动时(S270)，燃料电池温度的升高可终止，以防止不必要的输出功率的消耗。
如图3所示，第二输出功率达到第一输出功率的时间可被称作冷起动(例如：在低温下起动车辆)的完成时间。冷起动的完成时间可以小于基于燃料电池的排气口的温度确定冷起动完成时的时间。此外，在确定第一输出功率之前(S210)，上述方法可以包括：基于由外界温度传感器测量的外界温度来确定能否进行冷起动(S200)。
例如：当由外界温度传感器测量出的外界温度低于预设温度时，控制器可被配置成确定为冷起动条件，并且确定第一输出功率(S210)。另外，当测量出外界温度为预设温度或者更高时，控制器可被配置成确定为正常起动条件，并且确定能否允许车辆起动(S270)。因此，不必每当起动车辆时估计高电压电池和燃料电池的输出功率，因此能够防止用于提高燃料电池温度的不必要的控制导致的时间延迟。
此外，本发明还可以包括：在确定能否允许车辆起动(S270)之后，在预设时间段内将车辆的输出功率限制在第一输出功率(S280)。换句话说，由于在提高燃料电池温度并且起动车辆之后的初期，车辆的输出功率小于第一输出功率，如上所述那样限制车辆的输出功率能够防止燃料电池性能下降(例如：降低)和燃料电池的劣化。
根据上述燃料电池车辆起动控制方法，通过基于高电压电池和燃料电池的状态确定起动车辆所需时间，能够防止不必要的延迟，能够提高燃料电池的低温起动能力，由此车辆的商业价值得以提升。而且，能够阻止如下情况发生：即使燃料电池的内部状态对驱动车辆而言并不理想，车辆起动依然完成而导致燃料电池不能输出所需功率。因此，能够防止燃料电池的耐久性的下降。
虽然本发明的示例性实施例为了说明目的而公开，但本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的权利要求中公开的范围和精神内，各种修改、添加以及替换是可能的。

Claims (15)

1.一种燃料电池车辆起动控制方法，包括以下步骤：
由控制器设定作为驱动所需的输出功率的第一输出功率；
在设定所述第一输出功率之后，由所述控制器开始提高燃料电池温度；
由所述控制器通过估计燃料电池的可用输出功率并接收高电压电池的放电功率，计算第二输出功率，所述第二输出功率为燃料电池的可用输出功率和所述高电压电池的放电功率之和；
由所述控制器确定所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率；以及
由所述控制器基于所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率的确定结果，确定能否允许车辆起动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆起动控制方法，还包括以下步骤：
在设定所述第一输出功率前，由所述控制器基于利用外界温度传感器测量的外界温度，确定能否在低温下起动车辆。
3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆起动控制方法，其中从电池管理系统接收所述高电压电池的放电功率。
4.根据权利要求1所述的燃料电池车辆起动控制方法，其中在确定能否允许车辆起动的步骤中，终止燃料电池温度的升高。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆起动控制方法，还包括以下步骤：
在确定能否允许车辆起动后，由所述控制器在预定时间段内将车辆的输出功率限制在所述第一输出功率。
6.根据权利要求2所述的燃料电池车辆起动控制方法，还包括以下步骤：
当由外界温度传感器测量出的外界温度小于预设温度时，由所述控制器确定为冷起动条件。
7.一种燃料电池车辆起动控制系统，包括：
存储器，其配置为存储程序指令；以及
处理器，其配置为执行所述程序指令，所述程序指令在被执行时被配置成：
设定作为驱动所需的输出功率的第一输出功率；
在设定所述第一输出功率之后，开始提高燃料电池温度；
通过估计燃料电池的可用输出功率并接收高电压电池的放电功率，计算第二输出功率，所述第二输出功率为燃料电池的可用输出功率和所述高电压电池的放电功率之和；
确定所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率；以及
基于所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率的确定结果，确定能否允许车辆起动。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述程序指令在被执行时还被配置成：
在设定所述第一输出功率前，基于利用外界温度传感器测量的外界温度，确定能否在低温下起动车辆。
9.根据权利要求7所述的系统，其中从电池管理系统接收所述高电压电池的放电功率。
10.根据权利要求7所述的系统，其中在确定能否允许车辆起动时，终止燃料电池温度的升高。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述程序指令在被执行时还被配置成：
在确定能否允许车辆起动后，在预定时间段内将车辆的输出功率限制在所述第一输出功率。
12.一种非暂时性计算机可读介质，包括由控制器执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
设定作为驱动所需的输出功率的第一输出功率的程序指令；
在设定所述第一输出功率之后，开始提高燃料电池温度的程序指令；
通过估计燃料电池的可用输出功率并接收高电压电池的放电功率，计算第二输出功率的程序指令，所述第二输出功率为燃料电池的可用输出功率和所述高电压电池的放电功率之和；
确定所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率的程序指令；以及
基于所述第二输出功率是否大于所述第一输出功率的确定结果，确定能否允许车辆起动的程序指令。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：
在设定所述第一输出功率前，基于利用外界温度传感器测量的外界温度，确定能否在低温下起动车辆的程序指令。
14.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中从电池管理系统接收所述高电压电池的放电功率。
15.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中在确定能否允许车辆起动时，终止燃料电池温度的升高。
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