CN108808042B - 一种燃料电池系统开关机控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池系统开关机控制方法，所述控制方法包括开机预热控制方法，所述开机预热控制方法包括以下步骤：1)在燃料电池启动时，当指示温度低于设定温度值，控制器闭合接触器，使得燃料电池电堆产生的电流流经电阻产生热，加热内循环水路的冷却水，通过内循环给燃料电池电堆升温；2)采集电阻的实时电流信号；3)控制器根据期望加载电流信号和实时电流信号采用PID闭环控制计算占空比控制量；4)控制器根据占空比控制量输出PWM信号，控制电子开关开闭状态，调节电阻的电流大小；5)当指示温度等于或高于设定温度值时，控制器断开接触器。本发明在关机时消耗掉电堆内过剩的反应气体，避免出现过电位导致燃料电池寿命衰减。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统开机控制方法及装置。
背景技术
燃料电池正常工作温度在75℃左右，在低温环境下启动时，需要预热燃料电池电堆，现有技术方案通过短接燃料电池电堆或增加电堆输出电流使得电堆内阻增加，提高电堆废热产生率，从而使电堆自加热，但前者使得车辆不能在低温状态下被启动，后者存在电堆两端和中间的单体电池温度分布不均的不足。其他技术方案通过附加的热交换热备对水箱内的冷却液进行加热，但该方式导致燃料电池系统体积增加，结构复杂化。另外，在燃料电池关机时，燃料电池电堆内会剩余部分未反应的燃料，从而导致过电位，损害燃料电池性能和耐久性。
发明内容
本发明就是根据上述事实，为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池系统开机控制方法及装置，目的在于开机时预热燃料电池，关机时消耗掉电堆内过剩的反应气体。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种燃料电池系统开机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括开机预热控制方法，所述开机预热控制方法包括以下步骤：
1)在燃料电池启动时，当指示温度低于设定温度值，控制器闭合接触器，使得燃料电池电堆产生的电流流经电阻产生热，加热内循环水路的冷却水，通过内循环给燃料电池电堆升温；
2)采集电阻的实时电流信号；
3)控制器根据期望加载电流信号和实时电流信号采用PID闭环控制计算占空比控制量；
4)控制器根据占空比控制量输出PWM信号，控制电子开关开闭状态，调节电阻的电流大小；
5)当指示温度等于或高于设定温度值时，控制器断开接触器。
作为上述技术方案的改进，所述控制方法包括关机放电控制方法，所述关机放电控制方法包括以下步骤：
1)在燃料电池关机时，当指示电压信号高于设定电压，控制器闭合接触器，使得燃料电池电堆产生的电流流经电阻，消耗剩余的反应气体；
2)采集电阻的实时电流信号；
3)控制器根据期望加载电流信号和实时电流信号采用PID闭环控制计算占空比控制量；
4)控制器根据占空比控制量输出PWM信号，控制电子开关开闭状态，调节电阻的电流大小；
5)当指示电压等于或低于设定电压值时，控制器断开接触器。
作为上述技术方案的改进，所述期望加载电流信号由燃料电池的开机策略决定。
作为上述技术方案的改进，所述期望加载电流信号由燃料电池的关机策略决定。
作为上述技术方案的改进，所述期望加载电流信号和指示温度信号通过CAN信号传递给控制器。
作为上述技术方案的改进，所述期望加载电流信号和指示电压信号通过CAN信号传递给控制器。
作为上述技术方案的改进，所述步骤3)中，采用PID闭环控制获取占空比控制量的公式为：
其中，α为控制量，kp、ki kd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，Δi为加热模块实时电流与期望电流的偏差信号。
一种实施燃料电池系统开机控制方法的装置，包括接触器，加热模块，控制器，所述装置被放置于内循环水路中；
所述接触器连接燃料电池电堆和加热模块；
所述加热模块包括电子开关、电阻、电流传感器；
所述控制器控制电子开关和接触器的开闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
根据本发明提供的燃料电池系统开机控制方法，在开机时预热燃料电池电堆，通过内循环使得电堆均匀地升温，在关机时消耗掉电堆内过剩的反应气体，避免出现过电位导致燃料电池寿命衰减，从而提高燃料电池的性能，增强燃料电池的耐久性。此外，本发明提供的燃料电池开机辅助装置，简单易实现，可简化燃料电池系统，降低系统的复杂性，节约成本。
附图说明
图1是示出本发明的控制架构图；
图2是示出本发明的控制策略图；
图3是示出本发明的一个实施例的加热模块3的图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明的实施例提供的电路或电子装置并不限于仅仅包含在此示出和描述的电路和电子装置。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池开机辅助装置1，如图1所示，包括接触器2，加热模块3，控制器4，所述装置被放置于内循环水路5中。接触器 2连接燃料电池电堆6和加热模块3；图2描绘了根据一个实施例的加热模块3，包括电子开关7、电感8、电阻9、二极管10和电流传感器11；控制器4控制电子开关7和接触器2的开闭。
如图3所示，本实施例还提供一种燃料电池系统开机预热控制方法，包括以下步骤：
1)在燃料电池启动时，指示温度T通过CAN信号传递给控制器4，控制器4比较指示温度T和设定温度Tset，当指示温度T等于或高于设定温度Tset时，保持接触器2断开，加热模块3不工作；当指示温度T低于设定温度值Tset，控制器4闭合接触器2，加热模块3工作，燃料电池电堆 6产生的电流流经电阻9产生热，加热内循环水路5的冷却水，通过内循环给燃料电池电堆6升温；
2)电流传感器11采集电阻9的实时电流信号i；
3)由燃料电池开机策略决定的期望加载电流信号iref通过CAN信号传递给控制器4，控制器4根据期望加载电流信号iref和实时电流信号i采用PID闭环控制计算占空比控制量α：
其中，α为控制量，kp、ki、kd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，Δi为加热模块实时电流i与期望电流iref的偏差信号。
4)控制器4根据占空比控制量α输出PWM信号，控制电子开关7 开闭状态。α为1，电子开关7保持闭合，α为0，电子开关保持断开。当电子开关闭合时，如图2所示，电感8和电阻9串联在燃料电池电堆6 两端，二极管10断路，此时电流i与燃料电池电堆两端电压ustack在频域有如下关系：
其中，L为电感8的电感系数，R为电阻9的阻值，i0为电子开关闭合瞬间的电流值。当电子开关断开时，电感8、电阻9和二极管10构成闭合回路，电流i按如下规律减小：
其中，i0为电子开关断开瞬间的电流值。当α在1和0之前变化，电子开关时而闭合时而断开，从而调节电流按期望加载曲线变化；
5)当指示温度T等于或高于设定温度值Tset时，控制器4断开接触器 2。
根据本发明提供的燃料电池系统开机控制方法，在燃料电池开机温度低于正常工作温度时，可控地调节流经电阻的电流，产生相应的热量加热内循环的冷却水，从而使得燃料电池电堆均匀快速地升温。此外，本发明提供的燃料电池开机辅助装置，简单易实现，可简化燃料电池系统的复杂性，节约成本。
如图3所示，本实施例还提供一种燃料电池系统关机放电控制方法，包括以下步骤：
1)在燃料电池关机时，指示电压信号u通过CAN信号传递给控制器 4，控制器4比较指示电压u和设定温度uset，当指示电压u等于或高于设定电压uset时，保持接触器2断开，加热模块3不工作；当指示电压u高于设定电压uset，控制器4闭合接触器2，加热模块3工作，使得燃料电池电堆6产生的电流流经电阻9，消耗剩余的反应气体；
2)电流传感器11采集电阻9的实时电流信号i；
3)由燃料电池关机策略决定的期望加载电流信号iref通过CAN信号传递给控制器4，控制器4根据期望加载电流信号iref和实时电流信号i采用PID闭环控制计算占空比控制量α：
其中，α为控制量，kp、kikd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，Δi为加热模块实时电流i 与期望电流iref的偏差信号。
4)控制器4根据占空比控制量α输出PWM信号，控制电子开关7 开闭状态，调节电阻9的电流大小。
5)当指示电压u等于或低于设定电压值uset时，控制器4断开接触器 2。
根据本发明提供的燃料电池系统开机控制方法，在燃料电池关机时能可控地消耗掉电堆内过剩的反应气体，避免出现过电位导致燃料电池寿命衰减，从而提高燃料电池的性能，增强燃料电池的耐久性。此外，本发明提供的燃料电池开机辅助装置，简单易实现，降低系统的复杂性，节约成本。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，
所述控制方法包括开机预热控制方法，所述开机预热控制方法包括以下步骤：
1)在燃料电池启动时，当指示温度低于设定温度值，控制器闭合接触器，使得燃料电池电堆产生的电流流经电阻产生热，加热内循环水路的冷却水，通过内循环给燃料电池电堆升温；
2)采集电阻的实时电流信号；
3)控制器根据期望加载电流信号和实时电流信号采用PID闭环控制计算占空比控制量；
4)控制器根据占空比控制量输出PWM信号，控制电子开关开闭状态，调节电阻的电流大小；
5)当指示温度等于或高于设定温度值时，控制器断开接触器；
所述控制方法包括关机放电控制方法，所述关机放电控制方法包括以下步骤：
1)在燃料电池关机时，当指示电压信号高于设定电压，控制器闭合接触器，使得燃料电池电堆产生的电流流经电阻，消耗剩余的反应气体；
2)采集电阻的实时电流信号；
3)控制器根据期望加载电流信号和实时电流信号采用PID闭环控制计算占空比控制量；
4)控制器根据占空比控制量输出PWM信号，控制电子开关开闭状态，调节电阻的电流大小；
5)当指示电压等于或低于设定电压值时，控制器断开接触器。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，所述开机预热控制方法中，所述期望加载电流信号由燃料电池的开机策略决定。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，所述关机放电控制方法中，所述期望加载电流信号由燃料电池的关机策略决定。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，所述开机预热控制方法中，所述期望加载电流信号和指示温度信号通过CAN信号传递给控制器。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，所述关机放电控制方法中，所述期望加载电流信号和指示电压信号通过CAN信号传递给控制器。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统开关机控制方法，其特征在于，所述开机预热控制方法的步骤3)中，采用PID闭环控制获取占空比控制量的公式为：
其中，α为控制量，kp、ki、kd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，Δi为加热模块实时电流与期望电流的偏差信号。
7.一种实施如权利要求1所述开关机控制方法的燃料电池开关机辅助装置，其特征在于，所述装置包括接触器，加热模块，控制器，所述装置被放置于内循环水路中；
所述接触器连接燃料电池电堆和加热模块；
所述加热模块包括电子开关、电阻、电流传感器；
所述控制器控制电子开关和接触器的开闭。
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