CN109638320B - 一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器 - Google Patents

一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器，通过增加气体流量、排氢频率和氢气循环泵转速，尽量使得失效电池的电压能够及时恢复，如果不能及时恢复，也至少能够将失效电池的电压与车用燃料电池的平均电压之间的压差控制在第二阈值以下；也即，本方法通过保持燃料电池堆的均一性，既防止失效电池的电压过低给燃料电池堆寿命带来的影响，又保持燃料电池堆能够可靠的继续运行而不损失整车动力。

Description

一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器。
背景技术
燃料电池是一种电化学反应装置，根据反应原理和反应介质的不同可分为很多不同类型，其中质子交换膜燃料电池因其较高的能量转换效率和快速的动态响应特性，被认为是终极环保的车载动力，成为普遍应用的车用燃料电池。其具体的工作原理主要是由通入阴极的空气和通入阳极的氢气进行电化学反应，进而向外输出电能。
在具体的应用中，为了提高车用燃料电池的输出电流和功率，通常将几十甚至几百节的燃料电池通过串联方式组装在一起，形成一个燃料电池堆；反应气体氢气和空气是通过燃料电池堆的进口通入，均匀分配到所有的单节电池中进行电化学反应。然而，由于燃料电池堆设计、单节电池加工和燃料电池堆组装过程很可能会引起各个单节电池的流阻不同，从而导致反应气体在各个单节电池中的分配并不相同。另一方面，燃料电池电化学反应过程中会产生水，液态水在各个单节电池中的累积程度也会由于单节电池流阻、温度和湿度的不同而有所区别。这样一来，燃料电池堆在反应过程中就会出现某一片或者某个区域的单节电池由于欠气或者水淹而出现单节电池电压过低的情况。
当燃料电池运行过程中出现单节电池电压过低的情况，如果不及时采取措施就会使得该节电池出现反极，从而使得该节电池的膜电极发生衰减，甚至出现质子交换膜穿孔而产生危险。因此，当前亟需一种燃料电池堆出现单节电池失效的判断及控制方法，以使失效的单节电池及时恢复电压，进而提高燃料电池堆运行的可靠性，延长燃料电池堆的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法及控制器，以提高燃料电池堆运行的可靠性，延长燃料电池堆的使用寿命。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法，应用于车用燃料电池的控制器中；所述车用燃料电池的单节电池失效控制方法包括：
判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效；
若所述车用燃料电池发生单节电池失效，则按照第一预设规律增加所述车用燃料电池的阴极气体流量；
连续多次判断失效电池的电压与所述车用燃料电池的平均电压之间的压差是否低于第一阈值；
若多次判断的结果均为所述压差大于等于所述第一阈值，则按照第二预设规律增加所述车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加所述车用燃料电池的氢气循环泵转速；
判断所述压差是否低于所述第一阈值；
若所述压差仍然大于等于所述第一阈值，则降低所述车用燃料电池的最大功率，使所述压差低于第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值。
优选的，所述确判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效，包括：
判断所述压差是否大于所述第二阈值；
若所述压差大于所述第二阈值，则维持所述车用燃料电池的功率在预设时长内不变；
在预设时长内判断所述压差是否再次大于所述第二阈值；
若在预设时长内，所述压差再次大于所述第二阈值，则判定所述车用燃料电池发生单节电池失效。
优选的，在所述按照第一预设规律增加所述车用燃料电池的阴极气体流量之前，还包括：
判断所述压差是否大于第三阈值；
若所述压差大于所述第三阈值，则将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间。
优选的，所述将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间，包括：
对所述车用燃料电池的功率进行PID调节，以将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间。
优选的，所述第一预设规律为：持续10S，将阴极气体过量系数增加0.1/S。
优选的，所述连续多次判断失效电池的电压与所述车用燃料电池的平均电压之间的压差是否低于第一阈值，包括：
持续10秒，每秒判断一次所述压差是否低于第一阈值。
优选的，所述按照第二预设规律增加所述车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加所述车用燃料电池的氢气循环泵转速，包括：
将所述车用燃料电池的排氢频率增加30％，并将所述车用燃料电池的氢气循环泵转速增加50％。
优选的，所述降低所述车用燃料电池的最大功率，包括：
对所述车用燃料电池的功率进行PID调节，以降低所述车用燃料电池的最大功率。
优选的，在所述连续多次判断所述压差是否低于第一阈值之后，若多次判断的结果中存在所述压差低于所述第一阈值，则返回所述判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效的步骤；
在所述判断所述压差是否低于所述第一阈值之后，若所述压差低于所述第一阈值，则返回所述判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效的步骤。
一种车用燃料电池的控制器，包括：处理器和存储器；其中：
所述处理器用于加载并执行所述存储器中存储的多条指令；
所述存储器中存储的指令包括上述任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法。
本发明提供的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，在判断车用燃料电池发生单节电池失效后，首先将失效电池的电压与车用燃料电池的平均电压之间的压差控制在预设范围内；然后按照第一预设规律增加车用燃料电池的阴极气体流量，在此之后若多次判断均得到压差大于等于第一阈值，则按照第二预设规律增加车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加车用燃料电池的氢气循环泵转速；若该压差仍然大于等于第一阈值，则降低车用燃料电池的最大功率，使该压差低于第二阈值。通过本方法中的增加气体流量、排氢频率和氢气循环泵转速，尽量使得失效电池的电压能够及时恢复，如果不能及时恢复，也至少能够将失效电池的电压与车用燃料电池的平均电压之间的压差控制在第二阈值以下；也即，本方法通过保持燃料电池堆的均一性，既防止失效电池的电压过低给燃料电池堆寿命带来的影响，又保持燃料电池堆能够可靠的继续运行而不损失整车动力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的车用燃料电池的单节电池失效控制方法的流程图；
图2是本发明另一实施例提供的车用燃料电池的单节电池失效控制方法的流程图；
图3是本发明另一实施例提供的车用燃料电池的单节电池失效控制方法的流程图；
图4是本发明另一实施例提供的车用燃料电池的控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法，以提高燃料电池堆运行的可靠性，延长燃料电池堆的使用寿命。
该车用燃料电池的单节电池失效控制方法，应用于车用燃料电池的控制器中；具体的，该车用燃料电池的单节电池失效控制方法，如图1所示，包括：
S101、判断车用燃料电池是否发生单节电池失效；
应对车用燃料电池单节电池失效的问题，首先要判断燃料电池堆是否发生了单节电池失效。若车用燃料电池发生单节电池失效的情况，则执行步骤S102；
S102、按照第一预设规律增加车用燃料电池的阴极气体流量；
优选的，增加车用燃料电池的阴极气体流量所依据的第一预设规律为：持续10S，将阴极气体过量系数增加0.1/S。
S103、连续多次判断失效电池的电压与车用燃料电池的平均电压之间的压差是否低于第一阈值；
优选的，持续10秒，每秒判断一次压差是否低于第一阈值。
具体的，在判断车用燃料电池发生单节电池失效之后，每秒增加0.1的阴极气体过量系数，并判断一次压差是否降低到第一阈值(比如50mV)以下，最多持续10秒，如果10秒内失效电池的电压恢复，此时压差将会下降到第一阈值以下，则可以更新当前操作条件，返回步骤S101。
而若多次判断的结果均为压差大于等于第一阈值，则说明通过增加阴极气体流量未能实现实现电池电压的恢复，此时，可以执行步骤S104；
S104、按照第二预设规律增加车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加车用燃料电池的氢气循环泵转速；
优选的，步骤S104可以为：将车用燃料电池的排氢频率增加30％，并将车用燃料电池的氢气循环泵转速增加50％。
S105、判断压差是否低于第一阈值；
若此时压差下降到第一阈值以下，则说明通过增加排氢频率和氢气循环泵转速，能够有效的恢复失效电池的电压，则此时可以更新当前操作条件，返回步骤S101。若压差仍然大于等于第一阈值，则说明该失效电池的电压下降并非欠气所导致，此时可以执行步骤S106；
S106、降低车用燃料电池的最大功率，使压差低于第二阈值，该第二阈值大于第一阈值，比如可以为150mV。
如果通过上述步骤未能将压差控制在第一阈值以下，则可以通过降低车用燃料电池的最大功率，来降低压差，使其控制在第二阈值以下，使燃料电池堆在不受损害的前提下继续运行。
优选的，步骤S106包括：
对车用燃料电池的功率进行PID调节，以降低车用燃料电池的最大功率。
本实施例提供的该车用燃料电池的单节电池失效控制方法，通过增加气体流量、排氢频率和氢气循环泵转速，尽量使得失效电池的电压能够及时恢复，如果不能及时恢复，也至少能够将失效电池的电压与车用燃料电池的平均电压之间的压差控制在第二阈值以下；也即，本方法通过保持燃料电池堆的均一性，既防止失效电池的电压过低给燃料电池堆寿命带来的影响，又保持燃料电池堆能够可靠的继续运行而不损失整车动力。
另外，该车用燃料电池的单节电池失效控制方法的实现，不需要改变燃料电池堆及其系统结构，并且不需要增加额外的零部件；同时，采用主动和动态的调节方式改变燃料电池堆的运行条件，控制逻辑采用闭环结构，能够提高控制的精确性；该方法思路清楚，逻辑简单，能够很容易在车用燃料电池的控制器中实现，操作起来简单并容易实现。
值得说明的是，当车辆在启停过程中或者极端工况下，某单节电池有可能会因为短暂的欠气或水淹而导致其电压暂时降低，然后又迅速恢复，这种情况并非属于单节电池失效。因此，为了防止车用燃料电池的控制器对燃料电池堆单节电池失效问题的误判，本发明另一实施例还提供了另外一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法，在上述实施例及图1的基础之上，提供了一个燃料电池堆单节电池失效的准确判断方法，也即图1中步骤S101的具体实现过程，优选的，如图2所示，包括：
S201、判断压差是否大于第二阈值；
若压差大于第二阈值，则执行步骤S202；
S202、维持车用燃料电池的功率在预设时长(比如5秒)内不变；
S203、在预设时长内判断压差是否再次大于第二阈值；
若在预设时长内，压差再次大于第二阈值，则执行步骤S204；
S204、判定车用燃料电池发生单节电池失效。
在具体的实际应用中，车用燃料电池的控制器可以监测各单节电池的电压状态，其中平均电压用Avevoltage表示，单节电池的最低电压用Minvoltage表示。燃料电池堆在运行过程中，如果在某一功率下，单节电池的最低电压与平均电压相差达到第二阈值，比如150mV，即Avevoltage-Minvoltage>150mV，则立即维持住当前功率；若平均电压与最低电压的压差不能缩小，并在5秒内再次发生，则判定燃料电池堆确有单节电池失效的情况发生；若维持当前功率下，Avevoltage-Minvoltage>150mV的情况在5秒内不再发生，则判定燃料电池堆没有发生单节电池失效的情况。
本实施例能够自动检测车用燃料电池堆在运行过程中发生的单节电池电压过低的情况，并采用主动和动态的调节方式改变燃料电池堆的运行条件，如调整气体流量和改变排氢频率等，从而使得失效电池的电压不再继续下降而出现反极现象，有效的提高燃料电池堆的运行可靠性、寿命和安全性能。
另外，在确认发生单节电池失效之后所采取的措施，首先维持当前功率不变，此时失效电池的电压可能会比较稳定仅有小幅波动，或者也有可能会继续恶化，这两种情况需区别对待。如果电压稳定，则可以参照图1，直接执行步骤S102；但是如果失效电池的电压继续下降，则需要在图1的基础之上，在步骤S101之后增加步骤S301和S302。具体的，参见图3：
S301、判断压差是否大于第三阈值；
若压差大于第三阈值，则执行步骤S302；
S302、将压差控制在第二阈值到第三阈值之间。
优选的，步骤S302包括：
对车用燃料电池的功率进行PID调节，以将压差控制在第二阈值到第三阈值之间。
在完成步骤S302之后，继续执行步骤S102。
也就是说，在确定发生单节电池失效之后，若失效电池的电压继续下降至与平均电压的压差达到第三阈值，比如250mV，则需采用PID控制功率的方式，将压差控制在第二阈值到第三阈值之间，即控制在(150mV，250mV)内。然后加大阴极过量系数，每秒增加0.1并判断一次压差是否下降到第一阈值以下，即50mV以下，最多持续10秒，如果10秒内该失效电池的电压恢复，则更新当前操作条件，返回步骤S101；如果10秒内该失效电池的电压无法恢复，则增加氢气循环泵的转速以及排氢频率，并再次判断该失效电池的电压是否能够恢复，如果满足压差在50mV以内，则更新当前操作条件，返回步骤S101，如果不满足则只能采取通过PID调节来限制最大功率的方式，在保证燃料电池不受损害的前提下继续运行。
值得说明的是，第一阈值可以取值50mV，第二阈值可以取值为150mV，第三阈值可以取值为250mV。但是并不仅限于此，还可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
其余工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明另一实施例还提供了一种车用燃料电池的控制器，参见图4，包括：处理器101和存储器102；其中：
处理器101用于加载并执行存储器102中存储的多条指令；
存储器102中存储的指令包括上述任一实施例所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法。
具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术操作人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，应用于车用燃料电池的控制器中；所述车用燃料电池的单节电池失效控制方法包括：
判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效；
若所述车用燃料电池发生单节电池失效，则按照第一预设规律增加所述车用燃料电池的阴极气体流量；其中，所述第一预设规律为：持续10S，将阴极气体过量系数增加0.1/S；
连续多次判断失效电池的电压与所述车用燃料电池的平均电压之间的压差是否低于第一阈值；
若多次判断的结果均为所述压差大于等于所述第一阈值，则按照第二预设规律增加所述车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加所述车用燃料电池的氢气循环泵转速；所述第二预设规律为：将车用燃料电池的排氢频率增加30％；所述第三预设规则为：将车用燃料电池的氢气循环泵转速增加50％；
判断所述压差是否低于所述第一阈值；
若所述压差仍然大于等于所述第一阈值，则降低所述车用燃料电池的最大功率，使所述压差低于第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值。
2.根据权利要求1所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效，包括：
判断所述压差是否大于所述第二阈值；
若所述压差大于所述第二阈值，则维持所述车用燃料电池的功率在预设时长内不变；
在预设时长内判断所述压差是否再次大于所述第二阈值；
若在预设时长内，所述压差再次大于所述第二阈值，则判定所述车用燃料电池发生单节电池失效。
3.根据权利要求1所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，在所述按照第一预设规律增加所述车用燃料电池的阴极气体流量之前，还包括：
判断所述压差是否大于第三阈值；
若所述压差大于所述第三阈值，则将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间；其中，所述第三阈值大于所述第二阈值。
4.根据权利要求3所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间，包括：
对所述车用燃料电池的功率进行PID调节，以将所述压差控制在所述第二阈值到所述第三阈值之间。
5.根据权利要求1至4任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述第一预设规律为：持续10S，将阴极气体过量系数增加0.1/S。
6.根据权利要求1至4任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述连续多次判断失效电池的电压与所述车用燃料电池的平均电压之间的压差是否低于第一阈值，包括：
持续10秒，每秒判断一次所述压差是否低于第一阈值。
7.根据权利要求1至4任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述按照第二预设规律增加所述车用燃料电池的排氢频率，并按照第三预设规则增加所述车用燃料电池的氢气循环泵转速，包括：
将所述车用燃料电池的排氢频率增加30％，并将所述车用燃料电池的氢气循环泵转速增加50％。
8.根据权利要求1至4任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，所述降低所述车用燃料电池的最大功率，包括：
对所述车用燃料电池的功率进行PID调节，以降低所述车用燃料电池的最大功率。
9.根据权利要求1至4任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法，其特征在于，在所述连续多次判断所述压差是否低于第一阈值之后，若多次判断的结果中存在所述压差低于所述第一阈值，则返回所述判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效的步骤；
在所述判断所述压差是否低于所述第一阈值之后，若所述压差低于所述第一阈值，则返回所述判断所述车用燃料电池是否发生单节电池失效的步骤。
10.一种车用燃料电池的控制器，其特征在于，包括：处理器和存储器；其中：
所述处理器用于加载并执行所述存储器中存储的多条指令；
所述存储器中存储的指令包括权利要求1至9任一所述的车用燃料电池的单节电池失效控制方法。
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