CN110112441A - 一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置，该控制方法包括：检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值；若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件；若满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件，则给动力电池充电和/或开启车内用电设备以增大燃料电池的输出功率。在本发明中，当判断出燃料电池电堆总电压大于电压设定阈值时，采用燃料电池给动力电池充电或开启一个或多个相应的车内用电设备来提高燃料电池系统的功率输出，在不改变燃料电池车辆原有结构及部件的基础上，有效抑制了燃料电池高电位的产生。

Description

一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置，属于燃料电池系统技术领域。
背景技术
在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。在众多影响燃料电池寿命的因素中，高电位造成阴极催化剂的衰减被认为是造成电堆性能衰减的主要因素。在高电位存在的条件下，载体碳材料容易被氧化，从而将Pt颗粒与碳载体之间的结合力减弱，使得Pt颗粒脱落，最终导致Pt颗粒在电解质中溶解，影响电堆的催化性能。更严重的是，剥离后的Pt颗粒通过电解质或者粘结剂结合在一起，使得电解质阻值增大。
针对以上高电位影响燃料电池电堆性能的问题，国内外学者也进行了大量研究。提出使用性能更好的石墨化碳载体代替传统的碳载体，来减小高电位对电堆性能的影响。UTC和其他如福特、丰田等汽车公司都提出了避免高电位的启停控制策略，如使用外部气体循环来对电堆内部进行吹扫，联合内部的电池短路来限制阴极的高电位。彭跃进等人在《工程科学学报上》公开了一种质子交换膜燃料电池启动策略，通过研究空冷型燃料电池电源系统停机特性及控制策略，在停机时切入不同大小的辅助负载以及氮气吹扫相结合，避免了停机高电位对电堆性能的影响。对于车载燃料电池难以避免低载运行的情况，当电堆在低载运行时，同样会出现高于最高允许电压以上的高电位，但目前对于限制低载运行高电位的控制策略还比较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统的高电位控制方法及装置，用于解决燃料电池低载或者空载运行会出现高电位的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池系统的高电位控制方法，包括以下方案：
方法方案一：步骤如下：
检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值；
若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件；
若满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件，则给动力电池充电和/或开启车内用电设备以增大燃料电池的输出功率。
方法方案二：在方法方案一的基础上，还包括判断是否满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，若满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，则增大对应车内用电设备的输出功率。
方法方案三：在方法方案二的基础上，所述给动力电池充电条件为动力电池SOC小于电荷设定阈值；所述车内用电设备包括车内制热设备、车内制冷设备以及冷却循环水辅助加热设备中的至少一种；所述车内制热设备对应的开启条件为车内温度低于第一温度设定阈值，所述车内制冷设备对应的开启条件为车内温度高于第二温度设定阈值，所述冷却循环水辅助加热设备对应的开启条件为冷却循环水温度低于第三温度设定阈值。
方法方案四：在方法方案三的基础上，所述车内用电设备还包括冷却循环水辅助散热设备，所述冷却循环水辅助散热设备对应的增大输出功率条件为冷却循环水温度高于第四温度设定阈值。
方法方案五：在方法方案四的基础上，还包括若给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件以及车内用电设备对应的增大输出功率条件均不满足，则开启冷却循环水辅助加热设备并同时增大冷却循环水辅助散热设备的输出功率。
方法方案六：在方法方案四的基础上，还包括在各个设定阈值上设置一定的临界区间，在该临界区间内进行稳态控制。
方法方案七：在方法方案四的基础上，所述车内制热设备为暖风系统、车载空调系统或者用于给加热水暖系统加热的加热棒，所述车内制冷设备为车载空调系统，所述冷却循环水辅助加热设备为用于给冷却循环水加热的加热设备，所述冷却循环水辅助散热设备为风扇和/或水泵。
方法方案八：在方法方案四的基础上，所述电压设定阈值为燃料电池单片电位0.8V*燃料电池单片数，所述电荷设定阈值为90％，所述第一温度设定阈值为18℃，所述第二温度设定阈值为28℃，所述第三温度设定阈值为10℃，所述第四温度设定阈值为70℃。
本发明还提供了一种燃料电池系统的高电位控制装置，包括以下方案：
装置方案一：包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值；
若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件；
若满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件，则给动力电池充电和/或开启车内用电设备以增大燃料电池的输出功率。
装置方案二：在装置方案一的基础上，还包括判断是否满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，若满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，则增大对应车内用电设备的输出功率。
装置方案三：在装置方案二的基础上，所述给动力电池充电条件为动力电池SOC小于电荷设定阈值；所述车内用电设备包括车内制热设备、车内制冷设备以及冷却循环水辅助加热设备中的至少一种；所述车内制热设备对应的开启条件为车内温度低于第一温度设定阈值，所述车内制冷设备对应的开启条件为车内温度高于第二温度设定阈值，所述冷却循环水辅助加热设备对应的开启条件为冷却循环水温度低于第三温度设定阈值。
装置方案四：在装置方案三的基础上，所述车内用电设备还包括冷却循环水辅助散热设备，所述冷却循环水辅助散热设备对应的增大输出功率条件为冷却循环水温度高于第四温度设定阈值。
装置方案五：在装置方案四的基础上，还包括若给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件以及车内用电设备对应的增大输出功率条件均不满足，则开启冷却循环水辅助加热设备并同时增大冷却循环水辅助散热设备的输出功率。
装置方案六：在装置方案四的基础上，还包括在各个设定阈值上设置一定的临界区间，在该临界区间内进行稳态控制。
装置方案七：在装置方案四的基础上，所述车内制热设备为暖风系统、车载空调系统或者用于给加热水暖系统加热的加热棒，所述车内制冷设备为车载空调系统，所述冷却循环水辅助加热设备为用于给冷却循环水加热的加热设备，所述冷却循环水辅助散热设备为风扇和/或水泵。
装置方案八：在装置方案四的基础上，所述电压设定阈值为燃料电池单片电位0.8V*燃料电池单片数，所述电荷设定阈值为90％，所述第一温度设定阈值为18℃，所述第二温度设定阈值为28℃，所述第三温度设定阈值为10℃，所述第四温度设定阈值为70℃。
本发明的有益效果是：
当判断出燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值时，说明燃料电池很有可能会出现高电位，此时通过条件判断，采用燃料电池给动力电池充电或者开启一个或者多个相应的车内用电设备，来提高燃料电池系统的功率输出，在不改变燃料电池车辆原有结构及部件的基础上，可以有效抑制燃料电池高电位的产生。
进一步的，通过在每个设定阈值上设定一定的临界区间，在区间内采用稳态控制，可以有效防止燃料电池在高电位临界点产生的电压跳动和用电设备的频繁启停。
附图说明
图1是燃料电池系统的高电位控制方法的逻辑控制图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种燃料电池系统的高电位控制装置，该控制装置包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现一种燃料电池系统的高电位控制方法。该燃料电池系统的高电位控制方法及装置在不改变燃料电池车辆原有结构及部件基础上，仅仅通过控制方法的改善，来限制燃料电池系统在低载或者空载运行中高电位的产生。图1给出了该燃料电池系统的高电位控制方法的逻辑控制图，具体包括以下步骤：
(1)检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值。
当燃料电池整车运行时，实时监测燃料电池电堆的总电压或者单片电压，当燃料电池总电压不超过电压设定阈值(设定值1)时，不做处理，燃料电池系统正常运行；当燃料电池总电压超过电压设定阈值(设定值1)时，进入高电位抑制模式，逐步采取相应的策略，通过提高燃料电池系统的功率输出，抑制高电位的产生。其中，燃料电池总电压由燃料电池电堆本身特性决定，一般为燃料电池单片高电位电压(一般判断单片高电位为0.8V)乘以电堆总的单片数。
(2)若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件或者车内用电设备对应的增大输出功率条件。
当燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，说明燃料电池电压较高，进行高电位预警，并采取对应的控制策略，以降燃料电池电压。这里的车内用电设备是指车内制热设备、车内制冷设备、冷却循环水辅助加热设备以及冷却循环水辅助散热设备等其他用电设备。其中，车内制热设备是指暖风系统、车载空调系统或者用于给加热水暖系统加热的加热棒以及其他的车内温度加热设备；车内制冷设备是指车载空调系统或者其他车内制冷系统；冷却循环水辅助加热设备是指用于给冷却循环水加热的加热设备，例如串联在冷却水管路内的电热丝加热系统；冷却循环水辅助散热设备为风扇和/或水泵。
具体的，给动力电池充电条件为动力电池SOC小于电荷设定阈值，车内制热设备对应的开启条件为车内温度低于第一温度设定阈值，车内制冷设备对应的开启条件为车内温度高于第二温度设定阈值，冷却循环水辅助加热设备对应的开启条件为冷却循环水温度低于第三温度设定阈值，冷却循环水辅助散热设备对应的增大输出功率条件为冷却循环水温度高于第四温度设定阈值。
(3)若满足给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件或车内用电设备对应的增大输出功率条件，则对应的给动力电池充电、开启对应车内用电设备或者增大对应车内用电设备的输出功率，以增大燃料电池的输出功率。
在本实施例中，通过顺次判断是否满足给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件以及车内用电设备对应的增大输出功率条件，来确定动力电池的充电情况以及各车内用电设备的运行情况，以增大电能消耗，提高燃料电池的功率输出，降低燃料电池电压。
首先，判断动力电池SOC是否小于电荷设定阈值(设定值2)，若小于电荷设定阈值，则通过对动力电池进行充电，提高燃料电池的功率输出，降低燃料电池电压。其中，电荷设定阈值为动力电池允许充电的最大限值，在本实施例中，取为动力电池的最大或额定SOC的90％。
如果动力电池SOC较高，此时不允许燃料电池向动力电池充电，则判断燃料电池车的车内温度情况。当车内温度低于第一温度设定阈值(设定值3)时，说明车内温度较低(一般发生在冬天)，此时通过控制开启车内制热设备给车内加热，以提高燃料电池功率输出，降低燃料电池电压。同样的，在动力电池SOC较高的情况下，若判断出燃料电池车的车内温度高于第二温度设定阈值(设定值4)时，说明车内温度较高(一般发生在夏天)，此时通过控制开启车内制冷设备给车内降温，以提高燃料电池功率输出，降低燃料电池电压，抑制燃料电池高电位的产生。其中，第一温度设定阈值为车内开启暖气的温度，第二温度设定阈值为车内开启冷气的温度，均由用户确定。在本实施例中，第一温度设定阈值设置为18℃，第二温度设定阈值设置为28℃。
若上述的动力电池SOC以及车内温度均不满足，进而检测冷却循环水的温度情况。当冷却循环水的温度低于第三温度设定阈值(设定值5)时，说明冷却循环水的温度较低(一般发生在冬天)，此时控制开启冷却循环水辅助加热设备，给冷却循环水加热，以提高燃料电池的功率输出，抑制高电位的产生。同样的，当冷却循环水的温度高于第四温度设定阈值(设定值6)时，说明冷却循环水的温度较高(一般发生在夏天)，此时控制加快冷却循环水辅助散热设备中的风扇的转速以及水泵的转速，给冷却循环水降温，以提高燃料电池的功率输出，抑制高电位的产生。其中，第三温度设定阈值为冷却循环水加热的临界值，第四温度设定阈值为冷却循环水散热的临界值，均根据燃料电池电堆的特性设定。在本实施例中，第三温度设定阈值设置为10℃，第四温度设定阈值设置为70℃。
在上述条件均不满足的前提下，通过同时控制开启冷却循环水辅助加热设备和冷却循环水辅助散热设备，例如开启电热丝等辅助加热手段对循环水进行加热的同时，加大风扇的转速和水泵的转速，使冷却水温度在守恒的同时增大燃料电池的功率输出，抑制高电位产生。
需要说明的是，上述步骤中动力电池SOC、车内温度以及冷却循环水温度的判定顺序并不限定。例如，也可以先判断车内温度、再判断动力电池SOC以及冷却循环水温度。且为了防止单一车内用电设备消耗电量不能满足抑制燃料电池高电位的目的，还可以根据燃料电池实时反馈的电压情况和时间等参数，判断是否需要同时使2个或多个用电设备开启或增大输出功率进行耗电，通过控制增加用电设备的数量或者增加用电设备的用电消耗量来增加燃料电池的功率输出。本方法中提高燃料电池的输出程度根据电堆的电压确定，当提高至电堆单片电压低于0.8V后，不再继续提高燃料电池的输出功率。
另外，为了防止燃料电池在高电位临界点产生的电压跳动和用电设备的频繁启停，本策略在每个设定值的临界点上设定一定的临界区间进行控制，在区间内采用稳态控制。
本发明在不改变现有车辆状态和部件的情况下，通过控制逻辑，将各车内用电部件和燃料电池电压进行联动控制，能够有效抑制燃料电池车辆运行过程中高电位的产生。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，步骤如下：
检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值；
若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件；
若满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件，则给动力电池充电和/或开启车内用电设备以增大燃料电池的输出功率。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，还包括判断是否满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，若满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，则增大对应车内用电设备的输出功率。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，所述给动力电池充电条件为动力电池SOC小于电荷设定阈值；所述车内用电设备包括车内制热设备、车内制冷设备以及冷却循环水辅助加热设备中的至少一种；所述车内制热设备对应的开启条件为车内温度低于第一温度设定阈值，所述车内制冷设备对应的开启条件为车内温度高于第二温度设定阈值，所述冷却循环水辅助加热设备对应的开启条件为冷却循环水温度低于第三温度设定阈值。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，所述车内用电设备还包括冷却循环水辅助散热设备，所述冷却循环水辅助散热设备对应的增大输出功率条件为冷却循环水温度高于第四温度设定阈值。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，还包括若给动力电池充电条件、车内用电设备对应的开启条件以及车内用电设备对应的增大输出功率条件均不满足，则开启冷却循环水辅助加热设备并同时增大冷却循环水辅助散热设备的输出功率。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，还包括在各个设定阈值上设置一定的临界区间，在该临界区间内进行稳态控制。
7.根据权利要求4所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，所述车内制热设备为暖风系统、车载空调系统或者用于给加热水暖系统加热的加热棒，所述车内制冷设备为车载空调系统，所述冷却循环水辅助加热设备为用于给冷却循环水加热的加热设备，所述冷却循环水辅助散热设备为风扇和/或水泵。
8.根据权利要求4所述的燃料电池系统的高电位控制方法，其特征在于，所述电压设定阈值为燃料电池单片电位0.8V*燃料电池单片数，所述电荷设定阈值为90％，所述第一温度设定阈值为18℃，所述第二温度设定阈值为28℃，所述第三温度设定阈值为10℃，所述第四温度设定阈值为70℃。
9.一种燃料电池系统的高电位控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：
检测燃料电池电堆的总电压，并判断燃料电池电堆的总电压是否大于电压设定阈值；
若燃料电池电堆的总电压大于电压设定阈值，则判断是否满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件；
若满足给动力电池充电条件和/或车内用电设备对应的开启条件，则给动力电池充电和/或开启车内用电设备以增大燃料电池的输出功率。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的高电位控制装置，其特征在于，还包括判断是否满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，若满足车内用电设备对应的增大输出功率条件，则增大对应车内用电设备的输出功率。
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