CN111244508A - 一种高响应燃料电池系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种高响应燃料电池系统控制方法，燃料电池系统包括燃料电池、升压DCDC和FCU(燃料电池控制器)，其中燃料电池与升压DCDC和FCU均电性连接，升压DCDC和FCU电性连接，方法包括如下步骤：S1、根据燃料电池的运行电流控制燃料电池的氢空计量比到达设定值，并且设定值大于标准值；S2、当FCU获取到加载信号时控制升压DCDC提升燃料电池的运行电流，过程中控制燃料电池的氢空计量比不低于标准值以及燃料电池的电堆输出电压不低于安全值；S3、当FCU获取到减载信号时控制升压DCDC降低燃料电池的运行电流，过程中控制燃料电池的电堆输出电压不低于安全值。本发明提供可以提高燃料电池输出动态响应特性，实时跟随驱动电机的功率需求。

Description

一种高响应燃料电池系统控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体的说是一种高响应燃料电池系统控制方法。
背景技术
目前国内燃料电池车辆在实际运行时候，普遍都是以锂电池为主要动力输出来源，燃料电池系统主要作为锂电池的能量补充来源，类似车载充电机。具体结构如图1所示，汽车包括VCU(整车控制器)、燃料电池控制机构和锂电池控制机构，VCU与车辆控制系统电性连接，燃料电池控制机构包括电性连接的FCU(燃料电池控制器)和升压DCDC，其中FCU与VCU、升压DCDC和燃料电池均电性连接，升压DCDC与燃料电池和锂离子动力电池均电性连接，锂电池控制机构包括驱动控制器，驱动控制器与VCU、升压DCDC和锂离子动力电池均电性连接。造成这一问题的原因有两点：一是之前生产的燃料电池发动机功率偏小，不够独立支撑整个车辆的动力需求；二是燃料电池发动机动态响应时间不够，不足以响应驱动电机的能量需求。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种高响应燃料电池系统控制方法，可以提高燃料电池输出动态响应特性，实时跟随驱动电机的功率需求，减少整车锂离子动力电池功率需求，真正实现以燃料电池为主要输出动力。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种高响应燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池、升压DCDC和FCU(燃料电池控制器)，其中所述燃料电池与所述升压DCDC和所述FCU均电性连接，所述升压DCDC和所述FCU电性连接，所述方法包括如下步骤：
S1、根据所述燃料电池的运行电流控制所述燃料电池的氢空计量比到达设定值，并且设定值大于标准值；
S2、当所述FCU获取到加载信号时控制所述升压DCDC提升所述燃料电池的运行电流，过程中控制所述燃料电池的氢空计量比不低于标准值以及所述燃料电池的电堆输出电压不低于安全值；
S3、当所述FCU获取到减载信号时控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流，过程中控制所述燃料电池的电堆输出电压不低于安全值。
优选地，S2的具体方法为：
S21、所述FCU根据所述加载信号生成加载指令，并且将所述加载指令发送给所述升压DCDC；
S22、所述升压DCDC根据所述加载指令按照设定上升速度执行电流加载，过程中所述FCU监测所述燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则暂停电流加载；
S23、当所述升压DCDC的输出功率满足所述加载指令时停止电流加载，并且维持输出功率。
S22中，电流加载过程中氢空计量比下降，所述FCU控制所述燃料电池的氢气/氧气供应量增加直到氢空计量比达到当前所述电堆的输出电流对应的设定值。
优选地，S3的具体方法为：
S31、所述FCU根据所述减载信号生成减载指令，并且将所述减载指令发送给所述升压DCDC；
S32、所述升压DCDC根据所述减载指令按照设定下降速度执行电流减载，过程中监测所述燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则降低电流加载速度或者暂停电流加载；
S33、当所述升压DCDC的输出功率满足所述减载指令时停止电流减载，并且维持输出功率。
优选地，S32中，若电堆输出电压与安全值的差在可控范围之外则暂停电流减载。
优选地，所述加载指令和所述减载指令均包括需求功率，在S2和S3中，所述升压DCDC的输出功率到达需求功率后结束。
优选地，所述方法还包括如下步骤：
S4、当所述FCU获取到制动回收信号时控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流。
优选地，S4中，当所述FCU获取到制动回收信号时，首先判断是否处于怠速状态，若是则维持当前状态，若否则控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流直到处于怠速状态。
优选地，S4中，所述升压DCDC到达怠速状态后向所述FCU返回完成制动回收准备信号。
优选地，所述燃料电池系统还包括VCU(整车控制器)，所述VCU与所述FCU电性连接，所述加载信号、所述减载信号和所述制动回收信号均由所述VCU发送给所述FCU，所述FCU接收到所述完成制动回收准备信号后转发给所述VCU。
本发明通过提高氢空计量比的方式缩短燃料电池控制的响应时间，可以提高燃料电池输出动态响应特性，实时跟随驱动电机的功率需求，减少整车锂离子动力电池功率需求，真正实现以燃料电池为主要输出动力，并且通过双重保护确保燃料电池的运行安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中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是燃料电池控制系统的结构框图；
图2是第一部分的流程图；
图3是第二部分的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至3，图1是燃料电池控制系统的结构框图，图2是第一部分的流程图，图3是第二部分的流程图。
一种高响应燃料电池系统控制方法，燃料电池系统包括燃料电池、升压DCDC和FCU(燃料电池控制器)，其中燃料电池与升压DCDC和FCU均电性连接，升压DCDC和FCU电性连接，方法包括S1至S3。
S1、根据燃料电池的运行电流控制燃料电池的氢空计量比到达设定值，并且设定值大于标准值。
S2、当FCU获取到加载信号时控制升压DCDC提升燃料电池的运行电流，过程中控制燃料电池的氢空计量比不低于标准值以及燃料电池的电堆输出电压不低于安全值。
S3、当FCU获取到减载信号时控制升压DCDC降低燃料电池的运行电流，过程中控制燃料电池的电堆输出电压不低于安全值。
传统的控制方法中，氢空计量比都按照标准值运行，例如在100A运行的时候氢空计量比是2.0，空气流量是1000L/min，如果要加载到150A，则需要先加大空气流量，要先把空气流量加到1500L/min,再把电流升到150A，这就导致响应速度缓慢，因为要等待空气流量提升。而本发明采用提高氢空计量比的方式，例如在100A运行的时候，将空气流量调整为直接以1300L/min或者1500L/min运行，氢空计量比为3，在加载到150A的时候就可以直接先拉载，从而加快响应速度，因为无需等待空气流量提升。虽然在100A的时候并没有必要采用1500L/min的空气流量，因为这会浪费空压机功耗，但是提升了控制系统的响应速度，利用牺牲效率的方式获得更快的响应速度，从而可以将燃料电池作为主要的动力输出来源。
进一步的，S2的具体方法为S21至S23。
S21、FCU根据加载信号生成加载指令，并且将加载指令发送给升压DCDC。
S22、升压DCDC根据加载指令按照设定上升速度执行电流加载，过程中FCU监测燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则暂停电流加载。
S23、当升压DCDC的输出功率满足加载指令时停止电流加载，并且维持输出功率。
S22中，电流加载过程中氢空计量比下降，所述FCU控制所述燃料电池的氢气/氧气供应量增加直到氢空计量比达到当前所述电堆的输出电流对应的设定值。
进一步的，S3的具体方法为S31至S33。
S31、FCU根据减载信号生成减载指令，并且将减载指令发送给升压DCDC。
S32、升压DCDC根据减载指令按照设定下降速度执行电流减载，过程中监测燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则降低电流加载速度或者暂停电流加载。
S33、当升压DCDC的输出功率满足减载指令时停止电流减载，并且维持输出功率。
因为本发明是不等待空气流量而直接加载的，容易造成电堆损坏，因此本发明设置了双重保护，即分别通过监测电堆输出电压和氢空计量比来对电堆安全进行保护。例如在从100A加载到150A的过程中，当加载到140A的时候，电堆输出电压应该不低于85V，如果低于85V就容易导致电堆损坏，因此需要暂停电流加载，等电堆输出电压提升到85V以上之后再继续电流加载。在氢空计量比方面，在整个电流加载过程中，氢空计量比是一直下降的，当计量比一下降，氢/空气泵就开始提升流量，但是提升的过程会有滞后，但是因为本发明的氢空计量比设定值大于标准值，因此只要氢空计量比不低于标准值，就可以继续进行电流加载，例如氢空计量比的设定值是3.0，随着电流上升，氢空计量逐渐降低，只要没有下降到2.0的标准值，就可以继续进行电流加载，但到达2.0的时候，需要暂停加载，等氢空计量比提升之后，再继续进行电流加载。
进一步的，S32中，若电堆输出电压与安全值的差在可控范围之外则暂停电流减载。更加具体地说，若电堆输出电压与当前电堆输出电流对应安全值下限之间的差值越大，则减载速度越快，否则减载速度越慢。类似的，氢空计量比也可以作为控制电流减载速度的参考。
进一步的，加载指令和减载指令均包括需求功率，在S2和S3中，升压DCDC的输出功率到达需求功率后结束。
进一步的，方法还包括S4。
S4、当FCU获取到制动回收信号时控制升压DCDC降低燃料电池的运行电流。
进一步的，S4中，当FCU获取到制动回收信号时，首先判断是否处于怠速状态，若是则维持当前状态，若否则控制升压DCDC降低燃料电池的运行电流直到处于怠速状态。
进一步的，S4中，升压DCDC到达怠速状态后向FCU返回完成制动回收准备信号。
进一步的，燃料电池系统还包括VCU(整车控制器)，VCU与FCU电性连接，加载信号、减载信号和制动回收信号均由VCU发送给FCU，FCU接收到完成制动回收准备信号后转发给VCU。
本发明通过提高氢空计量比的方式缩短燃料电池控制的响应时间，可以提高燃料电池输出动态响应特性，实时跟随驱动电机的功率需求，减少整车锂离子动力电池功率需求，真正实现以燃料电池为主要输出动力，并且通过双重保护确保燃料电池的运行安全。
本说明书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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高响应燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池、升压DCDC和FCU(燃料电池控制器)，其中所述燃料电池与所述升压DCDC和所述FCU均电性连接，所述升压DCDC和所述FCU电性连接，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S1、根据所述燃料电池的运行电流控制所述燃料电池的氢空计量比到达设定值，并且设定值大于标准值；
S2、当所述FCU获取到加载信号时控制所述升压DCDC提升所述燃料电池的运行电流，过程中控制所述燃料电池的氢空计量比不低于标准值以及所述燃料电池的电堆输出电压不低于安全值；
S3、当所述FCU获取到减载信号时控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流，过程中控制所述燃料电池的电堆输出电压不低于安全值。
2.如权利要求1所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S2的具体方法为：
S21、所述FCU根据所述加载信号生成加载指令，并且将所述加载指令发送给所述升压DCDC；
S22、所述升压DCDC根据所述加载指令按照设定上升速度执行电流加载，过程中所述FCU监测所述燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则暂停电流加载；
S23、当所述升压DCDC的输出功率满足所述加载指令时停止电流加载，并且维持输出功率。
3.如权利要求1所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S22中，电流加载过程中氢空计量比下降，所述FCU控制所述燃料电池的氢气/氧气供应量增加直到氢空计量比达到当前所述电堆的输出电流对应的设定值。
4.如权利要求1所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S3的具体方法为：
S31、所述FCU根据所述减载信号生成减载指令，并且将所述减载指令发送给所述升压DCDC；
S32、所述升压DCDC根据所述减载指令按照设定下降速度执行电流减载，过程中监测所述燃料电池的电堆输出电压和氢空计量比，若电堆输出电压低于安全值或者氢空计量比低于标准值则降低电流加载速度或者暂停电流加载；
S33、当所述升压DCDC的输出功率满足所述减载指令时停止电流减载，并且维持输出功率。
5.如权利要求4所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S32中，若电堆输出电压与安全值的差在可控范围之外则暂停电流减载。
6.如权利要求1所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：所述加载指令和所述减载指令均包括需求功率，在S2和S3中，所述升压DCDC的输出功率到达需求功率后结束。
7.如权利要求1所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：所述方法还包括如下步骤：
S4、当所述FCU获取到制动回收信号时控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流。
8.如权利要求4所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S4中，当所述FCU获取到制动回收信号时，首先判断是否处于怠速状态，若是则维持当前状态，若否则控制所述升压DCDC降低所述燃料电池的运行电流直到处于怠速状态。
9.如权利要求5所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，其特征在于：S4中，所述升压DCDC到达怠速状态后向所述FCU返回完成制动回收准备信号。
10.如权利要求6所述的一种高响应燃料电池系统控制方法，所述燃料电池系统还包括VCU(整车控制器)，所述VCU与所述FCU电性连接，其特征在于：所述加载信号、所述减载信号和所述制动回收信号均由所述VCU发送给所述FCU，所述FCU接收到所述完成制动回收准备信号后转发给所述VCU。
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