CN111785992A - 一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法 - Google Patents

一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法，属于新能源车辆领域，有效的低温冷启动控制方法可以克服现有燃料电池车辆在低温环境下，冷启动速度慢，且耗费能量大等问题。该发明提供的方法从输入系统参数并计算冷启动需求，并根据启动过程将冷启动分为两个启动阶段，首先进入冷启动过程1阶段，此时为外部加热元件与动力电池及系统余热共同给燃料，待燃料电池达到可启动温度时进入冷启动2阶段，即混合启动阶段，此时供空单元和供氢单元开始工作，燃料电池小功率运行。本方法所描述的燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法具有较快的启动响应能力，提升了燃料电池的安全性。

Description

一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池车辆控制领域，更确切地说，本发明涉及一种燃料电池车辆混合低 温冷启动控制方法。
背景技术
在新能源汽车发展体系中，燃料电池汽车是其重要的组成部分。质子交换膜燃料电池是 一种直接将储存在的化学能经与反应转化成电能、热能和水的电化学装置。它不受卡诺循环 的限制，转化效率高，只要有足够的氢气和氧气，就可以长时间连续运行。因其能量转换效 率高、噪音低、无排放(反应产物为水)等优点，已成为了各国研究的热点。
但是阻碍燃料电池发展的除了氢气的产生、运输和存放，系统本身仍存在问题尚未攻克， 如燃料电池冷启动问题已经成为阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车 冬季运行的最大挑战。燃料电池在反应过程中，不断的有水生成，而水在0℃以下就会结冰， 冰具有冷涨热缩的性质。如果大量的冰生成，势必会堵塞膜电极扩散层，使反应不能继续进 行，无法发电。更为严重的是，由于冷涨热缩的性能有撕裂膜电极的可能性，使燃料电池堆 完全失效。
现有的技术中，如2019年07月16日公开的发明专利，公开号：CN110021768A，公开了 一种燃料电池的冷启动控制方法、装置及系统，从系统层面上介绍了冷启动过程，整体上分 为普通启动和快速启动，并且在每个启动方式下提出了三种子启动模式，分别是最大功率启 动模式、恒定电压启动模式以及恒定电流启动模式，所介绍的启动方式使燃料电池系统在不 同条件下均能保证最优化的启动性能，但该方法仅仅着重于燃料电池自启动，未结合PTC加 热启动，并且也未在整车层面做宏观控制介绍。2019年11月11日公开的发明专利，公开号： CN110395143A，公开了具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法，该控制方法 不仅考虑了燃料电池系统本身的热管理，还考虑了整车热管理，并将热管理控制器分为三层， 动力系统平台热管理单元、燃料电池本体热管理单元、热管理控制器，宏观上描述了热管理 方案和冷启动方案，有一定价值。现有公开专利提出的燃料电池车辆低温冷启动控制方法仅 限于自启动和加热启动，且并未将整车热管理与冷启动耦合控制，在一定程度上存在能量的 浪费。本专利针对燃料电池车辆低温冷启动控制，制定相应的自启动、加热启动混合控制算 法，有效兼顾启动快速性与系统安全性，且融合车辆其余部件的热管理控制，有效利用系统 预热，充分挖掘系统的节能潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有燃料电池车辆在低温环境下，冷启动速度慢，且 耗费能量大等问题，提出了一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法。为解决上述技术问 题，本发明是采用如下技术方案实现的，包括下列步骤：
第一步，输入系统参数并计算冷启动需求
从CAN线上采集燃料电池出堆冷却液温度，结合目标启动温度以及目标冷启动时间，计 算目标需求热功率，作为方案的关键部件---加热器应置于加热水箱内，在散热系统的主管路 上，防冻液流过时，将热量带给燃料电池模块，故需将冷却液进行加热，所需热量如式(1) 所示：
QW＝mwCw(To-Ti) (1)
式中，mw为循环管路中冷却液质量，Cw为冷却液比热容，To为目标启动温度，Ti为初始温度， 进而计算电堆所需的加热量如式(2)所示：
Qs＝msCs(To-Ti) (2)
式中，ms为电堆总质量，Cs为电堆等效比热容，可以由试验测得，加热总功率为Pheat＝(Qw+Qs)/t0，初次之外应对阳极侧，进气系统主要零部件进行加热预处理，保证氢气正 常供给，计算加热氢气回流泵、分水器、尾排电磁阀所需的热功率，分别为Pp、Pr、Pv，故计算所需加热总功率如式(3)所示：
Ptotal＝Pheat+Pp+Pr+Pv (3)
燃料电池系统设置环境温度传感器T0，当环境温度T0≤0℃，低温控制策略进入激活运行 状态，此时无论是从暖库出来，还是运行中，当车辆进入低温环境都将执行低温控制策略， 注意，0℃是冰点，可能结冰，该温度传感器标定时应保守标定；
第二步，进入冷启动阶段1
冷启动阶段1，判断动力电池的SOC，得到动力电池现有工作状态，进而判断动力电池是 否可以提供足够的能量，若可以，开始启动车辆为电机提供动力的同时，为PTC加热板提供 功率输出，关闭燃料电池大循环回路，并打开燃料电池冷却系统小循环回路，实时地通过CAN 信号采集动力电池热状态，即对应冷却液温度，若其温度大于动力电池所要求的最低阈值温 度，则开启三通电磁阀，使得部分高温电池冷却液流向燃料电池热管理回路中，同理采集电 机、电控系统的热状态即对应冷却液温度，若其温度大于电机、电控系统所要求的最低阈值， 则开启三通电磁阀，使得部分高温电池冷却液流向燃料电池热管理回路中，充分利用动力电 机、电控以及电池的余热对燃料电池进行加热直到燃料电池达到可启动温度，主要应用场景 是在寒冷地区，燃料电池车辆无法立即开启燃料电池系统，需先使用动力电池先行进行动力 输出，一段时间后，动力电池、电机、电控系统的温度达到正常或较高水平时，进而进行充 分预热回收；
第三步，进入冷启动阶段2
当燃料电池系统达到可启动温度时，开启供空单元和供氢单元，燃料电池开始小功率运 行，即外部加热启动条件保持不变，燃料电池进入自启动进程，若阳极催化层的温度大于等 于第一温度小于第二温度，则确定启动模式为恒定电流启动模式，在恒定电流启动模式中， 计算阳极混入空气的目标体积分数公式如式(4)所示：
Figure BDA0002595385950000031
若阳极催化层温度大于等于第二温度且小于第三温度，则确定启动模式为恒电压启动模 式，在恒定电压启动模式，计算阳极混入空气的目标体积分数的公式如式(5)所示：
Figure BDA0002595385950000032
其中FAir表示不同启动模式下阳极混入空气的目标体积分数，λjin表示质子交换膜中的水 含量，Tini表示阳极催化层的温度，燃料电池产生的能量同时提供功率给PTC加热装置，直到 燃料电池系统达到正常温度，可以正常功率运行时，结束冷启动过程，同时进入燃料电池和 电池的混合动力模式。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法是针对车载燃料电池系统在 低温环境下迅速预热，快速启动的控制方法，通过相应的自启动、外部加热启动混合控制算 法，有效兼顾启动快速性与系统安全性；
2.本发明所述的本发明所述的一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法将燃料电池系 统本身冷启动控制与车辆其余部件的热管理控制进行耦合管理，有效利用系统预热，充分挖 掘了系统的节能潜力；
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是燃料电池车辆混合低温冷启动控制流程示意图；
图2是燃料电池车辆混合低温冷启动测试流程示意图；
图3是燃料电池及整车热管理关键部件布置简图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。由于车载燃料电池 系统总体细节布置为本领域技术人员所悉知的，因此在此不再一一赘述。
下面参考附图来详细描述根据本发明实施例的燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法， 但本发明并不限于这些实施例。
首先参阅图2，本发明所述的低温冷启动过程整体上包括低温冷启动试验开始后的吹扫 过程，实施吹扫的目的是因为燃料电池系统中含水，如果不进行吹扫，燃料电池会因为低温 储存结冰而失效，所以必须进行吹扫，吹扫后将系统低温存储，使得系统达到冷启动所需环 境要求，进而启动混合低温冷启动控制策略，当系统达到可启动温度时，正常起机工作。
下面参阅图1和图3，分步具体叙述轮毂液压驱动系统的蠕行模式温度补偿调速控制方 法。
第一步，输入系统参数并计算冷启动需求
监测温压传感器13输出的温度信号，并通过热管理控制器发动到CAN线上中，从CAN线 上采集燃料电池出堆冷却液温度，结合预先定义的目标启动温度以及目标冷启动时间，计算 目标需求热功率，作为方案的关键部件---加热器应置于加热水箱内，在散热系统的主管路上， 防冻液流过时，将热量带给燃料电池电堆1，故需将冷却液进行加热，所需热量如式(1)所 示：
QW＝mwCw(To-Ti) (1)
式中，mw为循环管路中冷却液质量，Cw为冷却液比热容，To为目标启动温度，Ti为初始温度， 进而计算电堆所需的加热量如式(2)所示：
Qs＝msCs(To-Ti) (2)
式中，ms为电堆总质量，Cs为电堆等效比热容，可以由试验测得，加热总功率为Pheat＝(Qw+Qs)/t0，初次之外应对阳极侧，进气系统主要零部件进行加热预处理，保证氢气正 常供给，计算加热氢气回流泵6、分水器10、尾排电磁阀所需的热功率，分别为Pp、Pr、Pv，故计算所需加热总功率如式(3)所示：
Ptotal＝Pheat+Pp+Pr+Pv (3)
燃料电池系统设置环境温度传感器T0，当环境温度T0≤0℃，低温控制策略进入激活运行 状态，此时无论是从暖库出来，还是运行中，当车辆进入低温环境都将执行低温控制策略， 注意，0℃是冰点，可能结冰，该温度传感器标定时应保守标定；
第二步，进入冷启动阶段1
冷启动阶段1，判断动力电池3的SOC，得到动力电池3现有工作状态，进而判断动力电 池3是否可以提供足够的能量，若可以，开始启动车辆为电机4提供动力的同时，为PTC加热板提供功率输出，关闭冷却风扇16所在的燃料电池冷却系统大循环回路，并打开燃料电池 冷却系统小循环回路，即打开两通电磁阀14，实时地通过CAN信号采集动力电池热状态，即 对应冷却液温度，若其温度大于动力电池所要求的最低阈值温度，由温压传感器8提供，则 开启三通电磁阀17，使得部分高温电池冷却液流向燃料电池热管理回路中，同理采集电机4、 电控系统5的热状态即对应冷却液温度，分别由温压传感器7和6提供，若其温度大于电机、 电控系统所要求的最低阈值，则开启三通电磁阀18和三通电磁阀19，使得部分高温电池冷 却液流向燃料电池热管理回路中，充分利用动力电机、电控以及电池的余热对燃料电池进行 加热直到燃料电池达到可启动温度，主要应用场景是在寒冷地区，燃料电池车辆无法立即开 启燃料电池系统，需先使用动力电池先行进行动力输出，一段时间后，动力电池、电机、电 控系统的温度达到正常或较高水平时，进而进行充分预热回收；
第三步，进入冷启动阶段2
当燃料电池系统达到可启动温度时，开启供空单元和供氢单元，燃料电池开始小功率运 行，即外部加热启动条件保持不变，燃料电池进入自启动进程，若阳极催化层的温度大于等 于第一温度小于第二温度，则确定启动模式为恒定电流启动模式，在恒定电流启动模式中， 计算阳极混入空气的目标体积分数公式如式(4)所示：
Figure BDA0002595385950000051
若阳极催化层温度大于等于第二温度且小于第三温度，则确定启动模式为恒电压启动模 式，在恒定电压启动模式，计算阳极混入空气的目标体积分数的公式如式(5)所示：
Figure BDA0002595385950000052
其中FAir表示不同启动模式下阳极混入空气的目标体积分数，λjin表示质子交换膜中的水 含量，Tini表示阳极催化层的温度，燃料电池产生的能量同时提供功率给PTC加热装置，直到 燃料电池系统达到正常温度，可以正常功率运行时，结束冷启动过程，同时进入燃料电池和 电池的混合动力模式。
在第二步加热部件时应注意加热部件中，加热器PTC在完成加热后(Tout＞0℃时)，可 以关闭；当Tout≤0℃，则需要启动，其余的加热回流泵、分水器、电磁阀的部件不能关闭， 只有当环境温度>0℃时，才能关闭；当环境温度再次低于0℃时，应立即开启加热。
当启动过程中，出现零部件故障需要关机时，应启动低温冷启动吹扫策略，不能执行正 常关机策略。

Claims (1)

1.一种燃料电池车辆混合低温冷启动控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
第一步，输入系统参数并计算冷启动需求
从CAN线上采集燃料电池出堆冷却液温度，结合目标启动温度以及目标冷启动时间，计算目标需求热功率，作为方案的关键部件---加热器应置于加热水箱内，在散热系统的主管路上，防冻液流过时，将热量带给燃料电池模块，故需将冷却液进行加热，所需热量如式(1)所示：
QW＝mwCw(To-Ti) (1)
式中，mw为循环管路中冷却液质量，Cw为冷却液比热容，To为目标启动温度，Ti为初始温度，进而计算电堆所需的加热量如式(2)所示：
Qs＝msCs(To-Ti) (2)
式中，ms为电堆总质量，Cs为电堆等效比热容，可以由试验测得，加热总功率为Pheat＝(Qw+Qs)/t0，初次之外应对阳极侧，进气系统主要零部件进行加热预处理，保证氢气正常供给，计算加热氢气回流泵、分水器、尾排电磁阀所需的热功率，分别为Pp、Pr、Pv，故计算所需加热总功率如式(3)所示：
Ptotal＝Pheat+Pp+Pr+Pv (3)
燃料电池系统设置环境温度传感器T0，当环境温度T0≤0℃，低温控制策略进入激活运行状态，此时无论是从暖库出来，还是运行中，当车辆进入低温环境都将执行低温控制策略，注意，0℃是冰点，可能结冰，该温度传感器标定时应保守标定；
第二步，进入冷启动阶段1
冷启动阶段1，判断动力电池的SOC，得到动力电池现有工作状态，进而判断动力电池是否可以提供足够的能量，若可以，开始启动车辆为电机提供动力的同时，为PTC加热板提供功率输出，关闭燃料电池大循环回路，并打开燃料电池冷却系统小循环回路，实时地通过CAN信号采集动力电池热状态，即对应冷却液温度，若其温度大于动力电池所要求的最低阈值温度，则开启三通电磁阀，使得部分高温电池冷却液流向燃料电池热管理回路中，同理采集电机、电控系统的热状态即对应冷却液温度，若其温度大于电机、电控系统所要求的最低阈值，则开启三通电磁阀，使得部分高温电池冷却液流向燃料电池热管理回路中，充分利用动力电机、电控以及电池的余热对燃料电池进行加热直到燃料电池达到可启动温度，主要应用场景是在寒冷地区，燃料电池车辆无法立即开启燃料电池系统，需先使用动力电池先行进行动力输出，一段时间后，动力电池、电机、电控系统的温度达到正常或较高水平时，进而进行充分预热回收；
第三步，进入冷启动阶段2
当燃料电池系统达到可启动温度时，开启供空单元和供氢单元，燃料电池开始小功率运行，即外部加热启动条件保持不变，燃料电池进入自启动进程，若阳极催化层的温度大于等于第一温度小于第二温度，则确定启动模式为恒定电流启动模式，在恒定电流启动模式中，计算阳极混入空气的目标体积分数公式如式(4)所示：
Figure FDA0002595385940000021
若阳极催化层温度大于等于第二温度且小于第三温度，则确定启动模式为恒电压启动模式，在恒定电压启动模式，计算阳极混入空气的目标体积分数的公式如式(5)所示：
Figure FDA0002595385940000022
其中FAir表示不同启动模式下阳极混入空气的目标体积分数，λjin表示质子交换膜中的水含量，Tini表示阳极催化层的温度，燃料电池产生的能量同时提供功率给PTC加热装置，直到燃料电池系统达到正常温度，可以正常功率运行时，结束冷启动过程，同时进入燃料电池和电池的混合动力模式。
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