CN113471488B - 一种混合动力系统及其电池低温启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力系统及其电池低温启动控制方法。其中，方法包括：将燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线的最大功率值作为燃料电池中功率最小电堆的选型依据；根据燃料电池低温启动功率输出需求曲线，以及燃料电池电堆的功率‑效率曲线，确定空气、氢气以及冷却水需求；若燃料电池发电功率高于动力电池所需功率，并且燃料电池已经完成低温自启动，则选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率。通过将动力电池低温充电电流与燃料电池低温启动的能量需求进行综合匹配，保障了动力电池低温下充电电流不超过电流限值，提高了燃料电池和动力电池的寿命，同时缩短燃料电池与动力电池双系统低温冷启动时间。
Description
技术领域
本发明实施例涉及车辆启动控制技术领域，尤其涉及一种混合动力系统及其电池低温启动控制方法。
背景技术
燃料电池是利用氢氧反应气体在催化作用下发成氧化还原反应，产生动力电流以提供动力的一种能源转换形式。参与反应的气体不含碳或其他有害元素，产物只有水，所以燃料电池技术是绝对绿色环保的新型能源技术之一。
由于燃料电池提供动力电流由电催化产生，而本身催化化学反应速率相对较慢，导致燃料电池动力输出具有“软”的特征，即无法快速响应用电需求。燃料电池匹配动力电池，形成燃料电池+动力电池的混合动力系统则可以解决燃料电池功率输出偏软的问题，起到削峰填谷的作用。
然而，混合动力系统在零下三十度环境温度条件下使用过程中会出现动力电池充电电流过高报警现象。分析原因，主要是燃料电池自加热速度比较快，使能功率(可使用功率)可以快速回复到正常水平，但是动力电池本身加热速度慢，动力电池对电流接受能力无法跟上燃料电池的放电水平。
发明内容
本发明提供一种混合动力系统及其电池低温启动控制方法，以实现混合动力系统在低温环境下的高效、快速响应，同时保证动力电池低温下充电电流不超过电流限值，提高燃料电池和动力电池的寿命。
第一方面，本发明实施例提供了一种混合动力系统，所述系统包括燃料电池多电堆模块、冷却水和反应气体供应模块、动力电池模块，所述冷却水和反应气体供应模块与所述燃料电池多电堆模块相连，用于在燃料电池低温启动时提供反应气体和冷却水；
其中，所述燃料电池多电堆模块包括至少两个串联的电堆，所述电堆由设置在电堆之间的水气歧管总成连接，所述水气歧管设置有电堆水气通路电磁阀，所述电堆水气通路电磁阀用于控制电堆之间水气通路，以及电堆与尾排结构之间通路阀门状态；所述至少两个串联的电堆共用一套冷却水和反应气体供应模块；
所述动力电池模块包括动力电池单元、PTC加热单元和电池管理系统，所述PTC加热单元用于给所述动力电池电源加热，所述电池管理系统用于检测动力电池的工作状态信息。
第二方面，本发明实施例还提供一种电池低温启动控制方法，应用于上述实施中所述的混合动力系统中，所述方法包括：
确定燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线；
将燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线的最大功率值作为燃料电池中功率最小电堆的选型依据；
根据燃料电池低温启动功率输出需求曲线，以及燃料电池电堆的功率-效率曲线，确定空气、氢气以及冷却水需求；
其中，若燃料电池发电功率高于动力电池所需功率，并且燃料电池已经完成低温自启动，则选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率。
可选的，在确定燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线之前，还包括：
获取动力电池PTC加热功率需求曲线以及动力电池温升曲线；
根据动力电池温升曲线，确定动力电池允许充电的最大电流。
可选的，在确定动力电池允许充电的最大电流之后，还包括：
根据所述动力电池允许充电的最大电流，确定燃料电池电堆用于动力电池加热的功率与时间曲线；
根据所述动力电池允许充电的最大电流计算燃料电池用于自加热功率。
可选的，所述方法还包括：
将所述功率最小电堆用于低温启动的加热电堆。
可选的，在选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率之后，还包括：
根据所述燃料电池的目标功率重新确定燃料电池当前自加热所需的空气、氢气以及冷却水，以控制燃料电池按照目标功率进行输出。
本发明通过将动力电池低温充电电流与燃料电池低温启动的能量需求进行综合匹配，并在燃料电池已经完成低温自启动，则选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率进行设定，保障了动力电池低温下充电电流不超过电流限值，提高了燃料电池和动力电池的寿命，同时缩短燃料电池与动力电池双系统低温冷启动时间，提升驾乘感知。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多模组燃料电池系统示意图；
图2为本发明实施例提供的混合动力系统结构及电气原理图；
图3是本发明实施例提供的一种电池低温启动控制方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的动力电池可充电功率随着动力电池温升的变化图；
图5为本发明实施例提供的40kW燃料电池电堆低温冷启动系统输出功率-时间曲线图；
图6为本发明实施例提供的燃料电池低温冷启动目标功率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
参见图1-2，本发明实施例提供一种混合动力系统，更为具体的，本发明中的混合动力系统为氢燃料电池发动机系统与动力储能电池混合动力系统。其中，所述系统包括燃料电池多电堆模块、冷却水和反应气体供应模块、动力电池模块，所述冷却水和反应气体供应模块与所述燃料电池多电堆模块相连，用于在燃料电池低温启动时提供反应气体和冷却水；
具体参见图1，所述燃料电池多电堆模块包括至少两个串联的电堆1和2，可根据需求增加燃料电池电堆个数及功率大小；水气歧管3和4、电堆水气通路电磁阀5和6以及尾排结构7。其中，电堆间成串联结构，所述电堆1和2由设置在电堆之间的水气歧管3总成连接，所述水气歧管3和4中设置有电堆水气通路电磁阀5和6，所述电堆水气通路电磁阀5和6用于控制电堆之间水气通路，以及电堆与尾排结构7之间通路阀门状态；所述至少两个串联的电堆共用一套冷却水和反应气体供应模块。其中，燃料电池多电堆模块系统特征参数包括：Pe-电堆额定功率；
Pmax-电堆峰值功率；
Pcs-电堆冷启动功率(cs：Cold Start)；
Pi-max-第i电堆的最大功率；
Ucs-电堆冷启动电压；
Rcs-电堆低温环境下内阻；
Wstack-完成电堆低温冷启动所需要的热量；
tstack-完成电堆低温冷启动所需要的时间。
进一步参见图2，冷却水及反应气体供应模块包括：散热器、去离子罐、水泵以及
设置在散热器与燃料电池多电推模块之间的温度传感器；氢气存储模块、减压模块以及稳压模块等。其中，冷却水及反应气体供应模块系统特征参数包括：Lair-in-进堆空气流量LH2-in-进堆氢气流量
Pair-in-进堆空气压力；
PH2-in-进堆氢气压力；
Tin-冷却系统进水温度；
Tout-冷却系统出水温度。
所述动力电池模块包括动力电池单元、PTC加热单元和电池管理系统，所述PTC加热单元用于给所述动力电池电源加热，所述电池管理系统用于检测动力电池的工作状态信息。
其中，动力电池模块系统参数包括：PB-PTC-动力电池PTC加热功率；
Ics-in-动力电池低温允许充电最大电流；
tbattery-动力电池完成PTC冷启动加热所需时间。
本发明实施例提供还一种电池低温启动控制方法，应用于上述实施例中的混合动力系统中，作为优先，系统中的电堆功率可以可以按照小功率、中功率和高功率三个梯度进行设计。其中，该方法包括：
S110、确定燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线。
本实施例中，在S110之前还包括：
获取动力电池PTC加热功率需求曲线以及动力电池温升曲线；
根据动力电池温升曲线，确定动力电池允许充电的最大电流。
在确定动力电池允许充电的最大电流之后，根据所述动力电池允许充电的最大电流，确定燃料电池电堆用于动力电池加热的功率与时间曲线；
进一步的，根据所述动力电池允许充电的最大电流计算燃料电池用于自加热功率，计算公式如下：Pcs＝Ics-in×Rcs，即燃料电池电堆的自加热功率等于动力电池允许充电的最大电流与对应电堆低温环境下内阻的乘积。
S120、将燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线的最大功率值作为燃料电池中功率最小电堆的选型依据。
其中，功率最小电堆的功率为：P1:＝Pcs+PB-PTC。
在上述实施例的基础上，该方法还包括：确定燃料电池电堆系统中其余各电堆功率分配，公式如下：并Pmax＝P1-max+P2-max+…+Pi-max；将第1个燃料电池电堆作为低温冷启动用电堆。
本实施例中，通过设计串联燃料电池双电堆结构，其中小功率电堆可针对燃料电池和动力电池的电电混合动力系统在极低环境温度下的启动进行加热。一方面，解决了燃料电池低温自启动速度快，动力电池PTC加热慢，而动力电池又因自身温度低无法利用燃料电池电堆功率进行充电或加热的问题；
另一方面，利用略小峰值功率燃料电池电堆进行燃料电池和动力电池加热，可使该燃料电池电堆工作在相对健康的电位和电流密度区间，从而保证了氢燃料电池寿命。
S130、根据燃料电池低温启动功率输出需求曲线，以及燃料电池电堆的功率-效率曲线，确定空气、氢气以及冷却水需求。
其中，若燃料电池发电功率高于动力电池所需功率，并且燃料电池已经完成低温自启动，则选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率进行设定。同时将此处燃料电池功率输出单电池电位设置在0.5-0.7V之间，并计算电堆冷启动电压Ucs。
在选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率之后，还包括：计算燃料供给和冷却特性，进行低温冷启动能量控制策略的设计，即根据所述燃料电池的目标功率重新确定燃料电池当前自加热所需的空气、氢气以及冷却水，以保证动力电池中流过的电流大小在可承受的范围内。
本发明还提供一种电池低温启动控制方法的具体实施例，应用于燃料电池和动力电池的混合动力系统中。
已知使用100kWh磷酸铁锂动力电池，该动力电池的PTC加热功率恒定在10kW。具体为：
-30℃到-15℃，不允许有可充电功率输出给动力电池，但是动力电池PTC可接收最大10kW功率输入；
-15℃到0℃，维持动力电池PTC的10kW加热功率需求同时，允许20kW的可充电功率输入给动力电池；
0℃到15℃，维持动力电池PTC的10kW加热功率需求同时，允许45kW的可充电功率输入给动力电池。
综合考虑：动力电池总功率需求表现为在t1时间内总输出不超过10kW；在t2时间内总输出不超过30kW；在t3时间内总输出功率不超过55kW；在tcs以后放开燃料电池功率使能。参见图4，图4为动力电池可充电功率随着动力电池温升的变化图。
根据燃料电池输出功率需求和负载总功率需求200kW(额定功率)，匹配燃料电池组为40kW+160kW(均为额定功率)。确定40kW零下三十摄氏度低温冷启动输出功率曲线，具体参见图5。
结合图4和图5的燃料电池功率输出和动力电池功率输入要求，制定针对于40kW电堆的燃料电池低温冷启动策略：
tstack-2之前，燃料电池系统执行低温冷启动操作，无对外功率输出，动力电池执行低温冷启动操作，无任何功率输入；
tstack-3之后，燃料电池系统可实现自由功率输出。目标功率按照以下公式计算：
目标功率＝动力电池PTC功率需求+动力电池允许充电功率，对应的曲线如图6。
在燃料电池的目标功率确定之后，根据燃料电池目标功率需求，反向推算反应气体供给系统和冷却能力需求。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (3)
1.一种混合动力系统，其特征在于，所述系统包括燃料电池多电堆模块，冷却水和反应气体供应模块，以及动力电池模块，所述冷却水和反应气体供应模块与所述燃料电池多电堆模块相连，用于在燃料电池低温启动时提供反应气体和冷却水；
其中，所述燃料电池多电堆模块包括至少两个串联的电堆，所述电堆由设置在电堆之间的水气歧管总成连接，所述水气歧管设置有电堆水气通路电磁阀，所述电堆水气通路电磁阀用于控制电堆之间水气通路，以及电堆与尾排结构之间通路阀门状态；所述至少两个串联的电堆共用一套冷却水和反应气体供应模块；
所述动力电池模块包括动力电池单元、PTC加热单元和电池管理系统，所述PTC加热单元用于给所述动力电池电源加热，所述电池管理系统用于检测动力电池的工作状态信息；
所述多电堆模块包括至少两个串联的电堆，电堆的功率按照小功率、中功率、高功率三个梯度进行设计；电堆的工作数量由工作工况的需求而定；
其中，小功率的电堆用于低温冷启动加热及低需求功率工况，中功率和高功率的电堆用于中需求功率工况，多个电堆同时工作用于高需求功率工况。
2.一种电池低温启动控制方法，应用于权利要求1所述的混合动力系统中，其特征在于，所述方法包括：
获取动力电池PTC加热功率需求曲线以及动力电池温升曲线；
根据动力电池温升曲线，确定动力电池允许充电的最大电流；
根据所述动力电池允许充电的最大电流，确定燃料电池电堆用于动力电池加热的功率与时间曲线；
根据所述动力电池允许充电的最大电流计算燃料电池用于自加热功率；
确定燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线；
将燃料电池低温冷启动功率输出需求曲线的最大功率值作为燃料电池中功率最小电堆的选型依据；
根据燃料电池低温启动功率输出需求曲线，以及燃料电池电堆的功率-效率曲线，确定空气、氢气以及冷却水需求；其中，若燃料电池发电功率高于动力电池所需功率，并且燃料电池已经完成低温自启动，则选取动力电池所需功率作为燃料电池目标功率；
根据所述燃料电池的目标功率重新确定燃料电池当前自加热所需的空气、氢气以及冷却水，以控制燃料电池按照目标功率进行输出。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述燃料电池中功率最小电堆用于低温启动的加热电堆。
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