CN113488681A - 一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统 - Google Patents

一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统，属于燃料电池发动机技术领域，根据燃料电池双堆模块中两个单电堆上次运行时记录的衰减程度，分别计算最大输出功率，然后在满足燃料电池汽车功率需求的前提下，优先使用单电堆单独供能的工作模式，当单电堆无法满足功率需求时才使用双电堆同时供能的工作模式；通过控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，及冷却液的温度，调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求。该控制方式避免燃料电池电堆长期处于高电位的现象，减缓燃料电池的性能衰减，极大提升燃料电池发动机系统的耐久性，避免出现单个电堆性能过差的恶劣现象及引起的“短板效应”。

Description

一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统。
背景技术
氢作为一种清洁能源，近些年在能源行业大放异彩，其中的燃料电池是氢能应用的重要领域。质子交换膜燃料电池的工作原理为：氢气在催化剂的作用下，在阳极分解产生氢质子和电子，氢质子穿过质子交换膜，在阴极与氧气和外电路传输的电子反应生成水，电子在外电路转移的过程中通过负载做功，直接将化学能转化为电能，突破了卡诺循环的限制，极大提高了能量转换效率。由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、能量转换效率高以及零污染等特点，近些年来被广泛应用在固定式发电站和新能源汽车等领域。
燃料电池汽车是质子交换膜燃料电池的重要应用，目前已有多款燃料电池汽车在试运行。由于燃料电池汽车的功率需求范围较宽，从几千瓦到几十千瓦不等，因此为了满足燃料电池汽车的大范围功率需求，一般选择具有高额定功率的燃料电池发动机系统。以额定功率为60kW的燃料电池大巴车为例，燃料电池发动机系统主要包括氢气模块、空气模块、热管理模块、燃料电池发动机控制模块和燃料电池电堆模块。为了满足大巴车60kW的高功率需求，燃料电池电堆模块一般采用两个电堆串联组成的燃料电池双堆模块，每个电堆的额定功率均为30kW，燃料电池双堆模块额定功率为60kW，共同为燃料电池大巴车供能。图1为60kW燃料电池大巴车实况运行800h的实时功率分布数据，可以发现当燃料电池大巴车实况运行时，由于路况比较复杂，燃料电池发动机系统大部分时间不会以额定功率运行，而是长期运行在怠速状态或者低功率状态，尤其是低于25kW的功率范围内，进而额定功率为30kW的燃料电池单电堆在实况运行时长期运行在12.5kW以下的低功率区。而在怠速状态或低功率状态运行时，燃料电池处于大于0.7V的高电位状态，高电位会对燃料电池催化层中的碳载体产生腐蚀，导致催化剂颗粒脱落并团聚，进而降低电化学活性面积，使燃料电池性能逐步衰减。
通过对燃料电池衰减机理的研究发现，高电位和启停操作是导致燃料电池衰减的非常重要的因素。如果按照现有的运行方式长期运行下来，燃料电池发动机的寿命会快速下降，燃料电池的耐久性会成为燃料电池汽车的致命短板，严重制约燃料电池汽车大规模商业化的进程。因此寻求一种优化的燃料电池双电堆模块的设计和控制方法，以此改善当前燃料电池发动机系统，尤其是燃料电池双堆模块寿命衰减过快的现状，对于燃料电池汽车行业的发展至关重要。
发明内容
针对上述现有技术中车用燃料电池发动机的燃料电池长期处于高电位以及频繁启停的问题，本发明提出了一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统，通过调控燃料电池双堆模块的工作模式，改善因燃料电池长期处于高电位导致的燃料电池双堆模块寿命衰减过快的问题。
本发明具体技术方案如下：
一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：收到开机指令，启动燃料电池发动机，并获取燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max；
步骤2：根据燃料电池双堆模块中第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆上次运行时记录的衰减程度R1和R2，分别计算第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的最大输出功率P1_max和P2_max：
Pi_max＝Pmax*(1-Ri)，i＝1,2
其中，Pmax为第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率；
步骤3：判断第一燃料电池电堆的最大输出功率P1_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤4；否则，转至步骤5；
步骤4：控制第一燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口开启，第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口关闭，并控制燃料电池发动机输出电流仅流通第一燃料电池电堆，短路第二燃料电池电堆，使得燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆单独工作模式，转至步骤8；
步骤5：判断第二燃料电池电堆的最大输出功率P2_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤6；否则，转至步骤7；
步骤6：控制第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口开启，第一燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口关闭，并控制燃料电池发动机输出电流仅流通第二燃料电池电堆，短路第一燃料电池电堆，使得燃料电池双堆模块处于第二燃料电池电堆单独工作模式，转至步骤8；
步骤7：控制第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口均开启，并控制燃料电池发动机输出电流流通第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆，使得燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆共同工作模式，转至步骤8；
步骤8：对处于工作模式的燃料电池双堆模块进行开机吹扫，之后通过控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，及冷却液的温度，调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求；
步骤9：收到停机指令，确定处于工作模式的燃料电池双堆模块无功率输出后，对燃料电池双堆模块进行降温和关机吹扫，之后关闭燃料电池双堆模块所有已开启的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口，并断开电流，使燃料电池发动机处于停机状态。
进一步地，步骤2中第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆上次运行时记录的衰减程度R1和R2通过如下方式获得：
在第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的上次运行时，判断输出电流I下的平均节电压V1_avg和V2_avg，根据第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI-pre，计算得到衰减程度R1和R2并保存，其中，
Figure BDA0003144818490000031
进一步地，在步骤8中，先根据整车发送的燃料电池目标输出功率，计算得到处于工作模式的燃料电池双堆模块的目标输出电流，再根据计量比和目标输出电流计算得到目标空气流量和目标氢气流量，以控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，根据目标输出电流分段控制冷却液的温度，进而调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求。
一种基于上述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块及由第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆组成的燃料电池双堆模块；
所述氢气子系统的氢气输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气出口分别经电磁阀，合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气出口分别经电磁阀，合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液出口分别经电磁阀，合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
通过导线构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过两个电气开关切换第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的电气连接状态；
所述发动机控制模块的内部存储有第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的电磁阀连接；发动机控制模块根据上述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关和电磁阀的开关状态，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
进一步地，将空气子系统和热管理子系统中的电磁阀替换为电动球阀，具有更大的口径。
本发明还提出了另一种基于上述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块及由第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆组成的燃料电池双堆模块；
所述氢气子系统的氢气输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气出口经三通电动球阀合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气出口经三通电动球阀合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液出口经三通电动球阀合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
通过导线构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过两个电气开关切换第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的电气连接状态；
所述发动机控制模块的内部存储有第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的三通电动球阀连接；发动机控制模块根据上述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关和三通电动球阀的开关，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统，在满足燃料电池汽车功率需求的前提下，优先使用单电堆单独供能，当单电堆无法满足功率需求时才使用双堆同时供能的方式；由于当燃料电池汽车功率需求相同时，单电堆供能时燃料电池的节电压低于双堆同时供能时的节电压，因此上述控制方法避免了燃料电池电堆长期处于高电位的现象，减少了高电位带来的燃料电池的性能衰减；
2、由于当单电堆工作时，另一个电堆的性能不会随着工作的单电堆启停和变载，进而不会使该电堆性能衰减，并且当两个单电堆均衰减到无法单独工作时，选择双堆同时供能的方式继续工作，与现有技术中自始至终双堆都同时工作的方式相比，本发明提出的控制方式可以将燃料电池发动机系统的寿命提升为原来的3倍以上，极大地提升燃料电池发动机系统的耐久性；
3、本发明通过切换燃料电池双堆模块的不同工作模式，使得两个单电堆的衰减程度较为均匀，以避免出现单个电堆性能过差的恶劣现象及引起的“短板效应”。
附图说明
图1为传统60kW燃料电池大巴车实况运行800h的实时功率分布数据；
图2为本发明实施例1所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例1所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中空气管路的示意图；
图4为本发明实施例1和实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中空气子系统的结构示意图；
图5为本发明实施例1所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中氢气管路的示意图；
图6为本发明实施例1和实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中氢气子系统的结构示意图；
图7为本发明实施例1所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中冷却液管路的示意图；
图8为本发明实施例1和实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中热管理子系统的结构示意图
图9为本发明实施例1和实施例2中燃料电池双堆模块内部的电气连接示意图；
图10为本发明实施例1所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统的控制方法流程图；
图11为本发明实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统的结构示意图；
图12为本发明实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中空气管路的示意图；
图13为本发明实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中氢气管路的示意图；
图14为本发明实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统中冷却液管路的示意图；
图15为本发明实施例2所得长寿命车用燃料电池发动机控制系统的控制方法流程图。
附图标记如下：
1：空气子系统
2：氢气子系统
3：热管理子系统
4：第一燃料电池电堆
5：第二燃料电池电堆
6：第一燃料电池电堆的空气入口电动球阀
7：第一燃料电池电堆的空气出口电动球阀
8：第一燃料电池电堆的氢气入口电磁阀
9：第一燃料电池电堆的氢气出口电磁阀
10：第一燃料电池电堆的冷却液入口电动球阀
11：第一燃料电池电堆的冷却液出口电动球阀
12：第二燃料电池电堆的空气入口电动球阀
13：第二燃料电池电堆的空气出口电动球阀
14：第二燃料电池电堆的氢气入口电磁阀
15：第二燃料电池电堆的氢气出口电磁阀
16：第二燃料电池电堆的冷却液入口电动球阀
17：第二燃料电池电堆的冷却液出口电动球阀
18：空气侧温压一体传感器
19：氢气侧温压一体传感器
20：冷却液侧温压一体传感器
21：发动机控制模块
22：空气入口三通电动球阀
23：空气出口三通电动球阀
24：氢气入口三通电动球阀
25：氢气出口三通电动球阀
26：冷却液入口三通电动球阀
27：冷却液出口三通电动球阀
28：第一燃料电池电堆的电气开关
29：第二燃料电池电堆的电气开关
30：导线
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提出了一种长寿命车用燃料电池发动机控制系统，如图2所示，包括氢气子系统2、空气子系统1、热管理子系统3、发动机控制模块21及由第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5组成的燃料电池双堆模块。
如图4所示，所述空气子系统1包括空气流量计、空气压缩机、尾气自增湿空气加湿器、空气进气节气门和空气出气节气门，空气经空气流量计、空气压缩机进入尾气自增湿空气加湿器进行加湿处理，之后经空气出气节气门输入空气输出管道，作为发动机控制系统的空气燃料，发动机控制系统排出的空气通过空气输入管道，经空气出气节气门进入尾气自增湿空气加湿器，再排出。发动机控制系统中空气管路的示意图如图3所示，空气子系统1输出的空气经空气输出管道一分为二，分别经第一燃料电池电堆的空气入口电动球阀6和第二燃料电池电堆的空气入口电动球阀12，进入第一燃料电池电,4和第二燃料电池电堆5的空气入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的空气出口分别经第一燃料电池电堆的空气出口电动球阀7和第二燃料电池电堆的空气出口电动球阀13，合并到空气子系统1的空气输入管道；在空气输出管道和空气输入管道处设有空气侧温压一体传感器18。
如图6所示，所述氢气子系统2包括进气电磁阀、比例阀、流量计、疏水阀、氢气排气阀和氢气循环泵，氢气经进气电磁阀、比例阀和流量计输入氢气输出管道，作为发动机控制系统的氢气燃料，发动机控制系统排出的氢气通过氢气输入管道输入至疏水阀，分别排出水和氢气，排出的氢气还通过氢气循环泵进入流量计中循环利用。发动机控制系统中氢气管路的示意图如图5所示，氢气子系统2输出的氢气经氢气输出管道一分为二，分别经第一燃料电池电堆的氢气入口电磁阀8和第二燃料电池电堆的氢气入口电磁阀14，进入第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气出口分别经第一燃料电池电堆的氢气出口电磁阀9和第二燃料电池电堆的氢气出口电磁阀15，合并到氢气子系统2的氢气输入管道；在氢气输出管道和氢气输入管道处设有氢气侧温压一体传感器19。
如图8所示，所述热管理子系统3包括风冷换热器、水泵、补液箱、去离子器和颗粒物过滤器，发动机控制系统排出的冷却液通过冷却液输入管道输入，经水泵进入去离子器和风冷换热器中，去离子器用于去除冷却液中的导电离子，风冷换热器用于冷却冷却液，冷却液经去离子器和风冷换热器处理后，进入颗粒物过滤器过滤，之后经补液箱输入冷却液输出管道。发动机控制系统中冷却液管路的示意图如图7所示，热管理子系统3输出的冷却液经冷却液输出管道一分为二，分别经第一燃料电池电堆的冷却液入口电动球阀10和第二燃料电池电堆的冷却液入口电动球阀16，进入第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的冷却液入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的冷却液出口分别经第一燃料电池电堆的冷却液出口电动球阀11和第二燃料电池电堆的冷却液出口电动球阀17，合并到热管理子系统3的冷却液输入管道；在冷却液输出管道和冷却液输入管道处设有冷却液侧温压一体传感器20。
如图9所示，通过导线30构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过第一燃料电池电堆的电气开关28和第二燃料电池电堆的电气开关29，切换第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的电气连接状态。
所述发动机控制模块21的内部存储有第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与氢气子系统2，空气子系统1，热管理子系统3，第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关(30和31)以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的电磁阀或电动球阀(6～17)连接；发动机控制模块21根据长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关(28和29)、电磁阀(8、9、14和15)和电动球阀(6、7、10～13、16和17)的开关状态，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的流程图如图10所示，包括以下步骤：
步骤1：发动机控制模块21收到开机指令，启动燃料电池发动机，并获取燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max；
步骤2：发动机控制模块21根据第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5上次运行时记录的衰减程度R1和R2，分别计算第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的最大输出功率P1_max和P2_max：
Pi_max＝Pmax*(1-Ri)，i＝1,2
其中，Pmax为第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时的最大输出功率；
步骤3：发动机控制模块21判断第一燃料电池电堆4的最大输出功率P1_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤4；否则，转至步骤5；
步骤4：发动机控制模块21控制第一燃料电池电堆4的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀6、空气出口电动球阀7、氢气入口电磁阀8、氢气出口电磁阀9、冷却液入口电动球阀10和冷却液出口电动球阀11开启，第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀12、空气出口电动球阀13、氢气入口电磁阀14、氢气出口电磁阀15、冷却液入口电动球阀16和冷却液出口电动球阀17关闭，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28断开、第二燃料电池电堆的电气开关29导通，使燃料电池发动机输出电流仅流通第一燃料电池电堆4，短路第二燃料电池电堆5，此时燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆4单独工作模式，转至步骤8；
步骤5：发动机控制模块21判断第二燃料电池电堆5的最大输出功率P2_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤6；否则，转至步骤7；
步骤6：发动机控制模块21控制第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀12、空气出口电动球阀13、氢气入口电磁阀14、氢气出口电磁阀15、冷却液入口电动球阀16和冷却液出口电动球阀17开启，第一燃料电池电堆4的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀6、空气出口电动球阀7、氢气入口电磁阀8、氢气出口电磁阀9、冷却液入口电动球阀10和冷却液出口电动球阀11关闭，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28导通、第二燃料电池电堆的电气开关29断开，使燃料电池发动机输出电流仅流通第二燃料电池电堆5，短路第一燃料电池电堆4，此时燃料电池双堆模块处于第二燃料电池电堆5单独工作模式，转至步骤8；
步骤7：发动机控制模块21控制第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀6(12)、空气出口电动球阀7(13)、氢气入口电磁阀8(14)、氢气出口电磁阀9(15)、冷却液入口电动球阀10(16)和冷却液出口电动球阀11(17)均开启，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28和第二燃料电池电堆的电气开关29断开，使得燃料电池发动机输出电流流通第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5，此时燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5共同工作模式，转至步骤8；
步骤8：发动机控制模块21控制空气子系统1、氢气子系统2、热管理子系统3启动，使空气、氢气和冷却液进入处于工作模式的燃料电池双堆模块中，对其进行开机吹扫，吹扫结束后，发动机控制系统进入待机状态；当燃料电池汽车发出功率需求指令时，发动机控制模块21先根据整车发送的燃料电池目标输出功率，计算得到处于工作模式的燃料电池双堆模块的目标输出电流，再根据计量比和目标输出电流计算得到目标空气流量和目标氢气流量，以控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，根据目标输出电流分段控制冷却液的温度，进而调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求；
步骤9：发动机控制模块21收到停机指令后，确定处于工作模式的燃料电池双堆模块无功率输出后，对燃料电池双堆模块进行降温和关机吹扫，之后关闭燃料电池双堆模块所有已开启的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口电动球阀6(12)、空气出口电动球阀7(13)、氢气入口电磁阀8(14)、氢气出口电磁阀9(15)、冷却液入口电动球阀10(16)和冷却液出口电动球阀11(17)，并断开燃料电池发动机与外部电路的电路连接，使燃料电池发动机处于停机状态。
进一步地，步骤2中第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5上次运行时记录的衰减程度R1和R2通过如下方式获得：
在第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的上次运行时，判断输出电流I下的平均节电压V1_avg和V2_avg，根据第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI-pre，计算得到衰减程度R1和R2并保存，其中，
Figure BDA0003144818490000111
实施例2
本实施例提出了一种长寿命车用燃料电池发动机控制系统，如图11所示，包括氢气子系统2、空气子系统1、热管理子系统3、发动机控制模块21及由第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5组成的燃料电池双堆模块。
如图4所示，所述空气子系统1包括空气过滤器、空气流量计、空气压缩机、尾气自增湿空气加湿器、空气进气节气门和空气出气节气门，空气经空气过滤器、空气流量计、空气压缩机进入尾气自增湿空气加湿器进行加湿处理，之后经空气出气节气门输入空气输出管道，作为发动机控制系统的空气燃料，发动机控制系统排出的空气通过空气输入管道，经空气出气节气门进入尾气自增湿空气加湿器，再排出。发动机控制系统中空气管路的示意图如图12所示，空气子系统1输出的空气经空气入口三通电动球阀22一分为二后，分别进入第一燃料电池电,4和第二燃料电池电堆5的空气入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的空气出口经空气出口三通电动球阀23合并到空气子系统1的空气输入管道；在空气输出管道和空气输入管道处设有空气侧温压一体传感器18。
如图6所示，所述氢气子系统2包括进气电磁阀、比例阀、流量计、疏水阀、氢气排气阀和氢气循环泵，氢气经进气电磁阀、比例阀和流量计输入氢气输出管道，作为发动机控制系统的氢气燃料，发动机控制系统排出的氢气通过氢气输入管道输入至疏水阀，分别排出水和氢气，排出的氢气还通过氢气循环泵进入流量计中循环利用。发动机控制系统中氢气管路的示意图如图13所示，氢气子系统2输出的氢气经氢气入口三通电动球阀24一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气出口经氢气出口三通电动球阀25合并到氢气子系统2的氢气输入管道；在氢气输出管道和氢气输入管道处设有氢气侧温压一体传感器19。
如图8所示，所述热管理子系统3包括风冷换热器、水泵、补液箱、去离子器和颗粒物过滤器，发动机控制系统排出的冷却液通过冷却液输入管道输入，经水泵进入去离子器和风冷换热器中，去离子器用于去除冷却液中的导电离子，风冷换热器用于冷却冷却液，冷却液经去离子器和风冷换热器处理后，进入颗粒物过滤器过滤，之后经补液箱输入冷却液输出管道。发动机控制系统中冷却液管路的示意图如图14所示，热管理子系统3输出的冷却液经冷却液入口三通电动球阀26一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的冷却液入口；第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的冷却液出口经冷却液出口三通电动球阀27合并到热管理子系统3的冷却液输入管道；在冷却液输出管道和冷却液输入管道处设有冷却液侧温压一体传感器20。
如图9所示，通过导线32构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过第一燃料电池电堆的电气开关30和第二燃料电池电堆的电气开关31，切换第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的电气连接状态。
所述发动机控制模块21的内部存储有第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与氢气子系统2，空气子系统1，热管理子系统3，第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关(30和31)以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的三通电动球阀(22～27)连接；发动机控制模块21根据长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关(30和31)和三通电动球阀(22～27)的开关状态，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的流程图如图15所示，包括以下步骤：
步骤1：发动机控制模块21收到开机指令，启动燃料电池发动机，并获取燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max；
步骤2：发动机控制模块21根据第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5上次运行时记录的衰减程度R1和R2，分别计算第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的最大输出功率P1_max和P2_max：
Pi_max＝Pmax*(1-Ri)，i＝1,2
其中，Pmax为第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时的最大输出功率；
步骤3：发动机控制模块21判断第一燃料电池电堆4的最大输出功率P1_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤4；否则，转至步骤5；
步骤4：发动机控制模块21控制第一燃料电池电堆4的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22的AC方向、空气出口三通电动球阀23的AC方向、氢气入口三通电动球阀24的AC方向、氢气出口三通电动球阀25的AC方向、冷却液入口三通电动球阀26的AC方向和冷却液出口三通电动球阀27的AC方向开启，第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22的AB方向、空气出口三通电动球阀23的AB方向、氢气入口三通电动球阀24的AB方向、氢气出口三通电动球阀25的AB方向、冷却液入口三通电动球阀26的AB方向和冷却液出口三通电动球阀27的AB方向关闭，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28断开、第二燃料电池电堆的电气开关29导通，使燃料电池发动机输出电流仅流通第一燃料电池电堆4，短路第二燃料电池电堆5，此时燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆4单独工作模式，转至步骤8；
步骤5：发动机控制模块21判断第二燃料电池电堆5的最大输出功率P2_max是否大于等于燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤6；否则，转至步骤7；
步骤6：发动机控制模块21控制第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22的AB方向、空气出口三通电动球阀23的AB方向、氢气入口三通电动球阀24的AB方向、氢气出口三通电动球阀25的AB方向、冷却液入口三通电动球阀26的AB方向和冷却液出口三通电动球阀27的AB方向开启，第一燃料电池电堆4的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22的AC方向、空气出口三通电动球阀23的AC方向、氢气入口三通电动球阀24的AC方向、氢气出口三通电动球阀25的AC方向、冷却液入口三通电动球阀26的AC方向和冷却液出口三通电动球阀27的AC方向关闭，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28导通、第二燃料电池电堆的电气开关29断开，使燃料电池发动机输出电流仅流通第二燃料电池电堆5，短路第一燃料电池电堆4，此时燃料电池双堆模块处于第二燃料电池电堆5单独工作模式，转至步骤8；
步骤7：发动机控制模块21控制第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22的AB及AC方向、空气出口三通电动球阀23的AB及AC方向、氢气入口三通电动球阀24的AB及AC方向、氢气出口三通电动球阀25的AB及AC方向、冷却液入口三通电动球阀26的AB及AC方向和冷却液出口三通电动球阀27的AB及AC方向均开启，并控制第一燃料电池电堆的电气开关28和第二燃料电池电堆的电气开关29断开，使得燃料电池发动机输出电流流通第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5，此时燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5共同工作模式，转至步骤8；
步骤8：发动机控制模块21控制空气子系统1、氢气子系统2、热管理子系统3启动，使空气、氢气和冷却液进入处于工作模式的燃料电池双堆模块中，对其进行开机吹扫，吹扫结束后，发动机控制系统进入待机状态；当燃料电池汽车发出功率需求指令时，发动机控制模块21先根据整车发送的燃料电池目标输出功率，计算得到处于工作模式的燃料电池双堆模块的目标输出电流，再根据计量比和目标输出电流计算得到目标空气流量和目标氢气流量，以控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，根据目标输出电流分段控制冷却液的温度，进而调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求；
步骤9：发动机控制模块21收到停机指令后，确定处于工作模式的燃料电池双堆模块无功率输出后，对燃料电池双堆模块进行降温和关机吹扫，之后关闭燃料电池双堆模块所有已开启的氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、空气入口三通电动球阀22、空气出口三通电动球阀23、氢气入口三通电动球阀24、氢气出口三通电动球阀25、冷却液入口三通电动球阀26和冷却液出口三通电动球阀27，并断开燃料电池发动机与外部电路的电路连接，使燃料电池发动机处于停机状态。
进一步地，步骤2中第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5上次运行时记录的衰减程度R1和R2通过如下方式获得：
在第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5的上次运行时，判断输出电流I下的平均节电压V1_avg和V2_avg，根据第一燃料电池电堆4和第二燃料电池电堆5出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI-pre，计算得到衰减程度R1和R2并保存，其中，
Figure BDA0003144818490000141

Claims (6)

1.一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：收到开机指令，启动燃料电池发动机，获取燃料电池汽车的最大功率需求Pcar_max；
步骤2：根据燃料电池双堆模块中第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆上次运行时记录的衰减程度R1和R2，分别计算最大输出功率P1_max和P2_max：
Pi_max＝Pmax*(1-Ri)，i＝1,2
其中，Pmax为第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率；
步骤3：判断最大输出功率P1_max是否大于等于最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤4；否则，转至步骤5；
步骤4：控制第一燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口开启，第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口关闭，并控制燃料电池发动机输出电流仅流通第一燃料电池电堆，短路第二燃料电池电堆，使燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆单独工作模式，转至步骤8；
步骤5：判断最大输出功率P2_max是否大于等于最大功率需求Pcar_max，若是，转至步骤6；否则，转至步骤7；
步骤6：控制第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口开启，第一燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口关闭，并控制燃料电池发动机输出电流仅流通第二燃料电池电堆，短路第一燃料电池电堆，使燃料电池双堆模块处于第二燃料电池电堆单独工作模式，转至步骤8；
步骤7：控制第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口均开启，并控制燃料电池发动机输出电流流通第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆，使得燃料电池双堆模块处于第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆共同工作模式，转至步骤8；
步骤8：对处于工作模式的燃料电池双堆模块进行开机吹扫，之后通过控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，及冷却液的温度，调整燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求；
步骤9：收到停机指令，确定处于工作模式的燃料电池双堆模块无功率输出后，对燃料电池双堆模块进行降温和关机吹扫，之后关闭燃料电池双堆模块所有已开启的氢气进出口、空气进出口和冷却液进出口，并断开电流，使燃料电池发动机处于停机状态。
2.根据权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，其特征在于，步骤2中衰减程度R1和R2通过如下方式获得：
在第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的上次运行时，判断输出电流I下的平均节电压V1_avg和V2_avg，根据第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时记录的电流I下的最大平均节电压VI-pre，计算得到衰减程度R1和R2并保存，其中，
Figure FDA0003144818480000021
3.根据权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，其特征在于，在步骤8中，先根据整车发送的燃料电池目标输出功率，计算得到处于工作模式的燃料电池双堆模块的目标输出电流，再根据计量比和目标输出电流计算得到目标空气流量和目标氢气流量，以控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，根据目标输出电流分段控制冷却液的温度，进而调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求。
4.一种基于如权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块及由第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆组成的燃料电池双堆模块；
所述氢气子系统的氢气输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气出口分别经电磁阀合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气出口分别经电磁阀合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道一分为二，分别经电磁阀进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液出口分别经电磁阀合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
通过导线构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过两个电气开关切换第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的电气连接状态；
所述发动机控制模块的内部存储有第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的电磁阀连接；发动机控制模块根据如权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关和电磁阀的开关状态，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，将空气子系统和热管理子系统中的电磁阀替换为电动球阀。
6.一种基于如权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法的系统，其特征在于，包括氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、发动机控制模块及由第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆组成的燃料电池双堆模块；
所述氢气子系统的氢气输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的氢气出口经三通电动球阀合并到氢气子系统的氢气输入管道；
所述空气子系统的空气输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的空气出口经三通电动球阀合并到空气子系统的空气输入管道；
所述热管理子系统的冷却液输出管道经三通电动球阀一分为二后，分别进入第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液入口；第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的冷却液出口经三通电动球阀合并到热管理子系统的冷却液输入管道；
通过导线构成所述燃料电池双堆模块的内部电气网络，并分别通过两个电气开关切换第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的电气连接状态；
所述发动机控制模块的内部存储有第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆出厂时的最大输出功率Pmax及不同电流I下的最大平均节电压VI-pre，并分别与第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的节电压输出端、氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关以及分别与氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口相连的三通电动球阀连接；发动机控制模块根据如权利要求1所述长寿命车用燃料电池发动机控制方法，通过控制氢气进出口、空气进出口、冷却液进出口、电气开关和三通电动球阀的开关，实现对燃料电池双堆模块工作模式的转换。
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