CN114188571A - 一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术尚无冷启动切换至正常运行过程中燃料电池与DC‑DC转换器的宽升压比范围内协调控制方法的问题。该系统包括电堆、DC‑DC转换器、氢气设备、空气设备和控制器。电堆的氢气进气口与氢气设备的输出端连接，空气进气口与空气设备的输出端连接，供电端与DC‑DC转换器连接。低温启动时，控制器控制DC‑DC转换器置于低开关频率，启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电流，使得电堆输出目标电压。切换过程中，控制器控制电堆的输出电流降低至标定值后，调整入堆空气计量比至目标计量比。高温运行时，控制器控制DC‑DC转换器转换高开关频率，再实时调整燃料电池参数。

Description

一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法。
背景技术
氢能燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。车载燃料电池系统通常包含电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件，电堆进一步包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片单片电池的理论电压为1.23 V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。
通常情况下，燃料电池系统冷启动过程中，会采用较低的空气计量比降低燃料电池系统输出电压，以加快启动速率。因此，在冷启动过程中，燃料电池输出电压较低，通常在50 V以下，然而正常运行时其输出电压较高，在200 V以上，商用车的电压平台为400-750V，因此需要DC-DC转换器能适应较宽的升压比范围。
目前，现有技术尚无解决燃料电池在冷启动切换至正常运行过程中燃料电池与DC-DC转换器的宽升压比范围的协调控制问题的方法，导致车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性较差。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种车载燃料电池系统及其启动运行控制方法，用以解决现有技术尚无冷启动切换至正常运行过程中燃料电池与DC-DC转换器的宽升压比范围内协调控制方法的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池系统，包括电堆、DC-DC转换器、氢气设备、空气设备和控制器；其中，
电堆的氢气进气口与氢气设备的输出端连接，空气进气口与空气设备的输出端连接，供电端与DC-DC转换器连接；
控制器，用于低温启动时，控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，控制电堆的输出电流降低至标定值后，调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
上述技术方案的有益效果如下：通过DC-DC转换器的开关频率的切换（低-高），基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
基于上述系统的进一步改进，该系统还包括三通管、氢气循环设备；其中，
电堆的氢气进气口经三通管的输入端一与氢气设备的输出端连接，经三通管的输入端二与氢气循环设备的输出端连接，排气口与氢气循环设备的输入端连接。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了三通管、氢气循环设备后，有效提高了氢燃料的利用率。
进一步，该系统还包括两个调压阀；其中，
每一调压阀的输入端与电堆内对应氢气进气管道或空气进气管道连接，其控制端与控制器的输出端连接。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了调压阀后，可精准地控制入堆氢气、空气的压力。
进一步，所述控制器进一步包括依次连接的：
数据采集单元，用于分别采集入堆冷却液、出堆冷却液水温，空压机的输入端空气流量，入堆空气流量、入堆氢气流量，以及电堆的实际输出电压与电流，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，根据电堆的实际输出电压与目标电压的差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数；
执行单元，用于根据数据处理与控制单元的控制，控制冷却液水温，或控制氢气设备、空气设备输出气体的压力和流量。
上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的组成和各部件功能进一步限制，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
进一步，所述数据采集单元进一步包括：
温度传感器，分别设置于整车车厢内、电堆的冷却液入口和冷却液出口处，用于采集当前时刻的环境温度，以及布设位置处的冷却液水温；
流量压力一体传感器，分别设置于空压机的输入端、电堆的空气入口、氢气入口处，用于采集布设位置处通流气体的流量和压力；
电流监测设备，设置于电堆、DC-DC转换器之间，用于采集电堆的实际输出电流；
电压监测设备，与电堆的供电端连接，用于采集电堆两侧的实际输出电压。
上述进一步改进方案的有益效果是：对数据采集单元的传感器种类进行了限定，使得启动运行控制过程更加精准。
进一步，整车启动时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
接收到用户发出的启动指令后，获取当前时刻的环境温度；
将所述环境温度与阈值温度进行比较，判断燃料电池是否低温启动；如果环境温度高于阈值温度，判定燃料电池非低温启动，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池低温启动，执行下一步；
根据DC-DC转换器的最小关断时间，通过下面公式确定DC-DC转换器的较低的开关频率f min，控制DC-DC转换器置于所述开关频率f min
f min =1/（λ×t off）
式中，λ为升压比，即DC-DC转换器的输出电压与输入电压的比值；t off为DC-DC转换器的最小关断时间；
控制DC-DC转换器与车载动力电池连接，使得车载动力电池通过DC-DC转换器对空气设备、氢气设备供电，并控制执行单元对入堆冷却液开始进行加热；
在加热的同时，启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，获取电堆的实际输出电压与目标电压的差值；
根据所述差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，直到电堆输出目标电压，断开车载动力电池；
在调整过程中，同步监测出堆冷却液温水温，直到出堆冷却液水温达到标定温度，停止加热，完成燃料电池的低温启动。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了冷启动判断，通过DC-DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双调节，实现了燃料电池系统在低温启动过程中的优化控制，进一步增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
进一步，整车运行时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
监测当前时刻的出堆冷却液温水温；
将所述出堆冷却液温水温与标定温度进行比较，判断燃料电池是否高温运行；如果出堆冷却液温水温小于等于标定温度，判定燃料电池非高温运行，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池高温运行，执行下一步；
控制两个调压阀调整开度，使得电堆的实际输出电流降低至标定值；所述标定值为标定的使得电堆输出电流稳定的切换电流幅值；
控制空压机的转速，使得入堆空气计量比调整至目标计量比；
控制DC-DC转换器变更至较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数；所述燃料电池参数包括入堆氢气和空气的压力、流量，以及入堆冷却液水温；所述较高的开关频率为在低升压比下能够维持DC-DC转换器较高的电流控制精度的标定频率。
上述进一步改进方案的有益效果是：增加了高温运行的判断，通过DC-DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了燃料电池系统在高温运行及其切换过程中的优化控制，进一步增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
进一步，所述氢气设备进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备、氢气进气节气阀；其中，
所述空气进气设备进一步包括依次连接的空压机、空气进气节气阀；
所述执行单元进一步包括可变电阻器、多个MOS开关、冷却液水温调控设备；并且，所述可变电阻器设置于DC-DC转换器与整车用电设备之间，每一所述MOS开关设置于数据处理与控制单元与调压阀或空压机或冷却液水温调控设备之间；所述冷却液水温调控设备设置于电堆的冷却液入口与冷却液出口之间。
上述进一步改进方案的有益效果是：对氢气设备、空气进气设备以及执行单元的组成进一步限定，可以有效控制低温启动、高温运行过程中的电堆输出电流、冷却液温度、空压机输出流量，以及入堆气体压力。
进一步，该系统还包括尾排电磁阀；其中，
所述尾排电磁阀的输入端也与电堆的排气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。
上述进一步改进方案的有益效果是：通过设置尾排电磁阀，进一步提高了车载燃料电池系统的安全性。电堆内气体压力过大（超阈值）时，控制器能够控制尾排电磁阀提高开启频率及时泄压。
另一方面，本发明实施例提供了一种上述车载燃料电池系统的启动运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；
由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比；
高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
采用上述方案的有益效果是：通过DC-DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了实施例1车载燃料电池系统的组成示意图；
图2示出了实施例2车载燃料电池系统的组成示意图；
图3示出了实施例2车载燃料电池系统的电路连接示意图；
图4示出了实施例2车载燃料电池系统的启动运行控制示意图。
附图标记：
1- 氢气进气节气阀；2- 氢气循环设备；3- 尾排电磁阀；4-电堆；5- 调压阀；6-空压机；7- 水泵；8- 散热器；9- 节温器；
10- 设置于电堆氢气入口的流量压力一体传感器；11- 设置于电堆尾排口的流量压力一体传感器；12- 设置于电堆冷却液入口的温度传感器；13- 设置于电堆冷却液出口的温度传感器；14- 设置于电堆空气入口的流量压力一体传感器；15- 设置于空压机输出端的流量压力一体传感器；16- 电压监测设备。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
实施例1
本发明的一个实施例，如图1所示，公开了一种车载燃料电池系统，包括电堆、DC-DC转换器、氢气设备、空气设备和控制器。
其中，电堆的氢气进气口与氢气设备的输出端连接，空气进气口与空气设备的输出端连接，供电端与DC-DC转换器连接。
可选地，控制器与DC-DC转换器、氢气设备、空气设备之间可通过有线或者无线数据传输进行控制。
控制器，用于低温启动时，控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，控制电堆的输出电流降低至标定值后，调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
具体地，切换时的上述标定值可根据环境温度的变换进行事先标定，使其能够在切换过程中维持电流的稳定性；目标计量比可根据实际需求设置，或者设定为查阅燃料电池技术手册获得的额定的入堆计量比。
与现有技术相比，本实施例的车载燃料电池系统通过DC-DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了燃料电池的环境适应性与可靠性。
实施例2
在实施例1的基础上进行优化，该车载燃料电池系统还包括三通管、氢气循环设备，如图2~3所示。优选地，所述氢气循环设备可采用现有的氢气循环泵。
其中，电堆的氢气进气口经三通管的输入端一与氢气设备的输出端连接，经三通管的输入端二与氢气循环设备的输出端连接，排气口与氢气循环设备的输入端连接。
优选地，该车载燃料电池系统还包括两个调压阀。
其中，每一调压阀的输入端与电堆内对应氢气进气管道或空气进气管道连接，其控制端与控制器的输出端连接。
优选地，所述控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元、执行单元。
数据采集单元，用于分别采集入堆冷却液、出堆冷却液水温，空压机的输入端空气流量，入堆空气流量、入堆氢气流量，以及电堆的实际输出电压与电流，发送至数据处理与控制单元。
数据处理与控制单元，用于低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，根据电堆的实际输出电压与目标电压的差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数。
执行单元，用于根据数据处理与控制单元的控制，控制冷却液水温，或控制氢气设备、空气设备输出气体的压力和流量。优选地，可控制氢气设备的压力或氢气循环泵的转速。
优选地，数据采集单元进一步包括温度传感器、流量压力一体传感器、电流监测设备、电压监测设备。
温度传感器，分别设置于整车车厢内、电堆的冷却液入口和冷却液出口处，用于采集当前时刻的环境温度，以及布设位置处的冷却液水温。流量压力一体传感器，分别设置于空压机的输入端、电堆的空气入口、氢气入口处，用于采集布设位置处通流气体的流量和压力。
电流监测设备，设置于电堆、DC-DC转换器之间，用于采集电堆的实际输出电流。
电压监测设备，与电堆的供电端连接，用于采集电堆两侧的实际输出电压。
优选地，启动（可以是整车启动或测试时的燃料电池启动）时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
S1. 接收到用户发出的启动指令后，获取当前时刻的环境温度；
S2. 将所述环境温度与阈值温度进行比较，判断燃料电池是否低温启动；如果环境温度高于阈值温度，判定燃料电池非低温启动，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池低温启动，执行下一步；示例性地，上述阈值温度可设置为0 ℃，如果环境温度超过0 ℃，不需要低温启动，否则，则需要低温启动；
S3. 根据DC-DC转换器的最小关断时间，通过下面公式确定DC-DC转换器的较低的开关频率f min，控制DC-DC转换器置于所述开关频率f min
f min =1/（λ×t off）
式中，λ为升压比，即DC-DC转换器的输出电压与输入电压的比值；t off为DC-DC转换器的最小关断时间；
目的是，判断需要低温启动后，在保证最小关断时间t off的前提下，为了提高升压比，需要降低DC-DC转换器的开关频率，例如10 kHz；
S4. 控制DC-DC转换器与车载动力电池连接，使得车载动力电池通过DC-DC转换器对空气设备、氢气设备供电，并控制执行单元对入堆冷却液开始进行加热；
S5. 在加热的同时，启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，获取电堆的实际输出电压与目标电压的差值；
S6. 根据所述差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，直到电堆输出目标电压，断开车载动力电池；
具体地，电堆的目标电压是电流与空气流量的函数，因此通过调整电流与入堆空气计量比可以实现对目标电压的闭环调节，例如降低空气流量、提高电堆的供电电流可以降低电堆的电压；
S7. 在调整过程中，同步监测出堆冷却液温水温，直到出堆冷却液水温达到标定温度，停止加热，完成燃料电池的低温启动。
示例性地，上述标定温度可设置为10 ℃，一旦出堆冷却液水温达到10 ℃，表明低温启动成功。
优选地，整车运行时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
S8. 监测当前时刻的出堆冷却液温水温；
S9. 将所述出堆冷却液温水温与标定温度进行比较，判断燃料电池是否高温运行；如果出堆冷却液温水温小于等于标定温度，判定燃料电池非高温运行，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池高温运行，执行下一步；
S10. 控制两个调压阀调整开度，使得电堆的实际输出电流降低至标定值；所述标定值为标定的使得电堆输出电流稳定的切换电流幅值；
具体地，为了实现开关频率的切换过程中电流的稳定性，需要在低电流下进行切换，此处可以事先标定电流I，其能够维持电流的稳定性；
S11. 控制空压机的转速，使得入堆空气计量比调整至目标计量比α；
具体地，其目标计量比α指的是在电流I下保证电压不超过0.85 V的空气流量，其可以通过事先标定获得；
S12. 控制DC-DC转换器变更至较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数。
具体地，在低升压比下，为了维持较高的电流控制精度，需要较高的开关频率，上述较高的开关频率可以是60 kHz。所述燃料电池参数包括入堆氢气和空气的压力、流量，以及入堆冷却液水温。所述较高的开关频率为在低升压比下能够维持DC-DC转换器较高的电流控制精度的标定频率。
优选地，上述步骤S12还包括判断切换是否完成的步骤，即获取电堆输出电流的精度，判断该精度满足预设精度，例如小于等于±2 A，若否，则重新调整开关频率，若是，则根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数。
优选地，所述氢气设备进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备、氢气进气节气阀。
空气进气设备进一步包括依次连接的空压机、空气进气节气阀。
执行单元进一步包括可变电阻器、多个MOS开关、冷却液水温调控设备。并且，所述可变电阻器设置于DC-DC转换器与整车用电设备之间，每一所述MOS开关设置于数据处理与控制单元与调压阀或空压机或冷却液水温调控设备之间；所述冷却液水温调控设备设置于电堆的冷却液入口与冷却液出口之间。
优选地，该车载燃料电池系统还包括尾排电磁阀。
其中，所述尾排电磁阀的输入端也与电堆的排气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。
实施时，低温启动、高温运行的控制原理可参考图4。
与实施例1相比，本实施例进一步细化了控制器的控制方法，增加了低温启动、高温运行判断，并使得车载燃料电池系统在低温启动、高温运行的控制过程更加精准，解决了燃料电池在冷启动切换至正常运行过程中的燃料电池与DC-DC转换器的宽升压比范围的协调控制问题，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
实施例3
本发明的另一个实施例公开了一种实施例1、2所述车载燃料电池系统的启动运行控制方法，包括如下步骤：
SS1. 低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；
SS2. 由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比；
SS3. 高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
与现有技术相比，本实施例通过DC-DC转换器的开关频率的切换，基于电流环与流量环的双闭环调节，实现了车载燃料电池系统在低温启动、高温运行及其切换过程中的升压比与电流精度的多目标优化控制，增强了车载燃料电池系统的环境适应性与可靠性。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种车载燃料电池系统，其特征在于，包括电堆、DC-DC转换器、氢气设备、空气设备和控制器；其中，
电堆的氢气进气口与氢气设备的输出端连接，空气进气口与空气设备的输出端连接，供电端与DC-DC转换器连接；
控制器，用于低温启动时，控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，控制电堆的输出电流降低至标定值后，调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
2.根据权利要求1所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括三通管、氢气循环设备；其中，
电堆的氢气进气口经三通管的输入端一与氢气设备的输出端连接，经三通管的输入端二与氢气循环设备的输出端连接，排气口与氢气循环设备的输入端连接。
3.根据权利要求1或2所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括两个调压阀；其中，
每一调压阀的输入端与电堆内对应氢气进气管道或空气进气管道连接，其控制端与控制器的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述控制器进一步包括依次连接的：
数据采集单元，用于分别采集入堆冷却液、出堆冷却液水温，空压机的输入端空气流量，入堆空气流量、入堆氢气流量，以及电堆的实际输出电压与电流，发送至数据处理与控制单元；
数据处理与控制单元，用于低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，根据电堆的实际输出电压与目标电压的差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值后，再调整入堆空气计量比至目标计量比；高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数；
执行单元，用于根据数据处理与控制单元的控制，控制冷却液水温，或控制氢气设备、空气设备输出气体的压力和流量。
5.根据权利要求4所述的车载燃料电池系统，其特征在于，数据采集单元进一步包括：
温度传感器，分别设置于整车车厢内、电堆的冷却液入口和冷却液出口处，用于采集当前时刻的环境温度，以及布设位置处的冷却液水温；
流量压力一体传感器，分别设置于空压机的输入端、电堆的空气入口、氢气入口处，用于采集布设位置处通流气体的流量和压力；
电流监测设备，设置于电堆、DC-DC转换器之间，用于采集电堆的实际输出电流；
电压监测设备，与电堆的供电端连接，用于采集电堆两侧的实际输出电压。
6.根据权利要求4或5所述的车载燃料电池系统，其特征在于，启动时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
接收到用户发出的启动指令后，获取当前时刻的环境温度；
将所述环境温度与阈值温度进行比较，判断燃料电池是否低温启动；如果环境温度高于阈值温度，判定燃料电池非低温启动，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池低温启动，执行下一步；
根据DC-DC转换器的最小关断时间，通过下面公式确定DC-DC转换器的较低的开关频率f min，控制DC-DC转换器置于所述开关频率f min
f min =1/（λ×t off）
式中，λ为升压比，即DC-DC转换器的输出电压与输入电压的比值；t off为DC-DC转换器的最小关断时间；
控制DC-DC转换器与车载动力电池连接，使得车载动力电池通过DC-DC转换器对空气设备、氢气设备供电并控制执行单元对入堆冷却液开始进行加热；
在加热的同时，启动空气设备、氢气设备，监测电堆的实际输出电压，获取电堆的实际输出电压与目标电压的差值；
根据所述差值调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，直到电堆输出目标电压，断开车载动力电池；
在调整过程中，同步监测出堆冷却液温水温，直到出堆冷却液水温达到标定温度，停止加热，完成燃料电池的低温启动。
7.根据权利要求6所述的车载燃料电池系统，其特征在于，整车运行时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：
监测当前时刻的出堆冷却液温水温；
将所述出堆冷却液温水温与标定温度进行比较，判断燃料电池是否高温运行；如果出堆冷却液温水温小于等于标定温度，判定燃料电池非高温运行，根据整车的实时功率需求，控制执行单元调整燃料电池参数；否则，判定燃料电池高温运行，执行下一步；
控制两个调压阀调整开度，使得电堆的实际输出电流降低至标定值；所述标定值为标定的使得电堆输出电流稳定的切换电流幅值；
控制空压机的转速，使得入堆空气计量比调整至目标计量比；
控制DC-DC转换器变更至较高的开关频率，再根据整车的实时功率需求，控制执行单元实时调整燃料电池参数；所述燃料电池参数包括入堆氢气和空气的压力、流量，以及入堆冷却液水温；所述较高的开关频率为在低升压比下能够维持DC-DC转换器较高的电流控制精度的标定频率。
8.根据权利要求1-2、4-5、7之一所述的车载燃料电池系统，其特征在于，所述氢气设备进一步包括依次连接的氢源、氢喷设备、氢气进气节气阀；其中，
所述空气进气设备进一步包括依次连接的空压机、空气进气节气阀；
所述执行单元进一步包括可变电阻器、多个MOS开关、冷却液水温调控设备；并且，所述可变电阻器设置于DC-DC转换器与整车用电设备之间，每一所述MOS开关设置于数据处理与控制单元与调压阀或空压机或冷却液水温调控设备之间；所述冷却液水温调控设备设置于电堆的冷却液入口与冷却液出口之间。
9.根据权利要求8所述的车载燃料电池系统，其特征在于，还包括尾排电磁阀；其中，
所述尾排电磁阀的输入端也与电堆的排气口连接，其控制端与控制器的输出端连接。
10.一种权利要求1~9所述车载燃料电池系统的启动运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
低温启动时，先控制DC-DC转换器置于较低的开关频率，再启动空气设备、氢气设备，调整入堆空气计量比和电堆的供电电流，使得电堆输出目标电压，完成低温启动；
由低温启动切换至高温运行时，先控制电堆的输出电流降低至标定值，再调整入堆空气计量比至目标计量比；
高温运行时，控制DC-DC转换器置于较高的开关频率，根据整车的实时功率需求，实时调整燃料电池参数。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115085278A (zh) * 2022-08-23 2022-09-20 深圳市南科动力科技有限公司 一种氢燃料电池发电系统及其发电方法
CN115498213A (zh) * 2022-11-14 2022-12-20 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法
CN116646561A (zh) * 2023-06-15 2023-08-25 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池低温自启动的控制方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003203663A (ja) * 2002-01-08 2003-07-18 Ebara Ballard Corp 燃料電池発電システム
US20060152085A1 (en) * 2004-10-20 2006-07-13 Fred Flett Power system method and apparatus
US20060280977A1 (en) * 2005-06-09 2006-12-14 Denso Corporation Fuel cell system
JP2009054316A (ja) * 2007-08-23 2009-03-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2009059558A (ja) * 2007-08-31 2009-03-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
CN101755359A (zh) * 2007-07-30 2010-06-23 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
CN101826627A (zh) * 2004-08-06 2010-09-08 三洋电机株式会社 燃料电池系统
JP2017091682A (ja) * 2015-11-05 2017-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム
US20170305286A1 (en) * 2016-04-26 2017-10-26 Hyundai Motor Company System and method for controlling start of fuel cell vehicle
CN112290056A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法
CN113561802A (zh) * 2021-09-22 2021-10-29 北京亿华通科技股份有限公司 一种车载燃料电池的运行辅助装置及其控制方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003203663A (ja) * 2002-01-08 2003-07-18 Ebara Ballard Corp 燃料電池発電システム
CN101826627A (zh) * 2004-08-06 2010-09-08 三洋电机株式会社 燃料电池系统
US20060152085A1 (en) * 2004-10-20 2006-07-13 Fred Flett Power system method and apparatus
US20060280977A1 (en) * 2005-06-09 2006-12-14 Denso Corporation Fuel cell system
CN101755359A (zh) * 2007-07-30 2010-06-23 丰田自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
JP2009054316A (ja) * 2007-08-23 2009-03-12 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2009059558A (ja) * 2007-08-31 2009-03-19 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2017091682A (ja) * 2015-11-05 2017-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム制御方法及び燃料電池システム
US20170305286A1 (en) * 2016-04-26 2017-10-26 Hyundai Motor Company System and method for controlling start of fuel cell vehicle
CN112290056A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池的阴极空气供给系统控制方法
CN113561802A (zh) * 2021-09-22 2021-10-29 北京亿华通科技股份有限公司 一种车载燃料电池的运行辅助装置及其控制方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115085278A (zh) * 2022-08-23 2022-09-20 深圳市南科动力科技有限公司 一种氢燃料电池发电系统及其发电方法
CN115498213A (zh) * 2022-11-14 2022-12-20 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法
CN115498213B (zh) * 2022-11-14 2023-02-17 北京亿华通科技股份有限公司 一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法
CN116646561A (zh) * 2023-06-15 2023-08-25 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池低温自启动的控制方法
CN116646561B (zh) * 2023-06-15 2024-02-23 北京亿华通科技股份有限公司 燃料电池低温自启动的控制方法

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