CN114256486A - 燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池车辆领域，具体涉及一种燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆，所述控制方法包括：采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；判定实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则继续冷启动；若否，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态。本发明根据燃料电池系统的特征参数，选取不同的冷启动控制策略，提升启动效率，并结合了系统中可能出现的特殊情况，兼顾了系统的耐久性和寿命，提高了系统的容错和控制水平。

Description

燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆领域，具体涉及燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆。
背景技术
燃料电池系统是利用氢氧的电化学反应输出电能的装置，具有加氢时间短、转化效率高、无污染等优势。可广泛应用于汽车、军事、发电厂等多领域中。
现有技术中，燃料电池冷启动过程中一般提供低计量比的空气降低燃料电池系统的输出效率，利用电堆自产热将其温度快速提升到0℃以上，从而避免冷启动过程中出现结冰等问题；为了加快燃料电池系统的加热速率，现有技术中也有采用增加不转动水泵的方式，但这容易导致材料出现局部热点等问题，不利于电堆的耐久性。因此，现有技术中亟待提供一种燃料电池系统中冷启动控制方法，解决启动时充分保障系统耐久性和性能的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种燃料电池系统冷启动的控制方法及燃料电池系统、车辆，根据燃料电池系统的工况参数，选取不同的冷启动控制策略，兼顾系统的耐久性和寿命，提高系统的容错和控制水平。
作为本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统冷启动的控制方法，所述控制方法包括：
采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
判定实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则继续冷启动；若否，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态。
进一步地，所述计算所述燃料电池系统的目标电压可行域的上限电压通过下述公式获得：
Figure BDA0002700356330000021
其中：
Vcell为燃料电池系统的平均单片输出电压；
Eh为热力学电压；
ΔT为燃料电池系统冷启动完成温度与当前电堆温度的温度差值；
K0为系统特征参数；
ms为燃料电池系统的储水容量；
m0为当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量。
所述目标电压可行域的下限电压由燃料电池系统的目标输出功率、氢浓度与下限电压的关系获得。
进一步地，所述采集燃料电池系统的运行参数方法包括：
通过电堆出入口的冷却液温度或空气温度获取燃料电池系统的当前电堆温度；根据燃料电池系统的结构及材料的相关参数获得燃料电池系统的储水容量；
通过交流阻抗方式检测或上次关机时吹扫后的残余水含量获取当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量；
K0为系统特征参数通过燃料电池系统电堆的热容和冷却系统的热容获得。
进一步地，所述燃料电池系统的工况参数包括空气计量比、空压机转速、调压阀开度、分配阀开度、氢气压力、循环泵的转速、尾排阀开启频率和/或尾排阀开占空比。
进一步地，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态方法包括：
预设特征参数第一阈值及特征参数第二阈值，所述特征参数第一阈值小于特征参数第二阈值；
获取当前电压计算当前系统特征参数；
若当前系统特征参数的值小于特征参数第一阈值，保持当前电压的实时监控；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容过高，则停止转动水泵。
进一步地，所述方法还包括：
判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围时，结合当前电压，控制水泵的转速及水泵间隔转动的间隔时间。
进一步地，所述方法包括：
S11根据燃料电池系统电堆温度确定启动模式；
S12采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
S13依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
S14判断当前实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则转至S15；若否，则转至S16；
S15继续冷启动，保持当前电压的实时监控；
S16判断当前电压是否高于电压阈值，若是，则转至S15；若否，则转至S17；
S17根据当前实际电压计算当前系统特征参数；判断当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，如是，则转至S18；若否，则转至S19；
S18判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
S19判断当前系统特征参数的值是否大于特征参数第二阈值，如是，则转至S20；若否，则转至S15；
S20判定当前燃料电池系统的热容过高，停止转动水泵；
S21判断电堆温度是否达到了目标温度，若是，则转至S22，若否，则转至S13；
S22冷启动结束。
作为本发明实施例的再一方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统通过如上述任意一项所述的燃料电池系统冷启动的控制方法执行冷启动。
作为本发明实施例的又一方面，提供了一种车辆，所述车辆包括上述实施例所述的燃料电池系统。
本发明实施例至少实现了如下技术效果：
本发明实施例通过获取燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域，根据工况参数调节后的电压是否在可行域内，确定不同的冷启动运行方法，实时调整水泵的运行状态，包括正常启动、水泵间隙启动、停止水泵转动，保证冷启动效果及效率的同时，降低了冷启动对电堆寿命的影响，兼顾了系统的耐久性和寿命，提高了系统的容错和控制水平。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明一实施例的燃料电池系统冷启动控制方法的流程图；
图2为本发明一实施例的燃料电池系统冷启动控制方法的具体流程图。
图3为本发明一实施例的燃料电池系统的示意图。
附图说明：1、氢气喷射器；2、氢气循环泵；3、吹扫电磁阀；4、电堆；5、混合腔；6、调压阀；7、分配阀；8、空压机；9、节温器；10、散热器；11、加热装置；12、水泵；13、电堆入口温度传感器；14、电堆出口温度传感器；15、空气入口压力传感器；16、氢气高压传感器；17氢气低压传感器；18空气出口温度传感器；19、控制装置。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
在一个实施例中，提供了一种燃料电池系统冷启动的控制方法，如图1所示，所述控制方法包括：
S01采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
S02依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
S03判定实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则转至S04；若否，则转至S05；
S04继续冷启动；
S05根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态。
在本实施例中，通过对燃料电池系统的运行参数进行计算，获得系统保证冷启动成功的平均单片电压可行域再根据实时计算出的目标电压可行域动态调整工况的各项参数，由于燃料电池系统冷启动过程复杂，控制目标众多，为了提升方法的容错率和鲁棒性，需要实时监控运行过程中的状态，，评估调整保证冷启动成功的执行器参数，提升了系统的使用寿命及性能。
在一个实施例中，所述计算所述燃料电池系统的目标电压可行域的上限电压通过下述公式获得：
Figure BDA0002700356330000061
其中：
Vcell为燃料电池系统的平均单片输出电压；
Eh为热力学电压；
ΔT为燃料电池系统冷启动完成温度与当前电堆温度的温度差值；
K0为系统特征参数；
ms为燃料电池系统的储水容量；
m0为当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量。
所述目标电压可行域的下限电压由燃料电池系统的目标输出功率、氢浓度与下限电压的关系获得。
在本实施例中，计算获得的燃料电池系统的目标电压可行域为平均单片电压的工作范围比如控制在0.1-0.3V；Eh为热力学电压，通常为1.45V；K0为系统特征参数，与系统的结构设计、电堆的材料参数有关，本实施例中可简化为燃料电池系统的热容，由电堆的热容和冷却系统的小循环的热容组成，而小循环的热容可以通过控制水泵转速加以控制。
根据上述公式和参数，由于当前温度、燃料电池目标输出功率、残余水含量等不同，可以实时获取保证冷启动成功的电压可行域范围，例如0.1V-0.3V、0.2V-0.4V等。
在一个实施例中，所述采集燃料电池系统的运行参数方法包括：
通过电堆出入口的冷却液温度或空气温度获取燃料电池系统的当前电堆温度；
根据燃料电池系统的结构及材料的相关参数获得燃料电池系统的储水容量；
通过交流阻抗方式检测或上次关机时吹扫后的残余水含量获取当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量；
K0为系统特征参数通过燃料电池系统电堆的热容和冷却系统的热容获得。
在本实施例中，冷却液温度和空气温度可以通过温度传感器获得，储水容量与系统的结构、材料等有关，如MEA、气体扩散层的参数等；当前的电堆内部残余水含量可以通过交流阻抗等方式检测获取，也可以根据上次关机时吹扫后的残余水含量直接获取。
在一个实施例中，所述燃料电池系统的工况参数包括空气计量比、空压机转速、调压阀开度、分配阀开度、氢气压力、循环泵的转速、尾排阀开启频率和/或尾排阀开占空比。
在本实施例中，调整系统工况参数可以包括对燃料电池系统中涉及的各个相关参数进行调整，根据目标电压可行域，在线实时调节零部件的动作，例如：降低空气计量比，根据电压与计量比、电堆温度的关系实时调节；设定合适的空压机转速、调压阀和分配阀的开度、氢气压力、循环泵的转速、尾排阀开启频率和开占空比等。
在一个实施例中，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态方法包括：
预设特征参数第一阈值及特征参数第二阈值，所述特征参数第一阈值小于特征参数第二阈值；
获取当前电压计算当前系统特征参数；
若当前系统特征参数的值小于特征参数第一阈值，保持当前电压的实时监控；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容过高，则停止转动水泵。
由于冷启动过程较为复杂，控制目标众多，例如为保证安全排出尾气的氢气浓度不超过爆炸下限4％，为保证单片电池不出现过度长时间反极等导致电堆损坏等目标，实际电压并不总是会满足上述的电压可行域范围。在本实施例中，首先根据系统工况的参数预设特征参数第一阈值k0及特征参数第二阈值k1，其中k0及k1可以根据公式计算得出，也可以通过实验进行推导得出。
其中k的参数可以通过冷启动开始到当前时刻的累计生成水量、当前温度与目标温度的差值，通过查表获得，或者利用公式反算：
Figure BDA0002700356330000091
其中，mt为冷启动开始到当前时刻的累计生成水量与初始水量之和；Vcell，t为当前时刻的平均单片电压。
其中若k0<k<k1，判定当前的系统热容超出了合理范围，启动间歇性的转动水泵运行状态来降低系统的整体热容，保证冷启动的成功；若k>k1，判定当前的热容过高，停止转动水泵，从而降低热容保证冷启动的成功；若k<k0，判定电压满足要求，继续执行冷启动，保持监控状态。通过本实施例提升了系统的容错性，能够根据运行状态调节系统热容，提升系统冷启动的成功概率及使用寿命。
在一个实施例中，所述方法还包括：
判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围时，结合当前电压，控制水泵的转速及水泵间隔转动的间隔时间。
在本实施例中，可以根据k值及燃料电池系统工况参数，调节水泵的转速和间隔时间，比如4000rpm，间隔20s；能够更精确的保证冷启动的效率及能源的合理分配。
在一个实施例中，如图2所示，所述方法包括：
S11根据燃料电池系统电堆温度确定启动模式；
S12采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
S13依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
S14判断当前实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则转至S15；若否，则转至S16；
S15继续冷启动，保持当前电压的实时监控；
S16判断当前电压是否高于电压阈值，若是，则转至S17；若否，则转至S15；
S17根据当前实际电压计算当前系统特征参数；判断当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，如是，则转至S18；若否，则转至S19；
S18判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
S19判断当前系统特征参数的值是否大于特征参数第二阈值，如是，则转至S20；若否，则转至S15；
S20判定当前燃料电池系统的热容过高，停止转动水泵；
S21判断电堆温度是否达到了目标温度，若是，则转至S22，若否，则转至S13；
S22冷启动结束。
在本实施例中，当燃料电池系统电堆低于0℃时，采用冷启动模式S01，高于0℃时，采用常温启动模式；在S13步骤的调整过程中，考虑到实际过程中的问题，比如说由于水淹导致单片电压低，此时不能继续维持当前的零部件参数，则会导致无法达到预期的目标电压，例如：本实施例目标电压范围是平均单片电压(通常有几百片)，若其中某一片或及几片持续低于-0.3V，此时需提高空气计量比将单片电压提高到0V以上，但会导致平均电压高于目标电压范围；
本实施例通过S14进一步进行判定，通过P＝I*(1.45-V)*N可知电压越高，自产热越少，其中P是自产热功率，I是电流，V是平均单片电压，N是单片数目；高于电压阈值，则判定电堆自产热不满足需求，则可能出现冷启动过程中电堆内部结冰，导致此次启动失败；S17-S20对不能满足电压需求的情况通过电容进行进一步调整，根据电容的不同进一步对水泵的运行状态进行调整。在S21步骤中，目标温度可以是预设的温度，例如5℃或者10℃等，其温度可以通过电堆出入口水温传感器获取。
在本实施例中，目标是平均单片电压，首先调整参数满足电压范围，在调整过程中可能出现某个单片电压较低，当调节参数将该单片电压拉高，会导致平均单片也升高，高于电压阈值。
在本实施例中，通过调节水泵的参数保证了在各种情况下均能成功启动；无论当前电压是否高于电压阈值，并非停止冷启动，而是一边启动，一边调节参数，进行实时调节，避免了由于停止冷启动导致电堆内部水结冰，无法继续使用，只能检修的情况。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统及车辆，由于燃料电池系统及车辆所解决问题的原理与前述实施例的燃料电池系统冷启动的控制方法相似，因此本实施例的实施可以参见前述燃料电池系统冷启动的控制方法的实施，重复之处不再赘述。
本发明实施例提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统通过如上述任意一项所述的燃料电池系统冷启动的控制方法执行冷启动。
在本实施例中，参考附图3，燃料电池系统一般包括氢气喷射器1、氢气循环泵2、吹扫电磁阀3、电堆4、混合腔5、调压阀6、分配阀7、空压机8、节温器9、散热器10、加热装置11、水泵12、电堆入口温度传感器13、电堆出口温度传感器14、空气入口压力传感器15、氢气高压传感器16、氢气低压传感器17、空气出口温度传感器18、控制装置19；其中，燃料电池系统通过控制装置采集传感器的信息，控制执行器的动作，其中控制装置可以是控制器，冷却系统的小循环为包括水泵12的循环回路。
燃料电池系统通过上述冷启动的控制方法，包括采集系统的参数数据、计算电压可行域范围、根据工况参数调节后的电压是否在可行域内选择不同的冷启动方法，通过控制水泵的正常启动、水泵间隙启动、停止水泵转动等运作状态，精准实时的调整冷启动时系统的性能参数，选择不同的冷启动控制策略，降低冷启动对电堆寿命的影响，保证冷启动的成功。
本发明实施例还提供了一种车辆，所述车辆包括上述实施例所述的燃料电池系统。
在本实施例提供的车辆采用的燃料电池系统使用寿命长，故障率低，冷启动效率及成功率高，因此具有更稳定的性能及更高的附加值。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
判定实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则继续冷启动；若否，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述计算所述燃料电池系统的目标电压可行域的上限电压通过下述公式获得：
Figure FDA0002700356320000011
其中：
Vcell为燃料电池系统的平均单片输出电压；
Eh为热力学电压；
ΔT为燃料电池系统冷启动完成温度与当前电堆温度的温度差值；
K0为系统特征参数；
ms为燃料电池系统的储水容量；
m0为当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量；
所述目标电压可行域的下限电压由燃料电池系统的目标输出功率、氢浓度与下限电压的关系获得。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述采集燃料电池系统的运行参数方法包括：
通过电堆出入口的冷却液温度或空气温度获取燃料电池系统的当前电堆温度；
根据燃料电池系统的结构及材料的相关参数获得燃料电池系统的储水容量；
通过交流阻抗方式检测或上次关机时吹扫后的残余水含量获取当前的燃料电池系统电堆内部残余水含量；
K0为系统特征参数通过燃料电池系统电堆的热容和冷却系统的热容获得。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统的工况参数包括空气计量比、空压机转速、调压阀开度、分配阀开度、氢气压力、循环泵的转速、尾排阀开启频率和/或尾排阀开占空比。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，根据燃料电池系统的热容调节水泵的运行状态方法包括：
预设特征参数第一阈值及特征参数第二阈值，所述特征参数第一阈值小于特征参数第二阈值；
获取当前电压计算当前系统特征参数；
若当前系统特征参数的值小于特征参数第一阈值，保持当前电压的实时监控；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
若当前系统特征参数的值大于特征参数第二阈值，判定当前燃料电池系统的热容过高，则停止转动水泵。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围时，结合当前电压，控制水泵的转速及水泵间隔转动的间隔时间。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统冷启动的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S11根据燃料电池系统电堆温度确定启动模式；
S12采集燃料电池系统的运行参数计算所述燃料电池系统的目标电压可行域；
S13依据目标电压可行域调整所述燃料电池系统的工况参数；
S14判断当前实际电压是否满足目标电压可行域，若是，则转至S15；若否，则转至S16；
S15继续冷启动，保持当前电压的实时监控；
S16判断当前电压是否高于电压阈值，若是，则转至S15；若否，则转至S17；
S17根据当前实际电压计算当前系统特征参数；判断当前系统特征参数的值大于特征参数第一阈值且小于特征参数第二阈值，如是，则转至S18；若否，则转至S19；
S18判定当前燃料电池系统的热容超出合理范围，开启水泵的间歇转动；
S19判断当前系统特征参数的值是否大于特征参数第二阈值，如是，则转至S20；若否，则转至S15；
S20判定当前燃料电池系统的热容过高，停止转动水泵；
S21判断电堆温度是否达到了目标温度，若是，则转至S22，若否，则转至S13；
S22冷启动结束。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统通过如权利要求1至权利要求7任意一项所述的燃料电池系统冷启动的控制方法执行冷启动。
9.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求8所述的燃料电池系统。
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