CN114347869A - 一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略及控制系统，包括以下步骤：预设SOC阈值，获取车辆启动后的动力电池SOC，当动力电池SOC达到第一阈值，燃料电池进入设定的近零功率输出状态，当动力电池SOC低于第二阈值，燃料电池再次启动，进入正常功率输出状态，对动力电池进行充电，维持整车能量需求，当动力电池SOC达到第三阈值，燃料电池保持一个较低的功率输出，进入怠速状态，通过上述步骤完成氢燃料电池汽车怠速控制策略。本发明能有效降低燃料电池汽车怠速过程中电堆电压过高引起的性能衰减，并在一定程度上减少氢气的消耗。

Description

一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略及控制系统

技术领域

本发明属于燃料电池汽车的燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略及控制系统。

背景技术

燃料电池作为一种清洁环保的发电装置，可通过氧化还原反应直接将化学能转化为电能，因此不受卡诺循环的限制，表现出高的能源转化效率。此外，其结构简单，响应速度快等优点，使燃料电池成为理想的移动电源或作为固定式发电站。随着燃料电池技术日益成熟以及各国在低碳环保政策的倡导下，氢燃料电池汽车逐渐兴起。与锂离子电动汽车相比，氢燃料电池汽车采用氢气作为燃料，加注时间快，续航里程远，清洁高效，成为最具发展潜力的新能源清洁型汽车。

对于车载燃料电池发动机，会经历启停、怠速、高负荷和变载等各种不同形式的工况。其中，频繁的启停以及怠速过程对燃料电池寿命会产生严重的影响，造成性能衰减。当前，质子交换膜燃料电池依然采用在碳黑上均匀负载Pt纳米颗粒的Pt/C催化剂。在质子交换膜燃料电池启停过程中，阳极室会存在局部的氢气不足现象，位于阴极侧的氧气会渗透到阳极室中，在燃料电池启动时，氢气的注入会和氧气混合，形成一种氢气-氧气界面。这种界面的存在会造成阴极侧出现更高的电位(1.44V)，在这种高电位下，阴极侧催化层上的碳载体容易发生氧化反应，造成碳的腐蚀，导致Pt颗粒的脱落，溶解和团聚，从而引起燃料电池性能衰减。

一般而言，燃料电池单体电压过高会影响燃料电池寿命。在燃料电池怠速过程中，燃料电池处于一种低功率状态，其输出电流越低，单体电池电压越高。因此，在怠速过程中，如何在保持燃料电池低功率运行时尽可能降低燃料电池电压至关重要。另一方面，燃料电池在启停过程中，容易形成氢-氧界面，造成碳腐蚀，引起燃料电池性能衰减。同样，燃料电池在怠速过程中也应该尽量避免或缩短此过程的发生。

发明内容

本发明目的在于克服氢燃料电池汽车在启停以及怠速等复杂工况下，燃料电池性能衰减的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，包括以下步骤：

获取车辆启动后的动力电池SOC；

根据所述动力电池SOC和预设的SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出状态，完成氢燃料电池汽车启动怠速控制策略；其中，所述氢燃料电池的功率输出状态包括：近零功率输出状态、正常功率输出状态与怠速状态。

可选地，所述SOC阈值包括第一阈值、第二阈值与第三阈值；

所述第一阈值、所述第二阈值与所述第三阈值均用于判定所述氢燃料电池的不同功率输出状态。

可选地，当所述动力电池SOC小于所述第一阈值时，所述燃料电池为所述正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；

当所述动力电池SOC不小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入所述近零功率输出状态，车辆功率消耗由所述动力电池提供；

所述近零功率输出状态为：所述燃料电池降载，电流下降至近零状态，所述燃料电池以近零功率输出，持续消耗电堆内存留的O₂，空压机与氢循环泵以低转速间断性工作供给气体。

可选地，所述燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当所述动力电池SOC不大于所述第二阈值时，所述燃料电池进入所述正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电。

可选地，对所述动力电池进行充电后，直到当所述动力电池SOC不小于所述第三阈值时，所述燃料电池进入怠速状态；

所述怠速状态为：所述燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件功率消耗需求。

可选地，所述燃料电池电流值降低，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V。

另一方面，为实现上述目的，本发明还提供了一种氢燃料电池汽车启动怠速控制系统，包括：设定模块、获取模块、控制模块；

所述设定模块用于设定SOC阈值；

所述获取模块用于获取车辆启动后的动力电池SOC；

所述控制模块用于基于所述动力电池SOC与所述SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出。

可选地，所述设定模块包括第一设定模块、第二设定模块、第三设定模块；

所述第一设定模块用于设定第一阈值，所述第二设定模块用于设定第二阈值，所述第三设定模块用于设定第三阈值；

所述第一阈值、所述第二阈值与所述第三阈值均用于判定所述氢燃料电池的不同功率输出状态。

当所述动力电池SOC小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；当所述动力电池SOC不小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入近零功率输出状态，车辆功率消耗由所述动力电池提供；

所述燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当所述动力电池SOC不大于所述第二阈值时，所述燃料电池进入正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；

对所述动力电池进行充电后，直到当所述动力电池SOC不小于所述第三阈值时，所述燃料电池进入怠速状态；

所述近零功率输出状态为：所述燃料电池降载，电流下降至近零状态，所述燃料电池以近零功率输出，持续消耗电堆内存留的O₂，空压机与氢循环泵以低转速间断性工作供给气体；

所述怠速状态包括：所述燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件功率消耗需求；所述燃料电池电流值降低，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明的氢燃料电池汽车怠速控制策略及控制系统，根据车辆状态的不同氢燃料电池进入不同的工作状态，车辆动力电池的SOC不小于第一阈值时，燃料电池进入特定的近零功率输出状态，燃料电池降载，电流下降至近零状态，燃料电池以近零功率输出。在此段过程中，持续消耗电堆内存留的O₂，且空压机与氢循环泵以较低转速间断性工作供给气体，从而维持燃料电池较低的电压，防止燃料电池单体电压过高，以保护电堆；当动力电池能量下降，车辆唤醒燃料电池工作，一段时间后，当动力电池的SOC不小于第三阈值时，燃料电池进入怠速状态，空气系统和氢气系统以低功率运行，维持低的过量系数，从而保持燃料电池电堆电压维持在270-310V区间内，燃料电池电流降至一定的较小值，减少对电堆的损害。在整车对燃料电池系统有功率需求时，又可以快速满足拉载需求。因此，在车辆怠速过程中，燃料电池电堆电压一直维持在一个安全的水平，同时也避免了燃料电池频繁的启动，在满足快速拉载需求的同时，保证了燃料电池的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一的一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略流程示意图；

图2为本发明实施例一的氢燃料电池汽车动力电池SOC变化示意图；

图3为本发明实施例一的氢燃料电池汽车燃料电池系统功率输出变化示意图；

图4为本发明实施例一的氢燃料电池汽车近零功率输出过程中燃料电池电压电流变化示意图；

图5为本发明实施例一的氢燃料电池汽车怠速过程中燃料电池电压电流变化示意图；

图6为本发明实施例二的一种氢燃料电池汽车启动怠速控制系统结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提供一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，包括以下步骤：

车辆启动后，动力电池首先输出功率，满足整车能量需求；待燃料电池相关辅件正常运行后，燃料电池启动，对动力电池进行充电，同时维持相关辅件工作。

获取车辆启动后的动力电池SOC；

根据所述动力电池SOC和预设的SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出状态，完成氢燃料电池汽车启动怠速控制策略；其中，所述氢燃料电池的功率输出状态包括：近零功率输出状态、正常功率输出状态与怠速状态。进一步地，SOC阈值包括第一阈值、第二阈值与第三阈值；

第一阈值、第二阈值与第三阈值均用于判定氢燃料电池的不同功率输出状态。

进一步地，基于动力电池SOC与SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出包括：

当动力电池SOC小于第一阈值时，燃料电池为正常功率输出状态，对动力电池进行充电；

当动力电池SOC不小于第一阈值时，燃料电池进入近零功率输出状态，车辆功率消耗由动力电池提供。

近零功率输出状态为:燃料电池降载，电流下降至近零状态，燃料电池以近零功率输出。在此段过程中，持续消耗电堆内存留的O₂，空压机与氢循环泵以低转速间断性工作供给气体，从而维持燃料电池较低的电压，防止燃料电池单体电压过高，以保护电堆。

进一步地，燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当动力电池SOC不大于第二阈值时，燃料电池进入正常功率输出状态，对动力电池进行充电。

进一步地，对动力电池进行充电后，直到当动力电池SOC不小于第三阈值时，燃料电池进入怠速状态。

燃料电池进入怠速状态包括：燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件(氢泵、空压机、水泵)功率消耗需求；燃料电池电流值降低，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其中，氢燃料电池汽车动力电池SOC变化如图2所示，氢燃料电池汽车燃料电池系统功率输出变化如图3所示，本实施例中的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略包括以下步骤：

设定SOC阈值，其中，第一阈值为动力电池SOC的值达到70％～73％；第二阈值为动力电池SOC的值达到45.5％；第三阈值为动力电池SOC的值达到55％～57％。

车辆启动后，动力电池开始输出能量，以启动燃料电池相关辅件。

燃料电池启动，对动力电池进行充电，同时维持相关辅件工作。

当动力电池充电，SOC达到设定的第一阈值后，燃料电池进入设定的近零功率输出状态。

在本实施例中，燃料电池进入设定的近零功率输出状态的判断方法为：设定第一阈值为73％，当动力电池SOC＜73％，燃料电池输出功率，动力电池充电；当动力电池SOC≥73％，燃料电池停止功率输出，进入到近零功率输出状态，整车功率消耗由动力电池提供。

在本实施例中，燃料电池在近零功率输出状态过程中燃料电池降载，电流下降至近零状态，燃料电池以近零功率输出。在此段过程中，持续消耗电堆内存留的O₂，且空压机(120-400rpm)与氢循环泵以较低转速(600-1800rpm)间断性工作供给气体，从而维持燃料电池较低的电压，防止燃料电池单体电压过高，以保护电堆。在近零功率输出状态过程中，燃料电池电压和电流状态如图4所示。

近零功率输出状态过程中，燃料电池近乎无功率输出，动力电池输出能量，维持整车能量需求。

当动力电池SOC达到设定的第二阈值后，燃料电池再次启动，对动力电池进行充电，维持整车能量需求；

在本实施例中，第二阈值设为45.5％，当动力电池SOC≤45.5％，燃料电池启动，输出功率，对动力电池充电，并维持整车能量需求。

当动力电池SOC达到设定的第三阈值，燃料电池保持一个较低的功率输出，进入怠速状态。

在本实施例中，第三阈值设为55％，当动力电池SOC≥55％，燃料电池根据动力电池需求和车辆最低能耗功率保持低功率输出，进入怠速状态。

进入怠速状态具体为：燃料电池在怠速过程中保持低功率(0.5％-2％)运行，维持自身辅件(氢泵、空压机、水泵)功率消耗需求。此过程中，燃料电池电流降至一定的较小值，空气系统和氢气系统以低功率运行(即空压机(50W)和氢泵(20-80W)各自以低功率运行)，保持低的过量系数(1.0-1.5)，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V，减少对电堆的损害。在整车对燃料电池系统有功率需求时，可以快速满足拉载需求。在怠速状态过程中，燃料电池电压和电流工作状态如图5所示。过量系数是指实际供给燃料燃烧空气的量与理论空气的量之比。反映燃料与空气配合比的一个重要参数。在各种炉子或燃烧室中，为使燃料尽可能燃烧完全，实际供入的空气量总要大于理论空气量(其超出部分称为“过剩空气量”)，即过量空气系数必须大于1。

实施例二

如图6所示，本实施例中提供一种氢燃料电池汽车启动怠速控制系统，包括：设定模块、获取模块、控制模块；设定模块用于设定SOC阈值；获取模块用于获取车辆启动后的动力电池SOC；控制模块用于基于动力电池SOC与SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出。

进一步地，设定模块包括第一设定模块、第二设定模块、第三设定模块；

第一设定模块用于设定第一阈值，第二设定模块用于设定第二阈值，第三设定模块用于设定第三阈值；

第一阈值、第二阈值与第三阈值均用于判定氢燃料电池的不同功率输出状态。

进一步地，当动力电池SOC小于第一阈值时，燃料电池进入正常功率输出状态，对动力电池进行充电；当动力电池SOC不小于第一阈值时，燃料电池进入近零功率输出状态，车辆功率消耗由动力电池提供；

燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当动力电池SOC不大于第二阈值时，燃料电池再次进入正常功率输出状态，对动力电池进行充电；

对动力电池进行充电后，直到当动力电池SOC不小于第三阈值时，燃料电池进入怠速状态；

近零功率输出状态为，燃料电池降载，电流下降至近零状态，燃料电池以近零功率输出。在此段过程中，持续消耗电堆内存留的O₂，且空压机与氢循环泵以较低转速间断性工作供给气体，从而维持燃料电池较低的电压，防止燃料电池单体电压过高，以保护电堆。

燃料电池进入怠速状态包括：燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件功率消耗需求。此过程中，燃料电池电流降至一定的较小值，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V，减少对电堆的损害。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，包括以下步骤：

获取车辆启动后的动力电池SOC；

根据所述动力电池SOC和预设的SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出状态，完成氢燃料电池汽车启动怠速控制策略；其中，所述氢燃料电池的功率输出状态包括：近零功率输出状态、正常功率输出状态与怠速状态。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，所述SOC阈值包括第一阈值、第二阈值与第三阈值；

所述第一阈值、所述第二阈值与所述第三阈值均用于判定所述氢燃料电池的不同功率输出状态。

3.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，

当所述动力电池SOC小于所述第一阈值时，所述燃料电池为所述正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；

当所述动力电池SOC不小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入所述近零功率输出状态，车辆功率消耗由所述动力电池提供；

所述近零功率输出状态为：所述燃料电池降载，电流下降至近零状态，所述燃料电池以近零功率输出，持续消耗电堆内存留的O₂，空压机与氢循环泵以低转速间断性工作供给气体。

4.根据权利要求3所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，

所述燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当所述动力电池SOC不大于所述第二阈值时，所述燃料电池进入所述正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电。

5.根据权利要求4所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，

对所述动力电池进行充电后，直到当所述动力电池SOC不小于所述第三阈值时，所述燃料电池进入怠速状态；

所述怠速状态为：所述燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件功率消耗需求。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制策略，其特征在于，所述怠速状态还包括：

所述燃料电池电流值降低，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V。

7.一种氢燃料电池汽车启动怠速控制系统，其特征在于，包括，设定模块、获取模块、控制模块；

所述设定模块用于设定SOC阈值；

所述获取模块用于获取车辆启动后的动力电池SOC；

所述控制模块用于基于所述动力电池SOC与所述SOC阈值控制氢燃料电池的功率输出。

8.根据权利要求7所述的氢燃料电池汽车启动怠速控制系统，其特征在于，所述设定模块包括第一设定模块、第二设定模块、第三设定模块；

所述第一设定模块用于设定第一阈值，所述第二设定模块用于设定第二阈值，所述第三设定模块用于设定第三阈值；

所述第一阈值、所述第二阈值与所述第三阈值均用于判定所述氢燃料电池的不同功率输出状态。

当所述动力电池SOC小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；当所述动力电池SOC不小于所述第一阈值时，所述燃料电池进入近零功率输出状态，车辆功率消耗由所述动力电池提供；

所述燃料电池进入近零功率输出状态后，直到当所述动力电池SOC不大于所述第二阈值时，所述燃料电池进入正常功率输出状态，对所述动力电池进行充电；

对所述动力电池进行充电后，直到当所述动力电池SOC不小于所述第三阈值时，所述燃料电池进入怠速状态；

所述近零功率输出状态为：所述燃料电池降载，电流下降至近零状态，所述燃料电池以近零功率输出，持续消耗电堆内存留的O₂，空压机与氢循环泵以低转速间断性工作供给气体；

所述怠速状态包括：所述燃料电池保持低功率运行，维持自身辅件功率消耗需求；所述燃料电池电流值降低，空气系统和氢气系统以低功率运行，保持低的过量系数，维持燃料电池电堆平均单片电压低于0.8V。

Images