CN114725441A - 控制燃料电池冷启动的方法、装置、计算机可读存储介质及程序产品 - Google Patents

控制燃料电池冷启动的方法、装置、计算机可读存储介质及程序产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制燃料电池的冷启动过程的方法(100)，其至少包括以下步骤：i)在第一阶段中，使燃料电池以随时间恒定的初始电流密度运行；和ii)在紧跟随于第一阶段之后的第二阶段中，使燃料电池以随时间上升的电流密度运行。本发明还涉及一种用于控制燃料电池的冷启动过程的装置以及相应的计算机可读存储介质和计算机程序产品。根据本发明，实现了一种启动耗时短、易于控制且不会额外增加系统的复杂性和能耗的燃料电池冷启动方法。

Description

控制燃料电池冷启动的方法、装置、计算机可读存储介质及程 序产品
技术领域
本发明涉及一种用于控制燃料电池的冷启动过程的方法和一种用于控制燃料电池的冷启动过程的装置。此外，本发明还涉及相应的计算机可读存储介质和计算机程序产品。
背景技术
由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中存在反应产物水和增湿的水,因而当其在低于0℃的环境中关闭之后，电池中的水会结冰，冰层会阻碍电化学反应进程，从而导致电池的再次启动失败。在寒冷的冬天总是会出现零下室外温度，这对于搭载于车辆中的质子交换膜燃料电池的成功冷启动是严峻的考验。
在现有技术中，为了实现燃料电池的冷启动，通常具有以下几种方式：恒电流冷启动，恒电压冷启动，恒功率冷启动，最大功率冷启动和外部加热冷启动。但是，这些方法均关联有相应的技术缺陷。恒电流冷启动耗时长，恒电压冷启动初期如果控制不好很容易失败，恒功率和最大功率冷启动难以在车端实现，而外部加热冷启动则会额外增加系统的复杂性和能耗。
因此，期待提供一种启动耗时短、易于控制且不会额外增加系统的复杂性和能耗的燃料电池冷启动方法。
发明内容
本发明的目的通过提供一种用于控制燃料电池的冷启动过程的方法来实现，其至少包括以下步骤：
i)在第一阶段中，使燃料电池以随时间恒定的初始电流密度运行；和
ii)在紧跟随于第一阶段之后的第二阶段中，使燃料电池以随时间上升的电流密度运行。
在本文的上下文中，术语“冷启动”可以理解为燃料电池从低于0℃的环境中成功启动并运行至正常温度、例如70～80℃的过程。
如本领域技术人员所理解的，在本文中，术语“恒定的电流”和“恒定的电压”不能狭义地理解为绝对的恒定，而是应当理解为允许一定的波动和偏差。
根据本发明的一可选实施例，所述方法还包括以下步骤：
iii)在紧跟随于第二阶段之后的第三阶段中，使燃料电池以随时间恒定的输出电压运行。
根据本发明的一可选实施例，在第二阶段期间监测燃料电池的输出电压，并依据输出电压确定从第二阶段向第三阶段的转变。
根据本发明的一可选实施例，在以下状况中的任一个发生时执行从第二阶段向第三阶段的转变：检测到燃料电池堆的平均输出电压低于预设的第一阈值；检测到燃料电池堆中的任一个单体电池的输出电压低于预设的第二阈值，其中，第二阈值低于第一阈值。
根据本发明的一可选实施例，在第一阶段期间监测燃料电池的内部阻抗，并在检测到内部阻抗低于预设值时执行从第一阶段向第二阶段的转变。
根据本发明的一可选实施例，所述随时间上升的电流密度的起始值对应于所述初始电流密度。
根据本发明的一可选实施例，所述随时间恒定的输出电压对应于第二阶段结束时刻燃料电池的输出电压并且等于或接近燃料电池的最小允许电压Vl。
根据本发明的一可选实施例，一旦第一阶段持续预设的第一时长，则执行从第一阶段向第二阶段的转变。
根据本发明的一可选实施例，一旦第二阶段持续预设的第二时长，则执行从第二阶段向第三阶段的转变。
根据本发明的一可选实施例，一旦第三阶段持续预设的第三时长，则结束冷启动过程。
根据本发明的一可选实施例，在第一、二和三阶段期间，一旦检测到燃料电池的温度上升至预设的温度阈值以上，则结束冷启动过程。
本发明的上述目的还通过一种用于控制燃料电池的冷启动过程的控制装置来实现，控制装置包括处理器和与处理器通信连接的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机指令，其特征在于，当所述计算机指令被处理器执行时，实现根据前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
本发明的上述目的还通过一种计算机可读存储介质来实现，计算机可读存储介质上存储有计算机指令当所述计算机指令被处理器执行时，实现上文所描述的方法的步骤。
本发明的上述目的还通过一种计算机程序产品来实现，计算机程序产品包括计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时，实现上文所描述的方法的步骤。
根据本发明的冷启动方法和装置充分利用了燃料电池的内部自发热能力，同时也可以选择性地利用由燃料电池驱动的外部加热器，由此实现了快速且易于控制的冷启动过程。
与现有技术中已知的恒电流和恒电压冷启动方法相比，根据本发明的多阶段的冷启动过程可以加快冷启动的速度；与现有技术中已知的恒功率和最大功率冷启动方法相比，根据本发明的冷启动过程易于控制；此外，与现有技术中已知的借助于外部加热的冷启动方法相比，根据本发明的冷启动方法充分利用了电池的内部热功率，从而减小了外部加热负担。
从说明书、附图和权利要求书中，本发明主题的其他优点和有利实施例是显而易见的。
附图说明
本发明的更多特征及优点可以通过下述参考附图的具体实施例的详细说明来进一步阐述。所述附图为：
图1示出根据本发明的一示例性实施例的用于控制燃料电池冷启动的控制装置的示意性结构框图；
图2示出根据本发明的一示例性实施例的用于控制燃料电池冷启动的方法的流程图；
图3示出根据本发明的冷启动过程在燃料电池的伏安特性曲线中的走势；以及
图4示出根据本发明的冷启动过程的第三阶段在燃料电池的伏安特性曲线中的走势以及输出电功率与内部热功率的比例。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。在附图中，相同或类似的附图标记指代相同或等价的部件。
图1示出根据本发明的一示例性实施例的用于控制燃料电池的冷启动过程的控制装置1的示意性结构框图。控制装置1配置成能通过控制燃料电池的运行参数、例如输出电流和输出电压来使燃料电池在较低的环境温度下、尤其是在零下温度(例如零下50℃或更低)下启动并包括处理器10和与处理器10通信连接的计算机可读存储介质20，存储介质20中存储有计算机指令，当计算机指令被处理器10执行时，能实现根据本发明的将在下文中予以详细描述的用于控制燃料电池冷启动过程的方法的步骤。
控制装置1还包括与处理器10通信连接的输出电流测量装置30、输出电压测量装置40和内部阻抗测量装置50，以分别测量燃料电池的电流密度、输出电压和内部阻抗。
根据一示例，燃料电池是如现有技术中所知晓的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
根据一示例，控制装置1可以至少部分地集成在燃料电池的管理系统中，例如至少部分地集成在搭载于车辆上的燃料电池控制系统(FCS)中。
图2示出根据本发明的一示例性实施例的借助于控制装置1实现的用于控制燃料电池的冷启动过程的方法100的流程图。
在步骤S110中，使待启动的燃料电池与外部负载可通电地连接，外部负载例如是加热器(比如PTC加热器)、蓄电池和/或电动空压机。
接下来，在步骤S120中，启动燃料电池，以使其在第一时间段内以随时间恒定的初始电流密度运行，该过程在本文的上下文中也被称作冷启动过程的第一阶段，参见图3示出的燃料电池的伏安特性曲线中的由数字①代表的过程，其中，图3中的每条曲线201、202、203、204和205分别代表燃料电池在不同温度下的伏安特性曲线。
在一示例中，一旦检测到燃料电池的内部阻抗下降到预设阈值以下，就结束第一阶段并进入将在下文予以详细解释的第二阶段。为此，在冷启动过程的第一阶段期间借助于内部阻抗测量装置50监测燃料电池的内部阻抗。
在一替代例中，第一阶段持续预设的第一时长，就结束第一阶段并进入第二阶段。示例性地，所述预设的时长可以设定为几秒钟。在这种情况下，可以省去对燃料电池的内部阻抗的测量和计算。第一时长可以随着燃料电池和/或工况(例如环境温度)的不同而是变化的。
根据一示例，初始电流密度可以设定成较小，以使得电池内的水生成速率足够小，以至使得所产生的水能够被燃料电池的内部部件、比如离子交换膜和/或例如含有离聚物的催化剂层充分地、尤其是几乎完全吸收。初始电流密度可以随着燃料电池和/或工况(例如环境温度)的不同而是变化的。在一些情况下，初始电流密度例如可以是0.1A/cm2。
附加地或替代地，可以在步骤S120之前或在步骤S120的初始时间内执行步骤S115：测量燃料电池的内部阻抗以评估燃料电池的内部含水量，并基于所确定的燃料电池的内部阻抗值或内部含水量确定初始电流密度和第一阶段的时长。
附加地或替代地，在第一阶段期间，可以以空气饥饿的方式操作燃料电池，以在同样的电流密度下产生更多的内部热，这对于燃料电池的升温是有利的。
根据一示例性实施例，用于限定第一阶段的各种参数值、例如初始电流密度、内部阻抗的预设阈值和第一时长可以被提前最优地确定并被预存储以供调用。示例性地，可以向不同的燃料电池型号和/或不同的工况配属不同的初始电流密度、内部阻抗的预设阈值和第一时长，从而可以在燃料电池启动时基于相应的燃料电池型号和/或工况进行调用。
接下来，在步骤S130中，使燃料电池在直接跟随于第一时间段之后的第二时间段内从初始电流密度开始以随时间上升的电流密度运行。该过程在本文的上下文中也被称作冷启动过程的第二阶段，参见图3中由数字②代表的过程。
如图3所示，在第二阶段期间，随着电流密度的上升，燃料电池的输出电压呈下降的趋势，同时燃料电池的内部产热功率逐渐上升，以使得燃料电池被逐渐更剧烈地加热，从而实现燃料电池的快速启动。
根据一示例，依据燃料电池的输出电压确定第二阶段的结束。在这种情况下，示例性地，在发生以下状况中的任一个时结束第二阶段并进入将在下文予以详细解释的第三阶段：一旦检测到燃料电池堆的平均输出电压低于预设的第一阈值；一旦检测到燃料电池堆中的任一个单体电池的输出电压低于预设的第二阈值，其中，第二阈值低于第一阈值。
在一示例中，基于燃料电池的最小允许电压Vl确定第一阈值和第二阈值。例如，第一阈值可以被设定成等于或略大于最小允许电压Vl，相应地，第二阈值可以被设定成等于或略小于最小允许电压Vl。
替代地，一旦第二阶段持续预设的第二时长，就结束第二阶段。
在一示例中，第二阶段中电流密度的上升曲线可以被恰当地设定。上升曲线可以是直线上升的或斜率可变地上升的，可以是跳跃上升的或者是连续上升的。
类似地，用于限定第二阶段的各种参数值、比如电流密度的上升曲线、输出电压的第一阈值和第二阈值以及第二时长可以被提前最优地确定并被预存储以供调用。
然后，在步骤S140中，使燃料电池在直接跟随于第二时间段之后的第三时间段内以随时间恒定的输出电压运行。该过程在本文的上下文中也被称作冷启动过程的第三阶段，参见图3中由数字③代表的过程。在第三阶段中，所述恒定的输出电压对应于第二阶段结束时刻燃料电池所输出的电压、例如是上文所提及的最小允许电压Vl或其近似值。
由于燃料电池一直以接近或等于最小允许电压Vl的电压操作，因而产生了最大可能的内部热功率，对此可以参见图4。在图4中，位于代表最小允许电压Vl的直线7以上的矩形8代表燃料电池所产生的内部热功率，而位于直线7以下的矩形9代表燃料电池所输出的电功率。从图4可知，燃料电池的输出电压越小，内部热功率与电功率的比值越大，进而越利于电池的升温。当输出电压为最小允许电压Vl时，内部热功率与电功率的比值为最大。因而，第三阶段能使燃料电池产生尽可能多的热，从而有助于燃料电池的快速升温并由此快速进入正常运行。
在一示例中，一旦检测到燃料电池的温度上升至预设的温度阈值以上，就结束第三阶段。替代地，一旦第三阶段持续预设的第三时长，就结束第三阶段。再替代地，一旦收到燃料电池必须恢复正常运行的指令，就结束第三阶段。
类似地，用于限定第三阶段的各种参数值、比如恒定的输出电压值、预设的温度阈值和第三时长可以被提前最优地确定并被预存储以供调用。可以向不同的燃料电池型号和/或不同的工况配属不同的输出电压值、预设的温度阈值和第三时长。
在一示例中，借助于与燃料电池接通的上述外部负载来消耗燃料电池在第一、第二和第三阶段中输出的电功率。附加地，在外部负载难以完全消耗所输出的电功率时，可以使燃料电池具有适当程度的空气饥饿。优选地，外部负载可以是用来从外部加热燃料电池的加热器。
接下来，在步骤S150中，结束冷启动过程并使得燃料电池正常运行。
附加地或替代地，在上述第一、二和三阶段期间，一旦检测到燃料电池的温度上升至预设的温度阈值以上，则结束冷启动过程并使得燃料电池正常运行。这意味着并非在每次冷启动过程中都必须完全经历上述第一、二和三阶段中的全部。
尽管一些实施例已经被说明，但是这些实施例仅仅是以示例的方式予以呈现，而没有旨在限定本发明的范围。所附的权利要求和它们的等价形式旨在覆盖落在本发明范围和精神内的所有改型、替代和改变。

Claims (10)

1.一种用于控制燃料电池的冷启动过程的方法(100)，其至少包括以下步骤：
i)在第一阶段中，使燃料电池以随时间恒定的初始电流密度运行；和
ii)在紧跟随于第一阶段之后的第二阶段中，使燃料电池以随时间上升的电流密度运行。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述方法(100)还包括以下步骤：
iii)在紧跟随于第二阶段之后的第三阶段中，使燃料电池以随时间恒定的输出电压运行。
3.根据权利要求2所述的方法(100)，其特征在于，
在第二阶段期间监测燃料电池的输出电压，并依据输出电压确定从第二阶段向第三阶段的转变。
4.根据权利要求3所述的方法(100)，其特征在于，
在以下状况中的任一个发生时执行从第二阶段向第三阶段的转变：检测到燃料电池堆的平均输出电压低于预设的第一阈值；检测到燃料电池堆中的任一个单体电池的输出电压低于预设的第二阈值，其中，第二阈值低于第一阈值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其特征在于，
在第一阶段期间监测燃料电池的内部阻抗，并在检测到内部阻抗低于预设值时执行从第一阶段向第二阶段的转变。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其特征在于，
所述随时间上升的电流密度的起始值对应于所述初始电流密度；和/或
所述随时间恒定的输出电压对应于第二阶段结束时刻燃料电池的输出电压并且等于或接近燃料电池的最小允许电压(Vl)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其特征在于，
一旦第一阶段持续预设的第一时长，则执行从第一阶段向第二阶段的转变；
一旦第二阶段持续预设的第二时长，则执行从第二阶段向第三阶段的转变；
一旦第三阶段持续预设的第三时长，则结束冷启动过程；和/或
在第一、第二和第三阶段期间，一旦检测到燃料电池的温度上升至预设的温度阈值以上，则结束冷启动过程。
8.一种用于控制燃料电池的冷启动过程的控制装置(1)，其包括处理器(10)和与处理器(10)通信连接的计算机可读存储介质(20)，计算机可读存储介质(20)上存储有计算机指令，其特征在于，当所述计算机指令被处理器(10)执行时，实现根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)的步骤。
9.一种计算机可读存储介质(20)，其上存储有计算机指令，其特征在于，当所述计算机指令被处理器执行时，实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法(100)的步骤。
10.一种计算机程序产品，其包括计算机指令，其特征在于，当所述计算机指令被处理器执行时，实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法(100)的步骤。
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