CN115395057B - 燃料电池零下启动的电控方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供的燃料电池零下启动的电控方法与系统，属于燃料电池技术领域。本方法使用交互氢泵反应进行零下启动，首先采用电压控制模式，将电压幅值控制在电压上限；当电压控制模式中的电流峰值达到电流上限，切换为电流控制模式，将电流幅值控制在电流上限直至交互氢泵运行结束。本系统包括电流供应与控制装置、电流方向转换装置、交互频率控制装置和供氢装置，电流方向转换装置和交互频率控制装置用于将施加于燃料电池电堆的直流电切换为交互电并调控交互电的频率。本公开针对交互式氢泵零下启动方法的功率控制优化问题，基于车载电控系统实现向燃料电池施加交互电，并在具有电流和电压上限的情况下，提高零下启动的平均产热功率。

Description

燃料电池零下启动的电控方法与系统
技术领域
本公开涉及燃料电池技术领域，具体的说是一种燃料电池零下启动的电控方法与系统。
背景技术
燃料电池作为氢能社会中承担由化学能到电能的能量转化载体，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，具有广阔的应用前景。其中质子交换膜燃料电池凭借其功率密度高、对负载变化响应快等优势，成为燃料电池汽车的车载动力的首要选择。燃料电池汽车向商用车发展以及使用场景向温寒带推广，对质子交换膜燃料电池的零下启动能力提出了更为严苛的要求。
满足要求的零下启动方法，在能够实现成功启动的前提下，还需要具有高能量效率、不造成严重老化和不更改电堆与系统结构等特点。丰田汽车公司采用自启动的方法，将电压控制在0.1V附近并通入不足量的空气，在其燃料电池乘用车FCHV-adv上成功实现野外-37℃启动(Kojima K,Morita T.Development of fuel cell hybrid vehicle inTOYOTA[J].ECS Transactions,2008,16(2):185-198.)。然而该方法存在产热上限，在燃料电池商用车上难以实现-30℃启动。这是由于商用车的寿命要求高于乘用车，常采用耐久性更好但热容更高的石墨基双极板，而非广泛用于乘用车的金属基双极板。
已有技术(CN201811347849.0)，公布了一种燃料零下启动方法及装置，包括为燃料电池阴阳两个电极提供含氢气的氛围，然后对燃料电池施加交互电流或电压控制，利用交互式氢泵反应的产热来实现电池温度的快速提升。该方法适用温度范围广，可成功实现-50℃-0℃温度的零下启动；不需要加热媒介，能量效率高；同时，交互式氢泵反应不产生水，避免了生成水结冰导致的老化问题。因此该方法具有广阔的应用前景。然而，交互式氢泵方法需要向燃料电池施加交互电压和电流，这在目前常规的燃料电池电控系统下难以实现；同时，该方法并未针对车载燃料电池的实际工况，即存在电压上限和电流上限的情况下开发优化的电控方法。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控方法，旨在克服交互式氢泵方法在实车应用上无法实现向燃料电池电堆施加交互电、以及未针对实际工况优化电控方法不足等问题，可以基于车载电控系统实现向燃料电池施加交互电，并在具有电流和电压上限的情况下，提高零下启动的平均功率。
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控方法，包括：
1)在零下启动起始阶段，采用电压控制模式对燃料电池进行交互式氢泵，电压幅值控制在电压上限；
2)当电压控制模式中的电流峰值达到电流上限，切换为电流控制模式对燃料电池进行交互氢泵，电流幅值控制在电流上限，直至交互氢泵运行结束。
在一些实施例中，若零下启动起始阶段时，所述电压上限与燃料电池电阻的比值大于所述电流上限，则跳过步骤1)的电压控制模式，直接从步骤2)的电流控制模式开始进行零下启动。
在一些实施例中，步骤1)中所述电压控制模式的交互频率控制在电压施加主体所能承受的最高频率。
在一些实施例中，步骤2)中所述电流控制模式的交互频率控制在某一恒定的频率，或者从与步骤1)中相同的交互频率开始逐步降低所述电流控制模式的交互频率。
在一些实施例中，降低所述电流控制模式的交互频率的方式采用连续降低或阶梯状降低。
在一些实施例中，所述阶梯状降低的方式为当交互氢泵的电压峰值达到所述电压上限时，降低所述电流控制模式的交互频率。
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控方法，具有以下特点及有益效果：
本公开方法可以在具有电流和电压上限的情况下，提高交互氢泵方法零下启动的平均产热功率。具体表现为：
①交互电幅值控制方面，在电流未达电流上限前将电压控制在电压上限进行零下启动，随着燃料电池温度的升高电流逐渐上升，当电流达到电流上限后切换为电流控制，幅值控制在电流上限，可以在确保电压和电流不超过各自上限的前提下，最大可能地提升零下启动过程的平均产热功率。
②交互电频率控制方面，频率越高使得电阻越小，对电压控制时的产热越有利，对电流控制时的产热越不利。则电压控制时，频率应控制在频率上限；电流控制时，优选逐步降低频率，以维持高产热功率。
本公开第二方面实施例提供的基于上述电控方法的电控系统，包括：
电流供应与控制装置，用于向燃料电池电堆施加直流电流并控制施加于燃料电池电堆的电流幅值，控制方式采用电流控制和/或电压控制；
电流方向转换装置，用于将电流供应与控制装置向燃料电池电堆所施加的直流电流进行周期性的方向切换，分隔为正向半周期和反向半周期；
交互频率控制装置，用于控制所述正向半周期和所述反向半周期的切换频率，或者用于控制所述正向半周期和所述反向半周期分别持续的时间；和
供氢装置，用于在燃料电池的阴阳两极同时实现并维持氢气氛围。
在一些实施例中，所述电流供应与控制装置包括电流源和双向直流-直流转换器，所述电流源用于供应直流电，所述双向直流-直流转换器用于将所述直流电进行控制并施加向燃料电池电堆。
在一些实施例中，所述电流供应与控制装置还包括交流阻抗测量装置，用于测量燃料电池的电阻。
在一些实施例中，所述电流方向转换装置包括四个固态继电器，所述固态继电器设有输入端和输出端，所述交互频率控制装置包括具有常闭触点和常开触点的时间继电器，第一固态继电器的输出端正极和第二固态继电器的输出端正极共同连接所述电流供应与控制装置的正极，第一固态继电器的输出端负极和第三固态继电器的输出端正极共同连接燃料电池的阴极，第二固态继电器的输出端负极和第四固态继电器的输出端正极共同连接燃料电池的阳极，第三固态继电器的输出端负极和第四固态继电器的输出端负极共同连接所述电流供应与控制装置的负极，所述时间继电器的常闭触点连接所述第一固态继电器和所述第四固态继电器的输入端，所述时间继电器的常开触点连接所述第二固态继电器和所述第三固态继电器的输入端，所述时间继电器用于控制所述第一固态继电器和所述第四固态继电器同时开启、所述第二固态继电器和所述第三固态继电器同时关闭，控制所述第一固态继电器和所述第四固态继电器同时关闭、所述第二固态继电器和所述第三固态继电器同时开启，并设置各固态继电器开启和关闭的时间间隔。
本公开第二方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控系统，具有以下特点及有益效果：
本公开基于目前的车载燃料电池电控系统，通过添加简单的电路控制装置，实现向燃料电池施加交互电，进而实现交互式氢泵反应进行零下启动。
附图说明
图1是本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动电控方法的流程图
图2是本公开第二方面实施例提供的燃料电池零下启动电控系统的结构示意图。
图3是本公开第三方面实施例提供的燃料电池零下启动电控系统。
图4是本公开第三方面实施例提供的燃料电池零下启动电控系统的交互频率控制效果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
实施例1
参见图1，本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控方法，包括：
1)在零下启动起始阶段，采用电压控制模式对燃料电池进行交互式氢泵，电压幅值控制在电压上限；
2)当电压控制模式中的电流峰值达到电流上限，切换为电流控制模式对燃料电池进行交互式氢泵，电流幅值控制在电流上限，直至交互式氢泵运行结束。
进一步地，若零下启动起始阶段时，电压上限与燃料电池电阻的比值大于电流上限，则跳过步骤1)电压控制模式，直接从步骤2)电流控制模式开始进行零下启动。
进一步地，所述步骤1)中电压控制模式的交互频率控制在电压施加主体所能承受的最高频率。
进一步地，所述步骤2)中电流控制模式的交互频率可以控制在某一恒定的频率，也可以从与步骤1)中相同的交互频率开始逐步降低交互频率。
进一步地，所述交互频率的降低方式采用连续降低方式或者阶梯状降低方式。
进一步地，所述交互频率阶梯状降低方式为当交互氢泵的电压峰值达到电压上限时，降低交互频率。
本公开第一方面实施例提供的燃料电池零下启动的电控方法，工作原理如下：
①交互电幅值控制方面，在电流未达电流上限前将电压控制在电压上限进行零下启动，随着燃料电池温度的升高电流逐渐上升，当电流达到电流上限后切换为电流控制，幅值控制在电流上限，可以在确保电压和电流不超过各自上限的前提下，最大可能地提升零下启动过程的平均产热功率。
②交互电频率控制方面，频率越高使得电阻越小，对电压控制时的产热越有利，对电流控制时的产热越不利。则电压控制时，频率应控制在频率上限；电流控制时，优选逐步降低频率，以维持高产热功率。
实施例2
本实施例通过图2所示的系统实现实施例1的电控方法，包括：
电流供应与控制装置，用于向燃料电池电堆施加直流电流并控制施加于燃料电池电堆的电流幅值，控制方式可以采用电流控制和/或电压控制；电流供应与控制装置包括电流源和双向直流-直流转换器，电流源用于供应直流电，双向直流-直流转换器用于将直流电进行控制并施加向燃料电池电堆；
电流方向转换装置，用于将电流供应与控制装置向燃料电池电堆所施加的直流电流进行周期性的方向切换，分隔为正向半周期和反向半周期；
交互频率控制装置，用于控制所述正向半周期和所述反向半周期的切换频率，或者用于控制所述正向半周期和所述反向半周期分别持续的时间；
供氢装置(该供氢装置在图2中未示意出)，用于在燃料电池的阴阳两极同时实现并维持氢气氛围。
进一步地，参见图3，电流方向转换装置包括四个固态继电器，交互频率控制装置包括一个时间继电器。各固态继电器均分别设有输入端和输出端，固态继电器的输入端的信号控制该固态继电器的输出端的通断；固态继电器1的输出端正极和固态继电器2的输出端正极共同连接电流供应与控制装置的正极，固态继电器1的输出端负极和固态继电器3的输出端正极共同连接燃料电池的阴极，固态继电器2的输出端负极和固态继电器4的输出端正极共同连接燃料电池的阳极，固态继电器3的输出端负极和固态继电器4的输出端负极共同连接电流供应与控制装置的负极。时间继电器的常闭触点连接固态继电器1和固态继电器4的输入端，时间继电器的常开触点连接固态继电器2和固态继电器3的输入端，时间继电器可以使得固态继电器1和固态继电器4同时开启、固态继电器2和固态继电器3同时关闭，以及使得固态继电器1和固态继电器4同时关闭、固态继电器2和固态继电器3同时开启，并设置各固态继电器开启和关闭的时间间隔。
进一步地，电流方向转换装置中的四个固态继电器分为两个正向固态继电器(即固态继电器1和固态继电器4)和两个负向固态继电器(即固态继电器2和固态继电器3)。固态继电器的通断由交互频率控制装置中的时间继电器来控制。当正向固态继电器导通时，负向固态继电器关闭，向燃料电池电堆施加的电流方向为上正下负；当负向固态继电器导通时，正向固态继电器关闭，向燃料电池电堆施加的电流方向为上负下正；正向固态继电器和负向固态继电器在时间继电器的控制下以一定的频率相继导通和关闭，实现由直流电到交互电的切换。交互频率的控制效果如图4所示，施加的直流电位为10V，经由电流方向转换装置和交互频率控制装置，将其转换为交互电，频率为0.5Hz。
进一步地，所述供氢装置的氢气来源为氢气瓶。
进一步地，所述电流供应与控制装置的电流源可以是锂离子电池、超级电容器、充电桩或者其它燃料电池。
进一步地，所述电流供应与控制装置中包括交流阻抗测量装置，用于测量燃料电池的电阻。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种燃料电池零下启动的电控方法，其特征在于，包括：
1)在零下启动起始阶段，采用电压控制模式对燃料电池进行交互式氢泵，电压幅值控制在电压上限；
2)当电压控制模式中的电流峰值达到电流上限，切换为电流控制模式对燃料电池进行交互氢泵，电流幅值控制在电流上限，直至交互氢泵运行结束。
2.根据权利要求1所述的电控方法，其特征在于，若零下启动起始阶段时，所述电压上限与燃料电池电阻的比值大于所述电流上限，则跳过步骤1)的电压控制模式，直接从步骤2)的电流控制模式开始进行零下启动。
3.根据权利要求1所述的电控方法，其特征在于，步骤1)中所述电压控制模式的交互频率控制在电压施加主体所能承受的最高频率。
4.根据权利要求1所述的电控方法，其特征在于，步骤2)中所述电流控制模式的交互频率控制在某一恒定的频率，或者从与步骤1)中相同的交互频率开始逐步降低所述电流控制模式的交互频率。
5.根据权利要求4所述的电控方法，其特征在于，降低所述电流控制模式的交互频率的方式采用连续降低或阶梯状降低。
6.根据权利要求5所述的电控方法，其特征在于，所述阶梯状降低的方式为当交互氢泵的电压峰值达到所述电压上限时，降低所述电流控制模式的交互频率。
7.一种基于权利要求1～6中任意一项所述电控方法的电控系统，其特征在于，包括：
电流供应与控制装置，用于向燃料电池电堆施加直流电流并控制施加于燃料电池电堆的电流幅值，控制方式采用电流控制和/或电压控制；
电流方向转换装置，用于将电流供应与控制装置向燃料电池电堆所施加的直流电流进行周期性的方向切换，分隔为正向半周期和反向半周期；
交互频率控制装置，用于控制所述正向半周期和所述反向半周期的切换频率，或者用于控制所述正向半周期和所述反向半周期分别持续的时间；和
供氢装置，用于在燃料电池的阴阳两极同时实现并维持氢气氛围。
8.根据权利要求7所述的电控系统，其特征在于，所述电流供应与控制装置包括电流源和双向直流-直流转换器，所述电流源用于供应直流电，所述双向直流-直流转换器用于将所述直流电进行控制并施加向燃料电池电堆。
9.根据权利要求8所述的电控系统，其特征在于，所述电流供应与控制装置还包括交流阻抗测量装置，用于测量燃料电池的电阻。
10.根据权利要求7所述的电控系统，其特征在于，所述电流方向转换装置包括四个固态继电器，所述固态继电器设有输入端和输出端，所述交互频率控制装置包括具有常闭触点和常开触点的时间继电器，第一固态继电器的输出端正极和第二固态继电器的输出端正极共同连接所述电流供应与控制装置的正极，第一固态继电器的输出端负极和第三固态继电器的输出端正极共同连接燃料电池的阴极，第二固态继电器的输出端负极和第四固态继电器的输出端正极共同连接燃料电池的阳极，第三固态继电器的输出端负极和第四固态继电器的输出端负极共同连接所述电流供应与控制装置的负极，所述时间继电器的常闭触点连接所述第一固态继电器和所述第四固态继电器的输入端，所述时间继电器的常开触点连接所述第二固态继电器和所述第三固态继电器的输入端，所述时间继电器用于控制所述第一固态继电器和所述第四固态继电器同时开启、所述第二固态继电器和所述第三固态继电器同时关闭，控制所述第一固态继电器和所述第四固态继电器同时关闭、所述第二固态继电器和所述第三固态继电器同时开启，并设置各固态继电器开启和关闭的时间间隔。
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