CN116247250A - 一种氢空燃料电池发动机停机方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢空燃料电池发动机停机方法，方法依次为获取CAN报文信息和采集燃料电池系统传感器及阀门数字信号；对获取的数据进行处理；接收到停机指令后，进入燃料电池降载流程，燃料电池系统输出功率逐步降载至怠速；进入燃料电池停机准备流程，调节燃料电池冷却液的水温；进入停机吹扫流程，将电堆内部、氢气回路和空气回路的液态水吹干；进入余氢放电流程，此阶段将停机后电堆内部残留的电势释放掉；同时将电堆腔体内残留的氧气消耗掉；控制燃料电池系统的零部件动作完成停机操作；判断是否停机成功并跳转对应的状态。有效控制氢空压差、提高吹扫效率，余氢放电功能可以避免电堆因高电势和氢空界面造成的伤害，提高燃料电池的耐久性。

Description

一种氢空燃料电池发动机停机方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体为一种氢空燃料电池发动机停机方法。
背景技术
氢气被认为是最清洁的能源，氢空燃料电池是以氢气为还原剂和以氧气或空气为氧化剂的氧化还原反应将化学能变成电能的一种装置，因其生成物中只有水，具有无污染、效率高的优点，被大力推展在汽车上使用。
质子交换膜燃料电池系统有氢气供应回路和空气供应回路，分别向燃料电池电堆供应适量的氢气和空气以发生反应提供能量。在燃料电池运行时，氢气和空气反应生产的水可以随尾排气体一起排出，当燃料电池停机时，这些水量就无法排出。如果在燃料电池停机时不对电堆及氢空回路进行吹扫，这些液态水的汇聚就会在电堆内部堆积，造成启动困难和性能下降，尤其在低温(环境温度为零下)环境中容易结冰刺穿质子交换膜。因此，停机时对燃料电池电堆、供氢和供空回路的吹扫极为重要。
目前燃料电池吹扫的方法主要有两种：一种是在燃料电池的阳极侧通入惰性气体(如氮气)，阴极侧通过空气压缩机通入空气，将电堆和供氢回路/供空回路的水分吹干，这种方法吹扫效果比较好，但是需要增加氮气瓶和调节阀体，造成零部件BOP成本升高且结构设计复杂程度高，不适用于车载燃料电池系统。另一种方法是通过过量的空气供应，来实现燃料电池的停机吹扫，该方法容易出现耗电量高、氢气浪费、吹扫时间长、吹扫湿度不到位、放电时电堆单体电压一致性差、容易出现氢空界面(对电堆的关键材料造成破坏和启动困难)以及无法实现长期存储等问题。
专利CN202010539715.X提出一种燃料电池系统停机方法，所述方法包括关闭燃料电池电堆空气侧的出入口，保持燃料电池电堆氢气侧的压力恒定；接通燃料电池电堆的输出电路，获取氢气侧输入的氢气累积流量；根据氢气累积流量与预设阈值的关系确定是否关闭燃料电池系统，该方法解决了燃料电池系统在关机消耗氧化气体过程中存在着关机氧化气体消耗不充分和静置时间短与下次开机尾排氢浓度高的矛盾；能够在全生命周期以及异常情况下保证停机控制满足氧气消耗及氢气排放的安全性等。但是该方法未考虑当燃料电池在低温环境中的停机吹扫时间不够造成电堆湿度过大、以及停机后的高电势如何释放等问题。
专利CN202211024099.X提出了一种燃料电池系统及吹扫控制方法，燃料电池系统包括燃料电池系统控制器、电堆模块、空气供应系统；空气供应系统包括三通阀，三通阀受控于燃料电池系统控制器，空压机包括电机、压缩机和膨胀机；外部空气经过空压机的压缩机后分成两个通路，当燃料电池系统控制器接收到停机指令后，停止供氢系统和冷却系统的运行，保持空压机持续以低功率运行，燃料电池系统控制器控制三通阀继续打开第一出气口，第一通路输入高温压缩空气对第一通路进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗；随后控制三通阀关闭第一出气口、打开第二出气口以对第二通路中的膨胀机进行吹扫，且高温压缩空气带动膨胀机转动以降低电机的能量损耗。该方法的结构设计较为复杂，且无法对氢气回路进行有效吹扫，且容易造成质子交换膜两侧压力差过大导致膜损坏的风险。
为此，提出一种燃料电池停机控制方法，可以高效的进行燃料电池系统停机吹扫，通过余氢放电功能提高电堆单体电压放电过程的一致性以及避免氢空界面的产生和实现负压存储，本方法可以有效提高燃料电池发动机的性能及耐久性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢空燃料电池发动机停机方法，以解决现有的氢空燃料电池停机方法无法解决燃料电池发动机停机吹扫时出现耗电量高、氢气浪费、吹扫时间长、吹扫湿度不到位以及电堆单体电压一致性差等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氢空燃料电池发动机停机方法，所述方法包括以下步骤：
S1、获取CAN报文信息和采集燃料电池系统传感器及阀门数字信号；
S2、对S1中获取的数据进行处理：对CAN报文信息进行解析获取燃料电池停机指令，对采集的数字信号进行滤波和数模转换；
S3、接收到来自整车的停机指令后，根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池降载流程，燃料电池系统输出功率逐步降载至怠速；
S4、根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池停机准备流程，此阶段通过控制燃料电池系统的零部件调节燃料电池冷却液的水温，以便于快速和高效的进行停机吹扫；
S5、根据燃料电池系统的运行状态进入停机吹扫流程，此阶段对燃料电池系统的冷却回路系统、空气回路系统、氢气回路系统进行初始设置，并对DCF模式、空气流量、氢空压差、排氢频率、吹扫温度进行设定，根据环境温度选择吹扫模式，将电堆内部以及氢气回路和空气回路的液态水吹干；
S6、根据燃料电池系统的运行状态进入余氢放电流程，逐步降低空压机转速，设定氢空压力跟随，此阶段将停机后电堆内部残留的电势释放掉；同时通过控制放电过程的氢气供应量，将电堆腔体内残留的氧气消耗掉；
S7、控制燃料电池系统的零部件动作完成停机操作；
S8、判断是否停机成功并跳转至对应的状态。
优选的，所述步骤3燃料电池降载流程为当接收到来自整车的停机指令后，判断当前燃料电池系统输出功率是否大于怠速功率，如果当前燃料电池系统输出功率大于怠速功率，则设定燃料电池降载速率，并按照降载速率燃料电池系统输出功率逐渐降载，直到降到怠速功率运行；如果当前燃料电池系统输出功率不大于怠速功率，则燃料电池系统以怠速功率维持运行，并跳转至停机准备流程。
优选的，所述步骤4燃料电池停机准备流程为首先设定目标冷却液入堆温度60℃及进入吹扫的冷却液入堆温度上限65℃和冷却液入堆温度下限55℃，然后判断电堆冷却液入堆温度是否大于冷却液入堆温度上限65℃，如果电堆冷却液入堆温度大于冷却液入堆温度上限65℃，则功率控制模块控制燃料电池系统维持怠速运行，同时散热控制模块控制循环水泵、节温器、散热风扇动作进行散热；如果电堆冷却液入堆温度不大于冷却液入堆温度上限65℃，则进一步判断电堆冷却液入堆温度是否小于冷却液入堆温度下限55℃，若电堆冷却液入堆温度小于冷却液入堆温度下限55℃，则功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度60℃的差值计算燃料电池系统输出功率，同时加热控制模块控制循环水泵、节温器、PTC加热器动作进行加热，若电堆冷却液入堆温度不小于冷却液入堆温度下限55℃，则燃料电池系统进入停机吹扫流程。
优选的，所述步骤5根据环境温度选择吹扫模式的方法为当环境温度>D℃时，进入非低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<EV；当环境温度≤D℃时，进入低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<FV，吹扫结束后进入余氢放电流程。
优选的，所述步骤6还包括(6.1)首先进行初始值设定空压机转速50000rpm、背压阀开度30-50°、DCF电流30A、排氢频率设定每5s排0.6s，同时设定氢空压力跟随，压差设定为5kPa；(6.2)逐步降低空压机转速和电流，维持氢空压力跟随，压差设定5kPa，空压机转速的下降速率是10000rpm/s，DCF电流设定值以10A/s速率下降；(6.3)2秒钟之后，停止空气入堆：空压机转速设定30000rpm，关闭空气组合阀，维持氢空压力跟随，压差10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.4)空压机转速以15000rpm/s的速率下降至0，维持氢空压力跟随，并设定压差为10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.5)判断空气入堆压力是否小于110kPa，如果小于，则停止空气供应，空压机转速设定为0，关闭背压阀，维持氢空压力跟随，压差为10kPa，排氢频率设定为每2.5s排0.5s；如果不小于，则空压机转速下降至0，维持氢空压力跟随，压差为10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.6)进一步判断氢气入堆压力是否小于120kPa，如果小于，则补氢，设定氢气入堆压力为120kPa，调节氢气入堆压力，如果不小于，则关闭排氢阀、节温器、组合阀、背压阀；(6.7)进一步再判断电堆电压是否小于50V，或者判断电堆单体最低电压是否小于0.6V，如果小于，则停止余氢放电，改变目标氢气压力，水泵转速设定为0，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0，如果不小于，则维持排氢阀、节温器、组合阀、背压阀关闭；进一步判断氢气入堆压力是否达到120kpa，如果是，则断开DCF输出继电器，目标氢气压力设定为失能，压力值为0，放电结束，如果不是，则停止余氢放电，改变目标氢气压力，水泵转速设定为0，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0。
优选的，所述燃料电池系统进入降载流程时，需要设定一定的降载速率和操作条件，降载速率的实现方式如下：
如果PwrAct–PwrTart>PwrDecLmt，则PwrSet＝PwrAct–PwrDecLmt；否则PwrSet＝PwrTart，
其中，PwrAct：当前拍燃料电池系统输出功率，单位kW；PwrTart：燃料电池系统目标输出功率，单位kW，停机过程中此值可默认为怠速功率；PwrDecLmt：预设的燃料电池系统降载速率，单位kW/s；PwrSet：下一拍燃料电池系统输出功率，单位kW；
操作条件的实现方式：查取燃料电池系统输出功率与燃料电池电堆输出电流的映射表，首先根据系统输出功率获取当前电堆输出电流，再根据当前电堆输出电流进行查取标定表获取氢气/空气/热管理系统各零部件的动作。
优选的，所述功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度A的差值计算燃料电池系统输出功率的方法为：
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A3，则
系统运行功率＝B1；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A4，则
系统运行功率＝B2；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A5，则
系统运行功率＝B3，其中，A3>A4>A5，B1>B2>B3。
优选的，所述DCF模式设定：设定DCF使能；设定电堆带载吹扫电流或吹扫电压；根据吹扫过程中，随着电堆内部阻抗的变化，电堆电势会发生变化，为防止燃料电池停机吹扫过程中出现过电势的现象，在吹扫初期DCF控制采用恒压控制模式；当电堆阻抗增大到一定值后，DCF控制更改为恒流控制模式，以防止产生过多的水导致电堆湿度再次增大。
优选的，所述余氢放电过程中，氢气压力控制需要根据空压机的转速逐步调节氢气入堆压力，具体方法如下：
当空压机转速大于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值为空气入堆压力传感器采样信号+氢空压差保持值；其中空压机转速预设的阈值可根据试验进行标定获取；
当空压机转速小于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值不再维持氢空压差，而是根据电堆的特性，供应一定量的氢气，以消耗掉电堆腔体内残留的氧气。
优选的，判断是否停机成功并跳转对应的状态，如燃料电池系统满足停机成功条件则系统状态跳转到运行状态并进行功率输出，如燃料电池停机失败则系统状态跳转到故障处理状态并完成下电操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法采用在燃料电池停机依次进入降载流程、停机准备流程、停机吹扫流程和余氢放电流程，能够高效的进行燃料电池停机吹扫，有效减少了吹扫过程中的空压机能耗和氢耗，有效的缩短了吹扫时间，有效的提高了吹扫效果，有效的控制放电过程中的氢空压差，有效的提高电堆单体电压一致性，有效的避免了氢空界面的产生和实现腔体负压长期存储；且本方法不依赖于燃料电池系统的精确数学模型和物理模型，避免了建模的复杂性，算法响应速度快，鲁棒性好。
附图说明
图1为本发明方法的整体流程图；
图2为本发明燃料电池系统输出功率降载流程图；
图3为本发明系统输出功率-电堆输出电流映射表示意图；
图4为本发明电堆输出电流-空压机/氢循环泵/循环水泵转速映射表；
图5为本发明停机准备流程图；
图6为本发明停机吹扫流程图；
图7为本发明余氢放电流程图；
图8为本发明余氢放电的电压-电流映射图；
图9为本发明停机方法的控制效果图；
图10为本发明停机方法实现氧气消耗和氢空负压存储的效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例提供的一种氢空燃料电池发动机停机方法，包括如下步骤：
S1、获取CAN报文信息和采集燃料电池系统传感器及阀门数字信号；
具体的，通过CAN总线接收来自VCU(整车控制器)、ACU(空压机控制器)、ACV(空气组合阀控制器)、WP(循环水泵控制器)、HCP(氢气循环控制器)、DCF(高压直流转换单元)、CVM(电堆巡检单元)等控制器的报文信息；通过FCU(燃料电池控制器)的输入引脚采集燃料电池系统的氢气入堆压力、空气入堆压力、背压阀位置、电子节温器位置以及排氢阀工作状态等信号的数字信号。
S2、对S1中获取的数据进行处理：对来自整车控制器的CAN报文信息进行解析获取燃料电池停机指令，对采集的传感器以及阀门的数字信号进行滤波和数模转换。
CAN报文信息解析是通过接收CAN总线上的CAN报文并进行解析获取来自整车的燃料电池停机使能指令以及空压机等燃料电池附件的工作状态，CAN报文的收发方式和解析方法符合CAN2.0规范。
信号数模转换是通过采集各传感器、阀门反馈的电压或PWM信号，结合数模转换公式或标定表获取系统实际的压力、温度、氢气泄露浓度等信息；数据滤波采用有限长单位冲激响应滤波器(FIR滤波器)，该滤波器在参数设定合理的条件下，其相频特性是线性的，可以有效的保留信号的相位信息，在实际工程中有着较为广泛的应用。
S3、接收到来自整车的停机指令后，根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池降载流程，燃料电池系统输出功率逐步降载至怠速。
参照图2，具体的，当接收到来自整车的停机指令后，判断当前燃料电池系统输出功率是否大于怠速功率，如果当前燃料电池系统输出功率大于怠速功率，则设定燃料电池降载速率为10kW/s，并按照降载速率燃料电池系统输出功率逐渐降载，直到降到怠速功率运行；如果当前燃料电池系统输出功率不大于怠速功率，则燃料电池系统以怠速功率维持运行，并跳转至停机准备流程。
燃料电池系统进入降载流程时，需要设定一定的降载速率和操作条件，降载速率的实现方式如下：
如果PwrAct–PwrTart>PwrDecLmt，则PwrSet＝PwrAct–PwrDecLmt；否则PwrSet＝PwrTart，
其中，PwrAct：当前拍燃料电池系统输出功率，单位kW；PwrTart：燃料电池系统目标输出功率，单位kW，停机过程中此值可默认为怠速功率；PwrDecLmt：预设的燃料电池系统降载速率，单位kW/s；PwrSet：下一拍燃料电池系统输出功率，单位kW。
操作条件的实现方式：查取燃料电池系统输出功率与燃料电池电堆输出电流的映射表，首先根据系统输出功率获取当前电堆输出电流，再根据当前电堆输出电流进行查取标定表获取氢气/空气/热管理系统各零部件的动作，图3是一个系统输出功率-电堆输出电流映射表的实例，图4是一个电堆输出电流-空压机/氢循环泵/循环水泵转速映射表的实例，供参考。但是需要注意的是降载时查表获取的零部件动作需要比电堆输出电流延迟1s执行，以便供给足够的空气和燃料，防止因缺气而造成系统出现故障。
S4、根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池停机准备流程，此阶段通过控制循环水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器调节燃料电池的冷却液温以便于快速和高效的进行停机吹扫。
具体的，参照图5，首先设定目标冷却液入堆温度60℃及进入吹扫的冷却液入堆温度上限65℃和冷却液入堆温度下限55℃，然后判断电堆冷却液入堆温度是否大于冷却液入堆温度上限65℃，如果电堆冷却液入堆温度大于冷却液入堆温度上限65℃，则功率控制模块控制燃料电池系统维持怠速运行，同时散热控制模块控制循环水泵、节温器、散热风扇动作进行散热；如果电堆冷却液入堆温度不大于冷却液入堆温度上限65℃，则进一步判断电堆冷却液入堆温度是否小于冷却液入堆温度下限55℃，若电堆冷却液入堆温度小于冷却液入堆温度下限55℃，则功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度60℃的差值计算燃料电池系统输出功率，同时加热控制模块控制循环水泵、节温器、PTC加热器动作进行加热，其中PTC加热器功率设定为7kW，目标温度设定为60℃，若电堆冷却液入堆温度不小于冷却液入堆温度下限55℃，则燃料电池系统进入停机吹扫流程。
更为具体的，所述功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度60℃的差值计算燃料电池系统输出功率的方法为：
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A3，则
系统运行功率＝B1；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A4，则
系统运行功率＝B2；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A5，则
系统运行功率＝B3，其中，A3>A4>A5，B1>B2>B3。
所述加热控制模块、散热控制模块对循环水泵的控制的具体操作为：根据如下两个关键点进行调节，一是燃料电池系统的冷却液入堆温度和冷却液出堆温度的温度差需保证在一定值，该差值可根据电堆停机时的需求参数予以获取；二是根据当前燃料电池系统运行的工况不同，氢气入堆压力和空气入堆压力也不同，循环水泵的调节应避免出现冷却液入堆压力高于氢气入堆压力和空气入堆压力的现象。
所述加热控制模块、散热控制模块对节温器的控制的具体操作为：根据停机准备阶段燃料电池系统当前的加热或散热状态进行节温器的开度调节，以便于更快的达到目标水温。当燃料电池需要加热时，节温器应尽可能保持较小的开度，以便于PTC加热器快速加热小循环的冷却液；当燃料电池需要散热时，节温器应尽可能保持较大的开度，以便于散热器快速将燃料电池系统的冷却液温度降低。
所述加热控制模块对PTC加热器的控制的具体操作为：当停机准备阶段的燃料电池需要加热时，控制PTC加热器的输出功率和出口水温，对小循环内流动的冷却液进行加热，同时配合电堆自身的加热，可将燃料电池系统的温度快速拉升。
所述散热控制模块对散热风扇的控制采用模糊PID算法，当停机准备阶段的燃料电池需要散热时，通过控制风机的数量和转速，可将大循环中流动的冷却液快速降温。
所述散热风扇控制中采用的模糊PID算法模块包括模糊逻辑控制模块、PID控制模块、PWM占空比分配模块及限幅模块四个部分。
所述模糊逻辑控制模块以实际冷却液入堆温度与目标冷却液入堆温度的差值及变化率作为模糊逻辑控制模块的输入参数，根据模糊逻辑控制规则计算出PID模块的比例环节、积分环节和微分环节的参数，以有效的提高PID控制器的响应速度和控制精度。
所述PID控制模块是用于计算散热风扇PWM占空比，以实现对散热量的控制。
所述PWM占空比分配模块是根据计算的PWM占空比分配风机数量及各风机转速。
所述限幅模块是用于防止特殊情况导致计算得出的风机转速数值过大或过小，造成散热过度或散热效果差。
进一步的，所述模糊逻辑控制模块的输入隶属度函数由三角分布描述，输出隶属度函数由高斯分布描述，采用重心法将模糊输出转换为精确输出。
进一步的，模糊逻辑控制规则如下：
Figure BDA0004161672550000111
/>
Figure BDA0004161672550000121
Figure BDA0004161672550000131
其中，E：目标氢气入堆压力减去实际氢气入堆压力所得到的压力偏差；EC：压力偏差的变化率；Cp：比例参数修正系数；Ci：积分参数修正系数；Cd：微分参数修正系数；NB：在模糊规则表中表示负大；NM：在模糊规则表中表示负中；NS：在模糊规则表中表示负小；ZO：在模糊规则表中表示零；PS：在模糊规则表中表示正小；PM：在模糊规则表中表示正中；PB：在模糊规则表中表示正大。
进一步的，PID控制模块根据下式计算PWM占空比：
Figure BDA0004161672550000132
其中，e(t)为实际冷却液入堆温度减去目标冷却液入堆温度所计算出的温度偏差，Kp、Ki和Kd分别是PID控制模块的比例环节、积分环节和微分环节的参数，u(t)为PID控制模块的输出量即散热器PWM占空机。
S5、根据燃料电池系统的运行状态进入停机吹扫阶段，此阶段对燃料电池系统的冷却回路系统、空气回路系统、氢气回路系统进行初始设置，并对DCF控制模式、空气流量、氢空压差、排氢频率、吹扫温度进行设定，根据环境温度判断吹扫模式，将电堆内部以及氢气回路和空气回路的液态水吹干，防止残留的水分对电堆的质子交换膜造成损害。
具体的，参照图6，所述燃料电池系统开始停机吹扫阶段，依次先进行冷却回路系统初始设置、空气回路系统初始设置、氢气回路系统初始设置，然后再依次进行DCF控制模式、空气流量、氢空压差、排氢频率和吹扫温度设定，最后根据环境温度选择是进入低温吹扫还是非低温吹扫：当环境温度>A6℃时，进入非低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<EV；当环境温度≤A6℃时，进入低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<FV，吹扫结束后进入余氢放电流程。
所述冷却回路系统初始设置设定循环水泵转速2000rpm；设定节温器开度0°；设定目标冷却液入堆温度60℃。
所述空气回路系统初始设置设定空压机转速50000-60000rpm；设定空气组合阀开度100°；设定背压阀开度30-50°。
所述氢气回路系统初始设置需要设定氢气目标入堆压力＝实际空气入堆压力+氢空压差设定值，设定脉冲排氢频率1/5s。
所述DCF控制模式设定：设定DCF使能；设定电堆带载吹扫电流为XA或吹扫电压为YV；根据吹扫过程中，随着电堆内部阻抗的变化，电堆电势会发生变化，为防止燃料电池停机吹扫过程中出现过电势的现象，在吹扫初期DCF控制采用恒压控制模式；当电堆阻抗增大到一定值后，DCF控制更改为恒流控制模式，以防止产生过多的水导致电堆湿度再次增大。
所述空气流量设定：设定目标空气流量为1500-2000SLPM，根据燃料电池当前输出电流，控制空压机转速来实现过量空气流量的供应。吹扫过程中可根据计量比进行控制，该值可有电堆参数获取。计量比的计算方法如下：
Q＝k*λ*I*N
其中，各变量释义如下：
Q：空气流量；
K：流量计算系数，取0.0166；
λ：计量比；
N：电堆单体节数。
所述氢空压差设定：设定氢空压差为5kPa；在停机吹扫过程中，应实时保持一定的氢气入堆压力与空气入堆压力的差值(以下简称氢空压差)，以免出现负压导致质子交换膜的损坏。具体实现方法为：根据当前空气入堆压力传感器采集信号反馈的空气入堆压力，加上需要保持的氢空压差，作为氢气入堆压力的目标调节值，然后通过控制比例阀来实现氢气入堆压力的调节。计算公式如下：
PHyInTart＝PAirInAct+PHInAirInDiff
其中，各变量释义如下：
PHyInTart：氢气入堆压力目标值；
PAirInAct：空气入堆压力传感器采集值；
PHInAirInDiff：氢空压差保持值，根据电堆参数获取。
所述排氢频率控制方法为在停机吹扫过程中，需要定时开启排氢阀，以便将吹扫过程中氢气与空气反应生成的水排出。排氢阀的开启周期和开启持续时间可通过标定来实现。本实施例设定脉冲排氢频率为0.8/5s。
所述吹扫温度设定：在停机吹扫过程中，应将空气入堆温度和冷却液温度控制在一定的范围，以便高效快速的进行吹扫。具体实现方法如下：
空气入堆温度的调节通过节温器来实现，而中冷器的温度与冷却液温度相关，可通过控制冷却液温度间接控制空气入堆温度。控制冷却液温度的方法是：假设吹扫过程中应将水温控制在WaterTempLow--WaterTempHigh之间，如果当前水温高于WaterTempHigh，则节温器调节至大循环，根据水温高于WaterTempHigh的差值状态判断是否开启散热风扇进行散热；如果当前水温低于WaterTempLow，则节温器调节至小循环，且开启PTC加热器进行辅助加热。
所述吹扫完成标志的单体电压阈值E和F可通过内阻测试仪测试获取的电堆在关机吹扫工况下的单体电压与内阻的映射关系获得，电阻内阻是可以用来反应质子交换膜的含水量的一个参数，而通过吹扫过程中的单体电压，可以间接反映出质子交换膜的含水量。
通过环境温度来判断是否需要进行低温吹扫，低温吹扫与非低温吹扫的区别在于吹扫结束后电堆内部质子交换膜的含水量不同。低温吹扫后膜的含水量更低，电堆内部更干燥，气温低于零下时不会造成电堆结冰损坏，缺点是吹扫过程持续时间长，需要耗费的氢气也更多；非低温吹扫时，电堆膜的含水量相对高一些，优点是吹扫耗费氢气比较少，但如果在冬季气温低于零下，有结冰导致质子交换膜被刺穿的风险。所以，通过环境温度来判断是否需要进行低温吹扫可以有效的防止冬季结冰导致电堆损坏的风险，也可以在气温高时节约氢气。
S6、根据燃料电池系统的运行状态进入余氢放电流程，此阶段将停机后电堆内部残留的电势释放掉，防止高电势对人体和电堆造成伤害；同时通过控制放电过程的氢气供应量，将电堆腔体内残留的氧气消耗掉，避免氢空界面的产生和实现负压存储，提高燃料电池系统的性能和耐久性。
具体的，参照图7，燃料电池系统进入余氢放电流程，首先进行空压机转速、背压阀开度、DCF电流、排氢频率设定，同时设定氢空压力跟随，压差设定为C1，具体的，空压机转速设定50000rpm；背压阀设定30-50°；设定氢空压力跟随，压差5kpa；DCF电流设定30A；排氢频率0.6/5s；
接着逐步降低空压机转速和DCF电流，空压机转速以10000rpm/s下降至30000rpm，DCF电流设定值以10A/s下降至10A，维持氢空压力跟随，压差5kpa；再接着停止空气入堆：空压机转速设定30000rpm，关闭空气组合阀，维持氢空压力跟随，压差10kpa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；空压机转速15000rpm/s下降至0，维持氢空压力跟随，压差10kpa，DCF控制模式设定为余氢放电模式。然后判断空气入堆压力是否小于110kpa，如果小于，则停止空气供应，空压机转速设定为0，关闭背压阀，维持氢空压力跟随，压差10kpa，排氢频率0.5-2.5；如果不小于，则空压机转速下降至0，维持氢空压力跟随，压差为10kpa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；进一步判断氢气入堆压力是否小于120kpa，如果小于，则补氢，设定氢气入堆压力为120kpa，调节氢气入堆压力，如果不小于，则关闭排氢阀、节温器、组合阀、背压阀；进一步再判断电堆电压是否小于50V，或者判断电堆单体最低电压是否小于0.2V，如果小于，则停止余氢放电，改变目标氢气压力为120kpa，水泵转速设定为0rpm，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，DCF电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0，如果不小于，则维持排氢阀、节温器、组合阀、背压阀关闭；进一步判断氢气入堆压力是否达到120kpa，如果是，则断开DCF输出继电器，目标氢气压力设定为失能，压力值为0，放电结束，如果不是，则停止余氢放电，改变目标氢气压力，水泵转速设定为0rpm，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0。
所述空压机转速控制方法为在余氢放电过程中，设置一定梯度缓慢将空压机转速降至0，避免快速调节导致氢气入堆压力和空气入堆压力压差过大以及单体电压波动大的现象。
所述氢气压力控制方法为在余氢放电过程中，需要根据空压机的转速逐步调节氢气入堆压力，具体方法如下：
当空压机转速大于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值为空气入堆压力传感器采样信号+氢空压差保持值；其中空压机转速预设的阈值可根据试验进行标定获取。
当空压机转速小于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值不再维持氢空压差，而是根据电堆的特性，供应一定量的氢气，以消耗掉电堆腔体内残留的氧气。这样做的好处有两点：一是避免氢空界面的产生对电堆内部的催化材料造成伤害和启动困难；二是电堆的长期存储需要氢/空两侧的压力为负压，通过氢气消耗氧气和气体的渗透维持腔体内部的负压存储。
所述放电控制方法为在余氢放电过程中，根据当前电堆电势的状态，采用不同的放电电流，这样做的好处是既可以加快放电速度，又可以防止电堆过放导致反极。图8是一个实例，具体的映射关系可根据电堆参数进行获取。
S7、控制燃料电池系统的零部件/执行器动作；具体分别为：空压机转速、空气组合阀开度、水泵转速、PTC加热器、DCF电流、循环泵转速等采用CAN总线报文控制方式，电子节温器开度、背压阀开度、供氢比例阀开度、排氢电磁阀开关状态等采用FCU输出引脚硬线控制。
S8、判断是否停机成功并跳转对应的状态，如燃料电池系统满足停机成功条件则系统状态跳转到运行状态并进行功率输出，如燃料电池停机失败则系统状态跳转到故障处理状态并完成下电操作。
图9为本发明实施例中停机方法的控制效果对比图，数据上可以看出本方法在能够有效的加快停机吹扫速度、提高吹扫效果、减少空压机功耗和氢气浪费，在吹扫和放电过程中能够有效的提高电堆单体电压的一致性。
图10为本发明实施例中停机方法的实现氧气消耗和氢空负压存储的效果图，图上可以看出本方法能够有效的将电堆腔体内残留的氧气消耗掉，并最终实现阳极/阴极侧的负压存储。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、获取CAN报文信息和采集燃料电池系统传感器及阀门数字信号；
S2、对S1中获取的数据进行处理：对CAN报文信息进行解析获取燃料电池停机指令，对采集的数字信号进行滤波和数模转换；
S3、接收到来自整车的停机指令后，根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池降载流程，燃料电池系统输出功率逐步降载至怠速；
S4、根据燃料电池系统的运行状态进入燃料电池停机准备流程，此阶段通过控制燃料电池系统的零部件调节燃料电池冷却液的水温，以便于快速和高效的进行停机吹扫；
S5、根据燃料电池系统的运行状态进入停机吹扫流程，此阶段对燃料电池系统的冷却回路系统、空气回路系统、氢气回路系统进行初始设置，并对DCF模式、空气流量、氢空压差、排氢频率、吹扫温度进行设定，根据环境温度选择吹扫模式，将电堆内部以及氢气回路和空气回路的液态水吹干；
S6、根据燃料电池系统的运行状态进入余氢放电流程，逐步降低空压机转速，设定氢空压力跟随，此阶段将停机后电堆内部残留的电势释放掉；同时通过控制放电过程的氢气供应量，将电堆腔体内残留的氧气消耗掉；
S7、控制燃料电池系统的零部件动作完成停机操作；
S8、判断是否停机成功并跳转至对应的状态。
2.根据权利要求1所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述步骤3燃料电池降载流程为当接收到来自整车的停机指令后，判断当前燃料电池系统输出功率是否大于怠速功率，如果当前燃料电池系统输出功率大于怠速功率，则设定燃料电池降载速率，并按照降载速率燃料电池系统输出功率逐渐降载，直到降到怠速功率运行；如果当前燃料电池系统输出功率不大于怠速功率，则燃料电池系统以怠速功率维持运行，并跳转至停机准备流程。
3.根据权利要求1所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述步骤4燃料电池停机准备流程为首先设定目标冷却液入堆温度60℃及进入吹扫的冷却液入堆温度上限65℃和冷却液入堆温度下限55℃，然后判断电堆冷却液入堆温度是否大于冷却液入堆温度上限65℃，如果电堆冷却液入堆温度大于冷却液入堆温度上限65℃，则功率控制模块控制燃料电池系统维持怠速运行，同时散热控制模块控制循环水泵、节温器、散热风扇动作进行散热；如果电堆冷却液入堆温度不大于冷却液入堆温度上限65℃，则进一步判断电堆冷却液入堆温度是否小于冷却液入堆温度下限55℃，若电堆冷却液入堆温度小于冷却液入堆温度下限55℃，则功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度60℃的差值计算燃料电池系统输出功率，同时加热控制模块控制循环水泵、节温器、PTC加热器动作进行加热，若电堆冷却液入堆温度不小于冷却液入堆温度下限55℃，则燃料电池系统进入停机吹扫流程。
4.根据权利要求1所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述步骤5根据环境温度选择吹扫模式的方法为当环境温度>D℃时，进入非低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<EV；当环境温度≤D℃时，进入低温吹扫，吹扫完成的标志是电堆平均单体电压<FV，吹扫结束后进入余氢放电流程。
5.根据权利要求1所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述步骤6还包括(6.1)首先进行初始值设定空压机转速50000rpm、背压阀开度30-50°、DCF电流30A、排氢频率设定每5s排0.6s，同时设定氢空压力跟随，压差设定为5kPa；(6.2)逐步降低空压机转速和电流，维持氢空压力跟随，压差设定5kPa，空压机转速的下降速率是10000rpm/s，DCF电流设定值以10A/s速率下降；(6.3)2秒钟之后，停止空气入堆：空压机转速设定30000rpm，关闭空气组合阀，维持氢空压力跟随，压差10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.4)空压机转速以15000rpm/s的速率下降至0，维持氢空压力跟随，并设定压差为10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.5)判断空气入堆压力是否小于110kPa，如果小于，则停止空气供应，空压机转速设定为0，关闭背压阀，维持氢空压力跟随，压差为10kPa，排氢频率设定为每2.5s排0.5s；如果不小于，则空压机转速下降至0，维持氢空压力跟随，压差为10kPa，DCF控制模式设定为余氢放电模式；(6.6)进一步判断氢气入堆压力是否小于120kPa，如果小于，则补氢，设定氢气入堆压力为120kPa，调节氢气入堆压力，如果不小于，则关闭排氢阀、节温器、组合阀、背压阀；(6.7)进一步再判断电堆电压是否小于50V，或者判断电堆单体最低电压是否小于0.6V，如果小于，则停止余氢放电，改变目标氢气压力，水泵转速设定为0，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0，如果不小于，则维持排氢阀、节温器、组合阀、背压阀关闭；进一步判断氢气入堆压力是否达到120kpa，如果是，则断开DCF输出继电器，目标氢气压力设定为失能，压力值为0，放电结束，如果不是，则停止余氢放电，改变目标氢气压力，水泵转速设定为0，DCF控制模式设定为待机模式，即DCF使能设定为0，电流为0，DCF输入继电器断开，目标水温设定为0。
6.根据权利要求2所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述燃料电池系统进入降载流程时，需要设定一定的降载速率和操作条件，降载速率的实现方式如下：
如果PwrAct–PwrTart>PwrDecLmt，则PwrSet＝PwrAct–PwrDecLmt；否则PwrSet＝PwrTart，
其中，PwrAct：当前拍燃料电池系统输出功率，单位kW；PwrTart：燃料电池系统目标输出功率，单位kW，停机过程中此值可默认为怠速功率；PwrDecLmt：预设的燃料电池系统降载速率，单位kW/s；PwrSet：下一拍燃料电池系统输出功率，单位kW；
操作条件的实现方式：查取燃料电池系统输出功率与燃料电池电堆输出电流的映射表，首先根据系统输出功率获取当前电堆输出电流，再根据当前电堆输出电流进行查取标定表获取氢气/空气/热管理系统各零部件的动作。
7.根据权利要求3所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述步骤3中功率控制模块根据实际冷却液入堆温度和设定目标冷却液温度A的差值计算燃料电池系统输出功率的方法为：
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A3，则
系统运行功率＝B1；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A4，则
系统运行功率＝B2；
计算目标冷却液入堆温度-当前冷却液入堆温度>A5，则
系统运行功率＝B3，其中，A3>A4>A5，B1>B2>B3。
8.根据权利要求4所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述DCF模式设定：设定DCF使能；设定电堆带载吹扫电流或吹扫电压；根据吹扫过程中，随着电堆内部阻抗的变化，电堆电势会发生变化，为防止燃料电池停机吹扫过程中出现过电势的现象，在吹扫初期DCF控制采用恒压控制模式；当电堆阻抗增大到一定值后，DCF控制更改为恒流控制模式，以防止产生过多的水导致电堆湿度再次增大。
9.根据权利要求5所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述余氢放电过程中，氢气压力控制需要根据空压机的转速逐步调节氢气入堆压力，具体方法如下：
当空压机转速大于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值为空气入堆压力传感器采样信号+氢空压差保持值；其中空压机转速预设的阈值可根据试验进行标定获取；
当空压机转速小于预设的阈值时，氢气入堆压力目标值不再维持氢空压差，而是根据电堆的特性，供应一定量的氢气，以消耗掉电堆腔体内残留的氧气。
10.根据权利要求1所述的一种氢空燃料电池发动机停机方法，其特征在于：所述判断是否停机成功并跳转对应的状态的方法为：如燃料电池系统满足停机成功条件则系统状态跳转到运行状态并进行功率输出，如燃料电池停机失败则系统状态跳转到故障处理状态并完成下电操作。
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