CN116646561A - 燃料电池低温自启动的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池低温自启动的控制方法，包括：基于电堆目标平均单片电压和气量比启动策略得到DCDC变换器输出目标电流；基于目标电流和获取的目标温差控制水泵转速；基于目标电流确定目标氢气入堆压力，闭环控制氢气路的氢喷；基于目标电流调整DCDC变换器的实际输出电流；基于目标电流确定目标空气压力和空气流量，闭环调整空气路上出口节气门和空压机转速，基于气量比启动策略得到空气路上三通阀开度前馈量，基于三通阀开度前馈量、目标电流、平均单片偏差、理论空气计量比和实际电流偏差闭环调整空气路上三通阀开度。解决由于电堆单片性能不一致和性能衰减等问题导致的在固定策略下低温冷启动易失败的问题，提高系统可靠性。

Description

燃料电池低温自启动的控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池低温自启动的控制方法。
背景技术
目前燃料电池在低于-30度环境温度下的无辅助自启动仍存在很多问题有待解决，相关控制策略及其控制结果的解释仍缺乏明确的系统性方法和结论。
从系统层面，冷启动自启过程面临的问题:1、电堆功率越大，则单片越多，电堆或为多堆结构。在吹扫和冷启动过程中结构等问题造成气体分配不一致，尤其在低空气计量比下容易造成由于阴极局部欠气引发的单低现象，加剧单片间不一致问题显著。2、冷启动过程缺乏明确且有效的观测手段，一般仅有阻抗特征和单片电压等输出参数。3、在低温环境下，冷启动失败后如果不能快速自启，前期生成的堆内水容易再次形成冰，降低电堆有效储水容积，进一步恶化电堆的冷启动条件。
从物理层面，冷启动自启过程面临的问题:1、前置吹扫工况时，如果质子交换膜在低温环境下水扫气量过大，则膜内水含量降低，膜所体现的传质效率降低；如果膜内水含量较多，则结冰下堵塞气体传输通道造成局部欠气，并且在冷启动过程中降低电堆有效储水容积。2、低电流虽然整体过程累积产热量高，但启动速率慢，无法满足启动时间要求；低温环境时电堆散热量高，低电流下产热量少，高电流能提高升温速率，但基于反应机理，其产水量增大，结冰速率增加，总的有效储水容积有限，留给电堆温升到0度以上的时间更短，冷启动容易失败。
冷启动策略需要兼容系统耐久性和缩短冷启动时间要求，因此需要考虑环境温度、初始含水量及其阻抗特征、单片性能衰减等因素对冷启动策略进行灵活调整，其中包括电流、空气计量比策略。
现有的低温启动方法包括：氧饥饿法，通过降低空气计量比，造成反应物饥饿，提高浓差过电压损失，进而降低输出电压，增加电堆产热。该方法的缺点在于运行在低温环境下进行低空气计量比冷启动，加速电池降解。燃料电池在冷启动过程中首要目的为升温，则如果要求电堆产生尽量多的热量，则需要增大电流或降低输出电压。单片产生热量的功率为：P＝(1.45-Uout)·I，其中1.45V为热力学电压，Uout为平均输出电压，I为输出电流。
冷启动自启模式，在不借助于外部辅助加热装置，通过电堆产热放电来温升电堆。外部加热模式需要增加PTC加热器，增加系统成本，其次当PTC等装置发生故障时，冷启动自启是保证在低温环境下客户满意度的最终手段。
DC恒压工作模式，在恒定电压模式下，电子负载会优先调整足够的电流来控制电压并稳定在目标值，但调整电流要求被限制在目标上限调整电流以内。当电流达到目标上限调整电流，而电堆输出电压高于目标电压时，表明钳电位失败。
无外部辅助加热的冷启动方法中，多电流梯度加载方法无法根据冷启动状态自适应调整策略，包括单片性能的缓慢衰减和环境温度等前置运行变化，其次现有燃料电池冷启动策略往往基于固定工作点的开环控制方法，包括固定电流点及其调整速率，难以在满足快速性的同时提高可靠性；简断性的气量供给方法，在面对大功率电堆时容易引发阴极局部欠气形成的连续性单片单低，这并不利于缩短冷启动时间和提高电堆寿命；氢氧同侧反应加热会造成电堆的永久性损伤。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池低温自启动的控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的在固定策略下低温冷启动易失败问题。
本公开实施例提供了一种燃料电池低温自启动的控制方法，所述燃料电池系统，包括电堆、单片内阻和电压巡检测试装置、DCDC变换器、氢气路、空气路和水路；所述氢气路和空气路分别与电堆的氢气入口和空气入口连通；所述水路与电堆的连通，所述水路用于对电堆进行降温；所述单片内阻和电压巡检测试装置，用于实时获取电堆内所有单片电池的电压和阻抗值；所述DCDC变换器与电堆电连接；所述控制方法，包括：
检测环境温度，当环境温度低于0℃时，进入冷启动模式；
DCDC变换器进入恒压模式，接收电堆目标平均单片电压，基于环境温度和设定的安全系数确定电堆气量比启动策略；
基于电堆目标平均单片电压和气量比启动策略得到DCDC变换器输出目标电流；
基于目标电流和获取的目标温差控制水泵转速，从而对水路进行控制；
基于目标电流确定目标氢气入堆压力，闭环控制氢气路的氢喷，从而对氢气路进行控制；
基于目标电流调整DCDC变换器的实际输出电流，从而对电流进行控制；
基于目标电流确定目标空气压力和空气流量，闭环调整空气路上出口节气门和空压机转速，基于气量比启动策略得到空气路上三通阀开度前馈量，基于三通阀开度前馈量、目标电流、平均单片偏差、理论空气计量比和实际电流偏差闭环调整空气路上三通阀开度，从而对空气路进行控制。
可选的，所述对水路进行控制，包括：
获取电堆出入口的冷却液温度从而控制电堆温度，以温差作为水路的控制目标进行闭环控制；
当实际温差偏差未超出目标温差以前，水泵转速为最低启动转速；
当实际温差偏差超出第一标定阈值后，提高水泵转速来避免超温；当实际温差偏差小于第二标定阈值后，降低水泵转速来提高温差；
所述温差偏差等于实际温差-目标温差；温差等于出堆水温-入堆水温，其中目标温差根据目标电流查表得出。
可选的，所述第二标定阈值为第一标定阈值-0.5。
可选的，所述氢气路进行控制和空气路进行控制包括：
闭环调整空气路上出口节气门和空压机转速时，空压机流经总的空气流量高于空压机喘振流量；
当钳电位未成功时，实际单片高于目标单片，通过降低三通阀开度来降低空气计量比；当某单片出现单低小于单低阈值-0.2V时，提高三通阀开度；在钳电位成功的前提下，以实际电流和目标电流之间的电流偏差为目标，提高三通阀开度。
可选的，所述对电流进行控制，包括：
以目标平均单片电压乘以单片数量为目标，以恒定电流拉载速率从启动电流升载到目标输出电流。
可选的，所述以目标平均单片电压乘以单片数量为目标，以恒定电流拉载速率从启动电流升载到目标输出电流，包括：
根据环境温度和安全系数确定初始电流拉载速率，并根据前一次单低急停情况，判断是否选择在拉载电流过程中停留在某电流下第一设定时间或调整电流拉载速率；
如果燃料电池前一次冷启动成功，则电流拉载速率仅基于查表得出，当前一次冷启动过程中发生单低急停的现象时，记录发生急停前的单片号、电流、急停前第二设定时间内的最低单片和平均单片的差值的增加速率VolDelRate和实际空气计量比参数；在冷启动电流拉载过程中，当检测到实际最低单片和平均单片的差值增加速率大于VolDelRate-标定阈值速率Rate时，判定继续以当前电流拉载速率拉载电流存在单低风险，因此限制电流拉载，从而设定电流拉载速率等于初始电流拉载速率-标定速率；
当燃料电池前一次冷启动发生失败，如果表现出钳电位情况下DCDC变换器输出电流不断降低等现象时，则禁止调整电流，电流相关参数恢复为初始值。
可选的，还包括冷启动异常问题和吹扫策略控制。
可选的，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当最低单片小于-0.3V时，冷启动出现单低急停现象，读取最低单片号两侧的相邻多个单片通道的单片电压，计算读取的多片的平均值单片电压；
计算单低单片的单片电压和平均单片电压的差值及其变化速率，结合单低时空气计量比和氢气压力目标控制偏差，得出安全系数，用于判断此急停单低问题是否能够通过空气计量比或控制电流解决；
当安全系数高于上限阈值时，判定下次冷启动仍存在较大概率发生单低急停故障，当单低急停位置时的空气计量比低于标定空气计量比上限值时，执行PTC加热后的吹扫关机；吹扫关机后分析阻抗值，当阻抗值低于上限值时，判定膜未过干，后续冷启动采用高空气计量比策略，安全系数为上限阈值，并再次进行冷启动，如果冷启动失败，则禁止冷启动自启模式运行，强制开启PTC加热进行冷启动；当单低急停位置时的空气计量比高于标定空气计量比上限值时，强制PTC加热下进行冷启动；
当安全系数低于上限阈值时，将此单低片的单低单片号作为吹扫过程中的监控单片，并提高后续冷启动时采用的安全系数参数；当单低急停的环境温度低于-30度时，吹扫过程的状态跳出条件为监控电堆的单片电池阻抗值最大值小于第一设定值上限，平均单片和最低单片间的电压差值小于第二设定值上限，非平均单片阻抗值大于第三设定值的吹扫策略。
可选的，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当冷启动出现最低单片小于-0.1V但大于-0.3V时，在冷启动结束后，记录限制电流拉载时的目标电流和单片号，当通过判断单片号得出位置处于端板时，提高目标电流的目标空气计量比、降低目标空气压力并延长端板加热时间。
可选的，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当冷启动过程没出现单低限制电流和急停现象时，燃料电池正常跳出冷启动自启模式，执行关机后吹扫流程，当冷启动成功后，在电堆吹扫过程中，高频阻抗值偏低时，在温差允许范围下的进入冷启动模式标定时间T1内停止水泵转速或提高温差偏差阈值。
本发明提供的燃料电池低温自启动的控制方法，根据燃料电池前置吹扫特征和冷启动中工况参数，包括是否在冷启动过程中发生单低等异常特征，自适应调整冷启动控制策略和参数，用以解决由于电堆单片性能不一致和性能衰减等问题导致的在固定策略下低温冷启动易失败的问题，提高系统可靠性。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本公开实施例提供的燃料电池系统的结构框图；
图2为本公开实施例提供的燃料电池低温自启动的控制方法流程图；
图3为本公开实施例提供的水路控制方法的流程图；
图4为本公开实施例提供的电流控制方法的流程图；
图5a至图5d为本公开实施例提供的异常问题和吹扫策略的控制方法的流程图；
图6为本公开实施例提供的阻抗策略流程图；
其中，
1-DCDC变换器；2-氢气喷射器；3-引射器；4-电堆入口氢气压力传感器；5-排气阀；6-电堆；7-空气流量计；8-消声器；9-涡轮增压系统；10-三通阀；11-入堆空气压力和温度传感器；12-出口节气门；13-冷却风扇；14-储液罐；15-水泵；16-节温器；17-入堆水温传感器；18-出堆水温传感器；19-单片内阻和电压巡检测试装置。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
如图1所示，本实施例公开的燃料电池系统包括：DCDC变换器、氢气喷射器、引射器、电堆入口氢气压力传感器、排气阀、电堆、空气流量计、消声器、涡轮增压系统、三通阀、入堆空气压力和温度传感器、出口节气门、冷却风扇、储液罐、水泵、节温器、入堆水温传感器、出堆水温传感器、单片内阻和电压巡检测试装置。
单片内阻和电压巡检测试装置，其电极与电堆内每单片电池的输出端连接，用于实时获取电堆内所有单片电池的电压和阻抗值。
燃料电池系统的传感器和执行器均通过硬线连接和CAN通讯等方式与ECU数据处理与控制单元相连。执行器如出口节气门、冷却风扇等。
燃料电池系统的运行参数及基本控制架构，如图2所示。
(1)在燃料电池开机时检测环境温度，当环境温度低于0℃时，进入冷启动模式，开启端板加热装置。根据外环环境温度和安全系数确定DCDC变换器的目标电流、电流拉载速率、三通阀初始开度等控制参数。
(2)冷启动过程复杂，氢气路、空气路、水路、电流等控制方法参考相应控制方法进行冷启动控制，单片内阻和电压巡检测试装置采集各单片的输出性能。水路算法采用基于目标温差的水泵转速闭环控制算法；氢气路算法采用基于入堆压力的氢喷闭环控制；电流算法通过调整拉载速率、是否使能停留策略等措施进行调整；三通阀开度控制存在多个控制目标，基于运行状态切换平均单片、最低单片、电流等参数；总空气侧目标流量和压力通过调整空压机转速和出口节气门进行闭环控制。
各控制回路的具体方法法，包括：
水路控制：获取电堆出入口的冷却液温度从而控制电堆温度。为避免冷启动过程中出现局部单片热点问题，并尽量加快燃料电池系统的升温速率，以温差作为水路的控制目标进行闭环控制，其中目标温差根据目标电流查表得出，最低水泵启动转速根据水泵MAP性能确定。当实际温差偏差未超出目标温差以前，水泵转速为最低启动转速；随着冷启动过程的运行，实际电流增大等原因导致电堆产热量增大，相同水泵转速时实际温差不断增大；当实际温差偏差超出标定阈值0后，提高水泵转速来避免超温；当实际温差偏差小于标定阈值-0.5后，降低水泵转速来提高温差。温差偏差等于实际温差-目标温差；温差等于出堆水温-入堆水温，如图3所示。
气路控制：氢气路通过控制氢喷占空比，以满足电堆入口氢气压力目标；空气路基于目标电流确定空气入堆压力目标和目标空气流量，闭环控制空压机转速和出口节气门开度，其中空压机流经总的空气流量高于空压机喘振流量；利用三通阀开度闭环调整入堆空气流量，从而根据冷启动过程不同状态满足不同目标要求。
例如：当钳电位未成功时，此时实际单片高于目标单片，通过降低三通阀开度来降低空气计量比；当某单片出现单低小于单低阈值-0.2V时，立即提高三通阀开度来解决欠气问题；在钳电位成功的前提下，由于空气量不足导致电堆性能缓慢下降，出现目标电流不变且钳电位成功情况下实际电流缓慢降低的现象，此时电堆产热量将降低。为此算法以实际电流和目标电流之间的电流偏差为目标，通过缓慢提高三通阀开度来提高产热量。三通阀开度采用前馈+PI控制算法，前馈算法的三通阀开度根据外部环境温度和安全系数确定。不同温度和空气计量比、位置下单片发生单低的原因不同，需考虑实际调整的经验来确定具体触发条件和控制策略。
如果前一次冷启动失败，存在单低时的空气计量比低于标定空气计量比等现象时，使能高空气计量比策略，此策略下三通阀初始开度更高。
电流控制：
如图4所示，当状态机进入到冷启动状态后，DCDC变换器进入恒压工作模式，其以目标平均单片电压乘以单片数量为目标，从启动电流以恒定电流拉载速率升载达到目标输出电流。
拉载过程前根据环境温度和安全系数确定初始电流拉载速率，并根据前一次单低急停情况，判断是否选择在拉载电流过程中停留在某电流下一段时间，或调整电流拉载速率。电流初始拉载速率受当前环境温度和前一次冷启动得出的安全系数的影响：环境温度越低，钳电位过程中单片性能越差，更容易出现单低急停现象，因此电流拉载速率越低、电流降载速率越高。
如果前一次冷启动成功，则电流拉载速率仅基于查表得出；当前一次冷启动过程中发生单低急停的现象时，记录发生急停前的单片号和电流、急停前一定时间内的最低单片和平均单片的差值的增加速率VolDelRate、实际空气计量比参数。例如：当前一次发生单低急停时，记录前一次单低急停时电流A等参数；当钳电位过程中目标电流等于实际电流A-标定电流A1时，在此电流下停留一定时间T；在标定时间T后，继续拉载电流；当此策略实施后冷启动能成功，则保留此电流平台策略。如果使能此策略或单片偏差过大下发生冷启动失败，则保留此电流平台策略的同时还提高安全系数。当冷启动电流拉载过程中，当检测到实际最低单片和平均单片的差值增加速率大于VolDelRate-标定阈值速率Rate时，判定继续以当前电流拉载速率拉载电流存在单低风险，因此限制电流拉载，最终的电流拉载速率等于初始电流拉载速率-标定速率。
当前一次冷启动发生失败，如果表现出钳电位情况下DCDC变换器输出电流不断降低等现象时，说明是由于电流速率低所导致的产热量不足的问题，则禁止执行电流参数调整策略，避免低电流引发的低产热问题，电流拉载速率等参数仅恢复为初始值。
冷启动单低等异常问题的控制方法，如图5a至图5d所示。
(1)当冷启动出现单低急停现象，表现为最低单片小于-0.3V时，此时读取最低单片号左侧和右侧的相邻三个单片通道的单片电压，其中当采用一片一检时单片号等同于通道号，计算这六片的平均值单片电压Avg。首先计算单低单片的单片电压和平均单片电压的差值Del及其变化速率，变化速率等于急停前某设定时间内的电压的差值的增加速率。此速率很大时，判定为采集问题或催化层迅速结冰导致传质失败；当次速率较小时，一般为传质欠气。结合单低时空气计量比和氢气压力目标控制偏差等参数，得出安全系数，用于判断此急停单低问题是否能够通过空气计量比或电流策略等方法来解决。安全系数越高，则冷启动风险越高，因此冷启动过程中相关控制策略及其参数选取需更趋于考虑可靠性而非优化时间。
当安全系数高于上限阈值时，判定即使通过控制参数，判定下次冷启动仍存在较大概率发生单低急停故障。在此模式下，当单低急停位置时的空气计量比低于标定空气计量比上限值时，执行PTC加热后的吹扫关机；当单低急停位置时的空气计量比高于标定空气计量比上限值时，强制PTC加热下进行冷启动。吹扫关机后分析阻抗值，当阻抗值低于上限值时，判定膜未过干，后续冷启动采用高空气计量比策略，安全系数为上限值，并再次进行冷启动。如果冷启动失败，则禁止冷启动自启模式运行，强制开启PTC加热进行冷启动；当冷启动成功，维持策略不变，并上报问题。如果在开启PTC加热的情况下仍冷启动失败，则禁止开机等待后续维修处理。
当安全系数可控时，表现为其低于上限阈值时，将此单低片的单低单片号作为吹扫过程中的监控单片，并提高后续冷启动时采用的安全系数参数。当单低急停的环境温度低于-30度时，为降低电堆内部残余水含量，提高冷启动成功率，吹扫过程的状态跳出条件采用监控电堆的单片电池阻抗值最大值小于上限设定值，并且平均单片和最低单片间的电压差值小于上限设定值，非平均单片阻抗值大于设定值的吹扫策略，从而确保安全的情况下提高吹扫时间，如图6所示。下次开机冷启动过程中，由于安全系数和吹扫参数的改变而调整电流和空气路控制参数和初始电堆含水量，提高冷启动的成功率。
(2)当冷启动出现单低限制电流现象，表现为最低单片小于-0.1V但大于-0.3V时，程序会在冷启动结束后，记录限制电流拉载时的目标电流和单片号。当通过判断单片号得出位置处于端板时，提高目标电流的目标空气计量比、降低目标空气压力并延长端板加热时间，缓解欠气和端板散热量大等原因引起的端板性能下降问题。
(3)当冷启动过程无发生单低限制电流和急停现象时，燃料电池正常跳出冷启动自启模式，执行关机后吹扫流程。当冷启动成功后，在电堆吹扫过程中，高频阻抗值偏低时即阻抗Ohm小于阈值OHM时，则电堆在后续冷启动过程中存在较高结冰风险，使能在温差允许范围下的进入冷启动模式标定时间T1内停止水泵转速或提高温差偏差阈值，从而在温差边界下尽量提高电池工作温度，并降低下次冷启动过程的目标空气压力。例如：将水路控制中标定阈值0提高为阈值1；空气压力降低30kpa。低空气压力可以提高气态排水份额，有助于电堆内液态水排出，并降低增湿器对进堆空气的加湿效果。
本实施例公开的控制方法具有以下效果：
1、通过记录前一次冷启动单低急停或限制电流时诸如单片号、电流值、电流拉载速率等特征参数，调整冷启动过程中电流目标平台、拉载速率等控制参数的方法，优化启动策略，提高系统可靠性。
2、根据单低单片和相邻单片的电压偏差的变化速率来确定单低时策略调整的可行性，并调整后续吹扫时检测单片号和吹扫结束策略，从而解决低温启动容易失败的问题。
3、根据单低单片的位置、最低单片电压、阻抗值、空气计量比等参数，综合调整空气目标压力、温差控制阈值、安全系数等参数，解决不同单低紧急程序下运行可靠性的问题。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC(即A和B和C)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。
可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池低温自启动的控制方法，所述燃料电池系统，包括电堆、单片内阻和电压巡检测试装置、DCDC变换器、氢气路、空气路和水路；所述氢气路和空气路分别与电堆的氢气入口和空气入口连通；所述水路与电堆的连通，所述水路用于对电堆进行降温；所述单片内阻和电压巡检测试装置，用于实时获取电堆内所有单片电池的电压和阻抗值；所述DCDC变换器与电堆电连接；其特征在于，所述控制方法，包括：
检测环境温度，当环境温度低于0℃时，进入冷启动模式；
DCDC变换器进入恒压模式，接收电堆目标平均单片电压，基于环境温度和设定的安全系数确定电堆气量比启动策略；
基于电堆目标平均单片电压和气量比启动策略得到DCDC变换器输出目标电流；
基于目标电流和获取的目标温差控制水泵转速，从而对水路进行控制；
基于目标电流确定目标氢气入堆压力，闭环控制氢气路的氢喷，从而对氢气路进行控制；
基于目标电流调整DCDC变换器的实际输出电流，从而对电流进行控制；
基于目标电流确定目标空气压力和空气流量，闭环调整空气路上出口节气门和空压机转速，基于气量比启动策略得到空气路上三通阀开度前馈量，基于三通阀开度前馈量、目标电流、平均单片偏差、理论空气计量比和实际电流偏差闭环调整空气路上三通阀开度，从而对空气路进行控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述对水路进行控制，包括：
获取电堆出入口的冷却液温度从而控制电堆温度，以温差作为水路的控制目标进行闭环控制；
当实际温差偏差未超出目标温差以前，水泵转速为最低启动转速；
当实际温差偏差超出第一标定阈值后，提高水泵转速来避免超温；当实际温差偏差小于第二标定阈值后，降低水泵转速来提高温差；
所述温差偏差等于实际温差-目标温差；温差等于出堆水温-入堆水温，其中目标温差根据目标电流查表得出。
3.根据权利要求2所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述第二标定阈值为第一标定阈值-0.5。
4.根据权利要求1所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，
所述氢气路进行控制和空气路进行控制包括：
闭环调整空气路上出口节气门和空压机转速时，空压机流经总的空气流量高于空压机喘振流量；
当钳电位未成功时，实际单片高于目标单片，通过降低三通阀开度来降低空气计量比；当某单片出现单低小于单低阈值-0.2V时，提高三通阀开度；在钳电位成功的前提下，以实际电流和目标电流之间的电流偏差为目标，提高三通阀开度。
5.根据权利要求1所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述对电流进行控制，包括：
以目标平均单片电压乘以单片数量为目标，以恒定电流拉载速率从启动电流升载到目标输出电流。
6.根据权利要求5所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述以目标平均单片电压乘以单片数量为目标，以恒定电流拉载速率从启动电流升载到目标输出电流，包括：
根据环境温度和安全系数确定初始电流拉载速率，并根据前一次单低急停情况，判断是否选择在拉载电流过程中停留在某电流下第一设定时间或调整电流拉载速率；
如果燃料电池前一次冷启动成功，则电流拉载速率仅基于查表得出，当前一次冷启动过程中发生单低急停的现象时，记录发生急停前的单片号、电流、急停前第二设定时间内的最低单片和平均单片的差值的增加速率VolDelRate和实际空气计量比参数；在冷启动电流拉载过程中，当检测到实际最低单片和平均单片的差值增加速率大于VolDelRate-标定阈值速率Rate时，判定继续以当前电流拉载速率拉载电流存在单低风险，因此限制电流拉载，从而设定电流拉载速率等于初始电流拉载速率-标定速率；
当燃料电池前一次冷启动发生失败，如果表现出钳电位情况下DCDC变换器输出电流不断降低等现象时，则禁止调整电流，电流相关参数恢复为初始值。
7.根据权利要求1所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，还包括冷启动异常问题和吹扫策略控制。
8.根据权利要求7所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当最低单片小于-0.3V时，冷启动出现单低急停现象，读取最低单片号两侧的相邻多个单片通道的单片电压，计算读取的多片的平均值单片电压；
计算单低单片的单片电压和平均单片电压的差值及其变化速率，结合单低时空气计量比和氢气压力目标控制偏差，得出安全系数，用于判断此急停单低问题是否能够通过空气计量比或控制电流解决；
当安全系数高于上限阈值时，判定下次冷启动仍存在较大概率发生单低急停故障，当单低急停位置时的空气计量比低于标定空气计量比上限值时，执行PTC加热后的吹扫关机；吹扫关机后分析阻抗值，当阻抗值低于上限值时，判定膜未过干，后续冷启动采用高空气计量比策略，安全系数为上限阈值，并再次进行冷启动，如果冷启动失败，则禁止冷启动自启模式运行，强制开启PTC加热进行冷启动；当单低急停位置时的空气计量比高于标定空气计量比上限值时，强制PTC加热下进行冷启动；
当安全系数低于上限阈值时，将此单低片的单低单片号作为吹扫过程中的监控单片，并提高后续冷启动时采用的安全系数参数；当单低急停的环境温度低于-30度时，吹扫过程的状态跳出条件为监控电堆的单片电池阻抗值最大值小于第一设定值上限，平均单片和最低单片间的电压差值小于第二设定值上限，非平均单片阻抗值大于第三设定值的吹扫策略。
9.根据权利要求7所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当冷启动出现最低单片小于-0.1V但大于-0.3V时，在冷启动结束后，记录限制电流拉载时的目标电流和单片号，当通过判断单片号得出位置处于端板时，提高目标电流的目标空气计量比、降低目标空气压力并延长端板加热时间。
10.根据权利要求7所述的燃料电池低温自启动的控制方法，其特征在于，所述冷启动异常问题和吹扫策略控制，包括：
当冷启动过程没出现单低限制电流和急停现象时，燃料电池正常跳出冷启动自启模式，执行关机后吹扫流程，当冷启动成功后，在电堆吹扫过程中，高频阻抗值偏低时，在温差允许范围下的进入冷启动模式标定时间T1内停止水泵转速或提高温差偏差阈值。
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