CN117766817A - 一种燃料电池汽车在线性能恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；如果不需要活化，则继续执行该步骤；否则，判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行活化操作，否则继续监测动力电池的状态；对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；本发明考虑了整车状态和能量条件，更符合燃料电池汽车的实际应用需求；另外，在活化过程中，周期性改变进燃料电池电堆的空气流量，活化更彻底，性能恢复更快，工作更稳定。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池汽车在线性能恢复方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料（如氢气）的化学能，通过电化学反应转变成电能的装置。在清洁能源的背景下，燃料电池技术在整车上的应用得到越来越多的重视。
氢气和氧气分别在膜电极的阳极和阴极发生电化学反应，其性能和发电效率主要取决于膜电极的催化反应活性。然而，在实际应用中，由于环境条件、长期停运、工况变载、系统设计和控制等因素的影响，燃料电池电堆的性能会产生衰减。对于可逆衰减部分，可以通过性能恢复措施（活化）来恢复电堆的性能；但对于不可逆的性能衰减，无法通过活化措施进行恢复，在燃料电池汽车使用过程中，燃料电池系统的电性能会不可避免地产生或多或少的衰减。
针对这个问题，现有的专利文件中公开了“一种燃料电池在线性能恢复的方法、控制装置及处理器”，先将工作电流对应的输出电压集和基准电压进行比较，确定燃料电池的衰减率，然后启动性能恢复措施，在保持供氢的情况下，调节空压机转速与三通阀开放，控制入堆空气计量比，来控制电堆电压低于第一设定值和第二设定值，分别除去轻度和重度催化氧化层，从而进行性能恢复（活化）过程；但该方案具有以下缺陷：活化过程没有考虑整车环境和能量条件，仅指明对燃料电池系统进行活化，脱离实际应用。
发明内容
本发明为克服上述现有技术在活化过程中没有考虑整车环境和能量条件，脱离实际应用的缺陷，提供一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，考虑了整车环境，更符合燃料电池汽车的实际应用需求。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，包括以下步骤：
S1：根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；
S2：如果需要活化，则执行步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S3：判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；
S4：如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行步骤S5的活化操作，否则继续执行步骤S3，监测动力电池的状态；
S5：对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能。
优选地，所述步骤S1中，当燃料电池整车实际停放时间累计或者连续停机时间时长大于设定值；
或整车在工作时，采集到燃料电池电堆工作电流和电压，在相同的加载功率下，将对应采集到的电压或电流，同基准电压或基准电流进行比较，当采集的电堆电压小于基准电压，或者电堆电流大于基准电流，则判断燃料电池汽车需要进行活化。
优选地，所述步骤S3中，动力电池的状态包括动力电池荷电状态及可充放电能力。
优选地，所述步骤S3中，动力电池的状态满足活化的要求，是动力电池能接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；由于动力电池状态不满足时在整车上进行活化，能量流的变化会导致活化无法进行，因此本发明在进行活化之前，还需要判断当时的动力电池状态是否满足要求，满足要求才能进行活化。
优选地，所述步骤S5中，对燃料电池系统进行性能恢复具体为：
S5.1：在保持氢气入口压力的情况下，控制燃料电池发动机空压机转速和背压阀开度，来调节入堆空气压力和流量；
S5.2：维持入堆空气压力不变，并使入堆空气流量维持在Q1，且保持t1时间，此时，在加载设定功率下，使得燃料电池单电池电压大于第一设定电压；
S5.3：在维持同样的加载设定功率下，降低入堆空气流量至Q2，使得燃料电池单电池电压小于第二设定电压，保持t2时间；
S5.4：循环若干次步骤S5.2~S5.3，直到在入堆空气流量Q1和相同的加载设定功率下，燃料电池单电池电压变化幅度小于预设值；
在活化过程中，采用周期性改变进燃料电池电堆的空气流量的方案，一方面，空气流量调节相对固定、简单，空气流量交变冲击，形成较大的浓度梯度，使得空气中的氧气扩散得到阴极催化层变得更加容易，活化较为彻底，性能恢复更快；另一方面，周期性的空气流量脉冲，更有利于燃料电池系统处于一种较为稳定的工作状态，从而避免了膜电极水热失衡。
优选地，所述步骤S5.2中，第一设定电压的范围为：0.65~0.8V。
优选地，所述步骤S5.3中，第二设定电压的范围为：0~0.4V。
优选地，所述步骤S5还包括：活化完成后，对动力电池充电，在不同的稳定负载下，保持t3时间，得到t3时间内，平均电流对应的平均电压，从而最后得到活化完成后的新的极化曲线。
优选地，所述步骤S5还包括：将所述新的极化曲线更新至燃料电池系统的控制器中，并作为新的控制输入参数，对应调整燃料电池系统各项控制参数。
优选地，所述控制参数包括：进入燃料电池的电堆的空气压力、温度和流量，进入燃料电池的电堆的燃料压力、温度和流量，以及进入燃料电池的电堆的冷却液压力、温度和流量；对于燃料电池控制系统而言，控制参数往往都是基于起始阶段的燃料电池性能表现而进行设置的，随着衰减的累计，控制参数也需要做对应的调整，因此，本发明还在活化结束后，对燃料电池的控制参数进行调整更新，从而提高整车运行的经济性和动力性。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，首先根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；如果不需要活化，则继续执行该步骤；否则，判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行活化操作，否则继续执行该步骤，监测动力电池的状态；活化时，对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；
本发明考虑了整车环境和能量条件，更符合燃料电池汽车的实际应用需求：既考虑了整车实际停放时间导致的性能衰减，又考虑了燃料电池在工作状态下导致的电压衰减；同时，在进行活化之前还需要对动力电池的状态进行判断，更便于实际应用。
附图说明
图1为实施例1所提供的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法流程图。
图2为实施例2所提供的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法架构图。
图3为实施例2所提供的周期性改变空气流量示意图。
图4为实施例3所提供的一种控制参数自调整的方法流程图。
图5为实施例3所提供的性能恢复之后的燃料电池的新的极化曲线示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，用于对燃料电池汽车中的燃料电池进行活化，包括以下步骤：
S1：根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；
S2：如果需要活化，则执行步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S3：判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；
S4：如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行步骤S5的活化操作，否则继续执行步骤S3，监测动力电池的状态；
S5：对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能。
在具体实施过程中，首先根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；如果不需要活化，则继续执行该步骤；否则，判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行活化操作，否则继续执行该步骤，监测动力电池的状态；
对燃料电池系统进行性能恢复时，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；
本方法考虑了整车环境和能量条件，更符合燃料电池汽车的实际应用需求：本方法将整车状态和动力电池的能量状态进行综合判断，更便于实际应用。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，包括以下步骤：
S1：根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；
S2：如果需要活化，则执行步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S3：判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；
S4：如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行步骤S5的活化操作，否则继续执行步骤S3，监测动力电池的状态；
S5：对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；
所述步骤S1中，当燃料电池整车实际停放时间累计或者连续停机时间时长大于设定值；
或整车在工作时，采集到燃料电池电堆工作电流和电压，在相同的加载功率下，将对应采集到的电压或电流，同基准电压或基准电流进行比较，当采集的电堆电压小于基准电压，或者电堆电流大于基准电流，则判断燃料电池汽车需要进行活化；
所述步骤S3中，动力电池的状态包括动力电池荷电状态及可充放电能力；
所述步骤S3中，动力电池的状态满足活化的要求，是动力电池能接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；由于动力电池状态不满足时在整车上进行活化，能量流的变化会导致活化无法进行，因此本方法在进行活化之前，还需要判断当时的动力电池状态是否满足要求，满足要求才能进行活化；
所述步骤S5中，对燃料电池系统进行性能恢复具体为：
S5.1：在保持燃料入口压力的情况下，控制燃料电池发动机空压机转速和背压阀开度，来调节入堆空气压力和流量；
S5.2：维持入堆空气压力不变，并使入堆空气流量维持在Q1，且保持t1时间，此时，在加载设定功率下，使得燃料电池单电池电压大于第一设定电压；
S5.3：在维持同样的加载设定功率下，降低入堆空气流量至Q2，使得燃料电池单电池电压小于第二设定电压，保持t2时间；
S5.4：循环若干次步骤S5.2~S5.3，直到在入堆空气流量Q1和相同的加载设定功率下，燃料电池单电池电压变化幅度小于预设值，即基本维持不变；在本实施例中，每个时间段内空气的压力和流量都可以变化（压力也可不变），但是主要是控制空气流量，让电压降低到需要的电压范围内；
所述步骤S5.2中，第一设定电压的范围为：0.65~0.8V；所述步骤S5.3中，第二设定电压的范围为：0~0.4V。
在具体实施过程中，通常，燃料电池汽车包括燃料电池系统作为主动力源，动力电池作为辅助动力源，燃料电池汽车在实际应用中要面对多种复杂的工况，如不同时长的停机状态、动力电池的不同SOC、可充放电能力、燃料电池系统不同性能衰减状态、控制系统的参数适应性调整的不同需求等；本方法能够在面对诸多因素的情况下，对燃料电池系统进行活化，如图2所示，具体过程如下：
1）整车控制器（Vehicle control unit，VCU）实时监测燃料电池汽车的整车状态，整车状态包括停机和运行两种状态：
1.1）如汽车进入长时间的停机状态，即累计或者连续停机时间时长大于设定值，则整车控制器发出活化指令；
1.2）或整车在运行状态时，采集到燃料电池电堆工作电流和电压，并将对应的电压或电流，同基准电压或者电流进行比较，当采集的电堆电压小于基准电压，或者电堆电流大于基准电流，则整车控制器发出活化指令；
2）整车控制器VCU发出活化指令后，启动活化程序，此时还需要考虑动力电池的SOC和可充放电状态；当动力电池能够满足活化过程中的能量和电流的接受、输出时，活化开始；如果不满足条件，则中止活化过程；
3）活化开始：
3.1）在保持氢气入口压力的情况下，控制燃料电池发动机空压机转速和背压阀开度，来调节入堆空气压力和流量；VCU加载设定功率且保持稳定，加载的功率使得动力电池或整车能够接受；
3.2）空气入堆进口流量维持在Q1，且保持t1时间，此时，在加载设定功率下，能够使得燃料电池单电池电压大于第一设定值，第一设定值可以为0.65~0.8V；
3.3）然后，在维持同样的加载功率下，降低空气流量至Q2，使得燃料电池单电池电压小于第二设定值，第二设定值可以为0.4V，保持t2时间；
3.4）如图3所示，循环步骤3.2）~3.3）若干个周期，直到在流量Q1和相同的加载功率下，单电池电压上升至基本维持不变，活化结束，完成燃料电池的性能恢复；
在本实施例中，燃料入口的压力最好保持恒定，压力也可以设置适当的正负偏差，如2.6±0.2bar；另外，空气的压力可以保持恒定，也可以改变，但是必须改变空气流量，通过改变空气流量，可以改变燃料电池的电压；
本方法考虑了整车环境和能量条件，更符合燃料电池汽车的实际应用需求：本方法将整车状态和动力电池的能量状态进行综合判断，更便于实际应用；
另外，在活化过程中，周期性改变进燃料电池电堆的空气流量，在较高的流量下，燃料电池单电池电压大于第一设定值（0.65~0.8V）；在较低的空气流量下，使得燃料电池单电池电压小于第二设定值（0.4V），且各自维持一段时间；在较高的第一设定电压值下，燃料电池的催化剂氧化层被活化还原；在较低的第二设定电压值下，燃料电池的催化剂钝化层进一步被活化；一方面，空气流量调节相对固定、简单，空气流量交变冲击，形成较大的浓度梯度，使得空气中的氧气扩散得到阴极催化层变得更加容易，活化较为彻底，性能恢复更快；另一方面，周期性的空气流量脉冲，更有利于燃料电池系统处于一种较为稳定的工作状态，从而避免了膜电极水热失衡。
实施例3
本实施例提供一种控制参数自调整的方法，基于实施例1或2中的燃料电池汽车在线性能恢复方法，用于对燃料电池汽车中的燃料电池进行活化并进行控制参数自调整，包括以下步骤：
S1：根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；
S2：如果需要活化，则执行步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S3：判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；
S4：如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行步骤S5的活化操作，否则继续执行步骤S3，监测动力电池的状态；
S5：对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能；
活化完成后，对动力电池充电，在不同的稳定负载下，保持t3时间，得到t3时间内，平均电流对应的平均电压，从而最后得到活化完成后的新的极化曲线；
将所述新的极化曲线更新至燃料电池系统的控制器中，并作为新的控制输入参数，对应调整燃料电池系统各项控制参数；
所述控制参数包括：进入燃料电池的电堆的空气压力、温度和流量，进入燃料电池的电堆的燃料压力、温度和流量，以及进入燃料电池的电堆的冷却液压力、温度和流量；
对于燃料电池控制系统而言，控制参数往往都是基于起始阶段的燃料电池性能表现而进行设置的，随着衰减的累计，控制参数也需要做对应的调整，因此，本方法还在活化结束后，对燃料电池的控制参数进行调整更新，从而提高整车运行的经济性和动力性。
在具体实施过程中，在整车状态下，无法拆解燃料系统在台架上重新进行标定，而最好的方法是在不影响整车工作的情况下，通过控制系统自诊断和自更新来实现在线自适应的调整，从而使得燃料电池整车控制系统处于实时优化的状态；通常，对燃料电池电堆进行充分活化后，搭载整车进行运营，未考虑在整车上的性能衰减，其次，燃料电池电堆性能衰减后，燃料电池系统的控制参数未作对应的调整，来优化整车动力性和经济性；
因此，如图4所示，本实施例中的方法首先利用实施例1或2中对燃料电池系统进行活化的步骤1）~3）进行性能恢复，之后将所述动力电池作为性能恢复之后的燃料电池的负载进行测试，获取性能恢复之后的燃料电池的极化曲线，具体为：
活化过程结束后，通过对动力电池充电，在不同的稳定负载下，保持t3时间，得到t3时间内，平均电流对应的平均电压，从而得到性能恢复之后的燃料电池的极化曲线，如图5所示；
之后将性能恢复之后的燃料电池的极化曲线输入整车控制器VCU，并调整更新性能恢复之后的燃料电池的控制参数；控制参数包括空气/氢气/冷却液的进堆流量、压力、温度等；
本方法在活化完成后，对动力电池充电从而获取活化完成后，燃料电池电堆新的极化曲线，并将新的极化曲线更新至燃料电池系统控制器中，作为新的控制输入参数，对应调整燃料电池系统各项参数，从而达到在整车上进行在线活化和及时更新控制参数的目的，并使得整车在接下来的运行中，更加具备经济性和动力性。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据燃料电池整车实际停放时间导致的性能衰减情况及燃料电池在工作状态下导致的电压衰减情况判断燃料电池汽车是否需要进行活化；
S2：如果需要活化，则执行步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S3：判断当时动力电池的状态是否能满足活化的要求；
S4：如果当时动力电池的状态满足活化的要求，则进行步骤S5的活化操作，否则继续执行步骤S3，监测动力电池的状态；
S5：对燃料电池系统进行性能恢复，并借用动力电池作为负载来接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S1中，当燃料电池整车实际停放时间累计或者连续停机时间时长大于设定值；
或整车在工作时，采集到燃料电池电堆工作电流和电压，在相同的加载功率下，将对应采集到的电压或电流，同基准电压或基准电流进行比较，当采集的电堆电压小于基准电压，或者电堆电流大于基准电流，则判断燃料电池汽车需要进行活化。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中，动力电池的状态包括动力电池荷电状态及可充放电能力。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S3中，动力电池的状态满足活化的要求，是动力电池能接受燃料电池系统性能恢复过程中产生的电能。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S5中，对燃料电池系统进行性能恢复具体为：
S5.1：在保持燃料入口压力的情况下，控制燃料电池发动机空压机转速和背压阀开度，来调节入堆空气压力和流量；
S5.2：维持入堆空气压力不变，并使入堆空气流量维持在Q1，且保持t1时间，此时，在加载设定功率下，使得燃料电池单电池电压大于第一设定电压；
S5.3：在维持同样的加载设定功率下，降低入堆空气流量至Q2，使得燃料电池单电池电压小于第二设定电压，保持t2时间；
S5.4：循环若干次步骤S5.2~S5.3，直到在入堆空气流量Q1和相同的加载设定功率下，燃料电池单电池电压变化幅度小于预设值。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S5.2中，第一设定电压的范围为：0.65~0.8V。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S5.3中，第二设定电压的范围为：0~0.4V。
8.根据权利要求1~7任意一项中所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：活化完成后，对动力电池充电，在不同的稳定负载下，保持t3时间，得到t3时间内，平均电流对应的平均电压，从而最后得到活化完成后的新的极化曲线。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：将所述新的极化曲线更新至燃料电池系统的控制器中，并作为新的控制输入参数，对应调整燃料电池系统各项控制参数。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池汽车在线性能恢复方法，其特征在于，所述控制参数包括：进入燃料电池的电堆的空气压力、温度和流量，进入燃料电池的电堆的燃料压力、温度和流量，以及进入燃料电池的电堆的冷却液压力、温度和流量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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