一种燃料电池系统控制方法及控制装置与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统控制方法及控制装置。


背景技术：

2.燃料电池主要通过氢气和氧气在内部的催化剂上发生化学反应，氢气变成氢质子，从阳极侧通过质子交换膜传递到阴极与氧气发生反应生成水，电子通过外部电路进行传输，从而形成闭合回路。燃料电池在发电的过程中需要考虑其燃料电堆每片单片电压应小于0.85v，从而避免高电位而导致燃料电池耐久性能的降低。此外，当燃料电池发动机在整车上应用时，其对外输出的功率应满足整车上电机的功率跟随需求，当整车正常运行时，有较多的工况出现，如加减速、爬坡、红绿灯停车等待、长时间停车等待等。正常的工况燃料电池的工况基本能够满足整车的运行工况，其中停车等待工况由于不要消耗电量，但又需要快速启动，因此需要燃料电池发动机不能关机，且对外输出的净功率应在-1~0kw之间，以及在输出时燃料电池电堆每片的单片电压应小于0.85v。
3.相关技术提供的控制方法燃料电池系统在怠速运行时，无法保证每台发动机均做到零功率点输出，燃料电池电堆电压过高，影响燃料电池电堆的性能。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种燃料电池系统控制方法，可以解决相关技术提供的控制方法燃料电池系统在怠速运行时，无法保证每台发动机均做到零功率点输出，燃料电池电堆电压过高，影响燃料电池电堆的性能的技术问题。
5.本发明实施例提供的技术方案如下所示：一方面，提供了一种燃料电池系统控制方法，所述方法包括：燃料电池系统控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率；根据所述需求功率判断车辆运行状态，当所述车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗；获取燃料电池电堆平均单片电压；获取所述燃料电池系统输出功率；获取所述燃料电池系统的整体功耗与所述燃料电池系统输出功率之间的差值；根据所述平均单片电压与所述差值调整所述燃料电池系统附件结构运行参数，使所述燃料电池系统高效运行。
6.在一种可选的实施例中，所述方法还包括：当所述车辆运行状态为第一运行状态时，所述燃料电池系统卸载至车辆假停机、怠速工况点。
7.在一种可选的实施例中，所述燃料电池系统卸载至车辆假停机、怠速工况点，包括：
所述燃料电池系统卸载拉载电流，所述燃料电池系统的其余附件结构运行参数保持当前工况。
8.在一种可选的实施例中，所述根据所述平均单片电压与所述差值调整所述燃料电池系统基础参数，使所述燃料电池系统高效运行，包括：判断所述燃料电池电堆平均单片电压与第一参数值大小，得到第一判断结果；判断所述差值与第二参数值大小，得到第二判断结果；根据所述第一判断结果与所述第二判断结果调整所述燃料电池系统基础参数，使所述燃料电池系统高效运行。
9.在一种可选的实施例中，所述根据所述第一判断结果与所述第二判断结果调整所述燃料电池系统基础参数，包括：当所述燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且所述差值小于所述第二参数值，使所述燃料电池系统保持当前工况运行。
10.在一种可选的实施例中，所述根据所述第一判断结果与所述第二判断结果调整所述燃料电池系统基础参数，包括：当所述燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且所述差值大于所述第二参数值，提高所述燃料电池系统电流至下一档位。
11.在一种可选的实施例中，所述根据所述第一判断结果与所述第二判断结果调整所述燃料电池系统基础参数，包括：当所述燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且所述差值大于所述第二参数值，提高所述燃料电池系统电流至下一档位及调节所述燃料电池系统三通阀开度降低所述燃料电池电堆空气流量。
12.在一种可选的实施例中，所述根据所述第一判断结果与所述第二判断结果调整所述燃料电池系统基础参数，包括：当所述燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且所述差值小于所述第二参数值，则调节所述燃料电池系统三通阀开度降低所述燃料电池电堆空气流量。
13.另一方面，提供了一种燃料电池系统控制装置，所述装置包括：接收单元，用于燃料电池系统控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率；状态判断单元，用于根据所述需求功率判断车辆运行状态；第一获取单元，用于当所述车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗；第二获取单元，用于获取所述燃料电池电堆平均单片电压；第三获取单元，用于获取所述燃料电池系统输出功率；第四获取单元，用于获取所述燃料电池系统的整体功耗与所述燃料电池系统输出功率之间的差值；调整单元，用于根据所述平均单片电压与所述差值调整所述燃料电池系统附件结构运行参数，使所述燃料电池系统高效运行。
14.在一种可选的实施例中，所述装置还包括：第二调整单元，用于当所述车辆运行状态为第一运行状态时，所述燃料电池系统卸载至车辆假停机、怠速工况点。
15.本发明实施例提供的方法至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的方法通过燃料电池控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率，并根据需求功率判断车辆运行状态；当车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗，获取燃料电池电堆平均单片电压，获取燃料电池系统输出功率，获取燃料电池系统的整体功耗与燃料电池系统输出功率之间的差值，根据平均单片电压与差值调整燃料电池系统附件结构运行参数，使车辆即使在第一运行状态，例如怠速运行时，保证燃料电池发动机做到零功率点输出；并且使燃料电池系统在怠速运行时，电堆平均单片控制到标准电压以下，提高了燃料电池电堆的性能。
16.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
17.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。
18.图1示出了本发明实施例提供的燃料电池系统控制方法流程示意图；图2示出了本发明实施例提供的燃料电池系统控制方法流程示意图；图3示出了本发明实施例提供的燃料电池系统控制装置结构框图。
具体实施方式
19.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
20.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
21.请参见图1，本发明实施例提供了一种燃料电池系统控制方法，方法包括：s101、燃料电池系统控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率。
22.s102、根据需求功率判断车辆运行状态，当车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗。
23.s103、获取燃料电池电堆平均单片电压。
24.s104、获取燃料电池系统输出功率。
25.s105、获取燃料电池系统的整体功耗与燃料电池系统输出功率之间的差值。
26.s106、根据平均单片电压与差值调整燃料电池系统附件结构运行参数，使燃料电池系统高效运行。
27.本发明实施例提供的方法至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的方法通过燃料电池控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率，并根据需求功率判断车辆运行状态；当车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗，获取燃料电池电堆平均单片电压，获取燃料电池系统输出功率，获取燃料电池系统的整体功耗与燃料电池系统输出功率之间的差值，根据平均单片电压与差值调整燃料电池系统附件结构运行参数，使车辆即使在第一运行状态，例如怠速运行时，保证燃料电池发动机做到零功率点输出；并且使燃料电池系统在怠速运行时，电堆平均单片控制到标准电压以下，提高了燃料电池电堆的性能。
28.以下将通过可选的实施例进一步解释和描述本发明实施例提供的控制方法。
29.s101、燃料电池系统控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率。
30.需要说明的是，燃料电池系统控制器（fcu）是燃料电池系统的控制“大脑”，主要实现对燃料电池系统的在线检测、实时控制及故障诊断，确保燃料电池系统稳定可靠工作，燃料电池系统控制器功能包括气路管理，水热管理，电气管理，通信功能和故障诊断等。反应气体的压力、湿度、电堆内部湿度及温度等操作条件，直接影响电堆的性能和寿命。其中，气路管理功能主要实现对燃料电池系统所需的氢气和空气的湿度，流量，压力和温度等进行合理精准控制。水热管理功能主要实现对冷却水路的循环，加温，散热以及空气和冷却水温度进行控制调节，提高燃料电池系统的功率以及运行的可靠稳定性。电气管理功能主要实现燃料电池电堆电压和电流的检测，调节输出功率，并将燃料电池系统的电压控制在合理区间，消耗关机残留电量，电压电流的保护控制等。数据通信功能主要实现与其他系统进行通讯，实现重要数据信息和控制的交互。故障诊断功能主要实现对气路，水热，电气，通信，系统各个方面进行故障诊断，警告，报警和保护等功能。
31.s102、根据需求功率判断车辆运行状态，当车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗。
32.通过fcu获取整车控制器vcu发出的燃料电池系统需求功率，fcu根据燃料电池系统需求功率判断车辆的运行状态，作为一种示例，如燃料电池系统需求功率需求瞬间增加，表明车辆属于爬坡或加速状态；如燃料电池系统需求功率需求降低，表明车辆处于减速状态；如燃料电池系统需求功率需求为怠速，表明车辆处于红绿灯停车等待；如燃料电池系统需求功率需求为0功率，表明车辆处于长时间停车等待。
33.可以理解的是，车辆的运行状态有很多种，如加速、减速、爬坡、红绿灯停车等待、长时间停车等待等状态。
34.车辆在正常运行状态下燃料电池系统的工况基本能够满足车辆运行工况，其中停车等待工况由于不要消耗电量，但又需要快速启动，因此需要燃料电池系统发动机不能关机，且对外输出的净功率应在-1~0kw之间，以及在输出时燃料电池电堆单片电压应小于0.85v。本发明实施例提供的第一运行状态即为车辆怠速行使，燃料电池发动机零功率输出状态。在车辆处于怠速行使状态时，通过fcu获取燃料电池系统整体功耗p_bop。需要说明的是，燃料电池系统整体功耗p_bop是指燃料电池系统中的、空压机功耗、水泵功耗等功耗之和。
35.s103、获取燃料电池电堆平均单片电压。
36.需要说明的是，燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，单体电
池是由双极板与膜电极(mea-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)组成。若干单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。本发明实施例通过fcu获取燃料电池电堆平均单片电压。进一步的，可以通过设置在燃料电池电堆上的巡检采集控制器获取电堆平均单片电压，并将该电压数值传输给fcu。
37.s104、获取燃料电池系统输出功率。
38.通过fcu获取燃料电池系统输出功率，进一步的，可以通过整车的输出功率得到燃料电池系统输出功率。需要说明的是，整车控制器vcu会发送燃料电池功率需求值给fcu。
39.在一种可选的实施例中，本发明实施例提供的方法还包括：当车辆运行状态为第一运行状态时，燃料电池系统卸载至燃料电池假停机、怠速工况点。
40.当车辆运行状态为第一运行状态，即怠速行使状态时，燃料电池系统通过fcu控制燃料电池系统附件结构运行参数，卸载燃料电池电流，使燃料电池系统在假停机、怠速工况点下运行。
41.在一种可选的实施例中，燃料电池系统卸载至燃料电池假停机、怠速工况点，包括：燃料电池系统卸载拉载电流，燃料电池系统的其余附件结构运行参数保持当前工况。
42.燃料电池系统通过fcu卸载拉载电流，燃料电池系统的其余附件结构运行参数保持当前工况。
43.需要说明的是，拉载电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流。
44.在一种可选的实施例中，s106包括s1061
‑ꢀ
s1063。
45.s1061、判断燃料电池电堆平均单片电压与第一参数值大小，得到第一判断结果。
46.作为一种示例，本发明实施例提供的第一参数值可以为0.85v。燃料电池系统在发电的过程中需要考虑燃料电池电堆每片单片电压应小于0.85v，从而避免高电位而导致燃料电池系统耐久性能的降低。
47.此外，当燃料电池系统在车辆上应用时，其对外输出的功率应满足车辆电机的功率跟随需求，当车辆正常运行时，有较多的工况出现，如加减速、爬坡、红绿灯停车等待、长时间停车等待，正常工况燃料电池系统基本能够满足整车的运行工况，其中停车等待工况由于不要消耗电量，但又需要快速启动，因此需要燃料电池系统不能关机，且对外输出的净功率应在-1~0kw之间，以及在输出时燃料电池电堆每片的单片电压应小于0.85v。
48.s1062、判断差值与第二参数值大小，得到第二判断结果。
49.燃料电池系统的整体功耗p_bop与燃料电池系统输出功率p_stack之间的差值
∆
p，判断差值与第二参数值大小。示例的，第二参数值为0，即比较差值
∆
p与功率为0的情况。
50.s1063、根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，使燃料电池系统高效运行。
51.在一种可选的实施例中，根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，包括：当燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且差值小于第二参数值，使燃料电池系统保持当前工况运行。
52.进一步的，当燃料电池电堆平均单片电压小于0.85v，且差值小于0，使燃料电池系
统保持当前工况运行。
53.在一种可选的实施例中，根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，包括：当燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且差值大于第二参数值，提高燃料电池系统电流至下一档位i1。
54.进一步的，当燃料电池电堆平均单片电压小于0.85v，且差值大于0，提高燃料电池系统电流至下一档位i1。
55.进一步的，当燃料电池电堆平均单片电压小于0.85v，且差值大于0，通过fcu提高燃料电池系统电流至下一档位i1，即燃料电池系统原始电流为i0，且i1＞i0。
56.在一种可选的实施例中，根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，包括：当燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且差值大于第二参数值，提高燃料电池系统电流至下一档位i1及调节燃料电池系统三通阀开度降低空气入堆流量。
57.进一步的，当燃料电池电堆平均单片电压大于0.85v，且差值大于0，通过fcu提高燃料电池系统电流至下一档位i1及与调节燃料电池系统连接的三通阀开度降低燃料电池电堆空气流量。
58.在一种可选的实施例中，根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，包括：当燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且差值小于第二参数值，则调节与燃料电池系统连接的三通阀开度降低燃料电池电堆空气流量。
59.进一步的，当燃料电池电堆平均单片电压大于0.85v，且差值小于0，则通过fcu调节燃料电池系统三通阀开度降低燃料电池电堆空气流量。
60.通过本发明实施例提供的上述方法可实现燃料电池电堆平均单片小于0.85v及燃料电池电堆净输出小于0，提高了燃料电池系统性能。
61.需要说明的是，本发明实施例通过调节与燃料电池系统电堆连接的三通阀，基于三通阀与燃料电池系统电堆连接，通过三通阀的开启和关闭可以调节燃料电池电堆空气进气量，调节水泵的转速等，通过解耦的方式实现燃料电池系统闭环控制，通过本发明实施例提供的方法可以实现车辆在怠速运行状态写，燃料电池系统不关机，且对外输出的净功率在-1kw~0kw之间，并且及在输出时燃料电池电堆每片的单片电压可以小于0.85v，提高了燃料电池系统的性能。
62.请参见图2，图2为本发明实施例提供方法的具体实现步骤示意图。整车控制器向fcu发送需求功率，fcu接收该需求功率的指令，并判断需求功率是否大于0，如果大于0，则燃料电池系统正常运行，燃料电池系统输出功率跟随车辆需求功率进行输出。
63.如果需求功率小于0，则燃料电池系统进入假停机、怠速运行状态，燃料电池系统向整车控制器发送假停机、怠速的指令，燃料电池系统附件结构空压机、水泵在怠速下恒定运行，即空压机出口的压力p和流量q不变，水泵转速不变，燃料电池系统的电流拉载至下一档位i1；fcu检测空压机功率p1-comp及水泵反馈的功率p-pump，并计算燃料电池系统整体功率p-bop=p1-comp p-pump；fcu检测燃料电池电堆实际电流和电压v-avge并计算出燃料电池电堆输出功率p-stack，并检测此时空压机功率p2-pump，fcu比较p-stack与p2-bop之间差值
∆
p。
64.当-1《
∆
p《0且v_avge》0.85v，提高燃料电池系统电流至下一档位i1；当-1《
∆
p《0且v_avge《0.85v，控制燃料电池系统根据当前工况继续运行；当
∆
p》0且v_avge》0.85v，提高燃料电池系统电流至下一档位i1及调节三通阀开度降低燃料电池电堆空气流量；
∆
p》0且v_avge》0.85v，调节三通阀开度降低燃料电池电堆空气流量。
65.可以看出，通过本发明实施例提供的方法实现了闭环控制，并且经过上述方法调整后，可以实现车辆在怠速运行状态写，燃料电池系统不关机，且对外输出的净功率在-1kw~0kw之间，并且及在输出时燃料电池电堆每片的单片电压可以小于0.85v，提高了燃料电池系统的性能。
66.另一方面，请参见图3，提供了一种燃料电池系统控制装置，该装置包括：接收单元201，用于燃料电池系统控制器接收整车控制器发送的燃料电池需求功率；状态判断单元202，用于根据需求功率判断车辆运行状态，当车辆处于第一运行状态时获取燃料电池系统整体功耗；第二获取单元203，用于获取燃料电池电堆平均单片电压；第三获取单元204，用于获取燃料电池系统输出功率；第四获取单元205，用于获取燃料电池系统的整体功耗与燃料电池系统输出功率之间的差值；调整单元206，用于根据平均单片电压与差值调整燃料电池系统附件结构运行参数，使燃料电池系统高效运行。
67.在一种可选的实施例中，装置还包括：第二调整单元，用于当车辆运行状态为第一运行状态时，燃料电池系统卸载至燃料电池假停机、怠速工况点。
68.在一种可选的实施例中，燃料电池系统卸载至燃料电池假停机、怠速工况点，包括：燃料电池系统卸载拉载电流，燃料电池系统的其余附件结构运行参数保持当前工况。
69.在一种可选的实施例中，调整单元206，用于判断燃料电池电堆平均单片电压与第一参数值大小，得到第一判断结果；判断差值与第二参数值大小，得到第二判断结果；根据第一判断结果与第二判断结果调整燃料电池系统基础参数，使燃料电池系统高效运行。
70.在一种可选的实施例中，调整单元206，用于当燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且差值小于第二参数值，使燃料电池系统保持当前工况运行。
71.在一种可选的实施例中，调整单元206，用于当燃料电池电堆平均单片电压小于第一参数值，且差值大于第二参数值，提高燃料电池系统电流至下一档位。
72.在一种可选的实施例中，调整单元206，用于当燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且差值大于第二参数值，提高燃料电池系统电流至下一档位及调节燃料电池系统三通阀开度降低空气入堆流量。
73.在一种可选的实施例中，调整单元206，用于当燃料电池电堆平均单片电压大于第一参数值，且差值小于第二参数值，则调节燃料电池系统三通阀开度降低空气入堆流量。
74.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。