一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是将化学能转化成电能的装置，主要包括燃料供应系统、氧化剂供应、水热管理以及电控单元等系统，氧气在阴极催化剂的作用下与水合氢离子结合生成水并放出热量，电子从外电路由阳极流向阴极即产生电流。燃料电池电流控制是燃料电池电堆及系统的关键技术，直接影响电堆的工作性能及可靠性。现有的燃料电池电流的控制方法通常存在输出的电流不够精确，导致系统运行效率较低的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，以解决输出的电流不够精确，导致系统运行效率较低的问题。
4.根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
5.根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值；
6.根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率；
7.根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
8.可选的，据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值包括：
9.以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
10.可选的，以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值之后还包括：
11.判断所述功率限制输出值所在的数值范围；
12.若所述功率限制输出值小于第一预设值，则将所述第一预设值作为功率限制输出值；若所述功率限制输出值大于第二预设值，则将所述第二预设值作为功率限制输出值；若所述功率限制输出值大于或等于第一预设值，且小于或等于第二预设值，则仍将所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
13.可选的，燃料电池系统还包括出堆冷却液温度传感器；
14.所述根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值包括：
15.根据所述出堆冷却液温度传感器采集的出堆冷却液温度及第二预设公式确定所述燃料电池系统的第一功率限制。
16.可选的，第二预设公式为：
17.p
tl
＝41980 163.6
×
tw 11.02
×
t
w2
0.51
×
t
w3
；
18.其中，p
tl
为所述第一功率限制，tw为出堆冷却液温度。
19.可选的，燃料电池系统还包括氢气进堆中压压力传感器；
20.所述根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值包括：
21.根据所述氢气进堆中压压力传感器采集的氢气进堆中压压力及第三预设公式确定所述燃料电池系统的第二功率限制。
22.可选的，第三预设公式为：
23.p
pl
＝-0.004
×
p
hm3
10.04
×
p
hm2-8183
×
p
hm
2206000；
24.其中，p
pl
为所述第二功率限制，p
hm
为氢气进堆中压压力。
25.可选的，燃料电池系统包括水泵、空压机以及dc-dc转换器；
26.所述根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率包括：
27.将所述功率限制输出值、所述水泵实际消耗功率、所述空压机实际消耗功率以及所述dc-dc转换器的损耗功率之和作为所述电堆需求总功率。
28.可选的，第一预设公式为：
29.i＝0.0022*p-0.515；
30.其中，i为所述电堆设定电流，p为所述电堆需求总功率。
31.可选的，外部功率请求为车辆中整车控制器对所述燃料电池系统的功率请求。
32.本发明实施例的技术方案，通过确定外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制对功率限制值进行计算，根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率，再根据电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。解决了输出的电流不够精确，导致系统运行效率较低的问题，保证了输出电流的准确度，使系统能够稳定、高效的运行。
33.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例提供的一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
36.图2是本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
37.图3是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
38.图4是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
39.图5是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
40.图6是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
41.图7是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图；
42.图8是本发明实施例提供的一种燃料电池系统的装置示意图。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.图1是本发明实施例提供的一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。参见图1，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
46.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
47.具体的，外部功率请求是整车控制器对燃电系统的功率请求，燃料电池的功率限制是基于燃料电池本身的性能对输出功率的限制，可以包括基于温度的功率限制和基于氢气进堆中压压力的功率限制等。功率限制输出值是燃料电池系统最终确定的输出功率。
48.s102、根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率。
49.具体的，电堆需求总功率包括功率限制输出值和燃料电池系统的内部消耗功率。燃料电池系统的内部消耗功率是燃料电池系统本身在工作过程中消耗的功率，可以包括水泵消耗的功率、空压机消耗的功率和dc-dc转换器消耗的功率等。
50.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
51.具体的，基于电堆需求总功率，通过第一预设公式，可以计算出电堆设定输出电流。本实施例在确定电堆设定输出电流时，参考电堆需求总功率的因素，因而能够保证设定电流具有较高的准确度。
52.本实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，首先根据外部功率请求和燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值，然后根据功率限制输出值和燃料电池系统的内部消耗功率计算电堆需求总功率，最后基于电堆需求总功率通过第一预设公式计
算出电堆设定输出电流。本实施例提供的技术方案通过确定功率限制输出值和燃料电池系统的内部消耗功率对电堆设定输出电流进行控制，使得燃料电池能够根据系统实际运行状态参数限制功率请求输出，保证了输出电流的准确度，使系统能够稳定、高效的运行。
53.可选的，图2是本发明实施例提供的另一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。在上述实施例的基础上，参见图2，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
54.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
55.s201、以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
56.具体的，燃料电池系统的功率限制包括基于温度的功率限制和基于氢气进堆中压压力的功率限制，功率限制输出值为外部功率请求、基于温度的功率限制和基于氢气进堆中压压力的功率限制中的最小值。采用三者的最小值可以保证燃料电池系统的运行安全。
57.s102、根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率。
58.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
59.可选的，图3是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图，图4是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。在上述实施例的基础上，参见图3和图4，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
60.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
61.s201、以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
62.s301、判断所述功率限制输出值所在的数值范围。
63.若所述功率限制输出值小于第一预设值，则将所述第一预设值作为功率限制输出值；若所述功率限制输出值大于第二预设值，则将所述第二预设值作为功率限制输出值；若所述功率限制输出值大于或等于第一预设值，且小于或等于第二预设值，则仍将所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
64.具体的，s301可包括：
65.s310、判断功率限制输出值是否小于第一预设值。若是，则执行s311；若否，则执行s320。
66.s311、将第一预设值作为功率限制输出值。
67.s320、判断功率限制输出值是否大于第二预设值。若是，则执行s321；若否，则执行s330。
68.s321、将第二预设值作为功率限制输出值。
69.s330、仍将外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
70.功率限制输出值若过大或过小则会对燃料电池系统的运行造成影响，需要限制在一定的数值范围内。第一预设值为功率限制输出值的最小值，第二预设输出值为功率限制输出值的最大值。首先执行步骤310，当功率限制输出值小于第一预设值时，则执行步骤
311，将第一预设值作为功率限制输出值，若否则执行步骤320；当功率限制输出值大于第二预设值时，则执行步骤321，将第二预设值作为功率限制输出值；若否，则执行步骤330，仍将外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。这样设置不仅以系统实时运行参数限制功率请求输出，同时还限制功率请求输出的最大值和最小值，保证了系统的运行安全。示例性的，第一预设值可以为0w，第二预设值可以为100000w。
71.s102、根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率。
72.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
73.可选的，图5是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。在上述实施例的基础上，参见图4，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
74.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
75.s401、根据所述出堆冷却液温度传感器采集的出堆冷却液温度及第二预设公式确定所述燃料电池系统的第一功率限制。
76.所述燃料电池系统还包括出堆冷却液温度传感器。
77.具体的，第一功率限制可以是温度的功率限制，燃料电池通过出堆冷却液温度传感器采集出堆冷却液的温度，根据出堆冷却液温度传感器采集的出堆冷却液温度及第二预设公式可以计算出燃料电池系统的第一功率限制。
78.s201、以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
79.s102、根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率。
80.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
81.可选的，第二预设公式为：
82.p
tl
＝41980 163.6
×
tw 11.02
×
t
w2
0.51
×
t
w3 (1)
83.其中，p
tl
为所述第一功率限制，tw为出堆冷却液温度。
84.具体的，基于当前燃料电池系统运行工况的出堆冷却液温度，通过第二预设公式可以计算出第一功率限制。
85.可选的，图6是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。在上述实施例的基础上，参见图5，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
86.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
87.s501、根据所述氢气进堆中压压力传感器采集的氢气进堆中压压力及第三预设公式确定所述燃料电池系统的第二功率限制。
88.所述燃料电池系统还包括氢气进堆中压压力传感器。
89.具体的，第二功率限制可以是氢气进堆中压压力的功率限制，燃料电池通过氢气进堆中压压力传感器采集氢气进堆中压压力，根据氢气进堆中压压力传感器采集的氢气进堆中压压力及第三预设公式可以计算出燃料电池系统的第二功率限制。
90.s201、以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制
输出值。
91.s102、根据所述功率限制输出值及所述燃料电池系统的内部消耗功率确定电堆需求总功率。
92.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
93.可选的，第三预设公式为：
94.p
pl
＝-0.004
×
p
hm3
10.04
×
p
hm2-8183
×
p
hm
2206000 (2)
95.其中，p
pl
为所述第二功率限制，p
hm
为氢气进堆中压压力。
96.具体的，基于当前燃料电池系统运行工况的氢气进堆中压压力，通过第三预设公式可以计算出第二功率限制。
97.可选的，图7是本发明实施例提供的又一种燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法流程图。在上述实施例的基础上，参见图6，本发明实施例提供的燃料电池系统的电堆设定电流的控制方法，包括：
98.s101、根据外部功率请求以及燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
99.s201、以所述外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。
100.s601、将所述功率限制输出值、所述水泵实际消耗功率、所述空压机实际消耗功率以及所述dc-dc转换器的损耗功率之和作为所述电堆需求总功率。
101.燃料电池系统包括水泵、空压机以及dc-dc转换器。
102.具体的，电堆需求总功率包括燃料电池向外输出的功率和燃料电池内部消耗的功率，燃料电池向外输出的功率即为功率限制输出值，燃料电池内部消耗的功率包括水泵实际消耗功率、空压机实际消耗功率和dc-dc转换器的损耗功率。
103.s103、根据所述电堆需求总功率及第一预设公式确定电堆设定输出电流。
104.可选的，第一预设公式为：
105.i＝0.0022*p-0.515 (3)
106.其中，i为所述电堆设定电流，p为所述电堆需求总功率。
107.具体的，基于电堆需求总功率，通过第一预设公式可以计算出电堆设定电流。
108.可选的，外部功率请求为车辆中整车控制器对所述燃料电池系统的功率请求。
109.具体的，当车辆启动时，车辆中整车控制器会对燃料电池系统发出外部功率请求，燃料电池系统根据外部功率请求和燃料电池系统的功率限制确定功率限制输出值。
110.示例性的，图8是本发明实施例提供的一种燃料电池系统的装置示意图。在上述实施例的基础上，参见图7，本发明实施例提供的燃料电池系统100包括：燃料电池电堆1、水泵2、空压机3、dc-dc转换器4、外部负载5、氢气进堆中压压力传感器6、空压机入口空气温度传感器7、出堆冷却液温度传感器8、dc-dc低端电压传感器9、dc-dc低端电流传感器10、dc-dc高端电压传感器11、dc-dc高端电流传感器12、水泵电压传感器13、水泵电流传感器14、空压机电压传感器15、空压机电压传感器16。汽车启动时，整车控制器会对燃料电池系统发出外部功率请求。燃料电池系统首先采集冷却液出堆温度和氢气进堆中压压力以计算第一功率限制和第二功率限制。然后将第一功率限制、第二功率限制和外部功率请求进行比较，选取其中的最小值作为功率限制输出值。然后将功率限制输出值于第一预设值和第二预设值进行比较，若功率限制输出值小于第一预设值，则将第一预设值作为功率限制输出值；若功率
限制输出值大于第二预设值，则将第二预设值作为功率限制输出值；若功率限制输出值大于或等于第一预设值，且小于或等于第二预设值，则仍将外部功率请求及燃料电池系统的功率限制中的最小值作为功率限制输出值。然后根据传感器采集到的燃料电池系统内部的各种参数计算水泵实际消耗功率、空压机实际消耗功率和dc-dc转换器的损耗功率并与功率限制输出值相加计算出电堆需求总功率。最后根据电堆需求总功率计算出所需电堆设定输出电流。实现了以当前燃料电池系统实际运行状态参数限制功率请求输出，进而保证了输出电流的准确度，使系统能够稳定、高效的运行。
111.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
112.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。