车载燃料电池电堆自增湿控制方法及车辆与流程

1.本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及车载燃料电池电堆自增湿控制方法及车辆。


背景技术：

2.目前电动汽车越来越受到大众的欢迎，电动汽车以燃料电池系统作为动力源，燃料电池系统一般包括燃料电池电堆、空气供应系统、氢气供应系统和冷却系统。对于燃料电池系统来说，控制燃料电池系统内水含量平衡能提高燃料电池系统的性能，因为若燃料电池电堆内水含量过少会导致质子交换膜膜干，从而增加欧姆极化损失并影响质子传输，进而影响燃料电池电堆的性能，因此控制燃料电池系统内水含量平衡是非常重要的。
3.现有技术中的自增湿燃料电池水热管理系统的控制方法中，由控制器计算出燃料电池阴、阳极两侧的实际压降值，并由控制器将实际压降值与燃料电池正常工作情况下的阴、阳极两侧的理论压降值进行比较，以判断燃料电池内的水含量状态，当阴/阳极侧实际压降值大于理论压降值时，燃料电池的阴/阳极侧处于水淹状态；当阴/阳极侧实际压降值小于理论压降值时，燃料电池的阴/阳极侧处于膜干状态。然而，由于阴极/阳极侧气体压力变化大和压力传感器检测容易出现误差的原因，导致通过实际压降值与理论压降值进行比较来判断燃料电池内的水含量状态，不够准确，精度差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了车载燃料电池电堆自增湿控制方法及车辆，以解决现有技术中通过实际压降值与理论压降值进行比较来判断燃料电池内的水含量状态，不够准确，精度差的问题。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：车载燃料电池电堆自增湿控制方法，包括：s1：燃料电池电堆进行拉载；s2：根据理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1、理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态；s3：若膜电极处于膜干状态，则进行s4；s4：燃料电池进入电堆自增湿程序并计时；s5：判断进入电堆自增湿程序的时间是否达到设定时间；若是，则进行s6；s6：根据实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa、实际阳极压差与理论阳极压差的比值pb以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态；s7：若膜电极处于正常状态，则结束电堆自增湿程序。
6.作为优选，在s1和s2之间还包括：
测量燃料电池阴极入口的空气压力、阴极出口的空气压力、阳极入口的氢气压力、阳极出口的氢气压力以及燃料电池电堆总电压；根据燃料电池阴极入口的空气压力和阴极出口的空气压力，得到实际阴极压差；根据燃料电池阳极入口的氢气压力和阳极出口的氢气压力，得到实际阳极压差；根据燃料电池电堆总电压，得到实际平均单体电压。
7.作为优选，根据燃料电池电堆总电压，得到实际平均单体电压包括：燃料电池电堆总电压除以电堆单体片数等于实际平均单体电压。
8.作为优选，根据理论阴极压差与实际阴极压差的差值、理论阳极压差与实际阳极压差的差值以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值，判断燃料电池的膜电极含水量状态包括：判断所述理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1是否大于理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，所述理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2是否大于理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,以及所述实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v是否小于第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va；若所述理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1大于所述理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，所述理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2大于所述理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,并且所述实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v小于所述第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va，则膜电极处于膜干状态。
9.作为优选，根据实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa、实际阳极压差与理论阳极压差的比值pb以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态包括：判断所述实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa是否大于阴极压差恢复系数限值ka，所述实际阳极压差与理论阳极压差的比值kb是否大于阳极压差恢复系数限值kb，以及所述实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v是否大于第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值vb；若所述实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa大于所述阴极压差恢复系数限值ka，所述实际阳极压差与理论阳极压差的比值kb大于所述阳极压差恢复系数限值kb，并且所述实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v大于第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值vb，则膜电极处于正常状态。
10.作为优选，在s3和s4之间还包括：散热系统控制燃料电池电堆冷却温度降低。
11.作为优选，散热系统控制燃料电池电堆冷却温度降低包括：散热系统控制进入燃料电池电堆的冷却液温度t1小于电堆冷却液进水温度限值ta，并且进入燃料电池电堆的冷却液温度与流出燃料电池电堆的冷却液温度差值t2小于电堆冷却液进出水温差限值tb。
12.作为优选，在s4和s5之间还包括：整车控制器根据车辆所需功率，判断燃料电池进入电堆自增湿程序后是否影响车辆正常工作；
若影响，则结束电堆自增湿程序；若不影响，则进行s5。
13.作为优选，在s4和s5之间还包括：整车控制器将燃料电池进入电堆自增湿程序的信号发送至仪表；仪表上显示燃料电池进入增湿状态。
14.车辆，采用上述的车载燃料电池电堆自增湿控制方法。
15.本发明的有益效果：本发明提供了车载燃料电池电堆自增湿控制方法和车辆，该车载燃料电池电堆自增湿控制方法，根据理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1、理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态；若膜电极处于膜干状态，则燃料电池进入电堆自增湿程序并计时，设定时间后，根据实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa、实际阳极压差与理论阳极压差的比值pb以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态；若膜电极处于正常状态，则结束电堆自增湿程序。由于电压的检测相对于阴/阳极气体压力检测更加准确，干扰因素少，在判断燃料电池的膜电极含水量状态时，以实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v作为判断条件之一能增加准确性，以使该车载燃料电池电堆自增湿控制方法更加准确。并且由于燃料电池本身设有测量燃料电池阴极入口的空气压力的压力传感器、测量阴极出口的空气压力的压力传感器、测量阳极入口的氢气压力的压力传感器和测量阳极出口的氢气压力的压力传感器，不需要为了自增湿控制另外增设硬件。
附图说明
16.图1是本发明具体实施例提供的车载燃料电池电堆自增湿控制方法的流程图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
18.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
20.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的
方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
21.本发明提供了车载燃料电池电堆自增湿控制方法，如图1所示，该车载燃料电池电堆自增湿控制方法包括：s1：燃料电池电堆进行拉载。
22.在运行过程中，实时测量燃料电池阴极入口的空气压力、阴极出口的空气压力、阳极入口的氢气压力、阳极出口的氢气压力以及燃料电池电堆总电压。
23.由于燃料电池本身设有测量燃料电池阴极入口的空气压力的压力传感器、测量阴极出口的空气压力的压力传感器、测量阳极入口的氢气压力的压力传感器和测量阳极出口的氢气压力的压力传感器，不需要为了自增湿控制另外增设硬件。
24.根据燃料电池阴极入口的空气压力和阴极出口的空气压力，得到实际阴极压差。具体地，实际阴极差值等于燃料电池阴极入口的空气压力和阴极出口的空气压力之差。
25.根据燃料电池阳极入口的氢气压力和阳极出口的氢气压力，得到实际阳极压差。具体地，实际阳极差值等于燃料电池阳极入口的氢气压力和阳极出口的氢气压力之差。
26.根据燃料电池电堆总电压，得到实际平均单体电压。具体地，燃料电池电堆总电压除以电堆单体片数等于实际平均单体电压。
27.s2：根据理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1、理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态。
28.由于电压的检测相对于阴/阳极气体压力检测更加准确，干扰因素少，在判断燃料电池的膜电极含水量状态时，以实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v作为判断条件之一能增加准确性。
29.具体地，判断理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1是否大于理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2是否大于理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v是否小于第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va。
30.若理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1大于理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2大于理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,并且实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v小于第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va，则膜电极处于膜干状态。
31.若不能同时满足理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1大于理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2大于理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,并且实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v小于第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va这三个条件，则响应整车拉载需求，不进行自增湿程序；或，进入其他判断程序。
32.其中，计算理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1、理论阳极压差与实际阳极压差的差值p2和实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，以及判断理论阴极压差与实际阴极压差的差值p1是否大于理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1，理论阳极压
差与实际阳极压差的差值p2是否大于理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2,以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v是否小于第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va，都是由燃料电池控制器完成的。
33.理论阴极压差、理论阳极压差、理论平均单体电压分别为燃料电池正常工作情况下的阴极压差、阳极压差和平均单体电压，理论阴极压差、理论阳极压差、理论平均单体电压、理论阴极压差与实际阴极压差的差值限值k1、理论阳极压差与实际阳极压差的差值限值k2与第一实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值va均预存于燃料电池控制器中。
34.s3：若膜电极处于膜干状态，则进行s4。
35.在进入电堆自增湿程序之前，散热系统控制燃料电池电堆冷却温度降低。
36.具体地，散热系统控制进入燃料电池电堆的冷却液温度t1小于电堆冷却液进水温度限值ta，并且进入燃料电池电堆的冷却液温度与流出燃料电池电堆的冷却液温度差值t2小于电堆冷却液进出水温差限值tb。能使在燃料电池增湿过程中，散热系统保持较低的冷却温度，能减少膜电极内水分蒸发，以提高燃料电池增湿效率。
37.s4：燃料电池进入电堆自增湿程序并计时。
38.其中，电堆自增湿程序属于现有技术，在此不再赘述。
39.在燃料电池进入电堆自增湿程序时，整车控制器将燃料电池进入电堆自增湿程序的信号发送至仪表；仪表上显示燃料电池进入增湿状态。以提示驾驶员燃料电池正在进行增湿。
40.整车控制器根据车辆所需功率，判断燃料电池进入电堆自增湿程序后是否影响车辆正常工作；若影响，则结束电堆自增湿程序；若不影响，则进行s5。
41.其中，整车控制器如何根据车辆所需功率判断燃料电池进入电堆自增湿程序后是否影响车辆正常工作属于现有技术，在此不再赘述。
42.整车控制器根据车辆所需功率和动力电池状态等外部条件实时对燃料电池允许拉载功率进行判断，确保燃料电池在增湿时对整车其他部件的正常工作不产生影响。若燃料电池继续进行电堆自增湿程序将会对车辆其他部件工作产生影响，则结束电堆自增湿程序。
43.s5：判断进入电堆自增湿程序的时间是否达到设定时间；若是，则进行s6。
44.s6：根据实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa、实际阳极压差与理论阳极压差的比值pb以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v，判断燃料电池的膜电极含水量状态。
45.具体地，判断实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa是否大于阴极压差恢复系数限值ka，实际阳极压差与理论阳极压差的比值kb是否大于阳极压差恢复系数限值kb，以及实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v是否大于第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值vb。
46.若实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa大于阴极压差恢复系数限值ka，实际阳极压差与理论阳极压差的比值kb大于阳极压差恢复系数限值kb，并且实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v大于第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值
vb，则膜电极处于正常状态。
47.其中，阴极压差恢复系数限值ka、阳极压差恢复系数限值kb、第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值vb均预存于燃料电池控制器中。
48.若满足实际阴极压差与理论阴极压差的比值pa大于阴极压差恢复系数限值ka，实际阳极压差与理论阳极压差的比值kb大于阳极压差恢复系数限值kb，并且实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值v大于第二实际平均单体电压与理论平均单体电压的比值限值vb这三个条件，则说明阴/阳极流道内已经含有一定水分，并且平均单体电压已经恢复到了理论值，此时可以认定电堆状态恢复，可以结束电堆自增湿程序。如果三个条件中至少有一个条件没有满足，则说明电堆状态还未完成恢复，增湿失败，需要其他方式对电堆进行修复。
49.s7：若膜电极处于正常状态，则结束电堆自增湿程序。
50.本发明还提供了车辆，采用上述的车载燃料电池电堆自增湿控制方法。
51.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚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，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。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。