一种燃料电池系统冷态恒压启动控制方法与流程

本发明涉及氢燃料电池，尤其是指一种燃料电池系统冷态恒压启动控制方法。

背景技术：

1、氢燃料电池系统由于其零排放、效率高等优势被众多汽车厂商广泛研究并研发。其中系统中核心部件—氢燃料电池电堆的寿命及耐久性，对于系统能够保证长时间运行至关重要。除了电堆本身结构及内部膜电极的优异特性，还需要系统的正确控制方式，才能更有效地保证电堆的耐久性。其中系统冷态启动时，合理的冷态启动方法可以减少电堆处于高电位的时间，避免反极与欠氢现象。因此冷态启动方法的研究，对于电堆的寿命及耐久性尤其关键。

2、目前已经存在很多电堆冷态启动的方式，例如恒流启动、恒压启动、氧饥饿等。相比之下，恒压启动更有利于保护电堆的性能，延长电堆使用寿命。与恒流启动相比，恒压启动电堆电流上升速度与阳极供氢控制更加困难，易导致电堆反极与单片电压过低问题。采用电压控制电流，电流变化速度控制变得更加复杂与困难。另外，恒压切换恒流时，易导致电压电流突变、供气不足及高电位长时间工作等问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种燃料电池系统冷态恒压启动控制方法，能够保证电堆电流快速稳定上升，防止启动过程中出现反极、单片电压过低、供氢不足、高电位长期工作等问题，使得在系统冷态启动时能够有效保护电堆，延长电堆使用寿命，提高电堆的耐久性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池系统冷态恒压启动控制方法，包括：

3、判断系统是否进入电堆冷态启动恒压控制模式；

4、若进入所述电堆冷态启动恒压控制模式，判断电堆性能是否已经恢复，若恢复，系统进入电堆恒压切恒流切换等待模式，否则，系统维持所述电堆冷态启动恒压控制模式；

5、若系统进入所述电堆恒压切恒流切换等待模式，判断系统是否进入电堆冷态恒压切恒流控制模式，若进入，控制方式由恒压控制切换为恒流控制，控制电堆目标电流不断按电堆目标电流跟随控制，使得电堆目标电流与电堆实际电流一致，系统进入电堆冷态启动完成模式。

6、在本发明的一种实施方式中，判断系统是否进入电堆冷态启动恒压控制模式，包括：

7、电堆在开机吹扫完成之后，进入冷态启动控制等待模式；

8、当电堆参考温度低于冷态启动阈值、电堆开路电压已经建立、电堆不存在单片电压异常且dcdc变换器控制模式为恒压模式时，进入电堆冷态启动恒压控制模式；

9、所述单片电压异常包括单片电压过低异常、存在单片反极异常或单片电压一致性差异常。

10、在本发明的一种实施方式中，判断电堆性能是否已经恢复，包括：

11、判断电堆参考温度是否大于电堆恒压启动完成温度阈值，若成立，则电堆性能已经恢复。

12、在本发明的一种实施方式中，所述电堆冷态启动恒压控制模式，包括：

13、判断系统是否满足电堆恒压控制条件；

14、若满足，根据电堆参考温度查电堆启动目标电压初始值曲线，根据所述目标电压初始值曲线得到电堆目标电压；

15、判断电压变化方向，当电堆目标电压大于电堆实际电压时，电堆电压上升条件满足，电堆电压按照步长增大到电堆目标电压；

16、当电堆实际电流大于电堆低温启动电流上限值且电堆目标电压小于电堆实际电压时，电堆电压闭环增大控制；

17、当电堆实际电流小于电堆低温启动电流下限值且电堆实际电压大于电堆冷态启动目标电压时，电堆电压按照斜坡下降控制电堆目标电压；

18、其中，所述电堆恒压控制条件包括：

19、电堆目标电流大于或等于dcdc变换器最小工作电流；

20、氢气压力高于启动最低压力且氢气循环泵转速高于启动最低转速；以及

21、电堆冷态吹扫完成。

22、在本发明的一种实施方式中，电堆电压按照斜坡下降控制电堆目标电压，包括：

23、在第一下降段，从电堆目标电压初始值开始，逐步降低电堆目标电压，直到达到电堆冷态启动的第一目标电压，第一下降段的步长和延时取电堆冷态启动的第一下降电压步长和延时；

24、若电堆实际电流小于电堆低温启动电流下限值，或者电堆参考温度上升速度小于速度阈值，进入第二下降段，从第一目标电压开始，逐步降低电堆目标电压，直到达到电堆冷态启动的第二目标电压，第二下降段的步长和延时取电堆冷态启动的第二下降电压步长和延时；

25、若第二下降段后电堆实际电流未达到电堆低温启动电流下限值，或者电堆参考温度上升速度小于速度阈值，则进入第三下降段，在第二目标电压的基础上，再次降低电堆目标电压，直到达到电堆冷态启动的第三目标电压，第三下降段的步长和延时取决于电堆冷态启动的第三下降电压步长和延时；

26、重复上述步骤，若电堆目标电压等于电堆冷态启动的第n目标电压时，n为大于或等于3的整数，而电堆实际电流仍然低于电堆低温启动电流下限值，则保持当前时刻的电堆目标电压不变；如果电堆实际电流高于电堆低温启动电流下限值，则维持电堆目标电压保持高于电堆冷态启动的第n目标电压的水平不变。

27、电堆电压斜坡控制下降段数n具体计算如下：

28、预设电堆电压斜坡控制下降段数；

29、或者，根据电堆温度自适应控制：在进入电堆冷态启动恒压控制模式瞬间，系统捕捉电堆冷却出口温度并赋值给电堆冷态启动初始温度。根据电堆冷态启动初始温度与电堆冷却液出口温度查特征脉谱获取电堆电压斜坡控制下降段数，或根据电堆冷态启动初始温度查特征曲线获得电堆电压斜坡控制下降段数；

30、或者，根据电堆温度分段控制：电堆冷态启动初始温度计算同上，若电堆冷态启动初始温度高于电堆冷态启动温度阈值1，电堆电压斜坡控制下降段数取电堆电压斜坡控制下降段数阈值1；若电堆冷态启动初始温度高于电堆冷态启动温度阈值2且低于电堆冷态启动温度阈值1，电堆电压斜坡控制下降段数阈值2；以此类推，将电堆冷态启动初始温度分成多个区间，每个区间预设不同的电堆电压斜坡控制下降段数。

31、在本发明的一种实施方式中，电堆电压闭环增大控制，包括：

32、根据电堆参考温度查表获得电堆启动电流上限值或电流下限值，当电堆实际电流高于电堆启动电流上限值时，电堆目标电压按照步长不断增大；当电堆实际电流低于电堆启动电流下限值时，电堆目标电压维持不变。

33、在本发明的一种实施方式中，判断系统是否进入电堆冷态恒压切恒流控制模式，包括：

34、判断电堆阳极供气压力是否稳定，若实际氢气压力与目标氢气压力差小于阈值且电堆目标电流与实际电流相等且维持预设时长，系统进入电堆恒压切换恒流控制模式。

35、在本发明的一种实施方式中，控制方式由恒压控制切换为恒流控制，系统进入电堆冷态启动完成模式，包括：

36、通过fccu与dcdc变换器交互控制使得控制模式由恒压控制切换为恒流控制；

37、若不存在切换异常，系统进入电堆冷态启动完成模式；

38、所述切换异常包括切换后导致电堆实际电流大于电堆最大电流或电堆电压低于电堆启动最低电压或电堆单片电压存在异常。

39、在本发明的一种实施方式中，系统进入电堆冷态恒压切恒流控制模式后，若电堆实际电流大于电堆最大电流或电堆电压低于电堆启动最低电压或电堆单片电压存在异常，则系统进入电堆冷态启动失败模式，电堆目标电压降到电堆冷态启动电压初始值，电堆目标电流设为怠速电流，然后进入停机流程。

40、在本发明的一种实施方式中，电堆目标电流跟随控制包括：

41、在电堆进入电堆恒压切换恒流准备模式后，电堆目标电流按照斜坡过渡跟随电堆实际电流或者直接被电堆实际电流赋值；

42、在电堆进入电堆冷态启动切换完成模式后，电堆目标电流维持不变，在系统启动成功后进入运行发电模式；

43、在运行发电模式，电堆目标电流根据整车控制器负载需求调整。

44、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

45、本发明所述的一种燃料电池系统冷态恒压启动控制方法，基于不同电堆温度下电堆极化特性与电堆性能，分别采用电堆电压初始值、电堆电压下降段（可细分n≥3段）、电堆电压上升段等三段控制电堆电压，可有效防止冷态启动过程中出现的反极、单片电压过低、供氢不足、高电位长期工作等问题。在冷态启动成功后，恒压切换恒流模式时，采用电堆目标电流跟随控制，保证恒压切换过程中电压电流不突变，阳极不欠气，无高电位工作时间过长等问题，能够保护电堆性能与延长电堆寿命。