CN106410241B - 用于控制燃料电池启动的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制燃料电池启动的***和方法。该方法包括：当接收到燃料电池启动的接通信号时比较所导出的电池堆的内部温度和预定的参考温度值，并确定电池堆的内部温度是否低于参考温度值。然后，当所导出的电池堆的内部温度低于参考温度值时，使用电池堆的内部温度导出所需的热值。增加燃料电池的电池堆的温度直到由燃料电池的电池堆的温度增加所形成的累积热值等于所需热值。

Description

用于控制燃料电池启动的方法和***

技术领域

本发明涉及用于控制燃料电池启动的方法和***，其即使不驱动冷却剂泵也能使用燃料电池的累积热值控制冷启动驱动模式。

背景技术

在一般情况下，燃料电池利用作为燃料的氢气与空气中的氧气的电化学反应来产生电力，并且排出热量和水作为反应副产物。此外，当车辆在冬季或寒冷天气停放较长时间时在零下温度的大气条件下，在包括燃料电池如质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为动力源的燃料电池车辆中残留在燃料电池的电池堆中的水可冻结，从而显著降低冷启动性能。

因此，当车辆在低大气温度下熄火时，当残留在电池堆中的水不被去除或排出时，由于水的冻结，在下一次冷启动时存在困难。换句话说，当在电池堆中形成的冰未熔化时启动燃料电池时，冰阻碍氢气和空气供给路径，从而造成启动不良并扰乱燃料电池的正常运行。

因此，已经提出控制燃料电池的冷启动的各种方法以防止溢流(flooding)现象。例如，现有技术中的一个方法包括：仅以防止在燃料电池中形成的水被冻结的量供应电流，并且因此保证冷启动期间燃料电池的启动可靠性。然而，在现有技术中，设置在电池堆的空气出口处的温度传感器用于检测电池堆的内部温度。当空气流量高因而空气的热容量大时，电池堆的内部温度可以使用空气出口处的空气温度传感器来间接反映，但当空气的流量低或严重改变时，间接反映电池堆的内部温度是困难的，并且在空气从电池堆排出之后空气可在共同分布结构中被快速冷却，因此，没有反映出内部温度的增加。

前述内容仅仅旨在帮助理解本发明的背景技术，并且并不旨在意指本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

因此，本发明提供用于控制燃料电池启动的方法和***，其即使不使用燃料电池的电池堆的温度传感器也可使用燃料电池的累积热值适当控制燃料电池的冷启动驱动模式。

根据一个方面，控制燃料电池启动的方法可包括：当接收到燃料电池启动的接通信号时，由控制器比较由温度感测单元导出的电池堆的内部温度和预定的参考温度值，并确定电池堆的内部温度是否低于参考温度值；当所导出的电池堆的内部温度低于参考温度值时，由控制器使用由温度感测单元所导出的电池堆的内部温度导出所需热值；以及在控制器中增加燃料电池的电池堆的温度直到由燃料电池的电池堆的温度增加所形成的累积热值等于在所需热值导出操作中所导出的所需热值。在所需热值导出中，电池堆的内部温度可通过根据燃料电池的启动关断状态保持时间补偿在控制器中使用温度感测单元所计算的燃料电池的电池堆的冷却剂的温度来导出。

该方法还包括：在所需热值导出操作之后，通过在控制器中将燃料电池的电池堆的电压和电流值相乘来导出瞬时热值；以及由控制器通过根据时间变化从温度开始增加的时刻起对所导出的瞬时热值进行积分来导出累积热值。此外，该方法可包括在所需热值导出操作之后在控制器中使用以下公式计算累积热值：

其中T1：温度增加起始时间，T2：当前时间，V2：理论电压，V1：实际电压，I：电池堆电流。

该方法可进一步包括：在温度增加过程之后，在控制器中将车辆输出限制到预定的输出极限值；随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，由控制器改变输出极限值；以及当所增加的燃料电池的电池堆的累积热值为预定参考累积热值或更大时，在控制器中驱动燃料电池的电池堆的冷却剂泵。

在改变输出极限值时，随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，输出极限值可逐渐增加。此外，控制器可配置成当所增加的燃料电池的电池堆的累积热值大于预定的最小累积热值时，改变输出极限值。最小累积热值可小于参考累积热值。在输出极限改变中，随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，输出极限值可改变为逐渐增加。该方法还包括在冷却剂泵驱动操作之后在控制器中根据累积热值完成对车辆输出的限制。

根据另一个方面，用于控制燃料电池启动的***可包括：温度感测单元，其配置成感测或导出燃料电池的电池堆的内部温度；温度比较单元，其配置成比较所导出的燃料电池的电池堆的内部温度与预定的参考温度值；以及控制器，其配置成当燃料电池的电池堆的内部温度小于参考温度值时使用电池堆的内部温度导出所需热值，以及增加燃料电池的电池堆的温度直到由温度增加所产生的累积热值等于所导出的热值。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和其它有益效果将通过下面参照附图的详细描述而被更加清晰地理解，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例控制燃料电池启动的方法的流程图；以及

图2是示出根据本发明的示例性实施例控制燃料电池启动的***的框图。

具体实施方式

应当理解，如本文所用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括机动车辆，通常如乘用车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车，各种商用车，水运工具，包括各种船舶，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧***式混合动力电动车辆、氢为动力的车辆和其它替代燃料的车辆(例如，来自非石油来源的衍生燃料)。如本文所指，混合型车辆为具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电动力车辆。

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元以执行示例性过程，但是应当理解示例性过程也可通过多个模块来执行。另外，应当理解术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成存储模块，并且处理器经特别配置为执行所述模块以进行以下进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑部件可经实施为在包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂态计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括(但不限于)ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在联网计算机***中，使得计算机可读介质被存储并且(例如)通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布方式执行。

本文所用术语仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明。除非上下文另外明确致命，否则如本文所用，单数形式“一”和“所述”旨在还包括复数形式。应当理解，术语“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”当用于本说明书中时，指定规定的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目中的任何和所有组合。

除非上下文明确指出或显而易见，否则如本文所用术语“约”被理解为在本领域的标准公差的范围内，例如平均值的2个标准偏差的范围内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％的范围内。除非上下文明确指出，否则本文所提供的所有数值均被术语“约”修饰。

在下文中，将参照附图描述本发明的示例性实施例。如本文所述的方法可通过具有处理器和存储器的控制器100来执行。

如图1所示，根据本发明的控制燃料电池启动的方法可包括：当在控制器100中接收到燃料电池启动的接通信号时比较由温度感测单元(例如，传感器)导出的电池堆的内部温度和预定的参考温度值，以检测电池堆的内部温度是否低于参考温度值(S100)；当所导出的电池堆的内部温度低于参考温度值时，使用由在控制器100中的温度感测单元所导出的电池堆的内部温度导出温度增加所需的热值(下文称为“所需热值”)(S200)；以及增加燃料电池的电池堆的温度直到由燃料电池的电池堆的温度增加所形成的累积热值与在所需热值导出中所导出的所需热值相同(S300)。

参考温度值作为比较标准对应于用于在温度比较S100中在控制器100中确定燃料电池的启动条件是否为冷启动条件。因此，在燃料电池中水冻结的温度可为参考温度值。通常，由于水在0℃下冻结，所以参考温度值可设为0℃。然而，可基于燃料电池的状态和条件选择参考温度值。在温度比较S100之后进行的所需热值导出S200中，可使用由温度感测单元导出的电池堆的内部温度来导出所需热值。

由位于电池堆的冷却剂中的温度传感器所测量的温度值可以直接用作电池堆的内部温度。然而，当启动燃料电池时或在燃料电池启动关断后即刻，电池堆的冷却剂的温度可实时反映出电池堆的内部温度，因此，即使电池堆的冷却剂的温度估计为电池堆的内部温度也可以避免显著误差。当燃料电池处于启动关断状态时，由于冷却剂的流动停止，所以不能实时反映出电池堆的内部温度。因此，可随着时间的推移由于电池堆的内部和电池堆的冷却剂之间的比热差而出现温度差。因此，本发明提出一种补偿该差的方法。

本发明提出一种根据燃料电池的启动关断状态保持时间补偿使用温度感测单元计算的燃料电池的电池堆的冷却剂的温度的方法。多种方法可作为补偿方法来提供。可提供随着时间推移使用冷却剂的比热值和电池堆的内部空气的比热值进行补偿的方法，并且可使用包括作为输入值的电池堆的冷却剂的温度和作为输出值的电池堆的内部温度的映射图数据(map data)导出电池堆的内部温度。

可使用前述说明和方法导出电池堆的内部温度，然后可使用所导出的电池堆的内部温度来导出所需热值。所需热值表示为了提高在低温条件下燃料电池的效率和耐久性而执行的增加燃料电池的电池堆的温度所需的热值。此外，可使用多种方法来导出所需热值。代表性的方法可以是将所导出的电池堆的内部温度和电池堆的目标温度之差和电池堆的内部空气的热容量相乘。因此，所需热值可随着电池堆的初始内部温度的降低和电池堆中的空气量的增加而增加。

在所需热值导出S200之后进行的温度增加过程S300，燃料电池的电池堆的温度可增加，直到由燃料电池的电池堆的温度增加所形成的累积热值与所导出的所需热值大致相同。在当前步骤中可使用前述方法导出所需热值。累积热值表示当燃料电池的电池堆的温度增加所获得的热值的累积值。类似于所需热值，可使用多种方法导出累积热值，并且作为前述方法中的一例，本发明提出一种导出累积热值的方法。

根据本发明导出累积热值的方法为这样的导出累积热值的方法，其包括：将燃料电池的电池堆的电压和电流值相乘并导出瞬时热值的瞬时热值导出；和根据时间变化从温度开始增加的时刻起对所导出的瞬时热值进行积分并导出累积热值的累积热值导出。

可将电池堆的电压和电流相乘来导出瞬时热值。另外，当前步骤的电池堆的电压表示温度增加过程的额定电压和实际电压值之差，并且单位为[V]。电池堆的电流表示作为该该术语的原始含义的流过电池堆的电流值，并且单位为[A]。因此，瞬时热值可被认为是燃料电池的电池堆的瞬时输出(瞬时输出功率)，因为瞬时热值为电压和电流的乘积。

当温度增加持续以使用瞬时热值导出累积热值时，可根据时间变化对瞬时热值进行积分。用于导出累积热值的公式简单表示如下。

其中T1：温度增加起始时间，T2：当前时间，V2：理论电压，V1：实际电压，I：电池堆电流。

具体地，T1为温度增加起始时间并且对应于燃料电池启动的时间。累积热值表示从燃料电池的电池堆的温度开始增加的时刻起的热值的总值，并且因此积分变量的初始值可为温度增加起始时间。T2表示当前时间，即测量累积热值的时间。因此，可使用上述公式计算在燃料电池的温度开始增加之后的累积热值。

如图1所示，在温度增加过程S300之后，该方法可包括：由车辆的控制器将车辆输出限制到预定的输出极限值(S400)；随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，由车辆的控制器改变输出极限值(S430)；以及当所增加的燃料电池的电池堆的累积热值为预定参考累积热值或更大时，驱动或运行燃料电池的电池堆的冷却剂泵(S500)。

即使在温度增加过程S300期间通过所导出的所需热值增加温度，电池堆的内部温度也不能被认为是增加的，并且燃料电池的输出也不能被认为是正常状态中的输出。从而，燃料电池的输出需要适当地限制以防止燃料电池劣化并防止驾驶员感受到驱动性能的陌生感。

因此，本发明包括：输出限制过程S400和输出极限改变过程S430。输出限制过程S400可包括：在寒冷条件下完成启动的时刻限制车辆输出，并且输出极限改变过程S430可包括：由于燃料电池的输出可根据时间变化在冷驱动模式中向正常模式逐渐改善，因此根据时间变化改变燃料电池的输出极限。

输出极限值可依赖于在输出限制过程S400期间燃料电池和车辆的状态。然而，输出极限值为燃料电池的累积热值与所需热值大致相同时的值，输出极限值可与所需热值有紧密联系。当所需热值相当大时，由于在启动燃料电池之前提供足够的预热时间，输出极限值也可为大值。相反，当所需热值设为较低值并且因此快速启动燃料电池时，输出极限值可设为小值。

在完成启动之后，燃料电池的电池堆可被继续操作，从而由于当燃料电池运行时所产生的热量而连续增加燃料电池的电池堆的温度。因此，输出值可根据温度的改变而改变。由于温度增加可降低燃料电池的效率，所以即使可由于电池堆的温度增加而获得高输出，也可限制输出。因此，本发明提出一种利用输出极限改变过程S430改变输出极限的方法。在冷启动模式状态中限制输出的方法是本领域中已经普遍知道的，但在现有技术中，通常使用电池堆的冷却剂的温度限制输出，而不存在如本发明提出那样使用累积热值的先例。当如上所述使用累积热值时，燃料电池的电池堆的冷却剂泵的驱动可被最大限度地延迟以改善在低温下燃料电池的性能。

本发明提出多种方法作为改变输出极限的方法。在这些方法中，包括随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，逐渐增加输出极限值。如上所述，燃料电池的电池堆的操作可靠性可随着累积热值增加而逐渐增加，从而实现高输出。因此，输出极限值可根据电池的效率随着累积热值增加而增加。

当累积热值与所需热值大致相同时，输出极限值可具有如上所述的各种值。然而，通常，当累积热值恰好与所需热值相同时，由于理想与现实之间存在差距，燃料电池的电池堆的输出值可能不被设为输出极限值。因此，输出极限值可被设为相对于使用多种方法导出的理想输出极限值具有预定裕量的值。因此，本发明提出一种当增加的燃料电池的电池堆的累积热值大于预定最小累积热值时在车辆的控制器中改变输出极限值的方法，假设如改变输出极限值的方法那样，输出极限值具有前述裕量值。

在累积热值达到最小累积热值之前，可使用初始输出极限值(例如，累积热值与所需热值大致相同时的输出极限值)的裕量补偿输出极限值，因此，可不改变输出极限值。然而，当累积热值大于最小累积热值时，可使用初始输出极限值的裕量获得大于最小累积热值的输出，因此，可改变输出极限值。对于改变方法，如前述方法，随着燃料电池的电池堆的累积热值增加，输出极限值可逐渐增加。

在本发明中，最小累积热值可小于作为当驱动冷却剂泵时的判断标准的参考累积热值，并且可根据当累积热值与所需热值大致相同时的输出极限值设定。换句话说，当输出极限值设置有相当大的裕量值时，最小累积热值可为相当大的，并且当裕量值被设定为小值时，最小累积热值可能无法与所需热值显著不同。

可以使用上述方法来改变输出极限，并且当累积热量值为参考累积热值或更大时可驱动冷却剂泵。当累积热值为参考累积热值或更大时，燃料电池的电池堆可能过热。具体地，可以操作冷却剂泵来循环冷却剂，由此防止电池堆过热。因此，可使用即使在冷却剂不循环时燃料电池仍然具有正常性能的燃料电池的电池堆的内部温度值导出参考累积热值。当燃料电池即使在高温下仍具有可靠的性能时，参考累积热值可被设置为高。

在驱动冷却剂泵之后，控制器可配置成根据累积热值完成对车辆输出的限制。在驱动冷却剂泵之后，可使用基于现有技术的冷却剂温度的使输出限制来限制车辆的输出，因此，可以根据累积热值完成对车辆的输出的限制逻辑。因此，当累积热值与参考累积热值大致相同时，输出极限值可对应于基于冷却剂温度的输出限制中的初始输出极限值。

根据本发明控制燃料电池启动的***可包括：温度感测单元200(例如，传感器)，其配置成导出或测量燃料电池的电池堆的内部温度；温度比较单元300，其配置成比较所导出的燃料电池的电池堆的内部温度与预定的参考温度值；以及控制器100，其配置成当燃料电池的电池堆的内部温度小于参考温度值时使用电池堆的内部温度导出所需热值，以及增加燃料电池的电池堆的温度直到由温度增加所产生的累积热值与所导出的热值大致相同。如上所述各种装置可由控制器100操作。

燃料电池的温度可适当增加，并且即使燃料电池的冷却剂不循环仍可通过本***限制输出。因此，可最大限度地延迟零下温度的冷却剂流入电池堆中，从而能够改善燃料电池在低温下的驱动性能。换句话说，控制器100可配置成不使用燃料电池的冷却剂的温度传感器，而是导出燃料电池的热值，并使用该热值作为用于操作燃料电池的判定标准，从而提高在低温下燃料电池的效率和耐久性。

根据本发明，可实现以下效果。

第一，能够最大程度地延迟零下温度的冷却剂流入到电池堆中，从而提高燃料电池车辆的低温行驶性能。

第二，可使用燃料电池的电池堆的累积热值来调节操作冷却剂泵的时间点，由此可以防止电池堆过热。

第三，能够控制冷启动起动驱动模式并且不基于电池堆的温度传感器仅使用累积热值解除输出极限。

尽管为了示例性目的已经描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附的权利要求书中所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明作出各种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种控制燃料电池启动的方法，包括以下步骤：

当接收到所述燃料电池启动的接通信号时，由控制器比较由温度感测单元导出的电池堆的内部温度和预定的参考温度值，并确定所述电池堆的内部温度是否低于所述参考温度值；

当所导出的电池堆的内部温度低于所述参考温度值时，由所述控制器使用所导出的电池堆的内部温度导出温度增加所需的热值；

由所述控制器增加所述燃料电池的电池堆的温度直到由所述燃料电池的电池堆的温度增加所形成的累积热值等于所导出的所需热值；

由所述控制器将车辆输出限制到预定的输出极限值；

随着所述燃料电池的电池堆的累积热值增加，由所述控制器改变所述输出极限值；以及

当所增加的所述燃料电池的电池堆的累积热值为预定参考累积热值或更大时，由所述控制器驱动所述燃料电池的电池堆的冷却剂泵。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在导出所需热值时，所述电池堆的内部温度通过根据所述燃料电池的启动关断状态保持时间补偿使用所述温度感测单元计算的燃料电池的电池堆的冷却剂的温度来导出。

3.根据权利要求1所述的方法，在所需热值导出操作之后还包括以下步骤：

由所述控制器通过将所述燃料电池的电池堆的电压和电流值相乘来导出瞬时热值；以及

由所述控制器通过根据时间变化从所述温度开始增加的时刻起对所导出的瞬时热值进行积分来导出累积热值。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在所需热值导出操作之后由所述控制器使用以下公式计算所述累积热值：

其中T1：温度增加起始时间，T2：当前时间，V2：理论电压，V1：实际电压，I：电池堆电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其中随着所述燃料电池的电池堆的累积热值增加，所述输出极限值逐渐增加。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

当所增加的所述燃料电池的电池堆的累积热值大于预定的最小累积热值时，由所述控制器改变所述输出极限值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述最小累积热值小于参考累积热值。

8.根据权利要求6所述的方法，其中随着所述燃料电池的电池堆的累积热值增加，所述输出极限值改变为逐渐增加。

9.根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤：

在冷却剂泵驱动操作之后由所述控制器根据所述累积热值完成对车辆输出的限制。

10.一种用于控制燃料电池启动的***，其包括：

温度感测单元，其配置成导出所述燃料电池的电池堆的内部温度；

温度比较单元，其配置成比较所导出的所述燃料电池的电池堆的内部温度与预定的参考温度值；以及

控制器，其配置成当所述燃料电池的电池堆的内部温度小于所述参考温度值时使用所述电池堆的内部温度导出所需热值，并且增加所述燃料电池的电池堆的温度直到由温度增加所产生的累积热值等于所导出的所需热值；

其中所述控制器进一步配置成：

将车辆输出限制到预定的输出极限值；

随着所述燃料电池的电池堆的累积热值增加，改变所述输出极限值；以及

当所增加的所述燃料电池的电池堆的累积热值为预定参考累积热值或更大时，驱动所述燃料电池的电池堆的冷却剂泵。

11.根据权利要求10所述的***，其中所述电池堆的内部温度通过根据所述燃料电池的启动关断状态保持时间补偿使用所述温度感测单元计算的燃料电池的电池堆的冷却剂的温度来导出。

12.根据权利要求10所述的***，其中所述控制器进一步配置成：

通过将所述燃料电池的电池堆的电压和电流值相乘来导出瞬时热值；并且

通过根据时间变化从所述温度开始增加的时刻起对所导出的瞬时热值进行积分来导出累积热值。

13.根据权利要求10所述的***，其中所述控制器进一步配置成：

在所需热值导出操作之后使用以下公式计算所述累积热值：

其中T1：温度增加起始时间，T2：当前时间，V2：理论电压，V1：实际电压，I：电池堆电流。

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