CN114883600B - 多层燃料电池控制***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层燃料电池控制***，包括运行参数获取模块、燃料电池控制器、冷却水***、空调***、燃料电池总成；燃料电池总成包括多个独立运行的单层燃料电堆，单层燃料电堆连接有氢气进气管和空气进气管，多个氢气进气管并联，多个空气进气管并联。本发明还公开了一种多层燃料电池控制***的控制方法，根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***、空调***的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆的工作状态和进气流量。本发明根据不同运行工况控制参与工作的单层燃料电堆数量和进气量，提高整燃料电池的工作效率。

Description

多层燃料电池控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池供电技术领域，具体地指一种多层燃料电池控制***及控制方法。
背景技术
目前市场上的氢燃料电池多采用的是整体式空气进气管路和氢气进气管路，应用于以往稳态输出功率的燃料电池***及常温的使用环境。但是随着燃料电池汽车技术的发展，越来越多的车辆动力架构采用全功率的燃料电池***及使用在严苛环境温度下，这意味着燃料电池***越来越多的运行在动态变化的负荷下，对燃料电池***动态负荷控制精度要求变高，对燃料电池***在低温等环境下的性能要求也更高。
中国专利CN102013505A公开了一种车用燃料电池氢气循环***，燃料电池氢气循环***包括多点顺序喷射***、文丘里管、氢气流量计和背压阀，多点顺序喷射***与文丘里管组合使用，实现燃料电池氢气循环。但是该技术方案只针对燃料电池多气路的氢气循环***控制，无法对燃料电池电堆运行进行多点、多气道进行控制，不涉及燃料电池电堆运行工况的***控制。不能根据电堆运行及冷却***功率需求等工况进行更细致的控制。不能很好的适应动态工况或低温等条件下的动态供氢控制需求。
中国专利CN112201813A公开了一种氢气燃料供应控制方法、燃料电池及汽车，通过氢瓶放气的流量模型计算供氢阀门前后压差和阀门动作的延迟时间的关系，对阀门的开闭时机进行精准控制，以达到平衡供氢管路压力，起到保护电堆和阀门件从而提高耐久性。该方案主要控制目标是阀门收到指令后的关断延时，效果是平衡供氢管路压力，控制内容较为简单。对于燃料电池***的动态指标没有关注，不涉及结合燃料电池电堆及***动态运行的供氢控制。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种多层燃料电池控制***及控制方法，可以根据燃料电池***的不同运行工况确定燃料电池的需求功率，从而控制多层燃料电池中参与工作的电堆数量，提高整个燃料电池的工作效率。
为实现上述目的，本发明提供一种多层燃料电池控制***，包括运行参数获取模块、燃料电池控制器、冷却水***、空调***、燃料电池总成；
所述运行参数获取模块用于获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度；
所述燃料电池总成包括多个独立运行的单层燃料电堆，所述单层燃料电堆连接有氢气进气管和空气进气管，多个所述氢气进气管并联，多个所述空气进气管并联；
所述燃料电池控制器用于在车辆启动阶段，根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***、空调***的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，还用于根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆的工作状态和进气流量。
进一步地，所述燃料电池控制器用于判定：当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于第一温度时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***并关闭空调***，禁止车辆行驶，优先开启位于中间的单层燃料电堆；当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于于第一温度且小于0℃，处于低温冷启动模式，开启冷却水***开启和空调***，并使空调***功率小于额定功率，允许车辆行驶。
进一步地，所述燃料电池控制器还用于根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正。
进一步地，所述单层燃料电堆包括极板和位于所述极板两侧的氢气通道和空气通道，所述极板包括多个并排间隔设置的单层直板和多个180°的弯曲极板，所述弯曲极板将多个单层直板首尾连接成一个连续结构。
进一步地，所述氢气通道两端分别设有氢气进气口和氢气排气口，所述空气通道两端分别设有空气进气口和空气排气口，所述氢气进气口与所述空气进气口均位于单层燃料电堆的异侧上端，所述氢气排气口和所述空气排气口均位于单层燃料电堆的异侧下端。
进一步地，多个所述氢气进气管同时与氢气分配器连接，所述氢气分配器与每个氢气进气管的连接处均设有氢气进气电磁阀，多个所述空气进气管并联且同时与空气分配器连接，所述空气分配器与每个空气进气管的连接处均设有空气进气电磁阀。
本发明还提供一种多层燃料电池控制***的控制方法，车辆启动时，获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度；根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***、空调***的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆的工作状态和进气流量。
进一步地，当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于第一温度时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***并关闭空调***，禁止车辆行驶；当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于于第一温度且小于0℃，处于低温冷启动模式，开启冷却水***开启和空调***，并使空调***功率小于额定功率，允许车辆行驶。
进一步地，当处于极低温冷启动模式时，将燃料电池目标输出功率除以单层燃料电堆最大功率，若除数为非整数则向上取整得到单层燃料电堆的开启数量N，控制位于燃料电池总成中间的N-个单层燃料电堆以单层燃料电堆最大功率运行，控制另外一个单层燃料电堆的氢气进气量和空气进气量，使其以剩余的燃料电池目标输出功率运行。
进一步地，根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正；当环境温度小于0℃时，所述动力需求功率修正系数大于1且与环境温度负相关。
本发明的有益效果：本发明在低温启动时，根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***、空调***的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆的工作状态和进气流量。且本发明的燃料电池总成包括多个独立运行的单层燃料电堆，单层燃料电堆连接有氢气进气管和空气进气管，多个氢气进气管并联，多个空气进气管并联。这样可以独立控制每层燃料电堆的工作状态和进气量，使开启的燃料电堆以最大功率运行，提高了整个燃料电池的工作效率。
附图说明
图1为本发明的燃料电池控制***结构示意图。
图2为本发明人燃料电池总成结构示意图。
图3为本发明单层燃料电堆结构示意图。
图中各部件标号如下：运行参数获取模块100、燃料电池控制器200、冷却水***300、空调***400、燃料电池总成500、单层燃料电堆510、极板511、氢气通道512、氢气进气口513、氢气排气口514、空气通道515、空气进气口516、空气排气口517、氢气通道隔板518、空气通道隔板519、氢气分配器520、氢气进气电磁阀521、氢气进气管530、氢气排气管540、空气分配器550、空气进气电磁阀551、空气进气管560、空气排气管570。
具体实施方式
下面具体实施方式用于对本发明的权利要求技术方案作进一步的详细说明，便于本领域的技术人员更清楚地了解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下面具体的实施例。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
如图1～3所示，一种多层燃料电池控制***，包括运行参数获取模块100、燃料电池控制器200、冷却水***300、空调***400、燃料电池总成500。
运行参数获取模块100用于获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度。
燃料电池总成500包括多个独立运行的单层燃料电堆510，单层燃料电堆510连接有氢气进气管530和空气进气管560，多个氢气进气管530并联，多个空气进气管560并联。多个氢气进气管530同时与氢气分配器520连接，氢气分配器520与每个氢气进气管530的连接处均设有氢气进气电磁阀521，多个空气进气管560并联且同时与空气分配器550连接，空气分配器550与每个空气进气管560的连接处均设有空气进气电磁阀551。
这样，通过控制氢气进气电磁阀521和空气进气电磁阀551的开闭状态和开闭时间，可以独立控制每个单层燃料电堆是否参与工作，以及参与工作时提供的功率。当单层燃料电堆的两个进气电磁阀始终全开时，其以单层燃料电堆最大功率工作，当两个进气电磁阀间歇性开启时，其以小于单层燃料电堆最大功率工作。
单层燃料电堆510包括极板511和位于极板511两侧的氢气通道512和空气通道515，极板上设有质子交换膜，极板511包括多个并排间隔设置的单层直板和多个180°的弯曲极板，弯曲极板将多个单层直板首尾连接成一个连续结构，单层燃料电堆510的一侧内壁上设有多个间隔设置的氢气通道隔板518，另一侧内壁上设有多个间隔设置的空气通道隔板519。这样在单层燃料电堆外形尺寸固定的情况下，可以延长极板和质子交换膜的长度，增加质子交换膜的反应面积，从而提高单层燃料电堆的能量密度。
氢气通道512两端分别设有氢气进气口513和氢气排气口514，空气通道515两端分别设有空气进气口516和空气排气口517，氢气进气口513与空气进气口516均位于单层燃料电堆510的异侧上端，氢气排气口514和空气排气口517均位于单层燃料电堆510的异侧下端。这样，氢气和氧气均沿着极板相同的方向流动，有利于氢质子和氧质子同时穿过质子交换膜，提高了氢氧质子的电解反应速率。
燃料电池控制器200用于在车辆启动阶段，根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***300、空调***400的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，还用于根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆510的工作状态和进气流量。
冷却水***300包括串联的PTC加热器、散热器、冷却水箱、水泵和控制阀门，并分别流经动力电池、燃料电池，并与空调***进行换热。空调***400既可以给冷却水***冷却又可以给乘员舱制冷。
燃料电池控制器200用于判定：当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于第一温度时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***300并关闭空调***400，禁止车辆行驶，优先开启位于中间的单层燃料电堆510；当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于于第一温度且小于0℃，处于低温冷启动模式，开启冷却水***300开启和空调***400，并使空调***400功率小于额定功率，允许车辆行驶。
燃料电池控制器200还用于，当判定处于极低温冷启动模式时，将燃料电池目标输出功率除以单层燃料电堆最大功率，若除数为非整数则向上取整得到单层燃料电堆的开启数量N，控制位于燃料电池总成500中间的N-1个单层燃料电堆以单层燃料电堆最大功率运行，控制另外一个单层燃料电堆的氢气进气量和空气进气量，使其以剩余的燃料电池目标输出功率运行。
燃料电池控制器200还用于根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正。
上述多层燃料电池控制***的控制方法如下：
1、车辆启动时，获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度。
2、根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***300、空调***400的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率，根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正，将冷却水***需求功率、空调***需求功率、动力需求功率和其他用电器需求功率相加得到燃料电池目标输出功率。当环境温度小于0℃时，动力需求功率修正系数大于1且与环境温度负相关。由于此时环境温度越低，动力功率损耗越大，在相同的车速和油门开度下需要响应的动力功率需求越大，因此动力需求功率修正系数越大，这样提高了动力需求功率的准确性。
2.1、当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于-20℃时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***300并关闭空调***400，禁止车辆行驶。此时由于温度过低使得燃料电池电解反应效率很低，单层燃料电堆最大输出功率很低，需要优先确保燃料电池在适合温度下进行电解反应，因此冷却水***处于加热状态、关闭空调***可以暂时不满足乘员舱制热，禁止车辆行驶可以减小动力需求功率，减小燃料电池目标输出功率。
2.2、当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于-20℃且小于0℃时，处于低温冷启动模式，开启冷却水***300开启和空调***400，并使空调***400功率小于额定功率，允许车辆行驶。此时燃料电池电解反应效率稍偏低，需要优先确保燃料电池在适合温度下进行电解反应，因此冷却水***处于加热状态、空调***仅能部分满足乘员舱制热，燃料电池目标输出功率可以满足动力需求功率，因此允许车辆行驶。
2.3、当电堆冷却水温大于0℃且环境温度小于0℃时，处于常温启动模式，此时冷却水***和空调***的需求功率根据试验数据标定得到，不强制控制冷却水***和空调***的开闭。
3、根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆510的工作状态和进气流量。
3.1、当处于极低温冷启动模式时，将燃料电池目标输出功率除以单层燃料电堆最大功率，若除数为非整数则向上取整得到单层燃料电堆的开启数量N，控制位于燃料电池总成500中间的N-1个单层燃料电堆以单层燃料电堆最大功率运行，控制另外一个单层燃料电堆的氢气进气量和空气进气量，使其以剩余的燃料电池目标输出功率运行。因为在极低温环境下，处于整个燃料电池总成上下两端的单层燃料电堆的温度更低，工作效率更低，因此优先让中间层工作，且中间层工作后温度会升高，从而同时向燃料电池总成上下两端传热，使得整个燃料电池总成温度均匀升高。
例如：当燃料电池目标输出功率为30KW、单层燃料电堆最大输出功率为14KW时，控制最中间的2个单层燃料电堆以最大输出功率14KW工作，控制旁边另一个单层燃料电堆以2KW工作，此时这2个单层燃料电堆对应的氢气和空气电磁阀均为始终开启状态，而输出功率为2KW的单层燃料电堆对应的氢气和空气电磁阀每隔一段时间开启一次进行喷射氢气和空气。
3.2当处于低温冷启动模式和常温冷启动模式时，不优先控制中间层的单层燃料电堆工作，而是根据功率需求曲线来确定各单层燃料电堆的工作顺序。

Claims (9)

1.一种多层燃料电池控制***，其特征在于：包括运行参数获取模块(100)、燃料电池控制器(200)、冷却水***(300)、空调***(400)、燃料电池总成(500)；
所述运行参数获取模块(100)用于获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度；
所述燃料电池总成(500)包括多个独立运行的单层燃料电堆(510)，所述单层燃料电堆(510)连接有氢气进气管(530)和空气进气管(560)，多个所述氢气进气管(530)并联，多个所述空气进气管(560)并联；
所述燃料电池控制器(200)用于在车辆启动阶段，根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***(300)、空调***(400)的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，还用于根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆(510)的工作状态和进气流量；
所述单层燃料电堆(510)包括极板(511)和位于所述极板(511)两侧的氢气通道(512)和空气通道(515)，所述极板(511)包括多个并排间隔设置的单层直板和多个180°的弯曲极板，所述弯曲极板将多个单层直板首尾连接成一个连续结构。
2.根据权利要求1所述的多层燃料电池控制***，其特征在于：所述燃料电池控制器(200)用于判定：当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于第一温度时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***(300)并关闭空调***(400)，禁止车辆行驶，优先开启位于中间的单层燃料电堆(510)；当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于第一温度且小于0℃，处于低温冷启动模式，开启冷却水***(300)开启和空调***(400)，并使空调***(400)功率小于额定功率，允许车辆行驶。
3.根据权利要求2所述的多层燃料电池控制***，其特征在于：所述燃料电池控制器(200)还用于根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正。
4.根据权利要求1所述的多层燃料电池控制***，其特征在于：所述氢气通道(512)两端分别设有氢气进气口(513)和氢气排气口(514)，所述空气通道(515)两端分别设有空气进气口(516)和空气排气口(517)，所述氢气进气口(513)与所述空气进气口(516)均位于单层燃料电堆(510)的异侧上端，所述氢气排气口(514)和所述空气排气口(517)均位于单层燃料电堆(510)的异侧下端。
5.根据权利要求1所述的多层燃料电池控制***，其特征在于：多个所述氢气进气管(530)同时与氢气分配器(520)连接，所述氢气分配器(520)与每个氢气进气管(530)的连接处均设有氢气进气电磁阀(521)，多个所述空气进气管(560)并联且同时与空气分配器(550)连接，所述空气分配器(550)与每个空气进气管(560)的连接处均设有空气进气电磁阀(551)。
6.一种如权利要求1所述多层燃料电池控制***的控制方法，其特征在于：车辆启动时，获取电堆冷却水温、环境温度、车速和油门开度；根据电堆冷却水温、环境温度确定冷却水***(300)、空调***(400)的需求功率和启动模式，根据车速和油门开度标定得到动力需求功率并得到燃料电池目标输出功率，根据燃料电池目标输出功率和启动模式确定每个单层燃料电堆(510)的工作状态和进气流量。
7.根据权利要求6所述的多层燃料电池控制***的控制方法，其特征在于：当电堆冷却水温小于0℃且环境温度小于第一温度时，处于极低温冷启动模式，开启冷却水***(300)并关闭空调***(400)，禁止车辆行驶；当电堆冷却水温小于0℃且环境温度大于第一温度且小于0℃，处于低温冷启动模式，开启冷却水***(300)开启和空调***(400)，并使空调***(400)功率小于额定功率，允许车辆行驶。
8.根据权利要求6所述的多层燃料电池控制***的控制方法，其特征在于：当处于极低温冷启动模式时，将燃料电池目标输出功率除以单层燃料电堆最大功率，若除数为非整数则向上取整得到单层燃料电堆的开启数量N，控制位于燃料电池总成(500)中间的N-1个单层燃料电堆以单层燃料电堆最大功率运行，控制另外一个单层燃料电堆的氢气进气量和空气进气量，使其以剩余的燃料电池目标输出功率运行。
9.根据权利要求6所述的多层燃料电池控制***的控制方法，其特征在于：根据环境温度标定得到动力需求功率修正系数，并对动力需求功率进行修正；当环境温度小于0℃时，所述动力需求功率修正系数大于1且与环境温度负相关。
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