一种燃料电池发动机控制系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机控制系统。


背景技术：

2.随着传统汽车对环境的污染问题日渐突出，纯电动汽车充电时间过长、续航里程受限等问题的不断暴露，氢燃料电池由于具有零污染、高效率、续航里程长的优点被广泛应用于汽车领域。
3.氢燃料电池汽车作为新能源汽车的一种，其燃料电池发动机和动力电池作为动力系统的核心部件。而在冬季低温情况下，燃料电池发动机低温启动时间过长，功率响应速率过慢，开关机次数过多，严重影响燃料电池发动机的寿命。并且，动力电池在低温情况下无法完成充电。
4.现有燃料电池发动机控制系统在低温情况下无怠速模式，功率响应速率较慢，开关机次数过多。并且，车用磷酸铁锂类动力电池在低温情况下，无法充电，无余热利用，升温时间过长。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池发动机控制系统，用以解决现有燃料电池发动机低温启动时间过长、功率响应速率过慢、开关机次数过多的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机控制系统，包括燃料电池发动机、双向dc-dc变压器、磷酸铁锂动力电池、钛酸锂电池、换热器和控制器；燃料电池发动机的供电端与磷酸铁锂动力电池连接，并经双向dc-dc变压器与钛酸锂电池连接，其换热管路与换热器的支路一连接；钛酸锂电池内部设置换热管路，所述换热管路与换热器的支路二连接；控制器，用于发动机启动时，控制钛酸锂电池通过双向dc-dc变压器向燃料电池发动机中bop（辅助系统）供电，直到启动成功；发动机启动后，控制换热器进入工作模式，以使燃料电池发动机产生的热量给磷酸铁锂动力电池快速升温；以及，在怠速工况下，控制燃料电池发动机通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池充电。
7.上述技术方案的有益效果如下：在燃料电池发动机低温启动的时候，通过耐低温的小容量钛酸锂电池、双向dc-dc变压器给燃料电池发动机中bop供电。当燃料电池发动机启动后，耐低温的小容量钛酸锂电池作为怠速工况下燃料电池的负载，通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池充电。在冬季低温情况，工作在怠速模式时，当整车需要大功率输出时，快速响应系统的功率需求，提高了系统的响应速度，减少了燃料电池的开关机次数，提高了燃料电池的寿命。同时，利用燃料电池发动机的余热给磷酸铁锂动力电池快速升温，缩短了动力电池升温的时间，提高了燃料电池系统的能量利用效率。
8.基于上述系统的进一步改进，该系统还包括dc-dc升压器；其中，dc-dc升压器的低压输入端与燃料电池发动机的供电端连接，高压输出端一与燃
料电池发动机中bop供电端连接，高压输出端二分别与双向dc-dc变压器的一个端口、钛酸锂电池的供电端连接。
9.上述进一步方案的有益效果如下：增加了dc-dc升压器后，可有效降低对燃料电池发动机的输出电压的要求。
10.进一步，所述控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元；所述数据采集单元进一步包括：电流、电压或功率传感器，设于燃料电池发动机的供电端，用于采集燃料电池发动机的输出电流或功率，发送至数据处理与控制单元；温度传感器，设于钛酸锂电池的换热管路内壁上，用于采集钛酸锂电池的换热管路内液体温度，发送至数据处理与控制单元。
11.上述进一步方案的有益效果如下：通过采集燃料电池发动机的输出电流或功率以及钛酸锂电池的换热管路内液体温度，可以使得低温启动以及低温怠速工况控制过程更加精准。
12.进一步，发动机启动时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：控制钛酸锂电池通过双向dc-dc变压器向燃料电池发动机中bop供电，双向dc-dc变压器工作在恒压模式下；供电后，实时监测燃料电池发动机的输出电流、电压、功率，直到所述输出电流、电压、功率均达到怠速工况的设定值，判定启动成功；控制燃料电池发动机向其自身的bop供电，并通过双向dc-dc变压器向钛酸锂电池充电。
13.上述进一步方案的有益效果如下：可快速响应系统的启动需求，提高了系统的响应速度，并提高燃料电池发动机的寿命。燃料电池发动机fc启动成功后，以怠速工况功率运行，其负载为钛酸锂电池bat2，燃料电池发动机fc此时不向整车供电，双向dcdc变压器工作在恒压模式，给钛酸锂电池bat2充电。
14.进一步，发动机启动后，所述数据处理与控制单元执行如下程序：控制换热器启动后进入工作模式，将燃料电池发动机中电堆的冷却液与磷酸铁锂动力电池的换热管路内液体在换热器内换热，使得磷酸铁锂动力电池快速升温；实时监测磷酸铁锂动力电池中换热管路内温度，根据所述换热管路内温度与设定值比较判断磷酸铁锂动力电池是否可以进入充放电模式；当所述换热管路内温度未达到设定值时，判定磷酸铁锂动力电池尚未可以进入充放电模式，直到达到或超过设定值，判定磷酸铁锂动力电池可以进入充电放模式；在磷酸铁锂动力电池进入充电放模式后，控制燃料电池发动机向磷酸铁锂动力电池供电使其充电，并控制燃料电池发动机和磷酸铁锂动力电池分别向整车负载供电。
15.上述进一步方案的有益效果如下：利用燃料电池发动机的余热给磷酸铁锂动力电池快速升温，缩短了磷酸铁锂动力电池升温的时间，提高了燃料电池发动机的能量利用效率。
16.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序识别怠速工况：识别燃料电池发动机的输出功率是否低于预设值；如果是，判定当前时刻处于怠速工况；否则，执行下一步；
识别车辆是否处于停止制动状态；如果是，判定当前时刻处于怠速工况；否则，执行下一步；监测燃料电池发动机的输出电压，判断燃料电池发动机是否从正常运行模式进入怠速状态；一旦燃料电池发动机的输出电压达到怠速工况时的预定电压，判定当前时刻处于怠速工况；否则，处于非怠速工况。
17.上述进一步方案的有益效果如下：可有效识别怠速工况。
18.进一步，在怠速工况下，所述数据处理与控制单元执行如下程序：控制燃料电池发动机通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池充电；实时监测磷酸铁锂动力电池中换热管路内温度，根据所述换热管路内温度与设定值比较判断磷酸铁锂动力电池是否可以进入充电模式；当所述换热管路内温度未达到设定值时，判定磷酸铁锂动力电池尚未可以进入充电模式，继续对钛酸锂电池充电，直到达到或超过设定值，判定磷酸铁锂动力电池可以进入充电模式，停止对钛酸锂电池充电，并控制燃料电池发动机向磷酸铁锂动力电池供电使其充电。
19.上述进一步方案的有益效果如下：在冬季低温、怠速模式下，当整车需要大功率输出时，可快速响应系统的功率需求，提高了系统的响应速度，减少燃料电池的开关机次数，提高燃料电池发动机的寿命。
20.进一步，所述磷酸铁锂动力电池的容量大于所述钛酸锂电池的容量。
21.上述进一步方案的有益效果如下：采用小容量钛酸锂电池、大容量磷酸铁锂动力电池的结合方式，在满足前面功能的需求下能够有效降低系统使用成本。
22.进一步，该系统还包括共振器；所述共振器的输出端连接于燃料电池发动机中的电堆，控制端连接于控制器的输出端；并且，所述控制器，还用于控制共振器对电堆执行预设频率和幅度的振动，以促进电堆内部的液态水雾化和防止质子交换膜上的水结冰。
23.上述进一步方案的有益效果如下：可以有效防止冬天电堆结冰。
24.进一步，所述燃料电池发动机中电堆的空气尾排口处设有空气尾排阀集成消声器。
25.上述进一步方案的有益效果如下：消除空气尾气的声音后，能够有效提高用户使用体验。
26.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
27.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
28.图1示出了实施例1燃料电池发动机控制系统组成示意图；图2示出了实施例2燃料电池发动机控制系统组成示意图。
29.附图标记：
fc
‑ꢀ
燃料电池发动机； dc/dc(升压)
‑ꢀ
dc-dc升压器； dc/dc(双向)
‑ꢀ
双向dc-dc变压器； bat1
‑ꢀ
磷酸铁锂动力电池； bat2
‑ꢀ
钛酸锂电池。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
31.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
32.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池发动机控制系统，如图1所示，包括燃料电池发动机fc、双向dc-dc变压器、磷酸铁锂动力电池bat1、钛酸锂电池bat2、换热器和控制器。
33.其中，燃料电池发动机fc的供电端与磷酸铁锂动力电池bat1连接，并经双向dc-dc变压器与钛酸锂电池bat2连接，其换热管路与换热器的支路一连接；钛酸锂电池bat2内部设置换热管路，所述换热管路与换热器的支路二连接。
34.控制器，用于发动机启动时，控制钛酸锂电池bat2通过双向dc-dc变压器向燃料电池发动机fc中的bop供电，直到启动成功；发动机启动后，控制换热器进入工作模式，以使燃料电池发动机fc产生的热量给磷酸铁锂动力电池bat1快速升温；以及，在怠速工况下，控制燃料电池发动机fc通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池bat2充电。
35.需说明的是，燃料电池发动机fc中的bop（辅助系统）包括燃料供应设备、空气供应设备、冷却液控制设备。燃料电池发动机可以是氢燃料电池发动机，也可以是其他类型的发动机。
36.与现有技术相比，本实施例在燃料电池发动机低温启动的时候，通过耐低温的小容量钛酸锂电池bat2、双向dc-dc变压器给燃料电池发动机中bop供电。当燃料电池发动机启动后，耐低温的小容量钛酸锂电池bat2作为怠速工况下燃料电池的负载，通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池bat2充电。在冬季低温情况，工作在怠速模式时，当整车需要大功率输出时，快速响应系统的功率需求，提高了系统的响应速度，减少了燃料电池的开关机次数，提高了燃料电池的寿命。同时，利用燃料电池发动机的余热给磷酸铁锂动力电池bat1快速升温，缩短了动力电池升温的时间，提高了燃料电池系统的能量利用效率。
37.实施例2在实施例1的基础上进行改进，该系统还包括dc-dc升压器，如图2所示。
38.其中，dc-dc升压器的低压输入端与燃料电池发动机fc的供电端连接，高压输出端一与燃料电池发动机fc中的bop供电端连接，高压输出端二分别与双向dc-dc变压器的一个端口、钛酸锂电池bat2的供电端连接。
39.优选地，所述控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
40.优选地，数据采集单元进一步包括电流、电压或功率传感器中一种，以及温度传感器。
41.电流、电压或功率传感器，设于燃料电池发动机fc的供电端，用于采集燃料电池发动机fc的输出电流或功率，发送至数据处理与控制单元。
42.温度传感器，设于钛酸锂电池bat2的换热管路内壁上，用于采集钛酸锂电池bat2的换热管路内液体温度，发送至数据处理与控制单元。
43.优选地，发动机启动时，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s11.控制钛酸锂电池bat2通过双向dc-dc变压器向燃料电池发动机fc中的bop供电，双向dc-dc变压器工作在恒压模式下；s12.供电后，实时监测燃料电池发动机fc的输出电流、电压、功率，直到所述输出电流、电压、功率均达到怠速工况的设定值，判定启动成功；s13.控制燃料电池发动机fc向其自身的bop供电，并通过双向dc-dc变压器向钛酸锂电池bat2充电。
44.燃料电池发动机fc启动成功后，以怠速工况功率运行，其负载为钛酸锂电池bat2，燃料电池发动机fc此时不向整车供电，双向dcdc变压器工作在恒压模式，给钛酸锂电池bat2充电。
45.优选地，发动机启动后，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s21.控制换热器启动后进入工作模式，将燃料电池发动机fc中电堆的冷却液与磷酸铁锂动力电池bat1的换热管路内液体在换热器内换热，使得磷酸铁锂动力电池bat1快速升温；s22.实时监测磷酸铁锂动力电池bat1中换热管路内温度，根据所述换热管路内温度与设定值比较判断磷酸铁锂动力电池bat1是否可以进入充放电模式；当所述换热管路内温度未达到设定值时，判定磷酸铁锂动力电池bat1尚未可以进入充放电模式，直到达到或超过设定值，判定磷酸铁锂动力电池bat1可以进入充电放模式；s23.在磷酸铁锂动力电池bat1进入充电放模式后，控制燃料电池发动机fc向磷酸铁锂动力电池bat1供电使其充电，并控制燃料电池发动机fc和磷酸铁锂动力电池bat1分别向整车负载供电。
46.优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序识别怠速工况；s31.识别燃料电池发动机fc的输出功率是否低于预设值；如果是，判定当前时刻处于怠速工况；否则，执行下一步；s32.识别车辆是否处于停止制动状态；如果是，判定当前时刻处于怠速工况；否则，执行下一步；s33监测燃料电池发动机fc的输出电压，判断燃料电池发动机fc是否从正常运行模式进入怠速状态；一旦燃料电池发动机fc的输出电压达到怠速工况时的预定电压，判定当前时刻处于怠速工况；否则，处于非怠速工况。
47.优选地，在怠速工况下，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s34.控制燃料电池发动机fc通过双向dc-dc变压器给钛酸锂电池bat2充电；s35.实时监测磷酸铁锂动力电池bat1中换热管路内温度，根据所述换热管路内温
度与设定值比较判断磷酸铁锂动力电池bat1是否可以进入充电模式；当所述换热管路内温度未达到设定值时，判定磷酸铁锂动力电池bat1尚未可以进入充电模式，继续对钛酸锂电池bat2充电，直到达到或超过设定值，判定磷酸铁锂动力电池bat1可以进入充电模式，停止对钛酸锂电池bat2充电，并控制燃料电池发动机fc向磷酸铁锂动力电池bat1供电使其充电。
48.优选地，所述磷酸铁锂动力电池bat1的容量大于所述钛酸锂电池bat2的容量。
49.优选地，该燃料电池发动机控制系统还包括共振器。所述共振器的输出端连接于燃料电池发动机fc中的电堆，控制端连接于控制器的输出端。
50.所述控制器，还用于控制共振器对电堆执行预设频率和幅度的振动，以促进电堆内部的液态水雾化和防止质子交换膜上的水结冰。
51.优选地，所述燃料电池发动机fc中电堆的空气尾排口处设有空气尾排阀集成消声器。
52.与实施例1相比，本实施例提供的燃料电池发动机系统利用燃料电池的余热通过换热器给大容量车载磷酸铁锂动力电池bat1快速加热。工作在怠速模式下，可快速响应系统的功率需求，提高了系统的响应速度。减少了燃料电池的开关机次数，提高燃料电池的寿命。
53.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。