用于控制燃料电池车辆的启动的方法与流程

本发明涉及一种用于控制燃料电池车辆的启动的方法，更具体地，涉及一种用于通过将燃料电池的电压调整为低水平来确保冷启动条件下的快速启动性的控制燃料电池车辆的启动的方法。

背景技术：

在低温启动条件下，有利于以低压和高电流操作燃料电池，并且在相同的功率输出状态下，以系统允许的最低水平调整电压导致输出最高电流并且提高燃料电池的温度。进一步地，即使车辆正常运行(例如，不出错误)，在特定功率输出以下执行恒压操作控制可使得燃料电池的高电位状态(highpotentialstate)最小化，由此改善燃料电池的耐久性。

燃料电池具有在输出电流与输出电压之间的关系类型。当燃料气体(例如，空气和氢气)供给充足时，增加输出电流将由于各种极化现象(称之为i-v特性)而降低输出电压。相应地，在燃料电池系统中，基于燃料电池的电流负载确定燃料电池的电压。按照惯例，如在冷启动条件下，当要求燃料电池的电压保持低于特定的电压水平时，即使车辆负载存在变化，然而，燃料电池的电压仍通过精确控制氢气燃料气体而保持不变。然而，具体地，因为难以充分地降低燃料电池的电压，所以冷启动所需的燃料电池的快速升温具有局限性。

上述信息仅作为背景信息而示出，以助于对本发明的理解。关于上述任何信息是否可应用为本发明的现有技术，尚未作出任何决定并且尚未作出任何声明。

技术实现要素：

因此，本发明提供了一种用于控制燃料电池车辆的启动的方法，以在冷启动条件下通过燃料电池的快速升温而减少点火的等待期。

本发明提供了一种用于控制燃料电池车辆的启动的方法，该方法可包括：通过控制器开始调整对燃料电池的氢气和空气的供给(启动预备步骤)；通过控制器将设置在主总线端与高压电池之间的转换器的主总线端一侧的控制电压设置为预定最低控制电压(电压预备步骤)；并且通过控制器比较燃料电池的主总线端一侧的输出电压与转换器的主总线端一侧的控制电压，并且基于该比较通过控制器调整对燃料电池的空气供给量(主控制步骤)。

启动预备步骤可包括：通过控制器调整氢气阀和空气阀的开口。主控制步骤可包括：当燃料电池的主总线端一侧的输出电压保持为转换器的主总线端一侧的控制电压时，增加对燃料电池的空气供给量。此外，主控制步骤可包括：当燃料电池的主总线端一侧的输出电压大于转换器的主总线端一侧的控制电压时，减少对燃料电池的空气供给量。主控制步骤可进一步包括：通过控制器确定高压电池是否处于完全充电状态，并且当高压电池未处于完全充电状态时，增加对燃料电池的空气供给量。

进一步地，主控制步骤可包括：通过控制器比较高压电池的充电量与预定最大充电量，以确定高压电池是否处于完全充电状态；并且通过控制器比较高压电池的充电电流与预定最大充电电流，以确定高压电池是否处于完全充电状态。主控制步骤可包括：通过控制器确定高压电池是否处于完全充电状态；并且当高压电池未处于完全充电状态时，增加对燃料电池的空气供给量；并且当高压电池处于完全充电状态且燃料电池的主总线端一侧的输出电压大于最低控制电压时，减少对燃料电池的空气供给量。控制器可被配置为以预定的规定时间间隔执行主控制步骤。

主控制步骤可包括：当高压电池被完全充电并且燃料电池的主总线端一侧的输出电压低于最低控制电压时，当燃料电池的主总线端一侧的输出电压增加至大于先前主控制步骤中的输出电压的水平时，减少对燃料电池的空气供给量；并且当燃料电池的主总线端一侧的输出电压降低至低于先前主控制步骤的输出电压的水平时，增加对燃料电池的空气供给量。

此外，可以通过控制器以预定的规定时间间隔执行主控制步骤，并且在主控制步骤之间可以通过控制器执行子控制步骤，子控制步骤包括：基于在先前主控制步骤中执行的空气供给量的调整来调整空气供给量。子控制步骤可包括：当在先前主控制步骤中空气供给量增加时，保持空气供给量，直至执行下一主控制步骤。子控制步骤可包括：当在先前主控制步骤中空气供给量降低时，将空气供给量减少第一减少量，直至执行下一主控制步骤。

第一减少量可小于先前控制步骤中的空气供给的减少量。子控制步骤可进一步包括：当在先前主控制步骤中保持空气供给量时，将空气供给量减少第二减少量，直至执行下一主控制步骤。子控制步骤可包括：当在先前主控制步骤中保持空气供给量时，将空气供给量减少第二减少量，直至执行下一主控制步骤，第二减少量小于第一减少量。

附图说明

从结合所附附图进行的下列细节描述中，本发明的上述目标和其他目标、特性、以及优点将变得更为清晰易懂，其中：

图1和图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的目标的电流-电压曲线图；

图3是执行根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池的启动的方法的燃料电池车辆的系统的框图；

图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的流程图；并且

图5是示出了在根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法中的子控制步骤的流程图。

具体实施方式

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(suv)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种船只和舰船的船舶；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合电动车、氢动力车辆及其他可替代燃料车辆(例如，源自于汽油之外的资源的燃料)。如此处提及的，混合动力车辆指具有两个或更多个动力源的车辆，例如，既是汽油动力又是电动动力的车辆。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元执行示例性过程，然而，应当理解的是，也可以通过一个或多个模块执行示例性过程。此外，应当理解的是，术语“控制器”指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为储存模块并且处理器被具体配置为执行所述模块，以执行下面进一步描述的一个或多个过程。

进一步地，本发明中的控制逻辑可涵盖包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的实施例包括但不限于rom、ram、光盘(cd)-rom、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡及光学数据存储设备。计算机可读记录介质还能够分布在耦接网络的计算机系统中，以使得以分布式方式(例如通过远程信息处理服务器(telematicsserver)或控制器局域网(can))储存并且执行计算机可读介质。

本文所使用的措辞仅是为了描述具体实施方式而并不旨在对本发明进行限制。除非上下文另有明确说明，否则，如本文所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”及“该”也旨在包括复数形式。还应当理解的是，当术语“包括”和/或“包含”用于本说明书时，其规定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件及/或其组合。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联列项的任何及所有组合。

如本文使用的，除非上下文明确指出或显而易见，否则，术语“约”被理解为在本领域的正常容差范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“约”可被理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％、或0.01％内。除非上下文另有明确规定，否则，此处提供的所有数字值皆被术语“约”修饰。

在下文中，参考所附附图详细描述本发明的示例性实施方式。现将参考附图，其中，在不同的附图中，使用相同的参考标号表示相同或相似的部件。显然，可通过具有存储器和处理器的控制器执行下面描述的各种方法。

图1和图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的目标的电流-电压曲线图，图3是根据本发明的示例性实施方式的用于执行控制燃料电池车辆的启动的方法的燃料电池车辆的系统的框图，图4是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的流程图，并且图5是示出了在根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法中的子控制步骤的流程图。

图1和图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的目标的电流-电压曲线图。在燃料电池的低温启动条件下，燃料电池可用于通过最大加热在短期内升温的操作。在冷启动过程中，通过电机的低效驱动的自身加热可以消耗恒定的输出功率(而不管输入电压水平)，并且燃料电池的内部温度可增加得与功率消耗一样多。

在图1中，在空气和氢气气体充足的条件下的工作曲线被示出为①。因此，当电机和逆变器(inverter)消耗输出功率(axa)(被示出为x+y的区域)时，燃料电池可在具有电流a和电压a的工作点下工作。如图2所示，当燃料电池工作在时，燃料电池可排出a×(c-a)的内热(被示出为区域m)。具体地，减少空气的供给导致燃料电池的性能由于氧气浓度降低而逐渐下降，并且该工作点可沿着自至的方向移动。因为电机和逆变器消耗大致恒定的功率，所以当燃料电池的性能退化时，电流增加并且电压降低。燃料电池的加热值变成b×(c-b)(被示出为区域m+n)，这意味着加热值的骤增。因此，在大致恒定的输出功率下，趋于降低电压并且增加电流的操作非常有益于燃料电池的降解和升温。

同时，即使燃料电池的电压降低并且由此通过高压电池辅助功率输出，然而，当电压降低至特定电压水平以下时，配件、转换器、逆变器等不可运行。当高压部件被设计为以该低压运行时，会过度地拓宽电压(电流)规格的所需范围，从而导致成本增加，因此，有利于将部件配置为仅在特定的电压范围内运行。相应地，燃料电池的电压可以保持为大于特定的电压水平。因此，为了确保燃料电池的冷启动性，需要系统允许的最小电压水平下的恒压操作。

进一步地，当正常供给氢气时，即使空气供给量增加，性能也得不到进一步地改善。相反，与正常供给量相比较，当空气供给量开始减少时，燃料电池的性能开始下降(例如，退化)并且观察到基于空气供给量的性能变化。在燃料电池工作为输出恒定功率时，当空气压缩机以在压缩机的整个rpm范围的30％内的固定每分钟转数(rpm)工作并且燃料电池的出气开口阀的开口程度可被调整为减少空气供给量时，会出现某些程度的时间延迟，直到通过阀开口的空气供给的改变实际影响燃料电池并且被燃料电池影响。

相应地，当供给比正常空气流更低的空气流时，燃料电池的电压响应于即使空气供给的微小变化也会敏感地波动(例如，会容易波动)，并且当基于当前电压水平对空气流做出改变时，因为在低空气流过程中系统响应降低，所以电压波动的影响会呈现为具有某些时间延迟，并且因此难以在大致恒定的理想范围内操作电压。因此，需要燃料电池系统的上述所述特性反应良好，以执行恒压控制。

图3是根据本发明的示例性实施方式的用于执行控制燃料电池车辆的启动的方法的燃料电池车辆的系统的框图。当电机500在冷启动过程中通过自身加热不变地消耗输出功率a时，可以通过燃料电池100和转换器300分别供给输出功率c和b(a＝b+c)。就燃料电池的温度增加而言，当电池400操作为尽可能地充电时(b是负数)，c最大化，这有益于燃料电池100的温度增加。此外，当以系统允许的最低电压操作燃料电池100的电压e时，工作点指每小时温度增加的性能为最佳的地方。

当空气供给量过多时(例如，大于预定量)，即使在充电模式下操作电池400并且完全从燃料电池100供给电机500消耗的输出功率，燃料电池100会发生性能过剩并且可以在电压e>d下操作燃料电池100，从而使得不可能保持上述的最低电压。进一步地，当空气供给量不足时，燃料电池100供给输出功率的性能会变得不足，因此，可以操作转换器300而使得高压电池400放电，以满足控制命令电压d。尽管可以保持理想电压d，然而，高压电池400会放电，即，b为正数的情形，因此，燃料电池100的堆输出c会减少。因此，会难以保持燃料电池100的加热值为最高水平。相应地，在操作电池400进行充电时，为了保持电压e为理想的最低电压d，需要更为精确地调整空气供给量。

图4是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法的流程图。根据本发明的用于控制燃料电池车辆的启动的方法可包括：在s100中，通过控制器开始调整对燃料电池的氢气和空气的供给(启动预备步骤)；在s130中，通过控制器将设置在主总线端与高压电池之间的转换器的主总线端的一侧的控制电压设置为预定的最低控制电压(电压预备步骤)；并且在s200中，通过控制器比较燃料电池的主总线端的一侧的输出电压与转换器的主总线端的一侧的控制电压，并且基于该比较，通过控制器调整对燃料电池的空气供给量(主控制步骤)。

具体地，首先，控制器200可被配置为基于例如燃料电池在燃料电池点火时的温度确定燃料电池是否处于冷启动条件。具体地，可以使用燃料电池100的温度传感器测量燃料电池在点火时的温度。在s110、s120中，当检测为冷启动条件时，可以首先供给氢气和空气。因此，控制器可被配置为通过打开氢气阀30和空气供给阀10而调整对燃料电池100的氢气和空气的供给(s100、s110、s120)。换言之，在启动预备步骤中，控制器200可被配置为打开位于氢气罐600的一侧上的氢气阀30和空气供给阀10。

然后，控制器200可被配置为执行电压预备步骤s130，以将设置在主总线端与高压电池400之间的转换器300的主总线端的一侧的控制电压设置为预定的最低控制电压。转换器300可被配置为基于由控制器200设置的最低控制电压调整主总线端的一侧的电压。控制器200可被配置为比较燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压e与转换器300的主总线端的一侧的控制电压d并且调整对燃料电池100的空气供给量。

具体地，控制器200可被配置为：当燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压e保持为转换器300的主总线端的一侧的控制电压d时，增加对燃料电池100的空气供给量。在主控制步骤s200中，控制器200可被配置为：当燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压e大于转换器300的主总线端的一侧的控制电压d时，减少对对燃料电池100的空气供给量。具体地，控制器200可被配置为确定高压电池400是否处于完全充电状态，并且当高压电池400未处于完全充电状态时，执行主控制步骤s200，以增加对燃料电池100的空气供给。

当空气供给量不足时，燃料电池100供给输出功率的性能会变得不足，因此，可以操作转换器300使得高压电池400放电，以满足控制命令电压d。尽管可以保持理想的电压d，然而，电池400会放电，即，b为正数的情形，因此，燃料电池100的堆输出c会减少，从而导致难以保持燃料电池100的加热值为最高水平。相应地，当高压电池400不处于完全充电状态时，可以增加对燃料电池的空气供给。

控制器200可被进一步配置为通过操作设置在燃料电池100的前端的空气供给阀10、鼓风机800、位于加湿器700的后端的排气阀20等来调整供给燃料电池100的空气量。除了调整位于加湿器700的后端的排气阀20的打开程度之外，可通过调整鼓风机800的每分钟转数(rpm)来执行对空气流的量的调整。然而，对于机翼型(airfoiltyped)压缩机，在小于特定rpm时不可以进行操作。从而使得难以仅通过rpm控制执行恒压控制。因此，相比于rpm控制解决方案，阀控制解决方案具有快速的堆电压响应，并且可以固定的rpm操作空气压缩机，由此减少额外噪音。

而且，在主控制步骤s200中，控制器200可被配置为：通过比较高压电池400的充电量与高压电池400的预定最大充电量，确定高压电池400是否处于完全充电状态。可替代地，在主控制步骤s200中，控制器200可被配置为：通过比较高压电池400的充电电流与预定的最大充电电流，确定高压电池400是否处于完全充电状态。因此，高压电池400可被操作为完全充电，以使得燃料电池在最大程度上消耗负载。具体地，如图4所示，在s210中，通过将高压电池400的当前充电电流与预定的最大充电电流之间的差值乘以设置系数a，空气供给量可以成比例地增加。

在主控制步骤s200中，在s220、s230中，当高压电池400处于完全充电状态并且燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压大于最低控制电压时，控制器200可被配置为减少对燃料电池100的空气供给量。当空气供给量过多(例如，大于预定量)时，即使在充电模式下操作电池400并且完全从燃料电池100供给电机500消耗的输出功率，燃料电池100也会出现性能过剩，最后，可以在电压e>d下操作燃料电池100，由此保持燃料电池100处于上述所述最低电压。相应地，在s230中，尽管高压电池100处于完全充电状态，当燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压大于最低控制电压时，通过减少对燃料电池的空气供给量，可以将燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压减少至最低控制电压。具体地，可以将燃料电池的出气开口阀的开口a的当前程度减少预定的恒定值c。控制器200还可被配置为以预定的规定时间间隔执行主控制步骤s200。

在主控制步骤s200中，当高压电池400处于完全充电状态并且燃料电池的主总线端的一侧的输出电压小于最低控制电压时，当燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压增加至大于先前主控制步骤s200中的输出电压的水平时，控制器200可被配置为减少对燃料电池100的空气供给量，并且在s240中，当空气供给量降低时，控制器200可被配置为增加对燃料电池100的空气供给量。

换言之，当电池400处于完全充电状态并且电压尽可能低时，可以确定燃料电池以低效模式运行，以使得温度增加，并且当燃料电池100的主总线端的一侧的当前输出电压增加至大于先前主控制步骤s200中的燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压(其存储在存储器中)的水平时，可以保持该状态，并且控制器200可被配置为减少空气供给量，以保持燃料电池100的主总线端的一侧的输出电压处于最低电压水平。因此，在s240中，控制器200可被配置为使得当前电压与由先前主控制步骤产生的电压之间的差值乘以系数b，并且根据燃料电池的出气开口阀的开口程度上反映相乘结果。

在s300中，在执行主控制步骤s200的同时，当燃料电池100的温度增加时，控制器200可完成启动。具体地，控制器200可被配置为通过例如温度传感器检测其中温度充分上升的状态，或者控制器200可响应确定燃料电池100的工作点处于正常状态而停止启动过程。在启动完成之后，可以积极地供给氢气和空气，从而能够使得车辆运转。

图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的用于控制燃料电池车辆的启动的方法中的子控制步骤的流程图。在主控制步骤之间，可以执行子控制步骤s310。在子控制步骤s310中，在s311、s312中，当在先前主控制步骤中空气供给量增加时，可以保持空气供给量，直至执行下一主控制步骤。进一步地，在子控制步骤s310中，在s313、s314中，当在先前主控制步骤中空气供给量减少时，空气供给量可以减少第一减少量，直至执行下一主控制步骤。

而且，在子控制步骤s310中，在s315、s316中，当在先前主控制步骤中空气供给量保持时，将空气供给量减少第二减少量，第二减少量小于第一减少量。第一减少量可小于先前控制步骤中的空气供给的减少量。在燃料电池的温度增加时，随着燃料电池100内的温度增加持续，燃料电池100所需的空气量减少，以在相同的功能输出下保持相同的电压。因此，可考虑该操作指向性来确定子控制方法。当从先前主控制步骤增加空气供给量时，可以保持增加的空气供给量，直至下一主控制步骤；否则，当从先前主控制步骤中空气供给量保持或减少时，因为考虑所需的空气量随着时间逐渐降低的情形，所以可以微小地减少空气供给量。根据用于控制燃料电池车辆的启动的方法的示例性实施方式，通过使燃料电池的温度在冷启动条件下的快速增加可以减少点火的等待时间。

尽管出于示出性目的公开了本发明的示例性实施方式，然而，本领域技术人员应当认识到，在不背离所附权利要求公开的本发明的范围和实质的情况下，各种变形、附加、以及替换皆是可能的。