燃料电池系统的怠速控制方法、系统、装置及计算机设备与流程

1.本发明涉及燃料电池系统领域，特别涉及一种燃料电池系统的怠速控制方法、系统、装置及计算机设备。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。由于燃料电池单体的电压通常小于1v,在实际应用时，需要将上百片单体串联组成燃料电池电堆，并匹配相应的外围附件，构成燃料电池系统。
3.在燃料电池车辆应用过程中，存在着车辆功率需求较低和动力电池soc较高等场景，为了避免动力电池过充的安全性风险，通常需要燃料电池系统进入怠速工况，并且为了保证其耐久性，怠速工况下通常会控制其电压在0.85v以下。
4.现有技术中虽然给出了燃料电池系统怠速工况的控制技术方案，但是方案中并没有考虑到燃料电池系统的温度控制问题，尤其是在低温场景中。如图1所示，低温下，燃料电池系统处于怠速时，由于其电堆输出电流较小，因此自产热功率较低，可能存在系统的散热功率>系统自产热功率的情景，此时电堆温度将下降，但为了将电堆保持在合适的工作温度区间，现有技术通常采取短暂脱离怠速跳转到最低工作点的方案，但会出现燃料电池在怠速和最小工作点频繁变载的情况，这将导致出现电位循环影响耐久性以及电堆净输出功率>0带来的动力电池过充风险。
5.即：现有的技术方案会引起电堆电位循环加速寿命衰减和动力电池过充的安全性问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统的怠速控制方法、系统、装置及计算机设备，其克服了以上技术问题。
7.为了实现上述目的，本技术的第一方面公开了一种燃料电池系统的怠速控制方法，包括：获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，其中，所述温度表征为所述燃料电池系统所处环境的温度；基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率；基于所述供热功率，确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；将所述怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数调节至所述期望怠速运行参数。
8.可选的，基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率，包括：基于预设功率计算公式，通过所述散热功率得到怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率；或，基于所述散热功率，在预设供热功率map图中查询怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率，其中，所述预设供热功率map图包括：在相应温度下，与怠速模式下的所述燃料电池堆的散热功率一一对应的供热功率。
9.可选的，所述供热功率包括：所述燃料电池堆在相应温度下的自产热功率及外加
热功率。
10.可选的，获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，包括：获取运行载体在相应温度下的运行参数，其中，所述运行载体通过接收所述燃料电池系统输出的电能进行运行；基于所述运行参数确定怠速模式下的所述燃料电池系统的散热功率；或，基于相应温度及在相应温度下的运行参数，在预设散热功率map图中查询所述燃料电池系统在相应温度下的散热功率，其中，所述预设散热功率map图包括：在相应温度下，与所述运行载体的运行参数一一对应的怠速模式下的燃料电池系统的散热功率。
11.可选的，所述期望怠速运行参数包括以下各项中的一项或多项：所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电压、所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电流、所述燃料电池堆在怠速模式下的氢气进给量、所述燃料电池堆在怠速模式下的空气进给量及所述燃料电池堆在怠速模式下冷却液的循环流量。
12.本技术的第二方面公开了一种燃料电池系统的怠速控制系统，包括：散热模块，用于获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，其中，所述温度表征为所述燃料电池系统所处环境的温度；供热模块，用于基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率；期望确定模块，用于基于所述供热功率，确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；调节模块，用于将所述怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数调节至所述期望怠速运行参数。
13.本技术的第三方面公开了一种燃料电池系统的怠速控制装置，包括：上述的燃料电池系统的怠速控制系统。
14.本技术的第四方面公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
15.本技术的第五方面公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
16.通过本发明的燃料电池系统的怠速控制方法、系统、装置及计算机设备，实现了低温环境下的燃料电池系统处于怠速模式下时，将电堆温度维持在合适工作区间的问题，并借此保证了燃料电池系统的耐久性，而且避免了动力电池过充以及因电堆电位循环加速而导致寿命衰减等问题。
附图说明
17.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.在附图中：
19.图1为本发明实施例燃料电池系统在怠速低温环境下的电堆温度及系统输出净功率示意图；
20.图2为本发明实施例燃料电池系统的怠速控制方法的流程示意图；
21.图3为本发明实施例燃料电池系统的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
25.为了便于理解本发明实施例，下面通过几个具体实施例对本发明的内容进行详细的阐述。
26.本发明第一实施例提供了一种燃料电池系统的怠速控制方法，包括：获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，其中，所述温度表征为所述燃料电池系统所处环境的温度；基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率；基于所述供热功率，确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；将所述怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数调节至所述期望怠速运行参数。
27.就此，通过获取怠速模式下的燃料电池堆在不同温度下的供热功率；然后通过该供热功率确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；再以该期望怠速运行参数为标准，调节燃料电池系统的实时怠速运行参数以使得该实时怠速运行参数尽可能的接近该期望怠速运行参数，在满足燃料电池系统怠速功率的要求下，将电堆的温度维持在合理的范围。从而实现了低温环境下的燃料电池系统处于怠速模式下时，将电堆温度维持在合适工作区间的问题，并借此保证了燃料电池系统的耐久性，而且避免了动力电池过充以及因电堆电位循环加速而导致寿命衰减等问题。
28.具体的，根据图2所示，该第一实施例中提供的一种燃料电池系统的怠速控制方法，包括：
29.步骤s101：获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，其中，所述温度表征为所述燃料电池系统所处环境的温度；
30.在本实施例中，并不对该不同温度下的散热功率的获取方式进行限定，只需其满足本实施例的要求即可。
31.步骤s102：基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率；
32.在本实施例中，并不对该供热功率的获取方式进行限定，只需其满足本实施例的要求即可。
33.而且，在本实施例中，并不对该燃料电池堆所属的燃料电池系统的具体结构以及应用进行限定，如：该燃料电池系统的一种结构方式如图3所示。再如：本文中所述的燃料电池系统可为测试阶段的燃料电池系统。也可以为应用于运行载体中的燃料电池系统，其中，该燃料电池系统是通过接收所述燃料电池系统输出的电能进行运行。
34.而且，在本实施例中，并不对该运行载体进行限定，其包括但不限于：燃料电池车辆。
35.而且，在本实施例中也并不对该相应温度进行限定，该温度的选取可以根据实际情况而定，如：在低温环境下执行该方法，而且，该低温区间可示范性选取-2℃。
36.当然，该供热功率包括但不限于以下各项中的一项或多项：所述燃料电池堆在相应温度下的自产热功率及外加热功率。
37.步骤s103：基于所述供热功率，确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；
38.具体的，根据燃料电池堆的自产热功率和外加热功率，获得燃料电池系统的期望怠速运行参数，其中，该期望怠速运行参数包括以下各项操作参数中的一项或多项：所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电压、所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电流、所述燃料电池堆在怠速模式下的氢气进给量、所述燃料电池堆在怠速模式下的空气进给量及所述燃料电池堆在怠速模式下的冷却液的循环流量。
39.步骤s104：将所述怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数调节至所述期望怠速运行参数。
40.如：通过步骤s103获取的目标电流、此时相应的氢气、空气和冷却系统的操作参数，如空压机转速、氢气压力和水泵转速等。
41.接着，设定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数，具体的，控制零部件实现目标电流输出，达到系统的期望怠速运行参数。
42.就此，实现了低温环境下的燃料电池系统处于怠速模式下时，将电堆温度维持在合适工作区间的问题，并借此保证了燃料电池系统的耐久性，而且避免了动力电池过充以及因电堆电位循环加速而导致寿命衰减等问题。
43.在另一实施例中，上述步骤s102的一种实现方式包括：
44.步骤s1021：获取怠速模式下的所述燃料电池系统在相应温度下的散热功率；
45.步骤s1022：基于预设功率计算公式，通过所述散热功率得到怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率；
46.具体的，该预设功率计算公式示范性设置如下所示：
47.选取电堆的自产热功率和外加热功率，通常可以根据求解下列技术关系获得：
48.p
dis，heat
＝p
self，heat
+p
ext，heat
49.p
output
＝p
bop
+p
ext，heat
50.p
self，heat
+p
output
＝n
·
e
thermo
·
i
output
51.p
output
＝n
·
v
output
·
i
output
52.p
self，heat
＝(e
thermo-v
output
)
·
i
output
·
n
[0053][0054]
v
output
＝f(i
output
)
[0055]
其中，p
dis，heat
为燃料电池系统的散热功率，p
self，heat
为自产热功率，p
ext，heat
为外加热功率，p
bop
为附件消耗功率，e
thermo
为单片理论工作电压，一般的为1.23v，i
output
为目标输出电流，n为电堆单片数，v
output
为单片实际输出电压；
[0056]
其中，说明附件的功耗可以表示为事先标定的目标输出电流的map图，也可以是拟合关系等；v
output
＝f(i
output
)，为燃料电池的极化曲线关系。
[0057]
当然，在通过步骤s1021得到上述散热功率后，还可以进行以下步骤s1023来获取上述的供热功率。
[0058]
具体的，该步骤s1023的一种实现方式为：基于所述散热功率，在预设供热功率map图中查询怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率。
[0059]
其中，所述预设供热功率map图包括：在相应温度下，与怠速模式下的所述燃料电池堆的散热功率一一对应的供热功率。
[0060]
就此，可以通过上述两种方式(步骤s1021+步骤s1022、步骤s1021+步骤s1023)来获取上述的供热功率。
[0061]
在另一实施例中，上述步骤s101的一种实现方式包括：
[0062]
步骤s1011：获取运行载体在相应温度下的运行参数，其中，所述运行载体通过接收所述燃料电池系统输出的电能进行运行；
[0063]
具体的，以该运行载体为燃料电池车辆为例，该运行参数包括但不限于：燃料电池车辆的运行车速、燃料电池发动机的舱内温度或环境温度。
[0064]
步骤s1012：基于所述运行参数确定怠速模式下的所述燃料电池系统的散热功率；
[0065]
当然，在通过步骤s1011得到上述运行参数后，还可以进行以下步骤s1013来获取上述的散热功率。
[0066]
步骤s1013：基于相应温度及在相应温度下的运行参数，在预设散热功率map图中查询所述燃料电池系统在相应温度下的散热功率。
[0067]
其中，所述预设散热功率map图包括：在相应温度下，与所述运行载体的运行参数一一对应的怠速模式下的燃料电池系统的散热功率。
[0068]
就此，可以通过上述两种方式(步骤s1011+步骤s1012、步骤s1011+步骤s1013)来获取上述的散热功率。
[0069]
此外，针对上述图3所示的为典型的燃料电池系统的构型图，其中加热装置10是放置在冷却系统中的外加热装置，如ptc等，需要指出的是，对加热装置的位置不做限定，只需要放在小循环的冷却回路合适位置即可。
[0070]
而且，该12、13、17、18、16及17均为对应的传感器。
[0071]
具体的，该控制装置20可被用于调节怠速模式下的燃料电池电堆的输出电压和输出电流，满足对电堆自产热功率和输出功率的要求。具体的，控制装置可以通过调节输出电流，增大或减小电堆的自产热功率和输出功率，同时，控制装置可以通过调节燃料电池系统供给空气的过量系数，增大或减少电堆的输出电压，进一步的增大或减少电堆的自产热功率和输出功率，因此，控制装置20可以通过调节输出电流和空气过量系数，达到预期的目标
输出电压和电流，满足燃料电池电堆自产热功率和输出功率的要求。
[0072]
在另一实施例中，还提供了一种燃料电池系统的怠速控制系统，该系统包括：散热模块，用于获取怠速模式下的燃料电池系统在不同温度下的散热功率，其中，所述温度表征为所述燃料电池系统所处环境的温度；供热模块，用于基于所述散热功率，确定怠速模式下的燃料电池堆在相应温度下的供热功率；期望确定模块，用于基于所述供热功率，确定怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的期望怠速运行参数；调节模块，用于将所述怠速模式下的燃料电池系统在相应温度下的实时怠速运行参数调节至所述期望怠速运行参数。
[0073]
可选的，供热模块包括：第一供热功率获取模块，用于基于预设功率计算公式，通过所述散热功率得到怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率；或，第二供热功率获取模块，用于基于所述散热功率，在预设供热功率map图中查询怠速模式下的所述燃料电池堆在相应温度下的供热功率，其中，所述预设供热功率map图包括：在相应温度下，与怠速模式下的所述燃料电池堆的散热功率一一对应的供热功率。
[0074]
可选的，所述供热功率包括：所述燃料电池堆在相应温度下的自产热功率及外加热功率。
[0075]
可选的，散热功率获取单元具体用于：获取运行载体在相应温度下的运行参数，其中，所述运行载体通过接收所述燃料电池系统输出的电能进行运行；基于所述运行参数确定怠速模式下的所述燃料电池系统的散热功率；或，基于相应温度及在相应温度下的运行参数，在预设散热功率map图中查询所述燃料电池系统在相应温度下的散热功率，其中，所述预设散热功率map图包括：在相应温度下，与所述运行载体的运行参数一一对应的怠速模式下的燃料电池系统的散热功率。
[0076]
可选的，所述期望怠速运行参数包括以下各项中的一项或多项：所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电压、所述燃料电池堆在怠速模式下的输出电流、所述燃料电池堆在怠速模式下的氢气进给量、所述燃料电池堆在怠速模式下的空气进给量及所述燃料电池堆在怠速模式下的冷却液的循环流量。
[0077]
在另一实施例中，还提供了一种燃料电池系统的怠速控制装置，该装置包括：上述的燃料电池系统的怠速控制系统。
[0078]
本实施例中的一种燃料电池系统的怠速控制装置所涉及的名词及实现原理具体可以参照上述实施例中的一种燃料电池系统的怠速控制系统，在此不再赘述。
[0079]
在另一实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0080]
本实施例中的一种计算机设备所涉及的名词及实现原理具体可以参照上述实施例中的一种燃料电池系统的怠速控制方法，在此不再赘述。
[0081]
在另一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
[0082]
本实施例中的一种计算机可读存储介质所涉及的名词及实现原理具体可以参照上述实施例中的一种燃料电池系统的怠速控制方法，在此不再赘述。
[0083]
本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0084]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0085]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0086]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。