一种车载燃料电池发动机系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池发动机系统及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池，是将化学能转化为电能的一种高效的能量转化装置。通过氢气和氧气发生反应，产生电能。氢气通过外部氢气瓶提供，再通过减压装置后进入电堆内部；空气通过空压机将外部环境中的气体压缩后进入电堆内部。
3.燃料电池发动机正常运行时，空气和氢气在电堆内部发生反应，对外输出的功率根据外部需求进行相应变化。当燃料电池发动机在整车上应用时，主要是根据整车上的动力电池或电机的需求进行输出。当整车一段时间内无功率需求或者仅有很小的功率需求时，燃料电池发动机执行原有的控制模式，会造成对整车上的动力电池充电，导致整车上的锂电池出现问题。
4.目前，现有技术缺少一种在整车进行无功率输出或小功率输出的有效、合理的燃料电池发动机控制方法。此外，现有燃料电池发动机系统在待机模式时电堆单片可能出现高电位，在待机模式时仍进行持续发电消耗整车上氢瓶内的氢气，造成了能源浪费。


技术实现要素：

5.本发明实施例旨在提供一种车载燃料电池发动机系统，用以解决现有技术燃料电池小功率输出时缺可靠控制方法且待机时能源浪费的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池发动机系统，包括电堆、空压机、进气节气门、中冷器、尾排气节气门、排氢阀和发动机控制器；其中，电堆的空气入堆口依次经中冷器、进气节气门与空压机的输出端连接，氢气出堆口与排氢阀连接，空气出堆口与尾排气节气门连接；发动机控制器，用于定时判断整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率；以及，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出；否则，监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值，如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值后，控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，执行待机。
7.上述技术方案的有益效果如下：给出了一种在整车进行无功率输出或小功率输出的有效、合理的燃料电池发动机控制方法。当整车一段时间无功率需求时，则燃料电池发动机系统通过执行上述程序，可实现无功率或小功率的负输出模式，避免对整车上动力电池充电，导致整车上锂电池出现问题。在电堆从正常运行到待机的过程中，增加了吹扫动作，排出了电堆内的多余液体，可有效改善现有技术在待机模式时电堆单片可能出现高电位的问题，在待机模式时采用非持续发电模式，有利于节省能源。
8.基于上述系统的进一步改进，该系统还包括入堆氢气控制设备；所述入堆氢气控制设备进一步包括氢喷设备和控制阀；其中，所述氢喷设备用于
控制入堆氢气的流量、压力，其输出端经所述控制阀与电堆的氢气入堆口连接；并且，所述氢喷设备、控制阀的控制端分别与发动机控制器的输出端连接。
9.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了入堆氢气控制设备，通过上述入堆氢气设备可用于精准地调节入堆氢气的流量、压力，使得电堆的输出功率控制更加精准。
10.进一步，该系统还包括dc-dc转换器和空气过滤器；其中，整车负载经所述dc-dc转换器与燃料电池的供电端连接；dc-dc转换器控制端与发动机控制器的输出端连接；所述空气过滤器的输出端与空压机的输入端连接。
11.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了dc-dc转换器和空气过滤器，通过dc-dc转换器，可支持各种不同功率需求的整车用电设备。使用空气过滤器，可有效提高燃料电池发动机的寿命。
12.进一步，该系统还包括入堆冷却液控制设备；所述入堆冷却液控制设备进一步包括节温器、散热器和水泵；其中，电堆的冷却液出口经水泵分别与散热器的输入端、节温器的端口二连接；散热器的输出端与节温器的端口一连接；节温器的端口三与电堆的冷却液入口连接。
13.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了入堆冷却液控制设备，通过上述入堆冷却液控制设备可用于精准地调节入堆冷却液的温度，保证电堆正常使用。
14.进一步，所述控制器进一步包括：数据采集单元，用于实时获取整车需求功率、电堆的输出功率、电堆内每一单片电池的电压，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于定时判断接收的整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出，否则，监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值，如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值后，控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围后，执行待机。
15.上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的结构和功能进一步限定。通过上述数据采集单元结合数据处理与控制单元，可保证电堆从正常运行到待机的控制过程精确、有效，充分节约能源，并有效提高燃料电池的寿命。
16.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：定时获取当前时刻的整车需求功率；判断整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按所述整车需求功率输出，否则，执行下一步；监测电堆的实时输出功率，判断该实时输出功率是否大于等于事先标定的正常待机时的额定阈值；如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值后，继续执行下一步；否则，直接执行下一步；控制电堆执行待机准备，关闭尾排气节气门，排氢阀；控制电堆执行放电，监测电堆内每一单片电池的电压，获得电堆的单片电压指标，直到电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，停止放电；控制电堆执行待机，调整燃料电池氢腔处于恒压，燃料电池水泵功率处于额定值，空压机以额定最低转速运行，排氢阀以固定占空比开启，使得电堆消耗达到最低。
17.上述进一步改进方案的有益效果是：对数据处理与控制单元执行的程序进行限定，通过关闭尾排气节气门、排氢阀，可使得待机时，充分节省能源。
18.进一步，所述额定阈值为电堆正常工作时额定功率的20%~40%；所述恒定电压不大于每一单片电池的目标电压阈值与电堆内单片电池数量的乘积；所述指定阈值范围为小于每一单片电池的目标电压阈值。
19.上述进一步改进方案的有益效果是：对额定阈值、恒定电压、指定阈值范围进行了限定，通过上述设置，可使得电堆消耗达到最低。
20.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序完成控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值：关闭整车负载，使得电堆降载；控制电堆阴极侧通入氢气对电堆进行吹扫，达到预设时间后，结束吹扫；调整入堆冷却液的温度，以及，入堆氢气、空气的流量，监测电堆的输出电压是否恒定；如果预设时间内电堆的输出电压达不到恒定，继续执行下一步；调整入堆氢气、空气的压力，再次监测，直到电堆以恒定电压输出为止，结束调整。
21.上述进一步改进方案的有益效果是：对电堆降载吹扫的控制过程进行了限定，通过上述设置，可有效提高电堆寿命，经降低电堆能量消耗。
22.进一步，所述数据处理与控制单元通过下面公式获得电堆的单片电压指标v：v=α
1v1
+α
2v2
+...+α
nvn
式中，α1,...,αn为事先标定的比例系数，v1,...,vn为电堆内每一单片电池的电压，下标表示单片电压序号。
23.上述进一步改进方案的有益效果是：对电堆的单片电压指标v进行了限定，在不同的环境条件下标定不同的比例系数，使得控制过程更加准确、有效。
24.另一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池发动机系统的控制方法，包括如下步骤：定时获取整车需求功率；判断所述整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出，否则，执行下一步；监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值；如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值；控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，执行待机。
25.采用上述进一步改进方案的有益效果是：给出了一种在整车进行无功率输出或小功率输出的有效、合理的燃料电池发动机控制方法。当整车一段时间无功率需求时，则燃料电池发动机系统通过执行上述程序，可实现无功率或小功率的负输出模式，避免对整车上动力电池充电，导致整车上锂电池出现问题。在电堆从正常运行到待机的过程中，增加了吹扫动作，排出了电堆内的多余液体，可有效改善现有技术在待机模式时电堆单片可能出现高电位的问题，在待机模式时采用非持续发电模式，有利于节省能源。
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示出了本发明实施例1车载燃料电池发动机系统组成示意；图2示出了本发明实施例2车载燃料电池发动机系统组成示意；图3示出了本发明实施例2车载燃料电池发动机系统的控制方法原理示意。
29.附图标记：pe‑ꢀ
电堆正常工作时额定功率；v_targ
‑ꢀ
每一单片电池的目标电压阈值；n-电堆中单片电池的数量；vaveg
‑ꢀ
电堆的单片电压指标。
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，公开了一种车载燃料电池发动机系统，包括电堆、空压机、进气节气门、中冷器、尾排气节气门、排氢阀和发动机控制器，如图1所示。
33.其中，电堆的空气入堆口依次经中冷器、进气节气门与空压机的输出端连接，氢气出堆口与排氢阀连接，空气出堆口与尾排气节气门连接。即空气依次经空压机、进气节气门、中冷器进入电堆，排氢阀设置于氢气出堆口，尾排气节气门设置于空气出堆口。
34.可选地，发动机控制器分别与上述空压机、进气节气门、中冷器、尾排气节气门、排氢阀之间通过无线数据传输或者有线连接。
35.发动机控制器，用于定时判断整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率；以及，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出；否则，监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值，如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值后，控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，执行待机。
36.具体地，上述整车需求功率指当前时刻，整车上所有开启的用电设备正常工作所耗功率之和。
37.上述最低输出功率可查阅燃料电池的技术手册获得。
38.上述额定阈值与指定阈值范围可根据使用环境（包括不同温度、湿度等）进行标
定，此处不进行限定。
39.可选地，控制电堆执行吹扫可采用现有的空气吹扫或者氢气吹扫方案，目的是降低电堆内部的多余水分。可通过整车的大功率负载或者专用负载进行电量消耗，控制电堆放电。
40.与现有技术相比，本实施例提供的车载燃料电池发动机系统是一种在整车进行无功率输出或小功率输出的有效、合理的燃料电池发动机控制系统。当整车一段时间无功率需求时，则燃料电池发动机系统通过执行上述程序，可实现无功率或小功率的负输出模式，避免对整车上动力电池充电，导致整车上锂电池出现问题。在电堆从正常运行到待机的过程中，增加了吹扫动作，排出了电堆内的多余液体，可有效改善现有技术在待机模式时电堆单片可能出现高电位的问题，在待机模式时采用非持续发电模式，有利于节省能源。
41.实施例2在实施例1的基础上进行优化，该系统还包括入堆氢气控制设备和入堆冷却液控制设备，如图2所示。
42.入堆氢气控制设备进一步包括氢喷设备和控制阀。其中，所述氢喷设备用于控制入堆氢气的流量、压力，其输出端经所述控制阀与电堆的氢气入堆口连接；并且，所述氢喷设备、控制阀的控制端分别与发动机控制器的输出端连接。
43.入堆冷却液控制设备进一步包括节温器、散热器和水泵；其中，电堆的冷却液出口经水泵分别与散热器的输入端、节温器的端口二连接；散热器的输出端与节温器的端口一连接；节温器的端口三与电堆的冷却液入口连接。
44.优选地，控制器进一步包括数据采集单元、数据处理与控制单元。可选地，数据采集单元、数据处理与控制单元可依次连接或者通过无线数据传输。
45.数据采集单元，用于实时获取整车需求功率（即整车所有用电设备正常工作的额定功率之和）、电堆的输出功率、电堆内每一单片电池的电压，发送至数据处理与控制单元。
46.优选地，数据采集单元可包括设置于电堆的供电端的功率表或电流电压表，以及与电堆连接的电堆单片电压监测仪（例如，参见专利cn201711206252.x）。
47.功率表，用于实时测量电堆的输出功率。
48.电堆单片电压监测仪，用于实时测量电堆内每一单片电池的电压。
49.数据处理与控制单元，用于定时判断接收的整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出，否则，监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值，如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值后，控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围后，执行待机。
50.优选地，数据数据处理与控制单元执行如下程序：ss1. 定时获取当前时刻的整车需求功率（即所有开启以及将要开启的用电设备正常工作所耗功率之和）；ss2. 判断整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按所述整车需求功率输出，否则，执行下一步；具体地，通过控制入堆控制、氢气的流量、压力，以及冷却液的水温，使得电堆按所述整车需求功率输出；ss3. 通过功率表或者相应电流、电压表监测电堆的实时输出功率，判断该实时输出功率是否大于等于事先标定的正常待机时的额定阈值；如果是，控制电堆降载并执行吹
扫（可选氢气吹扫或者空气吹扫），直到不超过额定阈值后，继续执行下一步；否则，直接执行下一步；优选地，所述额定阈值为电堆正常工作时额定功率pe的20%~40%；示例性地，可选30%；ss4. 控制电堆执行待机准备，包括关闭尾排气节气门、排氢阀；ss5. 控制电堆执行放电，监测电堆内每一单片电池的电压，获得电堆的单片电压指标，直到电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，停止放电；优选地，所述指定阈值范围为小于每一单片电池的目标电压阈值；需说明的是，每一单片电池的目标电压阈值可查阅该电堆的技术手册获得，不同厂家的电堆对该阈值的定义可能不同，一般为低于0.8 v。
51.ss6. 控制电堆执行待机，包括调整燃料电池氢腔处于恒压，燃料电池水泵功率处于额定值，空压机以额定最低转速运行，排氢阀以固定占空比开启，使得电堆消耗达到最低。具体地，所述恒压、额定值、额定最低转速、固定占空比可通过实验室标定，使得当前环境条件下在不影响电堆寿命的前提下电堆能量消耗最低。
52.具体原理可参考图3所示。
53.优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序完成控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值：ss31. 关闭整车负载，使得电堆降载；ss32. 控制电堆阴极侧通入氢气对电堆进行吹扫，达到预设时间后，结束吹扫；ss33. 调整入堆冷却液的温度，以及，入堆氢气、空气的流量，监测电堆的输出电压是否恒定；如果预设时间内电堆的输出电压达不到恒定，继续执行下一步；否则，输出恒定电压；ss34. 调整入堆氢气、空气的压力，再次监测，直到电堆以恒定电压输出为止，结束调整。
54.优选地，步骤ss33和步骤ss34中，所述恒定电压应保证不大于每一单片电池的目标电压阈值与电堆内单片电池数量的乘积。
55.优选地，上述电堆的单片电压指标v通过下面公式获得：v=α
1v1
+α
2v2
+...+α
nvn
式中，α1,...,αn为事先标定的比例系数，v1,...,vn为电堆内每一单片电池的电压，下标表示单片电压序号。
56.优选地，在不同的环境条件下标定不同的比例系数α1,...,αn，使得控制过程更加准确、有效。
57.一般情况下，可采用α1=...=αn=1/n。
58.与实施例1相比，本实施例提供的车载燃料电池发动机系统增加了入堆氢气控制设备、入堆冷却液控制设备、dc-dc转换器和空气过滤器，并对发动机控制器的结构和程序进一步限定，使得从正常运行到待机模式，以及待机模式时的各零部件相互配合工作，使得能源消耗最低。
59.实施例3本发明还公开了一种实施例1、2所述车载燃料电池发动机系统的控制方法，包括如下步骤：s1. 定时获取整车需求功率；
s2. 判断所述整车需求功率是否大于燃料电池的最低输出功率，如果大于，控制电堆按整车需求功率输出，否则，执行下一步；s3. 监测电堆的实时输出功率，识别该实时输出功率是否超过额定阈值；如果是，控制电堆降载并执行吹扫，直到不超过额定阈值；s4. 控制电堆放电，使得电堆的单片电压指标达到指定阈值范围，执行待机。
60.与现有技术相比，本实施例提供的方法是一种在整车进行无功率输出或小功率输出的有效、合理的燃料电池发动机控制方法。当整车一段时间无功率需求时，则燃料电池发动机系统通过执行上述程序，可实现无功率或小功率的负输出模式，避免对整车上动力电池充电，导致整车上锂电池出现问题。在电堆从正常运行到待机的过程中，增加了吹扫动作，排出了电堆内的多余液体，可有效改善现有技术在待机模式时电堆单片可能出现高电位的问题，在待机模式时采用非持续发电模式，有利于节省能源。
61.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。