燃料电池车辆及其控制方法与流程

1.本技术涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池车辆及其控制方法。


背景技术：

2.随着全球环境污染的加重及石油储存量的下降，电动汽车逐步走进人们的生活当中。最近几年，电动汽车技术已经取得飞速发展，但从市场反馈来看，续驶里程短及充电时间长已经成为限制电动汽车推广的主要瓶颈，因此，燃料电池汽车应运而生。
3.燃料电池汽车主要以h2为主要能源，配备镍氢电池或超级电容为辅助能源。车辆行驶过程中，燃料电池系统中h2与o2发生化学反应，产生的电能供给动力电机，实现整车驱动，镍氢电池或超级电容在行车过程中主要起功率补偿及能量回收的作用。在整个行驶循环中，车辆只会生成h2o，避免了对环境造成污染。
4.质子交换膜燃料电池(pemfc)，也叫聚电解质燃料电池(pefc)，是一种将还原剂与氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池在使用时，通常都需要一套相应的辅助系统。燃料电池本体(又称电堆)与其相应的辅助系统共同组成燃料电池系统。燃料电池系统除了燃料电池本体外，还包括氢气系统、空气系统、冷却系统、功率输出系统、热管理系统、电压检测系统等附件系统。其中，氢气系统是为电堆提供氢气，并根据运行工况调节进入电堆的氢气压力和流量等；空气系统是为电堆提供适量的氧化剂(空气或氧气)，并根据工况调节进入电堆的氧化剂的压力和流量等；冷却系统能够使电堆温度保持合适水平，进而保证电堆的稳定可靠工作；功率输出系统则是通过dcdc来调节电堆的输出电压、电流的大小和变化速率；电压检测系统则通过电压检测器来监视燃料电池电堆每一个单片电压，作为功率输出系统调节的指导。
5.燃料电池单电池电压过高，高于一定值会影响电堆的寿命。而燃料电池在启动、停机以及连续低载和怠速工况下，燃料电池处于高电位状态，电堆平均电压较高(＞0.95v)，造成燃料电池膜穿孔、质子交换能力下降和催化剂活性降低等后果，对电堆的性能及耐久性有比较大的损害。快速降低燃料电池电堆电压将有效的延长电堆寿命。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种燃料电池车辆及其控制方法，维持车辆的需求功率大于燃料电池的最小输出功率，避免燃料电池出现高电位，从而延长燃料电池的寿命。
7.本技术的一方面，公开了一种燃料电池车辆，包括：
8.控制器，所述控制器被构造为：
9.确定燃料电池车辆处于低功率状态事件；以及
10.基于确定燃料电池车辆处于低功率状态事件，
11.在所述低功率状态事件期间，从燃料电池输出电流为动力电池充电，和
12.在所述低功率状态事件期间，将车辆附件置于接通状态。
13.在一个优选例中，将所述车辆附件置于接通状态而消耗能量。
14.在一个优选例中，所述车辆附件被构造成接收在所述低功率状态事件期间放电的电流的至少一部分。
15.在一个优选例中，所述车辆附件包括电池温度控制系统、座舱温度控制系统和发动机温度控制系统中的至少一个。
16.在一个优选例中，所述燃料电池车辆还包括：电压检测系统，所述电压检测系统构造为监测电堆每一个单片电压。
17.在一个优选例中，所述控制器构造为响应于所述电压检测系统监测到的电堆每一个单片电压，来确定所述燃料电池车辆是否处于低功率状态事件。
18.本技术的另一方面，还公开了一种燃料电池车辆的控制方法，包括：
19.由与电堆通信连接的控制器确定所述燃料电池车辆正处于低功率状态事件；和
20.基于确定所述燃料电池车辆正处于低功率状态事件：
21.在所述低功率状态事件期间，从燃料电池输出电流为动力电池充电，和
22.在所述低功率状态事件期间，将车辆附件置于接通状态。
23.在一个优选例中，还包括：由所述车辆附件接收在所述低功率状态事件期间所释放的电流的至少一部分。
24.在一个优选例中，还包括：通过所述动力电池和所述车辆附件从所述电堆接收电能。
25.在一个优选例中，通过接通至少一个车辆附件来消耗能量，所述车辆附件选自以下一个或其组合：接通电池温度控制系统、座舱温度控制系统、发动机温度控制系统。
26.本技术至少有以下技术效果：
27.1.避免出现因怠速而产生的燃料电池高电位、膜含水量的下降、膜穿孔、质子交换能力下降和催化剂活性降低等情况，从而有效提高燃料电池使用寿命。
附图说明
28.图1是根据本技术第一实施方式的示意图。
具体实施方式
29.本技术发明人经过广泛而深入的研究，提出一种新型的燃料电池车辆及其控制方法，该车辆及其控制方法避免燃料电池出现高电位，从而延长燃料电池的寿命。
30.以下是与用于对燃料电池车辆及其控制方法有关的各种概念以及其实现的更详细的描述。以上介绍并在下面更详细讨论的各种概念可以以任何数量的方式实施，因为所描述的概念不限于任何特定的实施方式。提供特定实施方式和应用的示例主要用于说明目的。
31.术语
32.如本文所用，“燃料电池车辆”、“车辆”可互换使用，均指代本技术的燃料电池车辆。
33.部分概念的说明：
34.怠速
35.怠速是指发动机在无负荷的情况下运转，只需克服自身内部机件的摩擦阻力，不
对外输出功率。怠速工况是指发动机无负载运转状态。怠速可分为正常怠速与行车怠速。正常怠速是指车辆处于驻车状态启动发动机，发动机稳定运转的最低转速称为驻车怠速(发动机由冷车怠速状态向发动机达到正常工作温度的怠速状态转变的过程称为暖车或热车)。行车怠速是指汽车挂档过程中，不踩油门踏板或行驶中把油门踏板松开，保持节气门的最小开度，此时发动机转速和驻车怠速一致的状态，称其为行车怠速。
36.下面概要说明本技术实施方式的部分创新点：
37.燃料电池车辆包括以下几个系统：燃料电池系统、动力电池系统、整车控制器(vcu)、dc/dc系统、集成控制器、驱动电机和负载。其中，燃料电池系统包括燃料电池和燃料电池控制器(fcu)。动力电池系统包括动力电池和动力电池控制器。dc/dc系统包括dc/dc和dc/dc控制器。燃料电池依次通过dc/dc和集成控制器将电能输出给驱动电机，驱动电机通过主减速器/差速器驱动车轮转动以实现车辆行驶，动力电池也通过集成控制器将电能输出给驱动电机。燃料电池和动力电池相当于并联设置，两者中的其中一个或者同时两个均能够为驱动电机提供电能。dc/dc对燃料电池进行升降压控制，限制燃料电池的输出功率，使燃料电池经dc/dc后的电压平台和整车的电压平台保持一致。在一些实施例中，负载包括推进车辆、操作hvac压缩机、风扇、泵、动力转向泵、电照明、行车制动空气压缩机等所需的功率。
38.集成控制器、整车控制器、dc/dc控制器、动力电池控制器以及燃料电池控制器通过整车网络总线连接。整车控制器中设置有相应的软件程序，采集各子系统的信号对各子系统进行协调控制，通过燃料电池和动力电池能量分配，高效满足整车功率需求。
39.集成控制器包括高压配电系统、空压机控制器、驱动电机控制器和低压dc/dc控制器，实现了各个组成控制器的功能。采用集成控制器能够减少整车部件数量，简化了整车布置，实现多控制器的多功能集成。
40.本发明提供的燃料电池车辆控制方法以软件程序的方式加载在整车控制器中，整车控制器根据软件程序进行相应地运行控制，具体如下：
41.设定燃料电池在车辆怠速状态下的输出电流为i
idle
，燃料电池的最小工作电流为i
min
，最小工作电流对应的输出功率就为最小输出功率，为pfc
min
。整车控制器实时采集车辆的需求功率p，当需求功率小于燃料电池系统的最小输出功率pfc
min
时，即pfc
min
＞p时，车辆处于低功率状态事件。
42.在一个实施例中，燃料电池车辆还包括电压检测系统，用于监测电堆每一个单片电压。控制器构造为响应于电压检测系统监测到的电堆每一个单片电压，来确定所述燃料电池车辆是否处于低功率状态事件。
43.为了使车辆的需求功率p大于燃料电池的最小输出功率，本实施例中，燃料电池的输出电流需要始终为车辆运行提供相应的电能，即从燃料电池输出电流为动力电池充电，和/或接通车辆附件，以消耗能量。
44.在一个实施例中，从燃料电池输出电流用于为动力电池充电，以小电流不断为动力电池进行充电，保证车辆在停止时燃料电池仍能够持续输出能量。燃料电池的输出电流i大于或者等于燃料电池的最小工作电流i
min
，由于i
min
＞i
idle
，那么，不管在什么状态，燃料电池始终输出一个大于i
idle
的电流值，进而使燃料电池的最小输出功率大于燃料电池的最小启动功率。
45.在优选的实施例中，车辆附件被构造成接收在低功率状态事件期间放电的电流的至少一部分。当vcu采集到车辆的需求功率p小于燃料电池的最小输出功率pfc
min
时，从燃料电池输出电流用于为动力电池充电的同时，集成化控制器向车辆附件发送使能命令。使得车辆附件处于接通状态并且消耗能量。车辆附件可以包括空气压缩机、温度控制系统(例如，供暖、通风以及空调(hvac)系统、发动机冷却系统等)、电驱动系统、动力系统和/或任何构造成存储能量的其他车辆系统和/或组件。空气压缩机可以存储气动能量。hvac系统可以通过过度加热或过度冷却电动车辆的车厢(例如，乘客车厢)或其他区域来存储热能。发动机冷却系统可以通过过度冷却发动机来存储热能。这样的电动车辆附件需要能量来操作。就这一点而言，发动机和/或车辆附件负载可以执行代表能量转换的功能。能量转换具有一定程度的能量存储能力，使得过量的充电站功率可以在连接到充电站时(例如，当连接到电网时)对电动车辆附件进行再充电(例如，充电或以其他方式补足)。
46.也就是说，在需求功率小于燃料电池的最低输出功率时，供大于求，这时就需要将用不到的功率进行存储，和/或用于车辆附件的消耗。
47.优选地，车辆在启动时或低速(即速度低于一个速度设定值)时，车辆的需求功率由动力电池提供。在车辆制动时，驱动电机系统回收的制动能量存储到动力电池中，为下次整车启动做准备。
48.为了能够更好地理解本技术的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本技术保护范围的限制。
49.实施例1、
50.如图1所示，本实施例的燃料电池车辆包括电堆、dc/dc变压器、负载与车辆附件。本实施例的车辆附件为ptc加热器。燃料电池的最小输出功率为5kw。此时，电压检测系统检测到电堆单片电池的电势为1.4v。
51.当vcu检测到整车需求功率p小于5kw时，电堆向锂电池提供一部分功率以进行充电。同时，集成控制器向ptc加热器发送使能命令，使得ptc加热器处于接通状态，将电堆的一部分功率提供给加热器。ptc加热器的功率优选为1-10kw，更优选地为10kw。使单电池电压低于一定值，减少燃料电池性能衰减。当燃料电池关机进入空气吹扫阶段，开启加热器，增加燃料电池的功耗，避免出现单电池电压高于一定值。通过提高燃料电池的电压控制范围在0.80至0.95v之间。
52.在本技术提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本技术的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本技术的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种燃料电池车辆，其特征在于，包括：控制器，所述控制器被构造为：确定燃料电池车辆处于低功率状态事件；以及基于确定燃料电池车辆处于低功率状态事件，在所述低功率状态事件期间，从燃料电池输出电流为动力电池充电，和在所述低功率状态事件期间，将车辆附件置于接通状态。2.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，将所述车辆附件置于接通状态而消耗能量。3.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述车辆附件被构造成接收在所述低功率状态事件期间放电的电流的至少一部分。4.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述车辆附件包括电池温度控制系统、座舱温度控制系统和发动机温度控制系统中的至少一个。5.一种燃料电池车辆的控制方法，其特征在于，包括：由与电堆通信连接的控制器确定所述燃料电池车辆正处于低功率状态事件；和基于确定所述燃料电池车辆正处于低功率状态事件：在所述低功率状态事件期间，从燃料电池输出电流为动力电池充电，和在所述低功率状态事件期间，将车辆附件置于接通状态。6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：由所述车辆附件接收在所述低功率状态事件期间所释放的电流的至少一部分。7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：通过所述动力电池和所述车辆附件从所述电堆接收电能。8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，通过接通至少一个车辆附件来消耗能量。9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述车辆附件选自以下一个或其组合：接通电池温度控制系统、座舱温度控制系统、发动机温度控制系统。10.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述方法将燃料电池的电压v控制在以下范围内：0.80v≤v≤0.95v。

技术总结
本申请涉及一种燃料电池车辆，包括：控制器，所述控制器被构造为确定燃料电池车辆处于低功率状态事件；以及基于确定燃料电池车辆处于低功率状态事件，在所述低功率状态事件期间，从燃料电池输出电流为动力电池充电，和在所述低功率状态事件期间，将车辆附件置于接通状态。本申请还涉及一种燃料电池车辆的控制方法。根据本申请的燃料电池车辆能够维持车辆的需求功率大于燃料电池的最小输出功率，避免燃料电池出现高电位，从而延长燃料电池的寿命。从而延长燃料电池的寿命。从而延长燃料电池的寿命。


技术研发人员：陈杰 刘锦鹏
受保护的技术使用者：江苏清能新能源技术股份有限公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2023/6/28