一种燃料电池系统控制方法及燃料电池系统、车辆与流程

1.本发明涉及燃料电池车辆领域，具体涉及一种燃料电池系统控制方法及燃料电池系统、车辆。


背景技术：

2.燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。燃料电池系统是由燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制系统等组成，各系统协同工作确保燃料电池处于预期工作状态。
3.燃料电池电堆是由多片燃料电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联而成，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气 (空气)供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道。不同介质流道间，用密封材料进行密封。
4.燃料电池单片的氢气、氧气(空气)、冷却液流道间的相互密封具有非常关键的作用，氢气、氧气(空气)与冷却液间的相互串漏，会严重影响燃料电池堆使用寿命。车用燃料电池系统往往由上百片燃料电池单片串联而组成，单片串联数量越多，密封周圈的总尺寸越长，对密封要求越高。影响串漏的因素包括多种，例如：双极板材料致密程度，会影响密封周圈内部结构的氢气、氧气(空气)与冷却液间的串漏；在燃料电池系统使用过程中，车载振动、环境条件恶劣、燃料电池系统变工况等，均容易引起燃料电池系统密封失效。
5.在燃料电池系统密封失效发生后，燃料电池系统快速诊断为密封失效模式，通过采取措施缓解或消除密封失效对燃料电池堆性能和使用寿命的影响成为关键手段；目前已知的失效模式包括燃料电池冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，会使燃料电池输出性能直接降低，如何利用燃料电池的特性，采取合适的应对措施在不影响燃料电池正常工作的情况下稀释冷却液并将冷却液从燃料电池内逐渐排出，是燃料电池性能恢复到正常水平是本现有技术中亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种燃料电池系统控制方法及燃料电池系统、车辆，在燃料电池冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内后，通过控制燃料电池的高水含量工作状态，实现排出冷却液杂质，恢复燃料电池系统的性能。
7.作为本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统的控制方法，所述控制方法包括：
8.对比实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化，确定燃料电池冷却液是否泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；所述实际工况条件至少包括输出电压、输出功
率、输出电流、高频阻抗、低频阻抗及冷却液入口温度；
9.当判定为是时，在燃料电池正常运行的工作条件下提高燃料电池的输出电流，并对应调整工作条件维持燃料电池输出功率不变；
10.根据实际输出功率与目标输出功率的差值判定燃料电池性能是否满足恢复条件；
11.在燃料电池性能满足恢复条件的情况下，获取当前实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化值，确定燃料电池冷却液的完全排除时机。
12.进一步地，所述“获取当前实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化，确定燃料电池冷却液的完全排除时机”步骤包括：
13.在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，判定燃料电池高频阻抗、低频阻抗、输出电压是否达到预设变化条件；
14.若是，则判定燃料电池冷却液完全排除；
15.若否，则在燃料电池正常运行的工作条件下降低燃料电池的输出电流，并对应调整工作条件提高燃料电池输出功率。
16.进一步地，所述“判定燃料电池高频阻抗、低频阻抗、输出电压是否达到预设变化条件”步骤中预设变化条件为：所述高频阻抗增加、低频阻抗增加、输出电压降低。
17.进一步地，所述方法还包括：
18.预先确定不同工作状态下的燃料电池输出电压、输出功率与输出电流的关系曲线；所述不同工作状态包括：
19.正常工作条件下并且没有发生冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况，
20.正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况，和
21.非正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况。
22.进一步地，所述方法还包括：
23.根据燃料电池目标输出功率设定燃料电池的目标工况条件；
24.获取当前燃料电池的实际工况条件及目标工况条件；
25.在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，计算燃料电池高频阻抗、低频阻抗及输出电压的相对变化，结合所述关系曲线，判定燃料电池冷却液是否泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；
26.若高频阻抗增加、低频阻抗增加且输出电压降低，则判定燃料电池冷却液是泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；若否，则判定燃料电池冷却液未泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内。
27.进一步地，所述“在燃料电池正常运行的工作条件下提高燃料电池的输出电流”的步骤包括：
28.计算在所述工作条件中限制所述输出电流提高的限制条件允许输出的最大输出电流，维持所述最大输出电流；
29.所述限制条件至少包括燃料电池的单片最低电压、最低空气入口压力、最低空气入口流量。
30.进一步地，所述“根据实际输出功率与目标输出功率的差值判定燃料电池性能是否满足恢复条件”的步骤包括：
31.判断当前输出功率与所述目标输出功率的差值是否大于预设阈值，
32.若是，则判定燃料电池性能满足恢复条件；
33.若否，则判定燃料电池性能未满足恢复条件，持续当前输出电流的工作条件。
34.进一步地，所述工作条件包括预设空气过量系数、空气入口压力、氢气过量系数、氢气入口压力、冷却液流量、冷却液入口温度、输出电流。
35.作为本发明实施例的再一方面，提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统通过上述任意一项实施例所述的燃料电池系统的控制方法控制所述燃料电池系统。
36.作为本发明实施例的又一方面，提供了一种车辆，所述车辆安装有如上任意实施例所述的燃料电池系统。
37.本发明实施例至少实现了如下技术效果：
38.本实施例根据燃料电池的实际工况参数，通过设定输出功率调整燃料电池的高水含量工作状态，并随着燃料电池性能恢复过程而不断调整燃料电池的高水含量工作状态，从而在冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内时，在满足车辆驱动要求的前提下，实现逐渐排出冷却液杂质，并恢复燃料电池的正常工作性能。
39.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所记载的结构来实现和获得。
40.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
41.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
42.图1为本发明一实施例的燃料电池输出电压、输出功率与输出电流的关系曲线图。
43.图2为本发明一实施例的燃料电池系统控制方法流程图。
44.图3为本发明另一实施例的提燃料电池系统的控制方法流程图
具体实施方式
45.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
46.附图和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
47.在一个实施例中，参见附图1，提供了一种燃料电池系统的控制方法，所述控制方法包括：
48.s11对比实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化，确定燃料电池冷却液是
否泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；所述实际工况条件至少包括输出电压、输出功率、输出电流、高频阻抗、低频阻抗及冷却液入口温度；
49.s12当判定为是时，在燃料电池正常运行的工作条件下提高燃料电池的输出电流，并对应调整工作条件维持燃料电池输出功率不变；
50.s13根据实际输出功率与目标输出功率的差值判定燃料电池性能是否满足恢复条件；
51.s14在燃料电池性能满足恢复条件的情况下，获取当前实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化值，确定燃料电池冷却液的完全排除时机。
52.在本实施例中，通过对实际工况条件与所述目标工况条件的对比判定是否漏液，并通过提高输出电流的方式提高燃料电池水含量，当燃料电池工作在高水含量状态时，燃料电池运行中会不断反应生成水并持续排水，从而逐渐稀释冷却液并将冷却液从燃料电池内逐渐排出，燃料电池性能亦随之逐渐恢复到正常水平。
53.其中，优选地，所述工作条件包括预设空气过量系数、空气入口压力、氢气过量系数、氢气入口压力、冷却液流量、冷却液入口温度、输出电流。
54.优选地，在一个实施例中，所述s13包括：
55.判断当前输出功率与所述目标输出功率的差值是否大于预设阈值，
56.若是，则判定燃料电池性能满足恢复条件；
57.若否，则判定燃料电池性能未满足恢复条件，持续当前输出电流的工作条件。
58.在本实施例中，预设阈值可根据燃料电池设计与应用试验结果确定；当差值大于预设阈值时，说明燃料电池性能在不断恢复。
59.在本实施例之前，还可以设置等待时间，当到达等待时间后，检测燃料电池当前输出电流i和输出电压v下的输出功率p，其中p＝v*i。其中的等待时间可根据燃料电池空气供给系统、氢气供给系统和冷却系统切换工作条件达到稳定所需要的时间；也可以根据需求任意设置，例如：毫秒级、分钟级。
60.优选地，在一个实施例中，所述“s14中获取当前实际工况条件与所述目标工况条件的相对变化，确定燃料电池冷却液的完全排除时机”步骤包括：
61.在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，判定燃料电池高频阻抗、低频阻抗、输出电压是否达到预设变化条件；
62.若是，则判定燃料电池冷却液完全排除；
63.若否，则在燃料电池正常运行的工作条件下降低燃料电池的输出电流，并对应调整工作条件提高燃料电池输出功率。
64.在本实施例中，上述判定指标还可以包括其他指标，也可以结合工作条件中的其他工作参数进行判断，在此不做一一限定及列举。其中，优选地预设变化条件为：所述高频阻抗增加、低频阻抗增加、输出电压降低。
65.在本实施例中，优选地，“在燃料电池正常运行的工作条件下降低燃料电池的输出电流，并对应调整工作条件提高燃料电池输出功率”的步骤包括：
66.设定燃料电池目标输出功率ptgtnew，其设定值可以根据当前实际输出电压进行设定，例如：ptgtnew＝ptgtlast(设定之前的实际输出电压) pth(预设阈值)。在燃料电池堆限制条件允许下，根据输出电压的变化降低燃料电池堆输出电流i(il≤i《ih)以满足目
标功率ptgt、同步改变燃料电池堆工作条件。其中，燃料电池堆限制条件包括燃料电池单片最低电压、最低空气入口压力、最低空气入口流量等。其中，调整方法可以是，将燃料电池堆输出电流设定为比当前电流低一个固定值，再校正燃料电池堆的工作条件。
67.在本实施例中，在冷却液不断被冲刷掉而减少的过程中，燃料电池的输出性能不断恢复，冲刷残留冷却液对燃料电池高水含量状态的需求可以有所降低，从而可以往更大的输出功率设置而满足燃料电池应用终端对燃料电池的需求功率，改善终端使用体验。
68.进一步地，在一个实施例中，所述方法还包括：
69.预先确定不同工作状态下的燃料电池输出电压、输出功率与输出电流的关系曲线；所述不同工作状态包括：
70.正常工作条件下并且没有发生冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况，
71.正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况，和
72.非正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况。
73.在本实施例中，参考图2所示，曲线横坐标为燃料电池输出电流，左侧纵坐标为燃料电池输出电压，右侧纵坐标为燃料电池输出功率。横坐标从左到右，输出电流逐渐增加且都大于零；左侧纵坐标从下到上，输出电压逐渐增加且都大于零；右侧纵坐标从下到上，输出功率逐渐增加且都大于零。曲线a 为，正常工作条件下并且没有发生冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出电压与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出电压不断减小。曲线b为，正常工作条件下并且没有发生冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出功率与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出功率先增加再减小。
74.曲线c为，正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出电压与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出电压不断减小。曲线d为，正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出功率与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出功率先增加再减小。对比曲线a，相同输出电流下，曲线c的燃料电池输出电压较低些。对比曲线b，相同输出电流下，曲线d的燃料电池输出功率较低些。
75.曲线e为，非正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出电压与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出电压不断减小。曲线f为，非正常工作条件下并且发生了冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内，燃料电池输出功率与输出电流的关系曲线，随着输出电流增加，燃料电池输出功率先增加再减小。对比曲线c，相同输出电流下，曲线e的燃料电池输出电压较低些。对比曲线 d，相同输出电流下，曲线f的燃料电池输出功率较低些。其中，非正常工作条件是指，燃料电池堆运行的空气过量系数、空气入口压力、氢气过量系数、氢气入口压力、冷却液流量、冷却液入口温度等偏离燃料电池正常工作条件的预设值。
76.燃料电池输出电流为il时，在曲线a、b、c、d、e、f上，对应的燃料电池输出电压和输出功率分别为vl1、vl2、vl3、pl1、pl2、pl3。燃料电池输出电流为ih时，在曲线a、b、c、d、e、f
上，对应的燃料电池输出电压和输出功率分别为vh1、vh2、vh3、ph1、ph2、ph3。其中， ph3＝pl2。
77.优选地，在一个实施例中s12包括：
78.计算在所述工作条件中限制所述输出电流提高的限制条件允许输出的最大输出电流，维持所述最大输出电流；
79.所述限制条件至少包括燃料电池的单片最低电压、最低空气入口压力、最低空气入口流量。
80.在本实施例中，可以设定燃料电池堆的目标输出功率ptgt为获取的实际输出功率，在燃料电池堆限制条件允许下尽可能提高燃料电池堆输出电流、同步改变燃料电池堆工作条件，直至触发限制条件而开始维持燃料电池堆当前输出电流不变。其中，燃料电池堆限制条件包括燃料电池单片最低电压、最低空气入口压力、最低空气入口流量等。其中，提高燃料电池堆输出电流的依据可以是对当前燃料电池堆输出电压与输出电流关系曲线的估计结果或预先试验结果。
81.本实施例为在维持目标输出功率不变的情况下，提高输出电流。燃料电池输出电流越高，燃料电池水含量越高，即达到高水含量状态；同步改变燃料电池堆工作条件指：以维持燃料电池目标输出功率不变为目标，调整燃料电池工作条件和输出电流，二者一起调整。
82.在一个实施例中，所述方法还包括：
83.根据燃料电池目标输出功率设定燃料电池的目标工况条件；
84.获取当前燃料电池的实际工况条件及目标工况条件；
85.在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，计算燃料电池高频阻抗、低频阻抗及输出电压的相对变化，结合所述关系曲线，判定燃料电池冷却液是否泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；
86.若高频阻抗增加、低频阻抗增加且输出电压降低，则判定燃料电池冷却液是泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内；若否，则判定燃料电池冷却液未泄漏进入燃料电池反应电极和质子交换膜内。
87.在本实施例中，可以将读取的车辆驱动系统需求的燃料电池堆输出功率确定为目标输出功率，优选地，按照正常工作条件且没有发生冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况下的燃料电池堆输出性能曲线，预先设定燃料电池堆的工作条件和输出电流i，如il，曲线a满足vl1*il＝ptgt；其中，工作条件包括预设空气过量系数、空气入口压力、氢气过量系数、氢气入口压力、冷却液流量、冷却液入口温度、输出电流等工作参数，设计依据为燃料电池设计与应用，每台燃料电池都不同，但目标都是燃料电池系统效率最高、输出性能更高、比功率更高、寿命更长。其中，预设的数值与曲线之间可以一一对应；在本实施例中，可以实时获取当前燃料电池堆输出电压v(如 vl2)、输出功率p(如pl2)、高频阻抗、低频阻抗和燃料电池堆冷却液入口温度等信息。根据在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，燃料电池高频阻抗增加、低频阻抗增加、燃料电池输出电压降低，判断是否有冷却液进入燃料电池的非冷却液腔室，即燃料电池的反应电极和质子交换膜。
88.在一个实施例，参见图3，提供一燃料电池系统的控制方法，所述方法包括：
89.s201获取燃料电池目标输出功率ptgt；
90.s202按照正常工作条件且没有发生冷却液泄漏而进入燃料电池反应电极和质子交换膜内的情况下的燃料电池堆输出性能曲线，预先设定燃料电池的目标工况条件和输出电流i(如il，曲线a满足vl1*il＝ptgt)；
91.s203获取当前燃料电池堆输出电压v(如vl2)、输出功率p(如pl2)、高频阻抗、低频阻抗和燃料电池堆冷却液入口温度等实际工况条件；
92.s204对比目标工况条件与实际工况条件中的是否是高频阻抗增加、低频阻抗增加及输出电压降低，若是，则判定为有冷却液进入燃料电池的非冷却液腔室，转至s205；若否，则判定为未有冷却液进入燃料电池的非冷却液腔室，转至s210；
93.s205设定燃料电池堆的目标输出功率ptgt＝pl2，在燃料电池堆限制条件允许下尽可能提高燃料电池堆输出电流i、同步改变燃料电池堆工作条件，直至触发限制条件而开始维持燃料电池堆当前输出电流(如ih，曲线e和曲线f 满足vh3*ih＝ph3＝pl2)不变；
94.s206检测燃料电池堆当前输出电流i和输出电压v下的输出功率p＝v*i；
95.s207判断p-ptgt是否大于pth，如果是，则转入s208；如果否，则进转入 s206；
96.s208在当前燃料电池堆冷却液入口温度下，判断实际工况条件中是否是高频阻抗降低、低频阻抗降低及输出电压升高；若是，则转至s210，若否，则转至s209；
97.s209设定燃料电池堆目标输出功率ptgtnew(进入步骤s209之后计算更新后的设定值)＝ptgtlast(进入步骤s209之前的设定值) pth。在燃料电池堆限制条件允许下，根据p-pl2降低燃料电池堆输出电流i(il≤i《ih)以满足目标功率ptgt、同步改变燃料电池堆工作条件；
98.s210燃料电池内无杂质，控制结束。
99.由于燃料电池的输出电流与燃料电池水含量呈正相关关系，在实施例中，在满足车辆驱动要求的前提下，设定燃料电池的高水含量工作状态，并随着燃料电池性能恢复过程而不断调整燃料电池的高水含量工作状态。
100.在上述本实施例中的燃料电池堆及燃料电池均指代燃料电池系统中的电堆。
101.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统、车辆，由于该燃料电池系统、车辆所解决问题的原理与前述实施例的一种燃料电池系统的控制方法相似，因此下述实施例的实施可以参见前述一种燃料电池系统的控制方法的实施，重复之处不再赘述。
102.本发明实施例提供了一种车辆，所述车辆包括如上任意实施例所述的燃料电系统。
103.在一个实施例中还提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统通过上述任意一项实施例所述的燃料电池系统的控制方法控制所述燃料电池系统。
104.在一个实施例提供了一种车辆，所述车辆安装有如上任意实施例所述的燃料电池系统。
105.本实施例提供的车辆具有在低温环境下能够实现快速冷启动，且吹扫时间短，不需要进行空载吹扫，避免了司机关机后的等待，提高用户体验。
106.说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出
清楚区分。
107.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
108.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。