[發明專利]一種燃料電池車輛混合低溫冷啟動控制方法

有效

• 申請號: 202010707951.8
• 申請日: 2020-07-22
• 公開（公告）號: CN111785992B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 曾小華;張軒銘;宋大鳳;錢琦峰;牛超凡;陳建新;高福旺;李曉建
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04029;H01M8/04223;H01M8/04225;H01M8/04302;H01M8/0432;H01M8/04955;H01M8/04992;B60L58/31;B60L58/34;B60L58/40
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發明公開了一種燃料電池車輛混合低溫冷啟動控制方法，屬于新能源車輛領域，有效的低溫冷啟動控制方法可以克服現有燃料電池車輛在低溫環境下，冷啟動速度慢，且耗費能量大等問題。該發明提供的方法從輸入系統參數并計算冷啟動需求，并根據啟動過程將冷啟動分為兩個啟動階段，首先進入冷啟動過程1階段，此時為外部加熱元件與動力電池及系統余熱共同給燃料，待燃料電池達到可啟動溫度時進入冷啟動2階段，即混合啟動階段，此時供空單元和供氫單元開始工作，燃料電池小功率運行。本方法所描述的燃料電池車輛混合低溫冷啟動控制方法具有較快的啟動響應能力，提升了燃料電池的安全性。

技術領域

本發明屬于燃料電池車輛控制領域，更確切地說，本發明涉及一種燃料電池車輛混合低溫冷啟動控制方法。

背景技術

在新能源汽車發展體系中，燃料電池汽車是其重要的組成部分。質子交換膜燃料電池是一種直接將儲存在的化學能經與反應轉化成電能、熱能和水的電化學裝置。它不受卡諾循環的限制，轉化效率高，只要有足夠的氫氣和氧氣，就可以長時間連續運行。因其能量轉換效率高、噪音低、無排放(反應產物為水)等優點，已成為了各國研究的熱點。

但是阻礙燃料電池發展的除了氫氣的產生、運輸和存放，系統本身仍存在問題尚未攻克，如燃料電池冷啟動問題已經成為阻礙燃料電池商業化的關鍵技術瓶頸之一，是燃料電池汽車冬季運行的最大挑戰。燃料電池在反應過程中，不斷的有水生成，而水在0℃以下就會結冰，冰具有冷漲熱縮的性質。如果大量的冰生成，勢必會堵塞膜電極擴散層，使反應不能繼續進行，無法發電。更為嚴重的是，由于冷漲熱縮的性能有撕裂膜電極的可能性，使燃料電池堆完全失效。

現有的技術中，如2019年07月16日公開的發明專利，公開號：CN110021768A，公開了一種燃料電池的冷啟動控制方法、裝置及系統，從系統層面上介紹了冷啟動過程，整體上分為普通啟動和快速啟動，并且在每個啟動方式下提出了三種子啟動模式，分別是最大功率啟動模式、恒定電壓啟動模式以及恒定電流啟動模式，所介紹的啟動方式使燃料電池系統在不同條件下均能保證最優化的啟動性能，但該方法僅僅著重于燃料電池自啟動，未結合PTC加熱啟動，并且也未在整車層面做宏觀控制介紹。2019年11月11日公開的發明專利，公開號：CN110395143A，公開了具有冷啟動功能的車載燃料電池熱管理系統及控制方法，該控制方法不僅考慮了燃料電池系統本身的熱管理，還考慮了整車熱管理，并將熱管理控制器分為三層，動力系統平臺熱管理單元、燃料電池本體熱管理單元、熱管理控制器，宏觀上描述了熱管理方案和冷啟動方案，有一定價值。現有公開專利提出的燃料電池車輛低溫冷啟動控制方法僅限于自啟動和加熱啟動，且并未將整車熱管理與冷啟動耦合控制，在一定程度上存在能量的浪費。本專利針對燃料電池車輛低溫冷啟動控制，制定相應的自啟動、加熱啟動混合控制算法，有效兼顧啟動快速性與系統安全性，且融合車輛其余部件的熱管理控制，有效利用系統余熱，充分挖掘系統的節能潛力。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有燃料電池車輛在低溫環境下，冷啟動速度慢，且耗費能量大等問題，提出了一種燃料電池車輛混合低溫冷啟動控制方法。為解決上述技術問題，本發明是采用如下技術方案實現的，包括下列步驟：

第一步，輸入系統參數并計算冷啟動需求

從CAN線上采集燃料電池出堆冷卻液溫度，結合目標啟動溫度以及目標冷啟動時間，計算目標需求熱功率，作為方案的關鍵部件---加熱器應置于加熱水箱內，在散熱系統的主管路上，冷卻液流過時，將熱量帶給燃料電池電堆，故需將冷卻液進行加熱，所需熱量如式(1)所示：

Q_W＝m_wC_w(T_o-T_i) (1)

式中，m_w為循環管路中冷卻液質量，C_w為冷卻液比熱容，T_o為目標啟動溫度，T_i為初始溫度，進而計算電堆所需的加熱量如式(2)所示：