用于限制燃料电池高电位的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于限制燃料电池高电位的控制方法及系统。

背景技术

在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车的重要工业发展方向。高电位会造成阴极催化剂的衰减，被认为是造成电堆性能衰减的主要因素。电堆处于高电位时，载体中碳材料容易被氧化，从而将铂颗粒(pt)与碳载体之间的结合力减弱，使得铂颗粒脱落，最终导致铂颗粒在电解质中溶解，影响电堆的催化性能。更严重的是，脱落后的铂颗粒与电解质或者粘结剂结合，使得电解质的阻值增大。

现有技术一般采用避免燃料电池在开路工况下运行，或者增加放电电阻以在燃料电池运行过程中对高电位出现进行抑制，其使用范围受限，需要增加额外的硬件设备，并且，无法避免燃料电池的性能会随着使用时间增加而逐渐下降。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于限制燃料电池高电位的控制方法，用以解决现有技术无法有效且安全地在燃料电池运行过程中避免高电位出现的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于限制燃料电池高电位的控制方法，包括如下步骤：

在燃料电池处于运行状态时，实时获取燃料电池的输出电流，判断该燃料电池是否存在高电位风险；如果是，执行下一步；

获取燃料电池的平均单片电压；

识别燃料电池的平均单片电压是否超过高电位判断阈值V

识别燃料电池的平均单片电压维持上一步识别结束时刻电压的持续时间，直到该持续时间达到标定稳定时间T

上述技术方案的有益效果如下：首次提出了一种通过控制入堆空气流量限制燃料电池高电位的方案。该方案在燃料电池发动机工作时，电流稳定后，一旦燃料电池存在高电位风险，通过燃料电池单片电压巡检装置监测到燃料电池电堆的任一单片电池处于高电位点时，通过低空气计量比(闭环控制)来降低单位时间内参与电化学反应的氧气量，从而降低单片电压，避免燃料电池电堆单片处于高电位点工作造成损坏，实现钳电位功能。在解决高电位同时，无需增加额外硬件设备，不会降低发动机的性能，适应性比现有技术的放电电阻好。

基于上述方法的进一步改进，该控制方法还包括如下步骤：

获取高电位风险已消除时刻的空气流量，作为下次燃料电池输出电流达上述输出电流时入堆空气流量的调控初值。

进一步，所述在燃料电池处于运行状态时，实时获取燃料电池的输出电流，判断该燃料电池是否存在高电位风险的步骤进一步包括：

获取燃料电池的实时状态信息，识别该燃料电池是否处于运行状态；如果是，执行下一步，否则，继续下一时刻的运行状态识别；

获取当前时刻燃料电池的输出电流；

识别燃料电池的输出电流是否大于等于目标电流，如果是，判定燃料电池存在高电位风险，否则，判断燃料电池不存在高电位风险。

进一步，所述降低入堆空气流量的步骤进一步包括：

获取当前时刻燃料电池的平均单片电压；

根据所述燃料电池的平均单片电压，通过下面公式确定下一时刻的目标入堆空气流量F

式中，V

控制入堆空气流量降低至上述目标入堆空气流量F

进一步，所述高电位判断阈值V

与现有技术相比，本实施例用于限制燃料电池高电位的控制方法具有如下有益效果：

1、当燃料电池的单片电压满足设定的电位要求后，高电位风险消除控制器记录当前的入堆空气流量，作为下次调控的目标空气流量初值，解决钳电位自适应问题。

2、适用于燃料电池发动机工作时，电流稳定后的高电位预测以及修正。

3、方法简单，控制效果好，有利于提高燃料电池电堆的寿命和用户体验。

另一方面，本发明实施例提供了一种使用上述方法的用于限制燃料电池高电位的控制系统，括燃料电池电堆、空气流量调控设备、DC-DC转换器、电流监测设备、燃料电池单片电压巡检装置和控制器；其中，

燃料电池电堆的空气入口接空气流量调控设备的输出端，其总的供电输出端经DC-DC转换器、电流监测设备后接外部用电设备，其单片电池的供电输出端均接燃料电池单片电压巡检装置；

控制器，用于在燃料电池处于运行状态时，实时获取燃料电池的输出电流，确定该燃料电池是否存在高电位风险；以及，在存在高电位风险时，获取燃料电池的平均单片电压，在该平均单片电压超过高电位判断阈值V

控制器的输入端一接电流监测设备，其输入端二接燃料电池单片电压巡检装置，其输出端接空气流量调控设备的控制端。

优选地，所述空气流量调控设备进一步包括依次连接的空压机、流量控制阀；并且，

燃料电池电堆的空气入口经流量控制阀接空压机的输出端。

优选地，所述控制器具有显示模块；并且，该显示模块的显示屏上分别显示燃料电池是否存在高电位风险，以及燃料电池高电位风险已消除的控制信息。

优选地，所述DC-DC转换器为一种具有电压钳位功能的双向DC-DC转换器。

优选地，该控制系统还包括放电继电器、放电电阻；其中，

放电继电器的一端接燃料电池的供电输出端正极，其另一端接放电电阻，其控制端接控制器的输出端；

放电电阻的一端接燃料电池的供电输出端负极并接地，其另一端接放电继电器。

附图说明

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。

图1示出了实施例1用于限制燃料电池高电位的控制方法步骤示意图；

图2示出了实施例2用于限制燃料电池高电位的控制方法流程示意图；

图3示出了实施例3用于限制燃料电池高电位的控制系统组成示意图。

具体实施方式

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。

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。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于限制燃料电池高电位的控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.在燃料电池处于运行状态时，实时获取燃料电池的输出电流，判断该燃料电池是否存在高电位风险；如果是，执行下一步；

具体地，可通过输出电流的幅值、相位、变化率、变化加速度等变量中的一个或多个组合进行识别，判断该燃料电池是否存在高电位风险。实施例2仅提供了一种最简单的识别方式；

S2.获取燃料电池的平均单片电压；

具体地，一般通过燃料电池单片电压巡检装置获取燃料电池单片电压，进而得出燃料电池的平均单片电压；

S3.识别燃料电池的平均单片电压是否超过高电位判断阈值V

具体地，(燃料电池平均单片的)高电位判断阈值V

S4.识别燃料电池的平均单片电压维持上一步识别结束时刻电压的持续时间，直到该持续时间达到标定稳定时间T

具体地，确定第一次识别到燃料电池的平均单片电压小于高电位判断阈值V

与现有技术相比，本实施例提供的绝缘检测装置首次提出了一种通过控制入堆空气流量限制燃料电池高电位的方案。该方案在燃料电池发动机工作时，电流稳定后，一旦燃料电池存在高电位风险，通过燃料电池单片电压巡检装置监测到燃料电池电堆的任一单片电池处于高电位点时，通过低空气计量比(闭环控制)来降低单位时间内参与电化学反应的氧气量，从而降低单片电压，避免燃料电池电堆单片处于高电位点工作造成损坏，实现钳电位功能。在解决高电位同时，无需增加额外硬件设备，不会降低发动机的性能，适应性比现有技术的放电电阻好。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该方法还包括如下步骤：

S5.获取高电位风险已消除时刻的空气流量，作为下次燃料电池输出电流达上述输出电流时入堆空气流量的调控初值。

优选地，步骤S1进一步包括：

S11.获取燃料电池的实时状态信息，识别该燃料电池是否处于运行状态；如果是，执行下一步，否则，继续下一时刻的运行状态识别；

S12.获取当前时刻燃料电池的输出电流；

S13.识别燃料电池的输出电流是否大于等于目标电流，如果是，判定燃料电池存在高电位风险，否则，判断燃料电池不存在高电位风险。

优选地，步骤S3中所述降低入堆空气流量的步骤进一步包括：

S31.获取当前时刻燃料电池的平均单片电压；

S32.根据所述燃料电池的平均单片电压，通过下面公式确定下一时刻的目标入堆空气流量F

式中，V

S33.控制入堆空气流量降低至上述目标入堆空气流量F

优选地，高电位判断阈值V

控制流程参见图2，但不限于图2描述的内容。

与现有技术相比，本实施例用于限制燃料电池高电位的控制方法具有如下有益效果：

1、当燃料电池的单片电压满足设定的电位要求后，高电位风险消除控制器记录当前的入堆空气流量，作为下次调控的目标空气流量，解决钳电位自适应问题。

2、适用于燃料电池发动机工作时，电流稳定后的高电位预测以及修正。

3、方法简单，控制效果好，有利于提高燃料电池电堆的寿命和用户体验。

实施例3

本发明还提供了一种实施例1或2方法对应的用于限制燃料电池高电位的控制系统，包括燃料电池电堆、空气流量调控设备、DC-DC转换器、电流监测设备、燃料电池单片电压巡检装置和控制器，如图3所示。

燃料电池电堆的空气入口接空气流量调控设备的输出端，其总的供电输出端经DC-DC转换器、电流监测设备后接外部用电设备，其单片电池的供电输出端均接燃料电池单片电压巡检装置。

控制器，用于在燃料电池处于运行状态时，实时获取燃料电池的输出电流，确定该燃料电池是否存在高电位风险；以及，在存在高电位风险时，获取燃料电池的平均单片电压，在该平均单片电压超过高电位判断阈值V

控制器执行的程序参见实施例1、2所述方法。

控制器的输入端一接电流监测设备，其输入端二接燃料电池单片电压巡检装置，其输出端接空气流量调控设备的控制端。

燃料电池单片电压巡检装置，用于获取并显示燃料电池的所有单片电压，作为燃料电池高电位的监测装置。具体地，如果有单片电池的电压超过高电位判断阈值V

控制器内置根据电流监测设备采集的数据识别燃料电池存在高压风险的程序以及在燃料电池存在高风险时根据燃料电池单片电压巡检装置采集的数据调控流量控制阀的开度的程序。

空气流量调控设备上设有可自动或手动下调入堆空气流量的调控键，作为消除当前燃料电池高电位的调控设备。具体地，当监测到燃料电池内任一单片出现高电位，降低入堆空气流量以通过低空气计量比(闭环控制)来降低单位时间内参与反应的氧气量，从而降低单片电压。

与现有技术相比，本实施例提供的控制系统首次提出了一种通过控制入堆空气流量限制燃料电池高电位的方案。该方案在燃料电池发动机工作时，在存在燃料电池高电位风险时，通过燃料电池单片电压巡检装置监测到燃料电池电堆的任一单片电池处于高电位点时，通过低空气计量比(闭环控制)来降低单位时间内参与电化学反应的氧气量，从而降低单片电压，避免燃料电池电堆单片处于高电位点工作造成损坏，实现钳电位功能。

实施例4

在实施例3系统的基础上进行改进，空气流量调控设备进一步包括依次连接的空压机、流量控制阀。

空压机，其输出端接燃料电池电堆的空气入口，通过调整空压机的转速可调整入堆空气流量大小。

流量控制阀，其输入端接空压机的输出端，其输出端接燃料电池电堆的空气入口，其控制端接空气流量调控设备的调控键。通过调整流量控制阀的开度，也可以调整入堆空气流量大小。

优选地，该控制器进一步包括高电位风险识别单元、高电位风险消除控制单元。

高电位风险识别单元，用于根据电流监测设备采集的实时数据预测当前时刻燃料电池是否存在高电位风险，并在存在高电位风险时输出高电位风险预警信息。其中，高电位风险识别单元的输入端接电流监测设备，其输出端接高电位风险消除控制单元。

具体地，如果电流监测设备采集的实时数据大于等于目标电流，则存在高电位风险。否则，通过燃料电池单片电压巡检装置进行实时识别。

高电位风险消除控制单元，用于在接收到高电位风险预警信息后，通过燃料电池单片电压巡检装置数据获取燃料电池的平均单片电压(所有单片电压的均值)；以及，识别该平均单片电压超过高电位判断阈值V

高电位风险消除控制器的输入端分别接燃料电池单片电压巡检装置、高电位风险识别设备的输出端，其输出端接空气流量调控设备的调控键。

优选地，控制器具有显示模块。并且，该显示模块的显示屏上分别显示燃料电池的输出电流、燃料电池的平均单片电压、燃料电池是否存在高电位风险(仅在存在高电位风险时显示)，以及燃料电池高电位风险已消除的控制信息(仅在存在高电位风险时显示)。

优选地，DC-DC转换器为一种具有电压钳位功能的双向DC-DC转换器。该DC-DC转换器的具体结构可参见现有专利CN202020367848.9等。

优选地，该控制系统还包括放电继电器、放电电阻。

其中，放电继电器的一端接燃料电池的供电输出端正极，其另一端接放电电阻，其控制端接控制器的输出端。放电电阻的一端接燃料电池的供电输出端负极并接地，其另一端接放电继电器。

与现有技术相比，本实施例用于限制燃料电池高电位的控制系统具有如下有益效果：

1、当燃料电池的单片电压满足设定的电位要求后，高电位风险消除控制器记录当前的入堆空气流量，作为下次调控的目标空气流量，解决钳电位自适应问题。

2、适用于燃料电池发动机工作时，电流稳定后的高电位预测以及修正。

3、结构更加简单，控制效果好，有利于提高燃料电池电堆的寿命和用户体验。

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。