用于控制燃料電池啟動的方法和系統與流程

本發明涉及用于控制燃料電池啟動的方法和系統，其即使不驅動冷卻劑泵也能使用燃料電池的累積熱值控制冷啟動驅動模式。

背景技術：

在一般情況下，燃料電池利用作為燃料的氫氣與空氣中的氧氣的電化學反應來產生電力，并且排出熱量和水作為反應副產物。此外，當車輛在冬季或寒冷天氣停放較長時間時在零下溫度的大氣條件下，在包括燃料電池如質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為動力源的燃料電池車輛中殘留在燃料電池的電池堆中的水可凍結，從而顯著降低冷啟動性能。

因此，當車輛在低大氣溫度下熄火時，當殘留在電池堆中的水不被去除或排出時，由于水的凍結，在下一次冷啟動時存在困難。換句話說，當在電池堆中形成的冰未熔化時啟動燃料電池時，冰阻礙氫氣和空氣供給路徑，從而造成啟動不良并擾亂燃料電池的正常運行。

因此，已經提出控制燃料電池的冷啟動的各種方法以防止溢流(flooding)現象。例如，現有技術中的一個方法包括：僅以防止在燃料電池中形成的水被凍結的量供應電流，并且因此保證冷啟動期間燃料電池的啟動可靠性。然而，在現有技術中，設置在電池堆的空氣出口處的溫度傳感器用于檢測電池堆的內部溫度。當空氣流量高因而空氣的熱容量大時，電池堆的內部溫度可以使用空氣出口處的空氣溫度傳感器來間接反映，但當空氣的流量低或嚴重改變時，間接反映電池堆的內部溫度是困難的，并且在空氣從電池堆排出之后空氣可在共同分布結構中被快速冷卻，因此，沒有反映出內部溫度的增加。

前述內容僅僅旨在幫助理解本發明的背景技術，并且并不旨在意指本發明落入本領域技術人員已知的現有技術的范圍內。

技術實現要素：

因此，本發明提供用于控制燃料電池啟動的方法和系統，其即使不使用燃料電池的電池堆的溫度傳感器也可使用燃料電池的累積熱值適當控制燃料電池的冷啟動驅動模式。

根據一個方面，控制燃料電池啟動的方法可包括：當接收到燃料電池啟動的接通信號時，由控制器比較由溫度感測單元導出的電池堆的內部溫度和預定的參考溫度值，并確定電池堆的內部溫度是否低于參考溫度值；當所導出的電池堆的內部溫度低于參考溫度值時，由控制器使用由溫度感測單元所導出的電池堆的內部溫度導出所需熱值；以及在控制器中增加燃料電池的電池堆的溫度直到由燃料電池的電池堆的溫度增加所形成的累積熱值等于在所需熱值導出操作中所導出的所需熱值。在所需熱值導出中，電池堆的內部溫度可通過根據燃料電池的啟動關斷狀態保持時間補償在控制器中使用溫度感測單元所計算的燃料電池的電池堆的冷卻劑的溫度來導出。

該方法還包括：在所需熱值導出操作之后，通過在控制器中將燃料電池的電池堆的電壓和電流值相乘來導出瞬時熱值；以及由控制器通過根據時間變化從溫度開始增加的時刻起對所導出的瞬時熱值進行積分來導出累積熱值。此外，該方法可包括在所需熱值導出操作之后在控制器中使用以下公式計算累積熱值：

其中T1：溫度增加起始時間，T2：當前時間，V2：理論電壓，V1：實際電壓，I：電池堆電流。

該方法可進一步包括：在溫度增加過程之后，在控制器中將車輛輸出限制到預定的輸出極限值；隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，由控制器改變輸出極限值；以及當所增加的燃料電池的電池堆的累積熱值為預定參考累積熱值或更大時，在控制器中驅動燃料電池的電池堆的冷卻劑泵。

在改變輸出極限值時，隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，輸出極限值可逐漸增加。此外，控制器可配置成當所增加的燃料電池的電池堆的累積熱值大于預定的最小累積熱值時，改變輸出極限值。最小累積熱值可小于參考累積熱值。在輸出極限改變中，隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，輸出極限值可改變為逐漸增加。該方法還包括在冷卻劑泵驅動操作之后在控制器中根據累積熱值完成對車輛輸出的限制。

根據另一個方面，用于控制燃料電池啟動的系統可包括：溫度感測單元，其配置成感測或導出燃料電池的電池堆的內部溫度；溫度比較單元，其配置成比較所導出的燃料電池的電池堆的內部溫度與預定的參考溫度值；以及控制器，其配置成當燃料電池的電池堆的內部溫度小于參考溫度值時使用電池堆的內部溫度導出所需熱值，以及增加燃料電池的電池堆的溫度直到由溫度增加所產生的累積熱值等于所導出的熱值。

附圖說明

本發明的上述和其它目的、特征和其它有益效果將通過下面參照附圖的詳細描述而被更加清晰地理解，其中：

圖1是示出根據本發明的示例性實施例控制燃料電池啟動的方法的流程圖；以及

圖2是示出根據本發明的示例性實施例控制燃料電池啟動的系統的框圖。

具體實施方式

應當理解，如本文所用的術語“車輛”或“車輛的”或其它類似術語包括機動車輛，通常如乘用車，包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車，各種商用車，水運工具，包括各種船舶，飛機等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、燃燒插入式混合動力電動車輛、氫為動力的車輛和其它替代燃料的車輛(例如，來自非石油來源的衍生燃料)。如本文所指，混合型車輛為具有兩種或更多種動力源的車輛，例如汽油動力和電動力車輛。

盡管示例性實施例被描述為使用多個單元以執行示例性過程，但是應當理解示例性過程也可通過多個模塊來執行。另外，應當理解術語控制器/控制單元是指包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器配置成存儲模塊，并且處理器經特別配置為執行所述模塊以進行以下進一步描述的一個或多個過程。

此外，本發明的控制邏輯部件可經實施為在包含由處理器、控制器/控制單元等執行的可執行程序指令的計算機可讀介質上的非暫態計算機可讀介質。計算機可讀介質的示例包括(但不限于)ROM、RAM、光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存驅動器、智能卡和光學數據存儲裝置。計算機可讀記錄介質也可分布在聯網計算機系統中，使得計算機可讀介質被存儲并且(例如)通過遠程信息處理服務器或控制器局域網(CAN)以分布方式執行。

本文所用術語僅用于描述具體實施例的目的，而不旨在限制本發明。除非上下文另外明確致命，否則如本文所用，單數形式“一”和“所述”旨在還包括復數形式。應當理解，術語“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”當用于本說明書中時，指定規定的特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在。如本文所用，術語“和/或”包括一個或多個相關列出項目中的任何和所有組合。

除非上下文明確指出或顯而易見，否則如本文所用術語“約”被理解為在本領域的標準公差的范圍內，例如平均值的2個標準偏差的范圍內。“約”可被理解為在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％的范圍內。除非上下文明確指出，否則本文所提供的所有數值均被術語“約”修飾。

在下文中，將參照附圖描述本發明的示例性實施例。如本文所述的方法可通過具有處理器和存儲器的控制器100來執行。

如圖1所示，根據本發明的控制燃料電池啟動的方法可包括：當在控制器100中接收到燃料電池啟動的接通信號時比較由溫度感測單元(例如，傳感器)導出的電池堆的內部溫度和預定的參考溫度值，以檢測電池堆的內部溫度是否低于參考溫度值(S100)；當所導出的電池堆的內部溫度低于參考溫度值時，使用由在控制器100中的溫度感測單元所導出的電池堆的內部溫度導出溫度增加所需的熱值(下文稱為“所需熱值”)(S200)；以及增加燃料電池的電池堆的溫度直到由燃料電池的電池堆的溫度增加所形成的累積熱值與在所需熱值導出中所導出的所需熱值相同(S300)。

參考溫度值作為比較標準對應于用于在溫度比較S100中在控制器100中確定燃料電池的啟動條件是否為冷啟動條件。因此，在燃料電池中水凍結的溫度可為參考溫度值。通常，由于水在0℃下凍結，所以參考溫度值可設為0℃。然而，可基于燃料電池的狀態和條件選擇參考溫度值。在溫度比較S100之后進行的所需熱值導出S200中，可使用由溫度感測單元導出的電池堆的內部溫度來導出所需熱值。

由位于電池堆的冷卻劑中的溫度傳感器所測量的溫度值可以直接用作電池堆的內部溫度。然而，當啟動燃料電池時或在燃料電池啟動關斷后即刻，電池堆的冷卻劑的溫度可實時反映出電池堆的內部溫度，因此，即使電池堆的冷卻劑的溫度估計為電池堆的內部溫度也可以避免顯著誤差。當燃料電池處于啟動關斷狀態時，由于冷卻劑的流動停止，所以不能實時反映出電池堆的內部溫度。因此，可隨著時間的推移由于電池堆的內部和電池堆的冷卻劑之間的比熱差而出現溫度差。因此，本發明提出一種補償該差的方法。

本發明提出一種根據燃料電池的啟動關斷狀態保持時間補償使用溫度感測單元計算的燃料電池的電池堆的冷卻劑的溫度的方法。多種方法可作為補償方法來提供。可提供隨著時間推移使用冷卻劑的比熱值和電池堆的內部空氣的比熱值進行補償的方法，并且可使用包括作為輸入值的電池堆的冷卻劑的溫度和作為輸出值的電池堆的內部溫度的映射圖數據(map data)導出電池堆的內部溫度。

可使用前述說明和方法導出電池堆的內部溫度，然后可使用所導出的電池堆的內部溫度來導出所需熱值。所需熱值表示為了提高在低溫條件下燃料電池的效率和耐久性而執行的增加燃料電池的電池堆的溫度所需的熱值。此外，可使用多種方法來導出所需熱值。代表性的方法可以是將所導出的電池堆的內部溫度和電池堆的目標溫度之差和電池堆的內部空氣的熱容量相乘。因此，所需熱值可隨著電池堆的初始內部溫度的降低和電池堆中的空氣量的增加而增加。

在所需熱值導出S200之后進行的溫度增加過程S300，燃料電池的電池堆的溫度可增加，直到由燃料電池的電池堆的溫度增加所形成的累積熱值與所導出的所需熱值大致相同。在當前步驟中可使用前述方法導出所需熱值。累積熱值表示當燃料電池的電池堆的溫度增加所獲得的熱值的累積值。類似于所需熱值，可使用多種方法導出累積熱值，并且作為前述方法中的一例，本發明提出一種導出累積熱值的方法。

根據本發明導出累積熱值的方法為這樣的導出累積熱值的方法，其包括：將燃料電池的電池堆的電壓和電流值相乘并導出瞬時熱值的瞬時熱值導出；和根據時間變化從溫度開始增加的時刻起對所導出的瞬時熱值進行積分并導出累積熱值的累積熱值導出。

可將電池堆的電壓和電流相乘來導出瞬時熱值。另外，當前步驟的電池堆的電壓表示溫度增加過程的額定電壓和實際電壓值之差，并且單位為[V]。電池堆的電流表示作為該該術語的原始含義的流過電池堆的電流值，并且單位為[A]。因此，瞬時熱值可被認為是燃料電池的電池堆的瞬時輸出(瞬時輸出功率)，因為瞬時熱值為電壓和電流的乘積。

當溫度增加持續以使用瞬時熱值導出累積熱值時，可根據時間變化對瞬時熱值進行積分。用于導出累積熱值的公式簡單表示如下。

其中T1：溫度增加起始時間，T2：當前時間，V2：理論電壓，V1：實際電壓，I：電池堆電流。

具體地，T1為溫度增加起始時間并且對應于燃料電池啟動的時間。累積熱值表示從燃料電池的電池堆的溫度開始增加的時刻起的熱值的總值，并且因此積分變量的初始值可為溫度增加起始時間。T2表示當前時間，即測量累積熱值的時間。因此，可使用上述公式計算在燃料電池的溫度開始增加之后的累積熱值。

如圖1所示，在溫度增加過程S300之后，該方法可包括：由車輛的控制器將車輛輸出限制到預定的輸出極限值(S400)；隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，由車輛的控制器改變輸出極限值(S430)；以及當所增加的燃料電池的電池堆的累積熱值為預定參考累積熱值或更大時，驅動或運行燃料電池的電池堆的冷卻劑泵(S500)。

即使在溫度增加過程S300期間通過所導出的所需熱值增加溫度，電池堆的內部溫度也不能被認為是增加的，并且燃料電池的輸出也不能被認為是正常狀態中的輸出。從而，燃料電池的輸出需要適當地限制以防止燃料電池劣化并防止駕駛員感受到驅動性能的陌生感。

因此，本發明包括：輸出限制過程S400和輸出極限改變過程S430。輸出限制過程S400可包括：在寒冷條件下完成啟動的時刻限制車輛輸出，并且輸出極限改變過程S430可包括：由于燃料電池的輸出可根據時間變化在冷驅動模式中向正常模式逐漸改善，因此根據時間變化改變燃料電池的輸出極限。

輸出極限值可依賴于在輸出限制過程S400期間燃料電池和車輛的狀態。然而，輸出極限值為燃料電池的累積熱值與所需熱值大致相同時的值，輸出極限值可與所需熱值有緊密聯系。當所需熱值相當大時，由于在啟動燃料電池之前提供足夠的預熱時間，輸出極限值也可為大值。相反，當所需熱值設為較低值并且因此快速啟動燃料電池時，輸出極限值可設為小值。

在完成啟動之后，燃料電池的電池堆可被繼續操作，從而由于當燃料電池運行時所產生的熱量而連續增加燃料電池的電池堆的溫度。因此，輸出值可根據溫度的改變而改變。由于溫度增加可降低燃料電池的效率，所以即使可由于電池堆的溫度增加而獲得高輸出，也可限制輸出。因此，本發明提出一種利用輸出極限改變過程S430改變輸出極限的方法。在冷啟動模式狀態中限制輸出的方法是本領域中已經普遍知道的，但在現有技術中，通常使用電池堆的冷卻劑的溫度限制輸出，而不存在如本發明提出那樣使用累積熱值的先例。當如上所述使用累積熱值時，燃料電池的電池堆的冷卻劑泵的驅動可被最大限度地延遲以改善在低溫下燃料電池的性能。

本發明提出多種方法作為改變輸出極限的方法。在這些方法中，包括隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，逐漸增加輸出極限值。如上所述，燃料電池的電池堆的操作可靠性可隨著累積熱值增加而逐漸增加，從而實現高輸出。因此，輸出極限值可根據電池的效率隨著累積熱值增加而增加。

當累積熱值與所需熱值大致相同時，輸出極限值可具有如上所述的各種值。然而，通常，當累積熱值恰好與所需熱值相同時，由于理想與現實之間存在差距，燃料電池的電池堆的輸出值可能不被設為輸出極限值。因此，輸出極限值可被設為相對于使用多種方法導出的理想輸出極限值具有預定裕量的值。因此，本發明提出一種當增加的燃料電池的電池堆的累積熱值大于預定最小累積熱值時在車輛的控制器中改變輸出極限值的方法，假設如改變輸出極限值的方法那樣，輸出極限值具有前述裕量值。

在累積熱值達到最小累積熱值之前，可使用初始輸出極限值(例如，累積熱值與所需熱值大致相同時的輸出極限值)的裕量補償輸出極限值，因此，可不改變輸出極限值。然而，當累積熱值大于最小累積熱值時，可使用初始輸出極限值的裕量獲得大于最小累積熱值的輸出，因此，可改變輸出極限值。對于改變方法，如前述方法，隨著燃料電池的電池堆的累積熱值增加，輸出極限值可逐漸增加。

在本發明中，最小累積熱值可小于作為當驅動冷卻劑泵時的判斷標準的參考累積熱值，并且可根據當累積熱值與所需熱值大致相同時的輸出極限值設定。換句話說，當輸出極限值設置有相當大的裕量值時，最小累積熱值可為相當大的，并且當裕量值被設定為小值時，最小累積熱值可能無法與所需熱值顯著不同。

可以使用上述方法來改變輸出極限，并且當累積熱量值為參考累積熱值或更大時可驅動冷卻劑泵。當累積熱值為參考累積熱值或更大時，燃料電池的電池堆可能過熱。具體地，可以操作冷卻劑泵來循環冷卻劑，由此防止電池堆過熱。因此，可使用即使在冷卻劑不循環時燃料電池仍然具有正常性能的燃料電池的電池堆的內部溫度值導出參考累積熱值。當燃料電池即使在高溫下仍具有可靠的性能時，參考累積熱值可被設置為高。

在驅動冷卻劑泵之后，控制器可配置成根據累積熱值完成對車輛輸出的限制。在驅動冷卻劑泵之后，可使用基于現有技術的冷卻劑溫度的使輸出限制來限制車輛的輸出，因此，可以根據累積熱值完成對車輛的輸出的限制邏輯。因此，當累積熱值與參考累積熱值大致相同時，輸出極限值可對應于基于冷卻劑溫度的輸出限制中的初始輸出極限值。

根據本發明控制燃料電池啟動的系統可包括：溫度感測單元200(例如，傳感器)，其配置成導出或測量燃料電池的電池堆的內部溫度；溫度比較單元300，其配置成比較所導出的燃料電池的電池堆的內部溫度與預定的參考溫度值；以及控制器100，其配置成當燃料電池的電池堆的內部溫度小于參考溫度值時使用電池堆的內部溫度導出所需熱值，以及增加燃料電池的電池堆的溫度直到由溫度增加所產生的累積熱值與所導出的熱值大致相同。如上所述各種裝置可由控制器100操作。

燃料電池的溫度可適當增加，并且即使燃料電池的冷卻劑不循環仍可通過本系統限制輸出。因此，可最大限度地延遲零下溫度的冷卻劑流入電池堆中，從而能夠改善燃料電池在低溫下的驅動性能。換句話說，控制器100可配置成不使用燃料電池的冷卻劑的溫度傳感器，而是導出燃料電池的熱值，并使用該熱值作為用于操作燃料電池的判定標準，從而提高在低溫下燃料電池的效率和耐久性。

根據本發明，可實現以下效果。

第一，能夠最大程度地延遲零下溫度的冷卻劑流入到電池堆中，從而提高燃料電池車輛的低溫行駛性能。

第二，可使用燃料電池的電池堆的累積熱值來調節操作冷卻劑泵的時間點，由此可以防止電池堆過熱。

第三，能夠控制冷啟動起動驅動模式并且不基于電池堆的溫度傳感器僅使用累積熱值解除輸出極限。

盡管為了示例性目的已經描述了本發明的示例性實施例，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離所附的權利要求書中所公開的本發明的范圍和精神的情況下，可以對本發明作出各種修改、添加和替換。