[发明专利]一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统

说明书

本发明提供一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统，属于燃料电池发动机技术领域，根据燃料电池双堆模块中两个单电堆上次运行时记录的衰减程度，分别计算最大输出功率，然后在满足燃料电池汽车功率需求的前提下，优先使用单电堆单独供能的工作模式，当单电堆无法满足功率需求时才使用双电堆同时供能的工作模式；通过控制流入燃料电池双堆模块的氢气、空气的流量，及冷却液的温度，调整处于工作模式的燃料电池双堆模块的功率输出以满足功率需求。该控制方式避免燃料电池电堆长期处于高电位的现象，减缓燃料电池的性能衰减，极大提升燃料电池发动机系统的耐久性，避免出现单个电堆性能过差的恶劣现象及引起的“短板效应”。

技术领域

本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统。

背景技术

氢作为一种清洁能源，近些年在能源行业大放异彩，其中的燃料电池是氢能应用的重要领域。质子交换膜燃料电池的工作原理为：氢气在催化剂的作用下，在阳极分解产生氢质子和电子，氢质子穿过质子交换膜，在阴极与氧气和外电路传输的电子反应生成水，电子在外电路转移的过程中通过负载做功，直接将化学能转化为电能，突破了卡诺循环的限制，极大提高了能量转换效率。由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、能量转换效率高以及零污染等特点，近些年来被广泛应用在固定式发电站和新能源汽车等领域。

燃料电池汽车是质子交换膜燃料电池的重要应用，目前已有多款燃料电池汽车在试运行。由于燃料电池汽车的功率需求范围较宽，从几千瓦到几十千瓦不等，因此为了满足燃料电池汽车的大范围功率需求，一般选择具有高额定功率的燃料电池发动机系统。以额定功率为60kW的燃料电池大巴车为例，燃料电池发动机系统主要包括氢气模块、空气模块、热管理模块、燃料电池发动机控制模块和燃料电池电堆模块。为了满足大巴车60kW的高功率需求，燃料电池电堆模块一般采用两个电堆串联组成的燃料电池双堆模块，每个电堆的额定功率均为30kW，燃料电池双堆模块额定功率为60kW，共同为燃料电池大巴车供能。图1为60kW燃料电池大巴车实况运行800h的实时功率分布数据，可以发现当燃料电池大巴车实况运行时，由于路况比较复杂，燃料电池发动机系统大部分时间不会以额定功率运行，而是长期运行在怠速状态或者低功率状态，尤其是低于25kW的功率范围内，进而额定功率为30kW的燃料电池单电堆在实况运行时长期运行在12.5kW以下的低功率区。而在怠速状态或低功率状态运行时，燃料电池处于大于0.7V的高电位状态，高电位会对燃料电池催化层中的碳载体产生腐蚀，导致催化剂颗粒脱落并团聚，进而降低电化学活性面积，使燃料电池性能逐步衰减。

通过对燃料电池衰减机理的研究发现，高电位和启停操作是导致燃料电池衰减的非常重要的因素。如果按照现有的运行方式长期运行下来，燃料电池发动机的寿命会快速下降，燃料电池的耐久性会成为燃料电池汽车的致命短板，严重制约燃料电池汽车大规模商业化的进程。因此寻求一种优化的燃料电池双电堆模块的设计和控制方法，以此改善当前燃料电池发动机系统，尤其是燃料电池双堆模块寿命衰减过快的现状，对于燃料电池汽车行业的发展至关重要。

发明内容

针对上述现有技术中车用燃料电池发动机的燃料电池长期处于高电位以及频繁启停的问题，本发明提出了一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法及系统，通过调控燃料电池双堆模块的工作模式，改善因燃料电池长期处于高电位导致的燃料电池双堆模块寿命衰减过快的问题。

本发明具体技术方案如下：

一种长寿命车用燃料电池发动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收到开机指令，启动燃料电池发动机，并获取燃料电池汽车的最大功率需求P_{car_max}；

步骤2：根据燃料电池双堆模块中第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆上次运行时记录的衰减程度R₁和R₂，分别计算第一燃料电池电堆和第二燃料电池电堆的最大输出功率P_{1_max}和P_{2_max}：