阅读说明：本技术 车载燃料电池系统的启动控制方法 (Start control method for vehicle-mounted fuel cell system ) 是由 张天馨 王伟峰 郑梅 张海涛 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种车载燃料电池系统的启动控制方法,涉及燃料电池的启动控制领域,设计了故障自检的部分,根据燃料电池系统启动过程中的参数判断故障等级并采取相应的处理措施,当系统出现异常时能够及时作出反应,有效保护系统,延长系统的使用寿命；提高了启动初期空压机的空气计量比,进而提高了空压机的转速,当系统收到加载命令时空压机已经处于较高的转速,从0加载至30KW满功率的时间由33秒降低至9秒,大幅度提高了空压机的响应速率,实现了空压机的快速加载,极大缩短了燃料电池的启动时间,提高了燃料电池的使用效率。(The invention discloses a starting control method of a vehicle-mounted fuel cell system, which relates to the field of starting control of fuel cells, designs a fault self-checking part, judges the fault grade according to parameters in the starting process of the fuel cell system and takes corresponding processing measures, and can react in time when the system is abnormal, thereby effectively protecting the system and prolonging the service life of the system; the air metering ratio of the air compressor at the initial starting stage is improved, the rotating speed of the air compressor is further improved, the air compressor is already at a higher rotating speed when a system receives a loading command, the time from 0 loading to 30KW full power is reduced to 9 seconds from 33 seconds, the response speed of the air compressor is greatly improved, the quick loading of the air compressor is realized, the starting time of the fuel cell is greatly shortened, and the use efficiency of the fuel cell is improved.)

车载燃料电池系统的启动控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池的启动控制领域，具体的说是一种车载燃料电池系统的启动控制方法。

背景技术

新能源汽车发展的主要趋势是汽车能源的多元化和汽车动力的电气化。燃料电池作为一种高效、零污染车用电源，是汽车动力电气化的理想选择。燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，由于其高效率和低排放等众多有点，逐渐成为了车载发动机的研究重点。燃料电池系统工作过程中，由于空压机等机械部件响应速度受限制，经常导致燃料电池系统无法快速加载到所需功率，启动时间长，影响燃料电池的使用寿命和使用效率。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种车载燃料电池系统的启动控制方法，在燃料电池系统启动过程中实现故障自检与应急处理，有效保护燃料电池系统，并且实现快速加载，解决燃料电池无法快速加载的弊端。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种车载燃料电池系统的启动控制方法，通过如下步骤实现：

1）燃料电池系统上电，进入“En”状态；

2）燃料电池系统上电后3s进入“StandBy”状态，此时系统等待开机命令；

3）接收到开机命令后，系统启动，进入“Startup”状态，启动过程中如果收到关机命令，则回到“StandBy”状态；若启动过程中系统有故障，且故障等级为2级或者3级，系统进入“Fault”状态，告警后解决故障进行步骤4）；

4）系统正常或者故障等级为1级时，系统启动完成后进入“Run”状态，此时空气计量比为1.6-1.8，空压机转速1300-1500转每分钟；

5）进入“Run”状态后，根据燃料电池空载时所需的最大空气计量比值3来设置参数，此时空压机转速为3000转每分钟；

6）等待加载命令，收到加载命令后，按照设定的功率参数进行快速加载；

7）当系统达到目标功率时，系统保持输出的状态，并继续等待下一步指令。

所述三个等级的故障设置及处理方式如下：

所述故障等级为1级的故障，设置为系统参数偏离正常范围，但在允许操作范围内，处理方式为系统在当前情况下继续运行，同时告警并报告故障给监控系统或现场操作人员；

所述故障等级为2级的故障，设置为系统参数已超过可接受的工作范围，处理方式为燃料电池模块进行可控制性停机，告警并将故障类别连同故障等级报告给监控系统，系统根据情况进行降载及故障处理操作，转化为1级故障后即可继续运行，如果不能转化为1级故障则不能尝试重启，直到解决故障为止；

所述故障等级为3级的故障，设置为系统参数已经超过安全操作范围，处理方式为燃料电池模块进行一次立即关机，告警并将故障类别连通故障等级报告给监控系统，系统自动降载为“0”后进行故障处理，直到故障排除之前，不准重新启动。

本发明燃料电池系统的启动控制方法，设计了故障自检的部分，根据燃料电池系统启动过程中的参数判断故障等级并采取相应的处理措施，当系统出现异常时能够及时作出反应，有效保护系统，延长系统的使用寿命；提高了启动初期空压机的空气计量比，进而提高了空压机的转速，当系统收到加载命令时空压机已经处于较高的转速，从0加载至30KW满功率的时间由33秒降低至9秒，大幅度提高了空压机的响应速率，实现了空压机的快速加载，极大缩短了燃料电池的启动时间，提高了燃料电池的使用效率。

附图说明

图1为本发明控制方法运行的原理流程图

图2为采用本发明和未采用本发明方法的加载曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

如图1所示，该车载燃料电池系统的启动控制方法，通过如下步骤实现：

1）燃料电池系统上电，进入“En”状态；

2）燃料电池系统上电后3s进入“StandBy”状态，此时系统等待开机命令；

3）接收到开机命令后，系统启动，进入“Startup”状态，启动过程中如果收到关机命令，则回到“StandBy”状态；若启动过程中系统有故障，且故障等级为2级或者3级，系统进入“Fault”状态，告警后解决故障进行步骤4）；

4）系统正常或者故障等级为1级时，系统启动完成后进入“Run”状态，此时空气计量比为1.6-1.8，空压机转速1300-1500转每分钟；

5）进入“Run”状态后，根据燃料电池空载时所需的最大空气计量比值3来设置参数，此时空压机转速在3000转每分钟；

6）等待加载命令，收到加载命令后，按照设定的功率参数进行加载，由于空压机此时已经设置为3000转每分钟，从而节约了从1500转每分钟到3000转每分钟的相应时间，使得系统可以快速加载，而在加载的动态过程中，控制系统根据动态过程当前的瞬时值实时计算所需的空气计量比，并换算成转速，使系统在整个加载过程中，空压机都有一定的提前量，从而实现快速加载；

7）当系统达到目标功率时，系统保持输出的状态，并继续等待下一步指令。

作为优选的方式，本实施例中，所述三个等级的故障设置及处理方式如下：

所述故障等级为1级的故障，设置为系统参数偏离正常范围，但在允许操作范围内，处理方式为系统在当前情况下继续运行，同时告警并报告故障给监控系统或现场操作人员；

所述故障等级为2级的故障，设置为系统参数已超过可接受的工作范围，处理方式为燃料电池模块进行可控制性停机，告警并将故障类别连同故障等级报告给监控系统，系统根据情况进行降载及故障处理操作，转化为1级故障后即可继续运行，如果不能转化为1级故障则不能尝试重启，直到解决故障为止；

所述故障等级为3级的故障，设置为系统参数已经超过安全操作范围，处理方式为燃料电池模块进行一次立即关机，告警并将故障类别连通故障等级报告给监控系统，系统自动降载为“0”后进行故障处理，直到故障排除之前，不准重新启动。

在具体的应用过程中，对于故障等级的设置及相应的处理方式，也可以有细节上的不同，根据燃料电池系统自身的参数情况自行设定即可，只要不违背本发明的大原则的前提下，均属于本发明的保护范围。

本实施例中，具体设计了三个等级的故障表现及处理方式，如下表所示，表1为故障等级划分方式，表2为具体故障等级处理方式。

表1

表2

以满功率为30KW的车载燃料电池启动过程为例，采用本发明控制方法和未采用本发明控制方法进行对比，加载曲线图如图2所示。

如图2所示，横坐标为加载所需时间，单位为秒，纵坐标为系统启动运行的功率，单位为千瓦，曲线1为使用本发明控制方法的加载速率，曲线2为未使用本发明控制方法的加载速率，可以明显的看出，曲线1从1加载到满功率30千瓦，加载时间为9秒，而曲线2的加载时间为33秒，加载时间相差悬殊，可见本发明控制方法的效果显著。

本发明将故障等级细分为3级，从故障表1中可以看出，等级1和等级2的故障为较轻微的故障，当系统休闲1级故障时，处理方式是维持系统在当前状态下继续运行，告警并将故障报告监控系统或者操作人员，这样的故障处理可以在系统运行之后或者运行过程中，而不必影响系统的启动；当出现2级故障时，监控系统控制空压机逐渐降载，同时发出告警，当降载到一定功率值时，如果2级故障转化成1级故障，那么就不影响系统的继续运行，如果降载依然不能修复2级故障，那么系统停机处理，除非故障解除不能重启运行；当出现3级故障时，系统自动降载至“0”并停止运行，进行故障处理，直到故障处理完成，否则不能重启运行。

下面以图1所示的本实施例为例，具体描述本发明的启动运行过程：

1）燃料电池系统上电，进入En状态；

2）系统开机上电后3秒并且无复位命令时进入主状态StandBy；

3）接收到开机命令后进入启动状态Startup，若启动过程中接收到关机名利则返回待机；若启动过程中报告2级或3级故障直接进入故障状态Fault；当状态为启动完成时跳转到运行状态Run；

4）运行过程中出现3级故障，不降载直接进入故障状态，随后进入关机吹扫状态Shutdown；收到关机命令或出现2级故障，进入降载关机过程Load，降载完成或系统3级故障时进入关机吹扫状态Shutdown；

5）在关机吹扫过程中检测到3级故障直接进入故障8状态Err，此时需要外部复位或重新上电恢复，接收到外部复位命令后跳出故障状态清除故障进入En状态；关机吹扫完成且2级故障时进入故障7状态Fault，此状态关机命令重置为1可恢复，2级故障关机后，开机命令重置为1后返回待机状态StandBy，重新开始启动状态；关机吹扫完成且故障等级小于等于1时返回待机状态StandBy；重新开始启动状态。

综上所述，本发明在故障自检及处理方式方面具有显著的优势，在系统出现轻微故障1级或者2级时，系统是仍然可维持继续运行的，从而不影响客户的正常使用，尽量降低用户端的影响。当2级故障无法转化成1级故障继续运行时，系统才进行停机处理故障，当出现3级故障时系统立即停机，有效的保护燃料电池系统，结合燃料电池空压机的快速加载功能，最大限度的提高燃料电池的使用效率和使用寿命，优化用户的使用体验，减少人力等资源的浪费，适合大规模推广应用。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。