阅读说明：本技术 燃料电池系统及其怠速控制方法 (Fuel cell system and idle speed control method thereof ) 是由 熊洁 史建鹏 尚伟华 张剑 李名剑 于 2020-04-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种燃料电池系统及其怠速控制方法。它包括燃料电池堆,燃料电池堆的电输出连接升压电路,燃料电池系统控制器FCCU,升压电路的输出包括连接燃料电池系统内的高压负载,整车电能输出,升压电路的输出还连接TPC加热器,TPC加热器的控制信号与燃料电池系统控制器连接,所述TPC加热器用于在车辆怠速时,消耗燃料电池堆产生的多余的电能,实现燃料电池堆驱动电能输出为零。本发明在车辆怠速时,燃料电池堆不停机,在满足第二储能装置储能的情况下,实现燃料电池堆对整车的零功率输出；同时,实现TPC加热器功率的随动,使得燃料电池堆对整车功率输出始终为零。结构简单,控制效率高。(The invention discloses a fuel cell system and an idle speed control method thereof. The electric power output of the fuel cell stack is connected with a booster circuit, a fuel cell system controller FCCU, the output of the booster circuit comprises a high-voltage load connected with the inside of the fuel cell system, the electric power output of the whole vehicle is connected, the output of the booster circuit is also connected with a TPC heater, a control signal of the TPC heater is connected with the fuel cell system controller, and the TPC heater is used for consuming redundant electric power generated by the fuel cell stack when the vehicle idles, so that the electric power output driven by the fuel cell stack is zero. When the vehicle idles, the fuel cell stack does not stop, and the zero power output of the fuel cell stack to the whole vehicle is realized under the condition that the energy storage of the second energy storage device is met; meanwhile, the follow-up of the power of the TPC heater is realized, so that the power output of the fuel cell stack to the whole vehicle is always zero. Simple structure and high control efficiency.)

燃料电池系统及其怠速控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池车辆技术，具体涉及一种燃料电池系统在车辆怠速时的控制技术。

背景技术

目前燃料电池车，特别是氢燃料电池车辆的驱动主要是以“电-电混合”的模式为主，即燃料电池为主，第二储能装置如动力电池、超级电容等辅助能源为辅的混合驱动模式。现有氢燃料电池系统包括燃料电池堆，升压电路，燃料电池系统控制器，升压电路的输出包括连接燃料电池系统内的高压负载以及整车电能输出。车辆在怠速情况下，燃料电池系统会进入待机模式，降低其输出电压，使其功率降到最低限制，但是整个燃料电池系统对整车电能输出功率不为零，导致在辅助能源无法存储更多能量情况下，需要关闭电堆系统输出，而根据目前国内技术电堆停机下电至少需3min时间，等待重启时间太长，从而不仅导致整车动力性能大大降低，而且导致驾驶体验感极差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池及辅助动力电池混合动力车辆的氢燃料电池系统及其其怠速控制方法，怠速时，实现氢燃料电池系统对乘车零功率输出。

实现本发明目的之一的氢燃料电池系统FCS技术方案为：它包括燃料电池堆，燃料电池堆的电输出连接升压电路，燃料电池系统控制器FCCU，升压电路的输出包括连接燃料电池系统内的高压负载，整车电能输出，升压电路的输出还连接PTC加热器，PTC加热器的控制信号与燃料电池系统控制器连接，所述PTC加热器用于在车辆怠速时，消耗燃料电池堆产生的多余的电能，实现燃料电池堆驱动电能输出为零。

升压电路为DCDC电路。

数据通信构架是燃料电池系统控制器FCCU通过整车的CAN与车辆其他控制器之间实现数据指令的交互。

氢燃料电池系统FCS内具有系统内CAN通信，实现燃料电池系统控制器FCCU对系统内器件包括(燃料电池堆，PTC加热器，升压电路以及燃料电池系统内的高压负载)的数据指令的交互。

进一步优化的技术方案为：升压电路的输出与PTC加热器之间连接接触器K2，燃料电池堆与升压电路之间连接主控接触器K1。

进一步优化的技术方案为：在车辆怠速时，PTC加热器工作设定功率PsetPTC＝燃料电池堆怠速净输出功率-燃料电池系统内的高压负载功率。

进一步优化的技术方案为：还包括PTC加热器中设有工作功率反馈控制器，反馈控制器用于获取当前PTC加热器功率P_PTC，判断当前PTC加热器功率P_PTC是否与PTC加热器工作设定功率P_setPTC相同，调节PTC加热器功率以设定工作功率P_setPTC输出。

进一步优化的技术方案为：它还包括介质热交换器，与PTC加热器实现热交换。

本发明的氢燃料电池系统FCS仅仅增设升压转换电路一路PTC输出，在车辆怠速时，燃料电池堆不停机，在满足第二储能装置储能的情况下，实现燃料电池堆对整车的零功率输出；同时，PTC加热器的反馈控制器解决了由于燃料电池堆和/或高压负载功率的波动，导致燃料电池堆对整车功率输出的波动，实现PTC加热器功率的随动，使得燃料电池堆对整车功率输出始终为零。结构简单，控制效率高。

实现本发明目的之二的燃料电池系统的怠速控制方法的技术方案为；在获取车辆为怠速状态以及第二储能装置的电能达到设定值后，启动燃料电池系统中PTC加热器工作，消耗燃料电池堆产生的多余的电能，实现燃PTC加热器功率P_PTC进一步优化的技术方案为：所述PTC加热器按设定功率工作，所述工作设定功率P_setPTC＝燃料电池堆怠速净输出功率-燃料电池系统内的高压负载功率。

进一步优化的技术方案为：获取当前PTC加热器功率P_PTC，判断当前PTC加热器功率P_PTC是否与PTC加热器工作设定功率P_setPTC相同，调节PTC加热器以设定工作功率P_setPTC输出。

进一步优化的技术方案为：PTC加热器与介质热交换器实现热交换。

进一步优化的技术方案为：获取燃料电堆净输出功率和/或燃电系统其它高压附件功率，燃料电堆净输出功率和/或燃电系统其它高压附件功率变化，修改PTC加热器工作设定功率P_setPTC。

该控制方案简单，响应快，对PTC加热器功率P_PTC的控制采用反馈随动的方法，在怠速情况下，由于燃料电池堆和/或高压负载功率的波动变化，确保燃料电池堆对整车功率输出为零。

附图说明

图1本发明燃料电池系统及车辆高压架构和通信原理图；

图2为本发明燃料电池系统PTC加热器高压配电原理图；

图3PTC加热器反馈控制器示意图；

图4本发明怠速控制方法流程图；

图5PTC加热器控制方法流程图

具体实施方式

下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。

本实施例中第二储能装置的辅助能源包括动力电池系统BMS，以及超级电容+双向DCDC系统SCMS。

具体的如图1所示，其中燃料电池系统FCS 100包括燃料电池堆101，燃料电池堆101的电能输出连接DCDC升压转换电路102，DCDC升压转换电路102的输出包括三路，一路输出连接PTC加热器103，二路输出连接燃料电池系统内的高压负载104，第三路输出为整车功率输出，燃料电池系统FCS还包括燃料电池系统控制器FCCU 105。燃料电池系统FCS内具有子CAN网，燃料电池系统控制器FCCU的数据指令通过燃料电池系统FCS内部CAN与对系统内器件包括燃料电池堆，PTC加热器，升压电路以及燃料电池系统内的高压负载实现交互。

对于整车而言，包括燃料电池系统FCS100，整车控制器VCU200，超级电容+双向DCDC系统SCMS300、动力电池系统BMS400、整车高压配电箱PDU500、电机控制系统MCU600和整车高压负载700，驱动电机800。

各ECU之间通过CAN总线进行信息的发送和接收，其中燃料电池系统控制器FCCU、动力电池系统BMS、整车高压配电箱PDU、整车控制器VCU和超级电容+双向DCDC系统SCMS接到整车高速CAN中。

如图2所示，燃料电池系统FCS中，燃料电池堆101与DCDC升压转换电路102之间连接主控接触器K1，DCDC升压转换电路102与PTC加热器103之间连接第二接触器K2，DCDC升压转换电路102与高压负载104之间连接第三接触器K3。

DCDC升压转换电路102第三路输出为整车功率输出连接整车高压配电箱PDU400。

实施例中动力电池系统BMS以及级电容+双向DCDC系统SCMS的功率输出还分别连接到第二接触器K2，第三接触器K3的输入端。

实施例中，燃料电池系统FCS中还包括介质热交换器，与PTC加热器实现热交换；介质热交换器可以与燃料电池冷却系统水道联通，将PTC加热器所产生的热量通过燃料电池冷却系统水道散掉，或者与空调系统联通进行取暖(图中未示)。

为了实现PTC功率的随动，本实施例构建了PTC功率反馈控制器，如图3所述，包括差分器1，用于比较燃料电池怠速功率与燃料电池系统内的高压负载功率，差分器1的输出连接比较器2，比较器2的输出功率信息，PTC控制器3实时获取PTC的输出功率反馈至比较器2。上述反馈控制器可以是物理实体的结构，也可以是基于软件控制实现。实施例中，采用燃料电池系统控制器FCCU中的软件算法实现的，采用PID算法控制实现。

如图4所示，本实施例的控制方法如下：

非怠速状态下；

VCU首先根据档位信息，车速信息、油门踏板信息、燃料电池系统FCS工作状态以及MCU反馈扭曲需求为0的信息整车是否处于怠速状态；

车辆在怠速状态下，燃料电池系统处于启动状态情况下，动力电池和超级电容电量均达到禁止充电阈值，本实施例中VCU判断是否存在超级电容SOC电量≥90％且动力电池SOC电量≥90％；保证电堆的能量最大化的存储至辅助能源，提高系统能量利用率。

依据整车高压配电箱PDU反馈主正和主负接触器闭合状态判断此时整车是否处于高压状态下；

经过上述过程，整车控制器VCU发送燃料电池系统FCS怠速0功率输出模式指令；

如图5所示，在获知燃料电池DCDC升压转换电路中主接触器K1和PTC接触器K2已经吸合且PTC加热器控制器母线电压在290V到450V之间后。

燃料电池系统控制器FCCU进入怠速0功率输出模式，发送PTC初始工作设定功率指令；

PTC加热器根据FCCU初始设定的工作功率P_setPTC进行工作；所述工作设定功率P_setPTC＝燃料电池堆怠速净输出功率-燃料电池系统内的高压负载功率；

电堆怠速净输出功率由FCCU采集获取，其它燃料电池系统内的高压负载功率由各用电器采集获取，并将这些信息发到FCCU内部CAN总线上，FCCU完成PTC加热器工作设定功率计算和发送。

燃料电池系统控制器FCCU调用PTC功率PID调节算法，始终维持PTC功率为设定工作功率P_setPTC；在此过程中：判断当前PTC加热器功率P_PTC(该功率由PTC内部检测电路检测后上传到FCCU中)是否等于P_setPTC，如果不相等则继续调用PID算法直到当前PTC加热器功率P_PTC等于P_setPTC；

燃料电池系统便可以处于怠速净输出功率为0模式。

进一步，判断燃料电堆净输出功率和燃电系统其它高压附件功率是否发生变化，如果发生变化，则需求的PTC工作功率也会相应变化，如果没有变化，燃料电池系统怠速净输出功率可以一直为0。

如果燃料电堆净输出功率和燃电系统其它高压附件功率发生变化，则需要重新覆盖设定最新的PTC设定工作功率P_setPTC，PTC加热器在新设定的工作功率P_setPTC下工作。

PTC加热器产生的热量通过介质热交换装置带走。

进一步的实施例中，由于超级电容+双向DCDC系统SCMS300、动力电池系统BMS400的功率输出还分别连接PTC接触器K2输入端，这样可以实现车辆冷启动时，利用超级电容+双向DCDC系统SCMS300、动力电池系统BMS400的功率输出，利用PTC加热器对燃料电池系统FCS进行加热。即当PTC加热器进入高压准备状态后，燃料电池系统FCS系统启动环境温度小于-20℃时，此时第二储能装置对PTC加热器输出，使PTC加热器处于全功率输出，当燃料电池系统正常慢慢启动而升温达到20℃后，关闭PTC加热器。