[发明专利]燃料电池低温环境启动控制系统

说明书

一种燃料电池低温环境启动控制系统，属于燃料电池汽车优化控制技术领域。本发明的目的是在约束电流变化率的前提下通过平衡温升速率与结冰速率之间的关系，规划冷启动过程中的电流轨迹，实现燃料电池在期望启动时间内冷启动的燃料电池低温环境启动控制系统。本发明步骤是：建立燃料电池冷启动系统微观模型，建立冷启动电流优化，设计基于DP的启动电流规划方法。本发明采用内部升温方式，在满足燃料电池电堆电流变化率的约束条件下，计算从0A(安培)开始变化的启动电流轨迹。仿真结果表明所设计的控制系统能够较好的平衡温升速率与结冰速率之间的关系，提高燃料电池的冷启动性能并解决现有技术的三点问题。

技术领域

本发明属于燃料电池汽车优化控制技术领域。

背景技术

我国宣布将力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和。氢能是替代化石能源实现双碳目标的重要选择，它已经成为应对气候变化、建设脱碳社会的重要能源。2021年中国氢电产业发展蓝皮书指出，2030-2035年实现氢能及燃料电池汽车的大规模应用。工业和信息化部也提出，到2035年我国公共领域用车将全面实现电动化，燃料电池汽车实现商业化应用。

当燃料电池处于零度以上环境时，电堆反应生成的水可被直接回收，用于后续工作过程中的加湿工作或直接排出。若燃料电池从零度以下的环境中启动，且工作在大电流工况下或工作时间较长时，由于此时电堆温度还未升至零上，反应生成的水无法被直接排出或利用，它会由液态相变至固态，即产生冰。冰的存在对电堆输出特性会产生不利影响：若冰完全将催化层或气体扩散层覆盖，电堆将无法继续正常工作，此时冷启动失败。低温环境下燃料电池汽车的冷启动问题是影响其商业推广的重要因素。如何在电堆完全被冰覆盖之前将温度升温至冰融化点即零度是目前学者们较为关注的热点问题。燃料电池冷启动分为内部升温和辅助升温两种方式，其中内部升温细分为三种方式，分别为改变输出特性法，氧饥饿法与催化法。电堆辅助升温方面，主要有冷却液加热、热气体吹扫与反向电压加热三种方式。

针对燃料电池低温环境的启动方法，主要有以下问题：

1.辅助升温方式增加了系统的成本和复杂程度并使得燃料电池整体系统可靠性降低。

2.目前关于燃料电池低温环境启动的解决方法大多集中在开环设置燃料电池工作点方面，即为燃料电池设置某一固定的电流或电压，使其始终工作在该固定点从而实现冷启动，未能针对被控系统从全局进行优化设计。

3.温升速率与结冰速率的关系往往是导致冷启动失败的关键原因，换言之，在冰体积分数达到1即冰将催化层与气体扩散层等完全覆盖之前，若电堆温度未升至0℃(摄氏度)，则冷启动失败。但目前已经存在的燃料电池低温环境启动方法仅考虑能否成功升温至0℃，而未考虑冷启动过程中升温速率与结冰速率的关系，一味的追求温升速率可能会导致冷启动失败。

发明内容

本发明的目的是在约束电流变化率的前提下通过平衡温升速率与结冰速率之间的关系，规划冷启动过程中的电流轨迹，实现燃料电池在期望启动时间内冷启动的燃料电池低温环境启动控制系统。

本发明步骤是：

S1、建立燃料电池冷启动系统微观模型

1.1建立燃料电池水传递模型

1.1.1膜中非冻结水含量模型

式(1)为膜中非冻结水质量守恒方程，等式左侧表示膜中非冻结水含量动态变化，等式右侧第一项表示气体扩散项，第二项表示源项：分别来自于氧化还原反应生成的水、膜中非冻结水与气态水之间的相变、膜中非冻结水与固态水之间的相变以及电液拖拽