【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种车辆的燃料电池冷启动控制方法及系统。
技术介绍
1、燃料电池是氢能的最佳载体，它凭借着能量密度高、转换率高、运行安全、无污染等特点被广泛应用于交通运输领域。目前，国内外汽车巨头已向燃料电池汽车领域进军，燃料电池汽车的主要动力源采用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuelcell，pemfc)，而pemfc的冷启动问题影响着pemfc大规模商业化的发展。
2、质子交换膜燃料电池冷启动是指在0℃以下启动并升温至正常温度运行的启动过程。冷启动过程中，质子交换膜内部反应产生的水在0℃以下结冰，并充斥于扩散层内部或覆盖于催化层表面，阻止气体进入催化层(cl)，影响堆栈反应，从而导致启动失败。此外，由于水变成冰时体积增大，以致于催化层内部空隙塌陷和致密化以及铂金颗粒的团聚和粗化，从而影响燃料电池寿命。因此，冷启动问题是影响燃料电池推广的主要因素。
3、常见冷启动方案有自启动和辅助冷启动。常见的自启动策略为恒流启动，通过在pemfc含水量达到饱和之前增加启动电流，避免增加额外冰的积累。但是当氢氧化学反应不能提供足够的电子时，就会通过水的电解、碳的腐蚀、催化剂的氧化腐蚀等方式获取电子，对电池内部结构造成严重破坏，影响其耐久性；辅助冷启动主要是利用加热器对电堆冷却液加热、通过压缩空气加热和催化加热等方式对系统加热，从而可以有效避免在升温过程中水结冰而导致的冷启动失败。虽然辅助启动策略简单高效，但需要额外的设备，导致系统体积质量增大，增加系统成本并降低
技术实现思路
1、本专利技术提供一种车辆的燃料电池冷启动控制方法及系统，用以解决现有技术中的车辆冷启动困难，对燃料电池会带来比较大损耗，以及可能会导致启动时间过长甚至启动失败的缺陷，通过采用模型预测控制(mpc)的方法对启动电流进行控制，使燃料电池在冷启动策略下能够迅速达到冰点，在短时间内达到启动点并成功启动，减少因大量结冰对燃料电池内部催化层的损坏，从而延长电堆的使用寿命。
2、本专利技术提供一种车辆的燃料电池冷启动控制方法，包括：
3、采集车辆的燃料电池的初始状态变量，初始状态变量包括初始温度值和初始冰含量；
4、基于初始状态变量和预先构建的冷启动模型，进行模型预测控制，确定最优的启动电流；
5、基于最优的启动电流，控制车辆的燃料电池进行冷启动。
6、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，基于初始状态变量和预先构建的冷启动模型，进行模型预测控制，确定最优的启动电流，包括：
7、将初始状态变量输入预先构建的冷启动模型，并通过如下公式(1)建立燃料电池冷启动过程的状态方程：
8、
9、其中ccell为燃料电池的产热，δh为氢气的焓变，i为启动电流，a为质子交换膜活化面积，vout为燃料电池的输出电压，t为燃料电池的温度值，tenv为环境温度，ηvice为燃料电池中的催化剂中的冰的体积分数，ρice为燃料电池中的催化剂中的冰的密度，vpem为质子交换膜的体积，nice为燃料电池内含冰量，为燃料电池内的出水量；
10、基于状态方程进行模型预测控制，确定最优的启动电流。
11、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，冷启动模型包括燃料电池堆栈模型，燃料电池堆栈模型用于计算燃料电池的输出电压。
12、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，冷启动模型包括燃料电池水状态模型，燃料电池水状态模型用于基于初始冰含量计算燃料电池的含冰量和出水量。
13、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，冷启动模型包括燃料电池能量传递模型，燃料电池能量传递模型用于基于初始温度值计算燃料电池的产热。
14、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，基于状态方程进行模型预测控制，确定最优的启动电流，包括：
15、基于状态方程确定燃料电池的当前状态向量，当前状态向量包括燃料电池的催化剂中冰体积分数和燃料电池的当前温度；
16、基于当前状态向量进行滚动优化计算。
17、根据本专利技术提供的车辆的燃料电池冷启动控制方法，滚动优化计算时的代价函数包括如下公式(2)：
18、
19、本专利技术还提供一种燃料电池冷启动控制系统，包括：
20、采集模块，用于采集车辆的燃料电池的初始状态变量，初始状态变量包括初始温度值和初始冰含量；
21、预测模块，用于基于初始状态变量和预先构建的冷启动模型，进行模型预测控制，确定最优的启动电流；
22、冷启动模块，用于基于最优的启动电流，控制车辆的燃料电池进行冷启动。
23、本专利技术还提供一种车辆，通过上述任一种燃料电池冷启动控制方法进行控制。
24、本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述任一种燃料电池冷启动控制方法。
25、本专利技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种燃料电池冷启动控制方法。
26、本专利技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种燃料电池冷启动控制方法。
27、本申请的方案中设计了燃料电池低温冷启动的控制方法，相较于现有的冷启动方法，提出了一种基于模型框架下的优化控制策略，在期望启动时间内基于mpc控制算法优化出一组电堆电流轨迹，方法在保证冷启动成功的同时缩短了冷启动时间；并且以催化层的冰体积分数和温度为状态变量，以电流为输入调节冰含量和温度的权重系数，有效地提高冷启动速度，减少制冰时间，从而避免对堆内结构的破坏，兼顾了启动效率和启动的安全性。
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1.车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，基于所述初始状态变量和预先构建的冷启动模型，进行模型预测控制，确定最优的启动电流，包括：
3.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池堆栈模型，所述燃料电池堆栈模型用于计算燃料电池的输出电压。
4.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池水状态模型，所述燃料电池水状态模型用于基于所述初始冰含量计算燃料电池的含冰量和出水量。
5.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池能量传递模型，所述燃料电池能量传递模型用于基于所述初始温度值计算燃料电池的产热。
6.根据权利要求2所述的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述基于所述状态方程进行模型预测控制，确定最优的启动电流，包括：
7.根据权利要求6所述的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述滚动优化计算时的
8.燃料电池冷启动控制系统，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述燃料电池冷启动控制方法。
10.一种车辆，其特征在于，通过权利要求1至7任一项所述燃料电池冷启动控制方法进行控制。
...【技术特征摘要】
1.车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，基于所述初始状态变量和预先构建的冷启动模型，进行模型预测控制，确定最优的启动电流，包括：
3.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池堆栈模型，所述燃料电池堆栈模型用于计算燃料电池的输出电压。
4.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池水状态模型，所述燃料电池水状态模型用于基于所述初始冰含量计算燃料电池的含冰量和出水量。
5.根据权利要求2所述的车辆的燃料电池冷启动控制方法，其特征在于，所述冷启动模型包括燃料电池能量传递...
【专利技术属性】
技术研发人员：华青松，江震雄，王一恒，帅麒麟，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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