一种燃料电池低温启动控制系统及方法与流程

1.本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种燃料电池低温启动控制系统及方法。


背景技术：

2.燃料电池是通过电化学反应产生电能，膜电极及催化剂都对反应温度有一定的要求，一般运行温度在60℃-80℃，但是在汽车上应用时，其运行环境温度甚至有可能低至-40℃，而常见的燃料电池在-10℃以下就必须借助外部加热或其它控制方法使燃料电池升温才能输出电能。另外，由于燃料电池阴极反应生成大量水，燃料电池启动系统中的一些电气设备及管路在低于0℃的环境下极易结冰，导致系统启动失败，影响燃料电池整车的正常运行。
3.因此，亟待需要一种燃料电池低温启动控制系统以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于提供一种燃料电池低温启动控制系统，能够在不增加大功率部件的情况下，提高燃料电池低温启动时的温升速率，保证燃料电池的正常运行。
5.本发明的另一个目的在于提供一种燃料电池低温启动控制方法，通过应用上述燃料电池低温启动控制系统，
6.为实现上述目的，提供以下技术方案：
7.第一方面，提供了一种燃料电池低温启动控制系统，包括：
8.冷却液回路，包括冷却液管路、高压水泵、第一三通阀、加热器和节温器；所述冷却液管路布置于燃料电池周侧，所述冷却液管路的出口端与所述高压水泵的入口端连接；所述高压水泵的出口端通过所述第一三通阀流经所述加热器后与所述节温器的入口端相连通或直接与所述节温器的入口端相连通；所述节温器出口端与所述冷却液管路的入口端相连通；
9.空气回路，包括热交换装置、空气管路、节气门、第二三通阀、中冷器和空压机，所述热交换装置和所述空气管路并联且均布置于所述燃料电池周侧；所述空压机的高温空气流经所述中冷器后通过所述第二三通阀分别与所述热交换装置的入口端和所述空气管路的入口端相连通，所述热交换装置的出口端和所述空气管路的出口端均与所述节气门相连通。
10.作为所述燃料电池低温启动控制系统的可选方案，所述冷却液管路的出口端和所述高压水泵之间设有第一温度传感器。
11.作为所述燃料电池低温启动控制系统的可选方案，所述第二三通阀的第一出口端和所述热交换装置的入口端之间设有第二温度传感器。
12.作为所述燃料电池低温启动控制系统的可选方案，所述冷却液管路的出口端与所述中冷器的入口端相连通，所述中冷器的出口端与所述冷却液管路的入口端相连通。
13.作为所述燃料电池低温启动控制系统的可选方案，所述中冷器的出口端与所述冷
却液管路的入口端之间设有第三温度传感器。
14.作为所述燃料电池低温启动控制系统的可选方案，所述冷却液回路还包括暖风芯体，所述加热器的出口端与所述暖风芯体的入口端相连通，所述暖风芯体的出口端与所述节温器的入口端相连通。
15.第二方面，提供了一种燃料电池低温启动控制方法，所述燃料电池低温启动控制方法包括燃料电池预热方法，所述燃料电池预热方法包括如下步骤：
16.s1、检测燃料电池的冷却液管路出口温度t
c1
，并判断t
c1
是否不大于燃料电池低温启动温度限值t0；若是，则执行s2，若否，则进入常温启动模式；
17.s2、判断t
c1
是否不小于第一温度设定值t1；若否，则执行s311；
18.s311、第二三通阀切换第一出口端开启第二出口端关闭，空压机按预定转速启动，节气门按预定开度启动，进入热交换装置加热模式；高压水泵按预定转速启动，第一三通阀切换第一入口端开启第二入口端关闭，加热器开启，低压水泵开启，节温器第一出口端开启第二出口端关闭，进入加热器加热模式。
19.作为所述燃料电池低温启动控制方法的可选方案，在步骤s311之后还包括如下步骤：
20.s312、检测燃料电池的冷却液管路的出口温度t
c2
，并判断t
c2
是否不小于第二温度设定值t2；若是，则执行s313；若否，则执行s311；
21.s313、空压机停止运行，第二三通阀切换第一出口端关闭第二出口端开启，节气门关闭，退出热交换装置加热模式。
22.作为所述燃料电池低温启动控制方法的可选方案，在步骤s313之后还包括如下步骤：
23.s4、第一三通阀切换第一入口端关闭第二入口端开启，加热器关闭，退出加热器加热模式，燃料电池低温启动暖机过程结束。
24.作为所述燃料电池低温启动控制方法的可选方案，在步骤s2中，判断t
c1
是否不小于第一温度设定值t1；若是，则执行s321；
25.s321、高压水泵按预定转速启动，第一三通阀切换第一入口端开启第二入口端关闭，加热器开启，低压水泵开启，进入加热器加热模式。
26.作为所述燃料电池低温启动控制方法的可选方案，在步骤s321之后还包括如下步骤：
27.s322、检测燃料电池的冷却液管路的出口温度t
c3
，并判断t
c3
是否不小于第二温度设定值t2；若是，则执行s4；若否，则执行s321。
28.作为所述燃料电池低温启动控制方法的可选方案，所述燃料电池低温启动控制方法包括燃料电池保温方法，所述燃料电池保温方法包括如下步骤：
29.s100、检测燃料电池的冷却液管路的出口温度t
c4
，并判断t
c4
是否不大于第三温度设定值t3；若是，则执行s200；若否，则执行s300；
30.s200、根据
△
t＝t
3-t
c4
，控制第二三通阀切换第一出口端和第二出口端开度，启动空压机，节气门按设定开度调节，直至t
c4
大于第三温度设定值t3，则执行s300；
31.s300、空压机恢复正常转速运行，节气门恢复正常开度，退出热交换装置加热模式，空气经空气回路流向所述节气门。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
33.本发明提供的燃料电池低温启动控制系统，包括冷却液回路和空气回路，冷却液回路包括冷却液管路、高压水泵、第一三通阀、加热器和节温器；空气回路包括热交换装置、空气管路、节气门、第二三通阀、中冷器和空压机，空压机产生的高温空气能够流入热交换装置和空气管路相连通，从而对燃料电池进行加热，加热器通过对冷却液进行加热，也可以达到对燃料电池进行加热的目的，与现有技术相比，能够在不增加大功率部件的情况下，提高燃料电池低温启动时的温升速率，保证燃料电池的正常运行。
34.本发明提供的燃料电池低温启动控制方法，通过应用上述燃料电池低温启动控制系统，
附图说明
35.图1为本发明实施例提供的燃料电池低温启动控制系统的示意图；
36.图2为本发明实施例提供的燃料电池低温启动控制方法中预热控制方法的流程示意图；
37.图3为本发明实施例提供的燃料电池低温启动控制方法中保温控制方法的流程示意图。
38.附图标记：
39.100、燃料电池；
40.201、冷却液管路；202、高压水泵；203、第一三通阀；204、低压水泵；205、加热器；206、暖风芯体；207、节温器；208、散热器；209、去离子器；210、膨胀水箱；211、第一温度传感器；212、压力传感器；213、第三温度传感器；
41.301、空气滤清器；302、流量计；303、空压机；304、中冷器；305、第二三通阀；306、热交换装置；307、空气管路；308、增湿器；309、单向阀；310、节气门；311、第二温度传感器。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解
为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
46.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
48.图1示出了本发明实施例提供的燃料电池低温启动控制系统，如图1所示，燃料电池低温启动控制系统，包括冷却液回路和空气回路，其中，冷却液回路至少具有燃料电池100的预热和冷却两个功能，空气回路可利用车辆产生的高温气体对燃料电池100进行预热。
49.针对冷却液回路，冷却液回路包括冷却液管路201、高压水泵202、第一三通阀203、低压水泵204、加热器205、暖风芯体206、节温器207、散热器208、去离子器209、膨胀水箱210、第一温度传感器211、压力传感器212和第三温度传感器213。
50.冷却液管路201布置于燃料电池100周侧，冷却液在高压水泵202的作用下从冷却液管路201的出口端流入第一三通阀203的第一入口端a1，然后通过第一三通阀203的出口端流经低压水泵204、加热器205、暖风芯体206后与节温器207的入口端相连通；或直接流入节温器207的入口端。节温器207的第一出口端b1直接与冷却液管路201的入口端相连通，节温器207的第二出口端b2通过散热器208与冷却液管路201的入口端相连通。高压水泵202可作为冷却液管路201内冷却液流动的动力源，低压水泵204设于第一三通阀203的出口端和加热器205的入口端之间，用于保证冷却液的流动。加热器205用于对冷却液进行加热，暖风芯体206用于与加热器205配合实现对冷却液的加热，进而通过冷却液管路201对燃料电池100进行预热，便于车辆在低温环境下启动。散热器208可在车辆行驶过程中或其他需要对燃料电池100进行冷却的情况下使用。当对燃料电池100进行预热时，节温器207的第二出口端b2保持常闭状态；当对燃料电池100进行冷却散热时，节温器207的第二出口端b2开启，冷却液流经散热器208进行散热，然后再流回冷却液管路201对燃料电池100进行散热
51.需要说明的是，第一三通阀203的第一入口端a1关闭、第二入口端a2开启时，加热器205、暖风芯体206可用于汽车空调系统加热模式，实现驾驶舱内的温度加热调节。
52.可选地，第一三通阀203可以为电控三通阀，电控三通阀便于本发明提供的燃料电池低温启动控制系统的自动控制。
53.去离子器209和膨胀水箱210串联并与节温器207并联，冷却液流经去离子器209和膨胀水箱210后，可通过去离子器209和膨胀水箱210将冷却液中的气泡进行分离去除，提高冷却液的冷却和加热效果，避免气泡对设备的腐蚀损坏。
54.压力传感器212设于高压水泵202与冷却液管路201之间，用于检测冷却液管路201的出口端的压力，便于实时调整高压水泵202的功率。
55.第一温度传感器211设于冷却液管路201的出口端和高压水泵202之间，用于检测
冷却液管路201出口端的温度，便于燃料电池100低温启动控制系统选择合适的预热模式。
56.第三温度传感器213设于中冷器304的出口端与冷却液管路201的入口端之间，用于检测从中冷器304出口端流出的冷却液的温度，便于燃料电池100低温启动控制系统选择合适的预热模式。
57.示例性地，加热器205可以为ptc加热器。
58.针对空气回路，空气回路包括空气滤清器301、流量计302、空压机303、中冷器304、第二三通阀305、热交换装置306、空气管路307、增湿器308、单向阀309、节气门310和第二温度传感器311。
59.空气经空气滤清器301进入空压机303，然后在空压机303的作用下转换为高温气体(通常温度为120℃-150℃以上)，高温气体进入中冷器304后可对流经中冷器304的冷却液进行预热，高温气体经中冷器304后进入第二三通阀305，然后通过第二三通阀305的第一出口端c1进入热交换装置306，通过第二三通阀305的第二出口端c2进入空气管路307，热交换装置306的高温气体对冷却液管路201的冷却液进行加热，然后通过冷却液对燃料电池100进行加热，热交换装置306中的高温气体最后由节气门310排出；空气管路307中的高温气体同样可对燃料电池100进行预热，最后经增湿器308、单向阀309进入节气门310后排出。
60.可选地，第二三通阀305可以选用三通比例阀，以便于根据需要调节三通比例阀的不同出口端的流量大小。
61.优选地，冷却液管路201的出口端与中冷器304的入口端相连通，中冷器304的出口端与冷却液管路201的入口端相连通。该设计可通过中冷器304中的高温气体对冷却液进行加热，提高燃料电池100的预热效率。
62.空气滤清器301连接于空压机303的入口端，用于过滤空气，保证进入空气滤清器301内空气无杂质。空气滤清器301和空压机303之间设有流量计302，用于检测进入空压机303的空气流量。空气管路307的出口端依次流经增湿器308和单向阀309与节气门310相连通，增湿器308用于使对流经空气管路307的空气进行增湿，单向阀309用于保证气体仅能够从增湿器308流向节气门310，而不能从节气门310流向增湿器308。
63.第二温度传感器311设于第二三通阀305的第一出口端c1和热交换装置306的入口端之间，用于检测从第二三通阀305的第一出口端c1流出的高温气体的温度，便于燃料电池100低温启动控制系统选择合适的预热模式。
64.本实施例提供的燃料电池低温启动控制系统，利用空压机301压缩后的高温气体，引入燃料电池100周侧的热交换装置306，并进行管路及阀门的集成设计及控制，能够解决以下问题：1)低温启动暖机过程中，通过控制空气压缩比产生高温空气，流过中冷器以及电堆热交换装置进行热交换，实现对电堆冷却液以及电堆本体的加热，解决极低温环境下仅依靠功率有限的加热器205加热暖机时间长启动慢的问题；2)利用排出的空气废气，解决燃料电池阴极节气门低温环境下迅速破冰的问题；3)燃料电池100在低温环境下长时间怠速或小功率运行时，通过控制空压机301功率以及三通阀状态，解决节气门310、管路易二次结冰以及电堆保温问题。
65.现有燃料电池低温启动技术大多是通过某种装置或方案设计仅解决单一问题，本实施例提供燃料电池快速低温启动系统及方法，在不增加大功率部件的情况下，实现了同时解决以上三个技术问题，极大提升了低温启动时燃料电池的温升速率，避免了节气门、管
路结冰导致的启动失败，以及避免了低温环境下长时间怠速或小功率运行时管路、部件二次结冰。
66.图2示出了本发明实施例提供的燃料电池低温启动控制方法中预热方法的流程示意图，如图2所示，本实施例还提供的燃料电池低温预热方法包括如下步骤：
67.s1、检测燃料电池冷却液管路201的出口温度t
c1
，并判断t
c1
是否不大于燃料电池100低温启动温度限值t0；若是，则执行s2，若否，则进入常温启动模式；
68.s2、判断t
c1
是否不小于第一温度设定值t1；若否，则执行s311；
69.s311、第二三通阀305切换第一出口端c1开启第二出口端c2关闭，空压机303按预定转速启动，节气门310按预定开度启动，进入热交换装置306加热模式；高压水泵202按预定转速启动，第一三通阀203切换第一入口端a1开启、第二入口端a2关闭，加热器205开启，低压水泵204开启，节温器207第一出口端b1开启、第二出口端b2关闭，进入加热器205加热模式；
70.s312、检测燃料电池100冷却液管路201的出口温度t
c2
，并判断t
c2
是否不小于第二温度设定值t2；若是，则执行s313；若否，则执行s311；
71.s313、空压机303停止运行，第二三通阀305切换第一出口端c1关闭、第二出口端c2开启，节气门310关闭，退出热交换装置306加热模式；
72.s4、第一三通阀203切换第一入口端a1关闭、第二入口端a2开启，加热器205关闭，退出加热器205加热模式，燃料电池100低温启动暖机过程结束。
73.可选地，t0可以设定为0℃。t1可以设定为-20℃～-30℃中的任一数值，具体设定值可以根据汽车行驶环境的常态温度及燃料电池100的自身特性进行选择，在此不再一一举例说明。t2可以设定为0～5℃中的任一数值，具体设定值可以根据汽车行驶环境的常态温度及燃料电池100的自身特性进行选择，在此不再一一举例说明。
74.需要说明的是，当t
c1
≤t0时，高压系统、供氢系统按预定策略运行，然后执行s2。
75.当t
c1
≤t1时，此时燃料电池100系统处于极低温度下，为了加快暖机过程，空气回路中的第二三通阀305的第一出口端c1开启、第二出口端c2关闭，第二温度传感器311监测进入燃料电池100热交换装置306的气体温度，根据设定的目标温度值控制空气压缩比，进而节气门310按预定开度开启，空压机303按预定转速启动，然后开启热管理系统，启动高压水泵202、加热器205、低压水泵204，第一三通阀203的第一入口端a1开启第二入口端a2关闭，节温器207的第一出口端b1开启、第二出口端b2关闭，直至t
c2
≥t2，空压机303停止运行，第二三通阀305的第一出口端c1关闭、第二出口端c2开启，节气门310关闭，接下来关闭加热器205加热，第一三通阀203的第一入口端a1关闭第二入口端a2开启，节温器207的第一出口端b1开启、第二出口端b2关闭，低温启动暖机完成。
76.第二三通阀305的开度切换，实现在原有加热器205加热基础上，利用空压机303压缩后的高温气体通过中冷器304对冷却液进行加热，同时高温气体通过燃料电池100热交换装置306实现对燃料电池100内部结构的快速加热及怠速或低功率下保温，另外经过燃料电池100的热交换装置306的气体经由管路到达节气门310前端，利用余热可以实现管路及节气门310的破冰及避免二次结冰。
77.可选地，在步骤s2中，判断t
c1
是否不小于第一温度设定值t1；若是，则执行s321；
78.s321、高压水泵202按预定转速启动，第一三通阀203切换第一入口端a1开启第二
入口端a2关闭，加热器205开启，低压水泵204启动，进入加热器205加热模式。
79.s322、检测燃料电池100冷却液管路201的出口温度t
c3
，并判断t
c3
是否不小于第二温度设定值t2；若是，则执行s4；若否，则执行s321。
80.当t
c1
≥t1时，仅通过加热器205作为辅助热源进行暖机过程，避免能量过度消耗，并启动高压水泵202、加热器205、低压水泵204，第一三通阀203的第一入口端a1开启第二入口端a2关闭，节温器207的第一出口端b1开启第二出口端b2关闭，直至t
c3
≥t2，t2为结束低温启动暖机过程的温度限值，此时加热器205停止运行，第一三通阀203的第一入口端a1关闭第二入口端a2开启，节温器207的第一出口端b1开启第二出口端b2关闭，低温启动暖机完成。
81.该燃料电池100低温启动控制方法，能够在不增加大功率部件的情况下，提高燃料电池100低温启动时的温升速率，避免节气门310、管路结冰导致的启动失败，避免低温环境下长时间怠速或小功率管运行时管路部件二次结冰。
82.图3示出了本发明实施例提供的燃料电池100低温启动控制方法中保温方法的流程示意图，如图3所示，所述燃料电池100保温方法包括如下步骤：
83.s100、检测燃料电池100的冷却液管路201的出口温度t
c4
，并判断t
c4
是否不大于第三温度设定值t3；若是，则执行s200；若否，则执行s300；
84.s200、根据
△
t＝t
3-t
c4
，控制第二三通阀305切换第一出口端c1和第二出口端c2开度，启动空压机303，节气门310按设定开度调节，直至t
c4
大于第三温度设定值t3，则执行s300；
85.s300、空压机303恢复正常转速运行，节气门310恢复正常开度，退出热交换装置306加热模式，空气经空气回路流向所述节气门310。
86.可选地，t3可以设定为60℃～65℃中的任一数值，具体设定值可以根据汽车行驶环境的常态温度及燃料电池100的自身特性进行选择，在此不再一一举例说明。
87.当燃料电池100系统工作在极低环境温度下，且长时间怠速或低功率运行时，检测燃料电池100冷却液管路201出口温度t
c4
，t3为系统开启保温功能的温度限值(例如65℃)，当t
c4
≤t3时，根据δt(δt＝t
3-t
c4
)，控制第二三通阀305的第一出口端c1及第二出口端c2开度，同时重新计算目标空气压缩比及化学计量比，并控制空压机303按设定功率运行，节气门310开启至设定开度，保证燃料电池100反应正常所需空气压力及流量的同时，提升压缩空气温度，运行直至t
c4
≥t3时，空压机303恢复正常转速运行，节气门310恢复正常开度，第二三通阀305的第一出口端c1关闭、第二出口端c2打开，结束系统保温流程，恢复正常运行状态。
88.本实施例还提供了一种车辆，包括上述燃料电池低温启动控制系统，且上述燃料电池低温启动系统可执行上述的燃料电池低温启动控制方法，以实现自动预热燃料电池100，提升车辆启动速率。
89.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。