一种车载燃料电池装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池装置及其控制方法。


背景技术：

2.氢能燃料电池汽车是一种具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。车载燃料电池装置通常包含燃料电池电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件系统，电堆包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等。
3.燃料电池系统在低温环境中自启动时存在端板效应问题，现有的解决方案通常是在端板或者单片间添加加热片或者加热膜，如专利cn111180758b，但由于加热片或者加热膜的厚度不够，没有添加温度传感器，因此无法判断加热单元是否正常工作及非正常工作时如何解决燃料电池的低温启动问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例旨在提供一种车载燃料电池装置及其控制方法，用以解决现有技术无法判断加热片是否正常工作及其有效性的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池装置，其特征在于，包括自带加热片的燃料电池电堆、入堆气体控制设备、冷却液温度调节设备、阻抗测量设备，以及控制器；其中，阻抗测量设备的各电极分别与电堆内的一个电池单片连接；入堆气体控制设备的输出端分别与电堆的对应氢气、空气入口连接；电堆的冷却液输出端经冷却液温度控制设备与其冷却液输入端连接；控制器的输出端分别与电堆的加热片、冷却液温度调节设备的控制端连接；并且，控制器，用于接收到用户的整车启动指令后，先获取入堆冷却液水温；以及，根据所述入堆冷却液水温启动加热片对电堆加热；检测加热完成后每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
‑
温度模型获得当前燃料电池温升评估指标；然后，根据所述温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备升温，直到整车启动完成。
6.上述技术方案的有益效果如下：解决了燃料电池系统端板处加热片的故障诊断及控制问题。一旦检测到入堆冷却液水温过低，则启动加热片对电堆进行适度加热，在加热片故障的情况下启动冷却液温度控制设备对电堆升温，解决了燃料电池系统在低温环境中冷启动时存在的端板效应问题。
7.基于上述装置的进一步改进，所述控制器包括：数据采集单元，用于采集电堆的入堆氢气、空气压力，入堆冷却液水温、出堆冷却液水温，发送至数据处理与控制单元：数据处理与控制单元，用于接收到用户的整车启动指令后，获取所述入堆冷却液水温；以及，根据所述入堆冷却液水温启动加热片对电堆加热，检测加热完成后的每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
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温度模型获得当前燃料电池温升评估指标，然后，根据所述
温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备对电堆加热，直到出堆冷却液水温高于阈值，再根据所述入堆氢气、空气压力启动电堆。
8.上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的组成进行进一步限定，通过监测电堆的入堆氢气、空气压力，入堆冷却液水温、出堆冷却液水温，使得加热片的控制更加精准。在加热片故障时，启动备用的冷却液温度控制系统（冷却液温度调节设备）对电堆进行温度提升，极大地增加了燃料电池的使用范围。
9.进一步，所述数据采集单元进一步包括：温度传感器一，设置于电堆的冷却液输入端，用于实时采集入堆冷却液水温；温度传感器二，设置于电堆的冷却液输出端，用于实时采集出堆冷却液水温；温度压力一体传感器，设置于电堆的空气入口处，用于实时采集入堆空气压力和入堆空气温度。
10.上述进一步改进方案的有益效果是：对数据采集单元的传感器种类进行进一步限定。数据处理与控制单元通过温度压力一体传感器采集的温度可判断是否启动加热片对电堆加热，在判定加热片故障后，可根据温度传感器一、温度传感器二的数值实时进行冷却液温度控制，直到出堆冷却液水温高于阈值后启动燃料电池电堆，执行整车启动。
11.进一步，所述数据采集单元还包括：压力传感器一，设置于电堆的氢气入口处，用于实时采集入堆氢气压力；压力传感器二，设置于电堆的排气口处，用于采集电堆出口处气体压力。
12.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了数据采集单元的传感器种类。数据处理与控制单元通过压力传感器一、压力传感器二采集的压力可判断入堆氢气、空气压力是否满足预设需求，进而获得燃料电池是否正常工作的信息。
13.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：接收到用户的整车启动指令后，获取所述入堆冷却液水温；将所述入堆冷却液水温与预设阈值进行比较，判断整车是否处于低温自启动状态；如果所述入堆冷却液水温大于等于阈值，判定整车处于非低温自启动状态，直接启动燃料电池电堆，直到电堆的入堆氢气、空气压力均满足预设需求，执行整车启动；如果入堆冷却液水温小于阈值，判定整车处于低温自启动状态，先启动加热片对电堆进行加热，保持预设时间后，检测电堆内起加热作用的电池单片和非加热作用的电池单片的阻抗值，获取二者的阻抗值之差，输入预设阻抗
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温度模型获得当前燃料电池温升评估指标，然后，根据所述温升评估指标与预设温升评估阈值比较判断所述加热片是否正常，如果所述温升评估指标大于预设温升评估阈值，判定所述加热片正常，启动燃料电池电堆，否则，判定所述加热片不正常，先启动冷却液温度控制设备对电堆补充加热，在加热过程中实时监测出堆冷却液水温，直到出堆冷却液水温高于阈值，再启动燃料电池电堆，执行整车启动。
14.上述进一步改进方案的有益效果是：对数据处理与控制单元的燃料电池启动程序进行进一步限定。当非低温启动时，可以直接启动燃料电池电堆；当低温启动时，需要先用加热片加热电堆，如果加热片故障，启动备用的冷却液温度调节系统对电堆升温，再启动燃料电池。借助燃料电池单片阻抗与温度间的定量关系，实现了对端板加热单片（即加热作用
的电池单片）工作状态的检测，并根据检测结果调整了燃料电池的启动方式（增加液冷加热），保证了低温模式下的启动可靠性。
15.进一步，所述入堆气体控制设备包括：控制阀，其输入端与氢气进气管连接，输出端与电堆的氢气入口连接，其控制端与控制器的控制端连接，用于控制入堆氢气流量；空压机，其输出端与电堆的空气入口连接，其控制端与控制器的控制端连接，用于对空气压缩，使入堆空气达到入堆需求范围。
16.上述进一步改进方案的有益效果是：对入堆气体控制设备的结构进行限定。通过控制阀，可控制入堆氢气流量，通过空压机，可控制入堆空气流量。结构简单，使用方便。
17.进一步，所述冷却液控制设备包括节温器、散热器和水泵；其中，电堆的冷却液输出端经水泵分别与散热器的输入端、节温器的端口二连接；散热器的输出端与节温器的端口一连接；节温器的端口三与电堆的冷却液输入端连接。
18.上述进一步改进方案的有益效果是：对冷却液控制设备的结构进行限定。通过节温器、散热器和水泵能够有效控制冷却液快速进行温度提升，进而加快燃料电池的启动速度。
19.进一步，该装置还包括：氢气循环设备，其输入端与电堆的排气口连接，其输出端与电堆的氢气进气口连接，用于提取电堆排气口处尾气中剩余的氢气，供电堆发电再次使用；吹扫电池阀，其输入端也与电堆的排气口连接，控制端与控制器的输出端连接，用于根据控制器的控制，整车关机时以预设吹扫时长对电堆进行吹扫。
20.上述进一步改进方案的有益效果是：增加了氢气循环设备和吹扫电池阀。通过氢气循环设备，能够有效提高燃料的利用率，从而节约使用成本。通过吹扫电池阀，关机时能够快速带走燃料电池电堆内部的水分，从而提高燃料电池电堆的使用寿命。
21.另一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池装置的控制方法，包括如下步骤：接收到用户的整车启动指令后，获取燃料电池的入堆冷却液水温；根据所述入堆冷却液水温启动加热片，对燃料电池电堆加热；检测起加热完成后电堆内每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
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温度模型，获得当前燃料电池温升评估指标；根据所述温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备，直到整车启动完成。
22.上述方案的有益效果是：解决了燃料电池系统端板处加热片的故障诊断及控制问题。一旦检测到入堆冷却液水温过低，则启动加热片对电堆进行适度加热，解决了燃料电池系统在低温环境中冷启动时存在的端板效应问题。
23.进一步，通过如下步骤获得所述预设阻抗
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温度模型：选取燃料电池电堆内靠近端板的电池单片作为起加热作用的电池单片，中间位置的电池单片作为非加热作用的电池单片；获取燃料电池电堆的包括不同冷却液输出端水温、起加热作用的电池单片和非加热作用的电池单片的阻抗值之差、电池寿命对应的数据样本；
对上述数据样本进行拟合，通过最佳逼近方法确定电池寿命
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阻抗值之差
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冷却液输出端水温的函数曲线；将上述函数曲线作为预设阻抗
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温度模型；将实测所述阻抗值之差对应的冷却液输出端水温作为当前燃料电池温升评估指标，并将上述函数曲线中燃料电池的额定寿命的对应的冷却液输出端水温作为判断加热片是否正常的预设温升评估阈值。
24.上述进一步改进方案的有益效果是：对预设阻抗
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温度模型的建立方法进行了限定。输入起加热作用的电池单片和非加热作用的电池单片的阻抗值之差后，通过该模型可获得对应的冷却液输出端水温作为燃料电池温升评估指标。将其与上述阈值比较后，如果燃料电池温升评估指标大于预设温升评估阈值，判定判定加热片正常，否则，判定加热片不正常。
25.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。
附图说明
26.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
27.图1示出了实施例1车载燃料电池装置的组成示意图；图2示出了实施例1燃料电池电堆的结构示意图；图3示出了实施例2车载燃料电池装置的组成示意图；图4示出了实施例2车载燃料电池装置的电路连接示意图；图5示出了实施例2车载燃料电池装置的原理示意图。
28.附图标记：40
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端板；41
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加热片；42
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绝缘板；43
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集流板；44
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电池单片；45
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绝缘板；1
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控制阀；2
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氢气循环设备；3
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吹扫电磁阀；4
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燃料电池电堆；5
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调压阀；6
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空压机；7
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水泵；8
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散热器；9
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节温器；10
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电堆入口氢气压力传感器；11
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压力传感器二；12
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温度传感器一；13
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温度传感器二；15
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空气入口流量传感器；14
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温度压力一体传感器；16
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阻抗测量设备；δt
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当前燃料电池的温升评估指标；t0
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判断加热片是否正常的预设温升评估阈值；tstack
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电堆温度，即出堆冷却液水温；t
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出堆冷却液水温对应的判断阈值；p1
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入堆氢气压力；p2
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电堆出口处气体压力；p3
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入堆空气压力；t1
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入堆冷却液水温；t2
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出堆冷却液水温；t3
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入堆空气温度。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
30.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非
特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
31.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种车载燃料电池装置，包括自带加热片的燃料电池电堆、入堆气体控制设备、冷却液温度调节设备、阻抗测量设备，以及控制器，如图1所示。
32.阻抗测量设备的各电极分别与电堆内的一个电池单片连接；入堆气体控制设备的输出端分别与电堆的对应氢气、空气入口连接；电堆的冷却液输出端经冷却液温度控制设备与其冷却液输入端连接；控制器的输出端分别与电堆的加热片、冷却液温度调节设备的控制端连接。
33.示例性地，自带加热片的燃料电池电堆参见专利cn111180758b。
34.燃料电池电堆的示意图如图2所示，通常情况下，燃料电池电堆由几百片电池单片组成。
35.阻抗测量设备，与电堆的供电端连接，用于采集电堆的实时高频阻抗。阻抗测量设备可采用现有的阻抗测量装置，例如参见专利cn201480080557.9。
36.控制器，用于接收到用户的整车启动指令后，先获取入堆冷却液水温；以及，根据所述入堆冷却液水温启动加热片对电堆加热；检测加热完成后每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
‑
温度模型获得当前燃料电池温升评估指标；然后，根据所述温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备升温，直到整车启动完成。
37.可选地，所述入堆冷却液水温可以是空气或者氢气温度，可根据实际需求选择。
38.可选地，预设阻抗
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温度模型可采用现有神经网络进行训练后使用，输入是每一电池单片的阻抗值，输出是燃料电池电堆内部温度或者表面温度，本领域技术人员能够理解所述神经网络的常规训练方法，此处不赘述。预设阻抗
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温度模型也可采用实施例2所述模型。
39.可选地，判断加热片是否正常的方法可采用将温升评估指标与预设阈值进行比较，当大于等于预设阈值时，判定加热片正常，否则，判定加热片不正常。并且，预设阈值可通过标定或者试验方法获得。
40.与现有技术相比，本实施例提供的车载燃料电池装置解决燃料电池系统端板处加热片的故障诊断及控制问题。一旦检测到入堆冷却液水温过低，则启动加热片对电堆进行适度加热，解决了燃料电池系统在低温环境中冷启动时存在的端板效应问题。
41.实施例2在实施例1的基础上进行改进，所述入堆气体控制设备包括控制阀、空压机，如图3~4所示。
42.控制阀，其输入端与氢气进气管连接，输出端与电堆的氢气入口连接，其控制端与控制器的控制端连接，用于控制入堆氢气流量。
43.空压机，其输出端与电堆的空气入口连接，其控制端与控制器的控制端连接，用于对空气压缩，使入堆空气达到入堆需求范围（包括压力、速度）。
44.优选地，所述冷却液控制设备包括节温器、散热器和水泵。
45.电堆的冷却液输出端经水泵分别与散热器的输入端、节温器的端口二连接；散热器的输出端与节温器的端口一连接；节温器的端口三与电堆的冷却液输入端连接。
46.优选地，所述控制器包括依次连接或者无线数据传输的数据采集单元、数据处理与控制单元。
47.数据采集单元，用于采集电堆的入堆氢气、空气压力，入堆冷却液水温、出堆冷却液水温，发送至数据处理与控制单元。
48.数据处理与控制单元，用于接收到用户的整车启动指令后，获取所述入堆冷却液水温；以及，根据所述入堆冷却液水温启动加热片对电堆加热，检测加热完成后的每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
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温度模型获得当前燃料电池的温升评估指标，然后，根据所述温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备对电堆加热，直到出堆冷却液水温高于阈值（燃料电池在额定输出功率下正常工作时的出堆冷却液水温，可查阅技术手册后或进行出厂后标定获得），再根据所述入堆氢气、空气压力启动电堆。
49.优选地，所述数据采集单元进一步包括温度传感器一、二，温度压力一体传感器，压力传感器一、二。
50.温度传感器一，设置于电堆的冷却液输入端，用于实时采集入堆冷却液水温。
51.温度传感器二，设置于电堆的冷却液输出端，用于实时采集出堆冷却液水温。
52.温度压力一体传感器，设置于电堆的空气入口处，用于实时采集入堆空气压力和入堆空气温度。
53.压力传感器一，设置于电堆的氢气入口处，用于实时采集入堆氢气压力；压力传感器二，设置于电堆的排气口处，用于采集电堆出口处气体压力。
54.优选地，所述数据处理与控制单元执行如下程序：ss1. 接收到用户的整车启动指令后，获取所述入堆冷却液水温；ss2. 将所述入堆冷却液水温（温度传感器一采集的数值）与预设阈值进行比较，判断整车是否处于低温自启动状态；示例性地，通常情况下入堆冷却液水温跟环境温度相同，所述预设阈值可设置为0 ℃；ss3. 如果所述入堆冷却液水温大于等于阈值，判定整车处于非低温自启动状态，直接启动燃料电池电堆，直到电堆的入堆氢气、空气压力及温度（温度压力一体传感器、压力传感器一采集的数值）均满足预设需求（电堆的输出功率需求，参见燃料电池的使用手册），执行整车启动；ss4. 如果入堆冷却液水温小于阈值，判定整车处于低温自启动状态，先启动加热片对电堆进行加热，保持预设时间（可以是30 s~2 min）后，检测电堆内起加热作用的电池单片和非加热作用的电池单片的阻抗值（具体的，起加热作用的电池单片指放置在端板侧的加热单片，即最靠近端板的电池单片，非加热作用的电池单片可以指在电池单片层叠方向上处于中间位置的单片，例如由300片层叠电池，可以分别测量第一片和第150片），获取二者的阻抗值之差，输入预设阻抗
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温度模型获得当前燃料电池温升评估指标，然后，根据所述温升评估指标与预设温升评估阈值比较判断所述加热片是否正常，如果所述温升评估指标大于预设温升评估阈值，判定所述加热片正常，启动燃料电池电堆，否则，判定所述加热片不正常，先启动冷却液温度控制设备对电堆补充加热，在加热过程中实时监测出堆冷却液水温（温度传感器二采集的数值，可选地，也可以选择入堆冷却液水温，或电堆排气口
的气体温度），直到出堆冷却液水温高于阈值（示例性地，可设置为
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20℃），再启动燃料电池电堆，执行整车启动。
55.如果电堆温度（温度传感器一采集的数值）高于
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20℃，也可以在没有端板加热功能的情况下开启燃料电池冷启动；否则，就需要首先开启外加热启动，即利用ptc加热冷却液的启动方式（即冷却液温度调节设备）。
56.需说明的是，上面的启动燃料电池电堆指的是燃料电池通过正常的发电来进行启动，由于端板会向外界散热，导致相邻单片的温度要低于其他单片，因此这种启动方式受到端板效应的影响，添加加热片（也可称加热单元）后克服了端板效应的影响。
57.根据电化学理论可知，在燃料电池质子交换膜的湿度相同的情况下，阻抗值与单片电池的温度有关，温度越高，阻抗越小。由于热传递是随着层叠方向传递，靠近端板片的单片电池的加热速率要明显高于其他单片电池，如图5所示，t0指的是加热t时间后的第1片与第n片的温度阈值，具体的，由理论或实验可以知道热量在单片层叠方向的热传导速率，则可以根据加热单片的设定功率、加热时间、热传导速率及单片的热容计算温升t0；若温升评估指标> t0，说明加热单元的实际加热功率不小于设定功率，说明其工作正常，否则说明其工作异常。
58.优选地，该车载燃料电池装置还包括氢气循环设备、吹扫电池阀。
59.氢气循环设备，其输入端与电堆的排气口连接，其输出端与电堆的氢气进气口连接，用于提取电堆排气口处尾气中剩余的氢气，供电堆发电再次使用。
60.吹扫电池阀，其输入端也与电堆的排气口连接，控制端与控制器的输出端连接，用于根据控制器的控制，整车关机时以预设吹扫时长对电堆进行吹扫。
61.与实施例2相比，本实施例提供的装置借助燃料电池单片阻抗与温度间的定量关系，实现了对端板加热单片工作状态的检测，并通过检测的效果，调整燃料电池的启动方式，保证了低温模式下的启动可靠性。
62.实施例3本发明还公开了一种与实施例1、2所述车载燃料电池装置对应的控制方法，包括如下步骤：s1. 接收到用户的整车启动指令后，获取燃料电池的入堆冷却液水温；s2. 根据所述入堆冷却液水温启动加热片，对燃料电池电堆加热；s3. 检测起加热完成后电堆内每一电池单片的阻抗值，输入预设阻抗
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温度模型，获得当前燃料电池温升评估指标；s4. 根据所述温升评估指标判断加热片是否正常，异常时启动冷却液温度控制设备，直到整车启动完成。
63.优选地，通过如下步骤获得步骤s3所述的预设阻抗
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温度模型：s00. 选取燃料电池电堆内靠近端板的电池单片作为起加热作用的电池单片，中间位置的电池单片作为非加热作用的电池单片；s01. 获取燃料电池电堆的包括不同冷却液输出端水温、起加热作用的电池单片和非加热作用的电池单片的阻抗值之差、电池寿命对应的数据样本；s02. 对上述数据样本进行拟合，通过最佳逼近方法确定电池寿命
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阻抗值之差
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冷却液输出端水温的函数曲线；
s03. 将上述函数曲线作为预设阻抗
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温度模型；将实测所述阻抗值之差对应的冷却液输出端水温作为当前燃料电池的温升评估指标，并将上述函数曲线中燃料电池的额定寿命的对应的冷却液输出端水温作为判断加热片是否正常的预设温升评估阈值。
64.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。