燃料电池系统低温冷启动的控制方法、装置及设备与流程

1.本公开涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法、装置及设备。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。燃料和氧化剂在燃料电池中经电化学反应后，产生电能，同时产生水并放出热量。燃料电池直接将化学能转化为电能而不受卡诺循环限制,因而能量转化效率更高,而且无污染,是一种理想的能源利用方式。
3.低温冷启动是燃料电池系统在大多数应用场景中所需要具备的功能。燃料电池在低温下启动时会产生液态水，而液态水在低温(零下)状态下会结冰，可能造成启动失败，甚至会造成质子交换膜的永久性破坏。因此如何提高燃料电池低温启动能力是领域内的难题之一。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法、装置及设备。
5.根据本公开实施例的第一方面，提供一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法，所述燃料电池系统包括电堆和与所述电堆的入口和电堆的出口相连的第一回路，所述第一回路包括串联的储热加热器和微水泵，其中储热加热器包含独立的储液腔和加热腔，所述控制方法包括：
6.接收燃料电池系统的启动指令；
7.若电堆的出口冷却液温度不满足电堆的冷启动温度，获取储液腔中的冷却液的第一温度与所述电堆的出口冷却液的第二温度；
8.若所述第一温度与所述第二温度的差值大于第一预设阈值，根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，其中，所述混合液指所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液混合后的冷却液；
9.若所述温度预测值满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，冷启动所述电堆。
10.在一些实施例中，所述根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，包括：
11.获取所述储液腔中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量；
12.根据所述第一温度和所述第二温度、所述储液腔中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量，估算所述混合液的温度，得到所述温度预测值。
13.在一些实施例中，还包括：
14.若所述温度预测值不满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液
腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，并对流经所述加热腔中的冷却液进行加热，直至所述混合液的温度满足电堆的冷启动温度时，停止对所述混合液的加热，并冷启动所述电堆。
15.在一些实施例中，还包括：
16.若所述第一温度与所述第二温度的差值不大于第一预设阈值，控制所述微水泵运行并开启储热加热器的加热结构对加热腔内的冷却液进行加热，直至电堆出口冷却液温度满足冷启动温度，停止加热，并冷启动所述电堆。
17.在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括流经电堆的散热回路，所述散热回路包括主水泵和节温器，所述散热回路并联一个散热模块支路，通过节温器进行不同散热回路的循环模式切换，冷启动所述电堆之后，还包括：
18.启动第一预设循环模式对所述电堆进行冷却液循环，直至所述电堆的出口冷却液温度大于第二预设阈值；
19.当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第二预设阈值时，启动第二预设内循环模式对所述电堆进行冷却液循环，直至所述电堆的出口冷却液温度大于第三预设阈值；
20.当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第三预设阈值时，基于所述节温器将所述第二预设内循环模式切换为第二预设外循环模式对所述电堆进行降温。
21.进一步的，启动第一预设循环模式对所述电堆进行冷却液循环，包括：
22.启动所述微水泵，驱动所述第一回路中的冷却液沿所述第一回路流动，对所述电堆进行冷却液循环。
23.进一步的，当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第二预设阈值时，启动第二预设内循环模式对所述电堆进行冷却液循环，包括：
24.关闭所述微水泵，开启所述主水泵驱动所述散热回路中的冷却液沿所述散热回路流动，对所述电堆进行冷却液循环，其中，所述主水泵以最低转速运行。
25.进一步的，当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第三预设阈值时，基于所述选择开关将所述第二预设内循环模式切换为第二预设外循环模式对所述电堆进行降温，包括：
26.通过所述节温器，将所述散热模块连接到所述散热回路中，基于所述主水泵驱动所述散热回路中的冷却液沿所述散热回路流动，对所述电堆进行降温，同时通过所述散热模块对所述散热回路中的冷却液进行降温，其中，所述主水泵转速通过所述电堆的出口冷却液温度进行调节，所述散热模块的风扇转速基于所述电堆的出口冷却液温度以及电堆进出口冷却液温差来调节。
27.根据本公开实施例的第二方面，提供一种燃料电池系统低温冷启动的控制装置，包括：
28.接收模块，用于接收燃料电池系统的启动指令；
29.获取模块，若电堆的出口冷却液温度不满足电堆的冷启动温度，获取储液腔中的冷却液的第一温度与所述电堆的出口冷却液的第二温度；
30.预测模块，若所述第一温度与所述第二温度的差值大于第一预设阈值，根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，其中，所述混合液指所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液混合后的冷却液；
31.冷启动模块，若所述温度预测值满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，冷启动所述电堆。
32.根据本公开实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述指令、所述程序、所述代码集或所述指令集由所述处理器加载并执行以实现第一方面任一项所述的燃料电池系统低温冷启动的控制方法。
33.本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本技术根据储热加热器储液腔中的冷却液的第一温度与电堆的出口冷却液的第二温度的差值，采用不同的控制策略，通过较低的加热能耗来保证电堆能够正常冷启动的情况下，改善燃料电池低温冷启动的耗时和耗能问题，提高燃料电池系统的应用体验。
34.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
35.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
36.图1是根据一示例性实施例示出的一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法的流程图。
37.图2是根据一示例性实施例示出的一种燃料电池系统低温冷启动的控制装置的框图。
38.图3是根据一示例性实施例示出的一种燃料电池系统的原理图。
39.图4是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的内部结构图。
40.附图标记：
41.电堆1，主水泵2，单向阀3，离子过滤器4，颗粒过滤器5，节温器6，散热模块7，补水箱8，微水泵9，储热加热器10。
具体实施方式
42.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
43.图1是根据一示例性实施例示出的一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法的流程图，如图1所示，燃料电池系统包括电堆和与所述电堆的入口和电堆的出口相连的第一回路，第一回路包括串联的储热加热器和微水泵，其中储热加热器包含独立的储液腔和加热腔，所述控制方法包括以下步骤：
44.在步骤s101中，接收燃料电池系统的启动指令。
45.具体的，当燃料电池系统车辆需要运行时，需要接收燃料电池的启动指令，通过接收的启动指令电堆才能够执行启动操作，来保证燃料电池系统车辆的正常启动。
46.在步骤s102中，若电堆的出口冷却液温度不满足电堆的冷启动温度，获取储液腔
中的冷却液的第一温度与所述电堆的出口冷却液的第二温度。
47.具体的，当接收的燃料电池系统发出的启动指令后，先判断电堆的出口冷却液温度是否满足电堆的冷启动温度，若满足，则正常冷启动电堆，若不满足，则表明当前燃料电池系统车辆所处的环境温度较低，电堆内部的冷却液温度无法使得电堆正常启动，此时需要获取储液腔中冷却液的第一温度和电堆出口冷却液的第二温度，来执行后续的控制策略进行冷却液循环加热。
48.在步骤s103中，若所述第一温度与所述第二温度的差值大于第一预设阈值，根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，其中，所述混合液指所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液混合后的冷却液。
49.具体的，当获取的第一温度与第二温度的差值大于第一预设阈值，表明储热加热器储液腔中的冷却液与电堆内的冷却液之间存在着满足条件的温度差，此时根据储热加热器储液腔中的冷却液温度与电堆内的冷却液温度预测混合后的混合液的温度预测值，通过预测的温度预测值来执行后续的控制策略进行冷却液循环加热。
50.在一些实施例中，所述根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，包括：
51.获取所述储液腔中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量；
52.根据所述第一温度和所述第二温度、所述储液腔中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量，估算所述混合液的温度，得到所述温度预测值。
53.具体的，储热加热器中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量可以通过设置在其内部的液位传感器来进行获取，当获取到储热加热器储液腔中冷却液的液量和电堆内的冷却液的液量时，由于储热加热器储液腔中冷却液和电堆内的冷却液都是相同的冷却液，因此通过获取他们的液量及温度能够预测出混合后的混合液温度，具体可以通过如下公式：
54.x＝k*[(a*t)+(b*t1)]/(a+b)
[0055]
其中，x为混合液的温度，k为温度调整因数，a为储热加热器储液腔中冷却液的液量，t为储热加热器储液腔中冷却液的第一温度，b为电堆内的冷却液的液量，t1为电堆内的冷却液的第二温度。
[0056]
在步骤s104中，若所述温度预测值满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，冷启动所述电堆。
[0057]
具体的，如果温度预测值满足电堆的冷启动温度，表明此时将储热加热器储液腔中的冷却液与电堆内的冷却液进行混合后的混合液温度能够满足电堆的冷启动条件，结合图3，开打微水泵，将储热加热器储液腔中的冷却液与电堆内的冷却液进行混合，充分混合后，待电堆的出口冷却液温度满足电堆的冷启动温度，此时正常冷启动电堆，本技术采用微水泵具有小流量、低扬程、低功耗，可最大限度降低驱动能耗，避免在进行电堆加热时直接采用主水泵驱动，从而导致驱动能耗过高的问题。
[0058]
在一些实施例中，还包括：
[0059]
若所述温度预测值不满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，并对流经所述加热腔中的冷却液进行加热，直至所述混合液的温度满足电堆的冷启动温度时，停止对所述混合液的加热，并冷启动所述电堆。
[0060]
具体的，如果温度预测值不满足电堆的冷启动温度，则表明虽然储热加热器储液腔中的冷却液温度与电堆内的冷却液温度之间虽然存在一定的温度差，但混合后的混合液仍不能满足电堆的冷启动，此时结合图3，如图3所示，储热加热器中包含两个腔室，一个为储液腔，一个为加热腔。储液腔中设置了进出截止阀，加热腔中设置了加热结构。虽然此时预测的混合液不能满足电堆的冷启动温度，但是由于混合后的混合液温度是大于电堆内的冷却液温度的，为了降低对混合液的加热的能耗，此时打开储液腔中的进出截止阀及微水泵，驱动储热加热器储液腔中的冷却液与电堆内的冷却液混合，同时打开储热加热器中加热腔的加热结构，对流经加热腔的冷却液进行加热，直至混合液的温度满足电堆的冷启动温度，停止对混合液的加热，并冷启动电堆。
[0061]
在一些实施例中，还包括：
[0062]
若所述第一温度与所述第二温度的差值不大于第一预设阈值，控制所述微水泵运行并开启储热加热器的加热结构对加热腔内的冷却液进行加热，直至电堆出口冷却液温度满足冷启动温度，停止加热，并冷启动所述电堆。
[0063]
具体的，如果第一温度与第二温度的差值不大于第一预设阈值，表明整个燃料电池系统可能经过长期存放，储热加热器储液腔中的冷却液温度基本上已经冷却至接近环境温度，此时无需预测混合液的温度，结合图3所示，此时无需打开储液腔中的进出截止阀，仅开启微水泵，同时打开储热加热器中加热腔的的加热结构，对流经加热腔的混合液进行加热，直至混合液的温度满足电堆的冷启动温度，停止对混合液的加热，并冷启动电堆。由于未开启储液腔中的进出截止阀，因此只是将加热腔中的少量的冷却液与电堆内的冷却液进行了混合，获取的混合液整体液量较少，因此能够通过储热加热器消耗少的能耗使得混合液温度能够快速提升至电堆的冷启动温度。
[0064]
在一些实施例中，所述燃料电池系统还包括流经电堆的散热回路，所述散热回路包括主水泵和节温器，所述散热回路并联一个散热模块支路，通过节温器进行不同散热回路的循环模式切换，冷启动所述电堆之后，还包括：
[0065]
启动第一预设循环模式对所述电堆进行冷却液循环，直至所述电堆的出口冷却液温度大于第二预设阈值；
[0066]
当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第二预设阈值时，启动第二预设内循环模式对所述电堆进行冷却液循环，直至所述电堆的出口冷却液温度大于第三预设阈值；
[0067]
当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第三预设阈值时，基于所述节温器将所述第二预设内循环模式切换为第二预设外循环模式对所述电堆进行降温。
[0068]
具体的，当电堆能够正常冷启动后，由于电堆在进行工作时会产生大量的热量，通过电堆的出口冷却液温度的不同，切换至不同的冷却液循环回路，以保证电堆能够工作在最佳的工作温度区间。
[0069]
在一些实施例中，启动第一预设循环模式对所述电堆进行冷却液循环，包括：
[0070]
启动所述微水泵，驱动所述第一回路中的冷却液沿所述第一回路流动，对所述电堆进行冷却液循环。
[0071]
具体的，电堆刚启动时，电堆产生的热量不是很高，因此只需要通过第一回路来对电堆进行冷却液循环，结合图3，当电堆刚启动时，通过打开微水泵，驱动第一回路中的冷却液沿着单向阀的方向流动，从而对电堆进行冷却液循环，能够达到节能效果，直至电堆的出
口冷却液温度大于第二预设阈值，第二预设阈值设置为50℃。
[0072]
在一些实施例中，当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第二预设阈值时，启动第二预设内循环模式对所述电堆进行冷却液循环，包括：
[0073]
关闭所述微水泵，开启所述主水泵驱动所述散热回路中的冷却液沿所述散热回路流动，对所述电堆进行冷却液循环，其中，所述主水泵以最低转速运行。
[0074]
具体的，当电堆的出口冷却液温度大于50℃，此时启动第二预设内循环模式，结合图3，关闭微水泵，同时开启主水泵驱动所述散热回路中的冷却液沿所述散热回路流动，对所述电堆进行冷却液循环，优选地，水泵以最低转速运行，能够达到节能效果。而在散热回路上还设置了离子过滤器和颗粒过滤器用于管路内杂质的过滤，以及管道运行中产生的析出离子的吸附过滤。直至电堆的出口冷却液温度大于第三预设阈值，第三预设阈值设置为60℃。
[0075]
在一些实施例中，当所述电堆的出口冷却液温度大于所述第三预设阈值时，基于所述选择开关将所述第二预设内循环模式切换为第二预设外循环模式对所述电堆进行降温，包括：
[0076]
通过所述节温器，将所述散热模块连接到所述散热回路中，基于所述主水泵驱动所述散热回路中的冷却液沿所述散热回路流动，对所述电堆进行降温，同时通过所述散热模块对所述散热回路中的冷却液进行降温，其中，所述主水泵转速通过所述电堆的出口冷却液温度进行调节，所述散热模块的风扇转速基于所述电堆的出口冷却液温度以及电堆进出口冷却液温差来调节。
[0077]
具体的，当电堆的出口冷却液温度大于60℃，此时启动第二预设外循环模式，结合图3，通过节温器，将散热模块连接到散热回路中，同时通过电堆的出口冷却液温度调节主水泵的转速，其中，是通过电堆出口冷却液温度对主水泵转速采用pid控制调节，以保证电堆出口冷却液温度在设定温度区间内，优选地，该温度区间为【70-85℃】。同时根据电堆出口冷却液温度和电堆进出口冷却液温差值对散热模块的风扇转速采用pid控制调节，以保证该温度差值不得高于12℃。当在进行散热时，散热回路中的冷却液会蒸发，可以通过补水箱进行冷却液的补充。
[0078]
综上，本技术根据储热加热器储液腔中的冷却液的第一温度与电堆的出口冷却液的第二温度的差值，采用不同的控制策略，通过较低的加热能耗来保证电堆能够正常冷启动的情况下，改善燃料电池低温冷启动的耗时和耗能问题，提高燃料电池系统的应用体验。同时，在电堆正常冷启动后通过不同工况采取不同的热管理策略，通过较低的能耗来保证电堆的正常运行。
[0079]
图2是根据一示例性实施例示出的一种燃料电池系统低温冷启动的控制装置的框图。参照图2，该装置包括检接收模块201，获取模块202、预测模块203和冷启动模块204。
[0080]
接收模块201，用于接收燃料电池系统的启动指令；
[0081]
获取模块202，若电堆的出口冷却液温度不满足电堆的冷启动温度，获取储液腔中的冷却液的第一温度与所述电堆的出口冷却液的第二温度；
[0082]
预测模块203，若所述第一温度与所述第二温度的差值大于第一预设阈值，根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，其中，所述混合液指所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液混合后的冷却液；
[0083]
冷启动模块204，若所述温度预测值满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储液腔中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，冷启动所述电堆。关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0084]
在一个实施例中，提供了一种电子设备，该电子设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、运营商网络、近场通信(nfc)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种燃料电池系统低温冷启动的控制方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0085]
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0086]
例如，图4所示的电子设备可以通过如图2所示的燃料电池系统低温冷启动的控制装置的接收模块201，用于接收燃料电池系统的启动指令；获取模块202，若电堆的出口冷却液温度不满足电堆的冷启动温度，获取储热加热器中的冷却液的第一温度与所述电堆的出口冷却液的第二温度；预测模块203，若所述第一温度与所述第二温度的差值大于第一预设阈值，根据所述第一温度和所述第二温度对混合液进行温度预测，得到温度预测值，其中，所述混合液指所述储热加热器中的冷却液与所述电堆内的冷却液混合后的冷却液；冷启动模块204，若所述温度预测值满足电堆的冷启动温度，控制所述微水泵运行以将所述储热加热器中的冷却液与所述电堆内的冷却液进行混合后，冷启动所述电堆。
[0087]
本技术提供的电子设备通过存储器和处理器可以打开燃料电池系统低温冷启动的控制装置中的各个模块，根据储热加热器中的冷却液的第一温度与电堆的出口冷却液的第二温度的差值，采用不同的控制策略，通过较低的加热能耗来保证电堆能够正常冷启动的情况下，改善燃料电池低温冷启动的耗时和耗能问题，提高燃料电池系统的应用体验。同时，在电堆正常冷启动后通过不同工况采取不同的降温策略，通过较低的降温能耗来保证电堆的正常运行。
[0088]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个的技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0089]
以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。