一种质子交换膜燃料电池水热管理系统及方法

本发明涉及燃料电池水热管理，具体涉及一种质子交换膜燃料电池热管理系统及方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池，是氢燃料电池汽车上的主要部件。在现有的质子交换膜燃料电池中，水平衡管理和热管理，是保证燃料电池堆高效工作的重要保障。

2、在不同的车辆工况下，尤其在极端环境下，例如，环境温度低于零摄氏度下的冷启动过程中，水热管理对于质子交换膜燃料电池的高效使用极为重要。现有技术中，燃料电池堆的水热管理，主要是通过建立燃料电池堆的水热平衡模型，来实现水热管理，而燃料电池堆中水平衡涉及到多种因素，如阴极与阳极压力差下的渗透作用、扩散作用、电迁移作用等引起的阴极与阳极的水量变化，而导致膜干故障、水淹故障等。这些作用涉及电化学领域、流体领域、物理领域等多种学科，现有模型难以模拟这种复杂的多学科交叉的水平衡故障。从而造成了无法准确适用各种不同车辆状态下的水热管理。不利于将燃料电池堆始终保持在较佳的工作状态。

3、如何使燃料电池堆在各种车辆状态下，均能方便准确地进行水热管理，是本领域亟待解决的重要问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池水热管理系统，以解决现有技术中的不足，它能够对燃料电池堆准确高效地进行水热管理，有利于将燃料电池堆始终保持在较佳的工作状态。

2、本发明提供了一种质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，包括，

3、上层控制单元，用于根据接收到的信号判断车辆状态和当前储能状态，并根据所述车辆状态和所述当前储能状态设定能量分配供应比；

4、动力电池，与所述上层控制单元电连接，所述上层控制单元能够获取所述动力电池的电量；

5、下层控制单元，与所述上层控制单元电连接，所述下层控制单元用于获取所述车辆状态和所述能量分配供应比，并根据所述车辆状态和/或所述能量分配供应比设定水热管理控制策略；

6、燃料电池堆，与所述下层控制单元电连接；所述下层控制单元还用于根据所述水热管理控制策略控制所述燃料电池堆。

7、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，所述车辆状态至少包括低温冷启动状态、低温高负荷状态、低温低负荷状态、常规高负荷状态和常规低负荷状态；

8、水热管理系统还包括环境温度传感器、启停开关、加速踏板传感器、车速传感器、氢罐压力传感器、电池电量估算单元；

9、所述环境温度传感器用于获取环境温度，所述启停开关用于获取所述车辆的启停信号，所述加速踏板传感器用于获取所述加速踏板的开度，所述车速传感器用于获取当前车速，所述氢罐压力传感器用于检测氢罐内的压力，所述电池电量估算单元用于估算所述动力电池的电量；

10、所述环境温度传感器、所述启停开关、所述加速踏板传感器、所述制动踏板传感器、所述车速传感器和所述氢罐压力传感器均与所述上层控制单元电连接；

11、所述上层管理单元根据环境温度、车辆的启停信号、加速踏板的开度和当前车速来识别车辆状态，并将当前的车辆状态归类到低温冷启动状态、低温高负荷状态、低温低负荷状态、常规高负荷状态和常规低负荷状态中的一种；

12、所述上层管理单元根据氢罐内的压力估算氢罐内的氢能剩余量，根据所述动力电池的电量估算动力电池的电能剩余量；并根据所述车辆状态、所述氢能剩余量和所述动力电池的电能剩余量确定能量分配供应比。

13、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，还包括阴极加湿器、阳极加湿器、加热装置和水平衡故障判别单元；

14、所述阴极加湿器用于给进入到所述燃料电池堆阴极的气体加湿；

15、所述阳极加湿器用于给进入到所述燃料电池堆阴极的气体加湿；

16、所述加热装置用于给所述燃料电池堆加热，以使其保持在适当的温度范围；

17、所述水平衡故障判别单元用于检测燃料电池堆的水平衡故障；所述水平衡故障包括阳极膜干故障、阳极水淹故障和阴极水淹故障；

18、所述下层控制单元还用于在所述车辆状态为低温冷启动状态、低温高负荷状态或低温低负荷状态时，控制所述加热装置给所述燃料电池堆加热；

19、所述下层控制单元还用于在所述车辆状态为低温低负荷状态或常规低负荷状态，且存在阳极水淹故障时，控制减小所述阳极加湿器的开度；

20、所述下层控制单元还用于在所述车辆状态为低温低负荷状态或常规低负荷状态，且存在阳极膜干故障时，控制增大所述阳极加湿器的开度；

21、所述下层控制单元还用于在所述车辆状态为低温低负荷状态或常规低负荷状态，且存在阴极水淹故障时，控制减小所述阴极加湿器的开度。

22、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，还包括阳极侧压力传感器、阴极侧压力传感器、第一阳极湿度传感器、第一阴极湿度传感器、第二阳极湿度传感器和第二阴极湿度传感器；

23、所述阳极侧压力传感器用于检测所述燃料电池堆的阳极压力；

24、所述阴极侧压力传感器用于检测所述燃料电池堆的阴极压力；

25、所述第一阳极湿度传感器用于检测阳极进气口处的湿度；

26、所述第一阴极湿度传感器用于检测阴极进气口处的湿度；

27、所述第二阳极湿度传感器用于检测阳极出气口处的湿度；

28、所述第二阴极湿度传感器用于检测阴极出气口处的湿度；

29、所述阳极侧压力传感器、所述阴极侧压力传感器、所述第一阳极湿度传感器、所述第一阴极湿度传感器、所述第二阳极湿度传感器和所述第二阴极湿度传感器均与所述水平衡故障判别单元电连接；

30、所述水平衡故障判别单元用于根据阳极压力、阴极压力、阳极进气口处的湿度、阳极出气口处的湿度判断所述燃料电池堆的故障类型。

31、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，所述下层控制单元还用于在所述车辆状态为低温高负荷状态或常规高负荷状态，且存在阳极膜干故障时，控制所述阳极加湿器增大加湿量，并控制所述阴极加湿器的减小加湿量。

32、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，所述上层管理单元还用于，在所述车辆状态为低温冷启动状态时，由所述动力电池供电并给所述燃料电池堆加热。

33、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理系统，其中，可选的是，所述燃料电池堆的阴极进气口处串接有第一导热管，所述第一导热管靠近所述燃料电池堆的一端设有支管；所述第一导热管的外周盘绕有加热丝；

34、所述燃料电池堆的阳极进气口处串接有第二导热管，所述支管盘绕在所述第二导热管的外周；所述支管由导热材料制成；所述支管上设有电磁阀；

35、所述上层控制单元还用于在车辆状态为低温冷启动状态时，控制所述加热丝加热，并将加热后的空气通入到燃料电池堆的阴极，以对燃料电池堆的阴极预热；然后控制加热后的空气由所述支管排出，以对阳极进口处的氢气加热，并利用与燃料电池堆阳极连接的氢气循环泵实现氢气的循环流动，直到对阳极充分预热后，关闭所述电磁阀，同时向所述电池堆的阴极供入空气，向所述电池堆的阳极供入氢气。

36、本发明还提出了一种质子交换膜燃料电池水热管理控制方法，其中，包括以下步骤：

37、s1，识别当前车辆状态及当前储能状态，并根据当前车辆状态及当前储能状态设定能量分配供应比；

38、s2，根据将动力电池和燃料电池堆按能量分配供应比给车辆供能；

39、s3，根据所述车辆状态和/或所述能量分配供应比设定水热管理控制策略；

40、s4，根据所述水热管理控制策略控制所述燃料电池堆。

41、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理控制方法，其中，可选的是，所述车辆状态至少包括低温冷启动状态；

42、在步骤s1中，当当前车辆状态为低温冷启动状态，且所述动力电池内存在能量时，将动力电池与燃料电池堆的能量供应比设置为1：0；以通过所述动力电池对所述燃料电池堆的阴极和阳极分别进行预热，直到低温冷启动成功或失败。

43、如上所述的质子交换膜燃料电池水热管理控制方法，其中，可选的是，在步骤s3中，设定水热管理控制策略的考虑因素包括，使燃料电池堆处于最高工作效率的状态。

44、与现有技术相比，本发明至少存在以下有益效果：

45、1)本发明通过设置动力电池，将动力电池与燃料电池堆并联供电，利用上层控制单元根据车辆状态及当前储能状态来设定能量分配供应比；通过能量分配供应比的设定，有利于使燃料电池堆尽可能工作于工作效率较高的低负荷状态，有利于提高燃料电池堆的效率，同时，提高其使用寿命。由于低负荷状态下的水热平衡更容易控制，因而能够有利于保证准确高效地进行水热管理。

46、2)本发明通过设定能量分配供应比，使燃料电池堆长时间处于低负荷状态，燃料电池堆内的阴极与阳极之间的水相互之间的迁移基本处于正常状态，能够减少通过加湿器进行主动调节的频率。

47、3)本发明通过对温度的监控，并利用加热装置进行调节，以使燃料电池堆处于较佳的温度范围内，有利于提高燃料电池堆的工作效率。

48、4)本发明通过设置水平衡故障判别单元，能够及时识别燃料电池堆的水平衡故障，以便于通过加湿器的调节，快速消除燃料电池堆的水平衡故障。

49、5)本发明在低温冷启动时，利用动力电池提供的能量，先后分别对阴极、阳极通入气体，以将燃料电池堆调节合适的水热平衡状态，从而能够保证低温冷启动时的快速成功启动。