CN108232238A - 一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车 - Google Patents

一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车，其中的燃料电池系统包括燃料电池和燃料电池冷却管路，燃料电池冷却管路上设有用于在燃料电池启动时为燃料电池冷却管路中的冷却介质加热的电加热器，电加热器用于连接动力电池以从动力电池取电；燃料电池冷却管路还包括一个用于对动力电池加热的保温部分。本发明通过将动力电池和燃料电池相结合，可有效解决燃料电池汽车在低温环境下难以启动以及动力电池在低温环境下性能较差的问题，同时减少了燃料电池对大气的废热排放量，提高了能源利用率。

Description

一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车，属于车载能源技术领域。
背景技术
加氢脱碳是能源发展的趋势，氢燃料是解决化石燃料日益枯竭的重要途径。燃料电池汽车具有加氢时间短、续驶里程长、零排放、高效率等突出优点，是汽车的重要动力源。燃料电池汽车以氢为燃料，通过燃料电池系统将氢气和空气中的氧气发生电化学能直接释放为电能。燃料电池技术目前已经在乘用车、客车等车辆上得到应用，燃料电池汽车是理想的新一代交通工具。
燃料电池系统是燃料电池汽车的核心零部件，燃料电池反应气的增湿和燃料电池反应产生水，常压零度以下，水会结冰，体积增大，导致燃料电池内部水结冰处的结构变化，破坏燃料电池电堆的结构，这就引起了燃料电池系统的低温环境适应性问题。在零度以下的低温，需要克服水结冰的问题，低温条件下，燃料电池系统性能差，甚至无法正常工作，需要暖机升温。另外，燃料电池工作时产生大量废热，现有技术中通常采用循环冷却介质对燃料电池进行散热，以维持燃料电池工作在适宜的温度范围中。但是，燃料电池所产生的热量不仅增加了大气中的废热排放量，同时造成了热量的严重浪费。
而燃料电池汽车中以磷酸铁锂动力电池为代表的纯电动产品，因其在零度以下的低温环境下不能充电，而且低温放电性能下降严重，也存在严重的低温环境适应性问题。目前，动力电池实现保温最常见的方法是通过在动力电池外部增加保温材料或者PTC电加热材料，但无疑增加了动力电池的保温费用，消耗了额外的保温电量，增加了整车能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统、控制方法以及燃料电池汽车，用于解决燃料电池汽车中燃料电池在低温环境下性能较差以及燃料电池的废热排放造成热能浪费的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池系统，包括以下方案：
系统方案一：该系统包括燃料电池和燃料电池冷却管路，所述燃料电池冷却管路上设有用于在所述燃料电池启动时为所述燃料电池冷却管路中的冷却介质加热的电加热器，所述电加热器用于连接动力电池以从动力电池取电；所述燃料电池冷却管路还包括一个用于对动力电池加热的保温部分。
系统方案二：在系统方案一的基础上，所述保温部分包括一个保温散热器。
系统方案三：在系统方案二的基础上，所述保温散热器设于动力电池内部或者围设于动力电池外部。
系统方案四、五：分别在系统方案二或三的基础上，所述保温散热器并联有用于在不对动力电池保温时通流的第一旁路。
系统方案六、七：分别在系统方案二或三的基础上，所述燃料电池冷却管路中设有燃料电池散热器，所述燃料电池散热器还并联有用于在所述燃料电池启动时通流的第二旁路。
系统方案八、九：分别在系统方案四或五的基础上，所述第一旁路通过第一三通阀与所述保温散热器相连。
系统方案十、十一：分别在系统方案六或七的基础上，所述第二旁路通过第二三通阀与所述燃料电池散热器相连。
本发明还提供了一种燃料电池系统的控制方法，包括以下方案：
方法方案一：包括以下步骤：
步骤1，在燃料电池启动时，若燃料电池的温度低于燃料电池设定的最低启动温度，控制动力电池给燃料电池的冷却管路中的冷却介质加热以提升燃料电池的温度，达到最低启动温度；
步骤2，燃料电池启动后，若动力电池的温度低于动力电池设定的最低温度，采用燃料电池冷却管路中的保温部分给动力电池加热以维持动力电池在设定的温度范围内，通过三通阀控制保温部分的冷却介质流量实现控制动力电池温度。
方法方案二：在方法方案一的基础上，通过三通阀控制保温部分的冷却介质流量实现控制动力电池温度。
方法方案三、四：分别在方法方案一或二的基础上，该控制方法还包括检测动力电池电量的步骤，若动力电池电量小于燃料电池由当前温度上升至燃料电池设定的最低温度所需的电量，则进行动力电池充电报警。
方法方案五、六：分别在方法方案一或二的基础上，所述保温部分通过散热器或者换热器为动力电池保温。
本发明还提供了一种燃料电池汽车，包括以下方案：
汽车方案一：该汽车包括动力电池和燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池和燃料电池冷却管路，所述燃料电池冷却管路上设有用于在所述燃料电池启动时为所述燃料电池冷却管路中的冷却介质加热的电加热器，所述电加热器与所述动力电池连接以从动力电池取电；所述燃料电池冷却管路还包括一个对所述动力电池加热的保温部分。
汽车方案二：在汽车方案一的基础上，所述保温部分包括一个保温散热器。
汽车方案三：在汽车方案二的基础上，所述保温散热器设于所述动力电池内部或者围设于所述动力电池外部。
汽车方案四、五：分别在汽车方案二或三的基础上，所述保温散热器并联有用于在不对动力电池保温时通流的第一旁路。
汽车方案六、七：分别在汽车方案二或三的基础上，所述燃料电池冷却管路中设有燃料电池散热器，所述燃料电池散热器还并联有用于在所述燃料电池启动时通流的第二旁路。
汽车方案八、九：分别在汽车方案四或五的基础上，所述第一旁路通过第一三通阀与所述保温散热器相连。
汽车方案十、十一：分别在汽车方案六或七的基础上，所述第二旁路通过第二三通阀与所述燃料电池散热器相连。
本发明的有益效果是：
将燃料电池散热和动力电池保温相结合，用燃料电池系统的废热给动力电池保温，用动力电池存储的电能给燃料电池系统暖机升温，即在燃料电池启动时，若燃料电池的温度较低，采用动力电池给燃料电池散热设备中的冷却介质加热以提升燃料电池的启动温度；燃料电池启动后，若动力电池的温度较低，燃料电池冷却设备中的加热设备给动力电池加热以维持动力电池在设定的温度范围内，通过将动力电池和燃料电池相结合，不仅提高了动力电池和燃料电池的工作性能，同时减少了燃料电池对大气的废热排放量，提高了能源利用率，实现了整车节能。
附图说明
图1是燃料电池汽车的部分组成结构的示意图；
图2是燃料电池低温启动的流程图；
图3是动力电池低温保温的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例对本发明做详细的说明。
如图1所示，该燃料电池汽车包括燃料电池的燃料电池电堆1、动力电池(水冷)2、接触器3、水箱4、燃料电池散热器5、水泵6、整车控制器7、电加热器8、第二三通阀9、动力电池温度传感器10、燃料电池温度传感器11、动力电池BMS 12、保温部分13、第一三通阀14以及相应的燃料电池冷却管道。其中，水箱4、燃料电池散热器5、水泵6、保温部分13以及相应的冷却管道构成燃料电池的冷却管路。燃料电池的冷却管路中装有冷却介质，该冷却介质可以是水也可以是其他合适的冷却剂。另外，在不同的应用情况下，燃料电池的冷却管路还可包括其他部件。
上述燃料电池系统可实现燃料电池在低温起动时，通过动力电池2供电，采用电加热器8给燃料电池冷却管道中的冷却介质升温，实现燃料电池低温启动；燃料电池正常运行后，动力电池的温度较低时，燃料电池冷却管路冷却介质入口的高温冷却介质通过保温部分13与给动力电池2加热保温，提升动力电池2的低温环境适应性。
其中，保温部分13可以是一段管道，该管道穿过动力电池的内部，当燃料电池冷却管路中的高温冷却介质流经该管道时，通过该高温管道给动力电池2加热保温。为了提高保温效果，该管道上还可以设有保温散热器，燃料电池冷却管路中的高温冷却介质流经该散热器，散热器通过自身散热片进行散热来给动力电池2保温。
另外，为了减少热量损失，降低动力电池的电能消耗，实现燃料电池的快速启动，燃料电池散热器5通过第二三通阀9进行旁路分流，当动力电池给燃料电池冷却管路中的冷却介质进行加热时，燃料电池冷却管路中的冷却介质经过三通阀9后，进入燃料电池散热器5的分流旁路，不经过燃料电池散热器5；燃料电池正常启动后，通过控制三通阀9使燃料电池冷却管路中的冷却介质经过三通阀9后，进入燃料电池散热器5，实现燃料电池的循环冷却。
进一步的，燃料电池冷却管道中保温部分13还设有用于在不对动力电池保温时通流的第一旁路，该旁路通过三通阀14与保温部分13相连。当动力电池2给燃料电池冷却管路中的冷却介质进行加热时，燃料电池冷却管路中的冷却介质经过三通阀14后，进入保温部分13的分流旁路，不经过保温部分13，以减少热量损耗；燃料电池启动后，燃料电池冷却管路中冷却介质经过三通阀14后，进入保温部分13，燃料电池电堆1的高温冷却介质通过保温部分13给动力电池加热保温，通过三通阀14控制燃料电池冷却管路中冷却介质的流量分配，维持动力电池2在设定的温度范围内。
当然，上述的三通阀14可以由两个单阀来替代，其中一个单阀设置在保温部分13所在的支路中，另一个单阀设置在保温部分13的分流旁路中，实现冷却介质的流量分配。相应的，三通阀9也可由两个单阀来替代。
动力电池低温保温的流程图如图2所示，在燃料电池启动时，燃料电池温度传感器11检测燃料电池的实际环境温度T1(温度范围-30～55℃)，并将检测到的温度T1发送给整车控制器7，整车控制器7对温度T1进行判断，若T1不低于零度，整车控制器7控制燃料电池正常起动；若T1低于零度(燃料电池设定的最低启动温度)，启动暖机升温程序，整车控制器7通过动力电池(BMS)12获取动力电池2的荷电状态(SOC)(SOC范围为10％～100％)，计算从T1到0℃燃料电池升温所需能量Q1，若Q1不小于动力电池2的剩余电量Q2，此时动力电池不能启动，需要给动力电池充电，进行动力电池充电报警；若Q1小于动力电池的剩余电量Q2，电量满足加热要求，正常启动加热暖机策略，即接触器3闭合，由动力电池2起动电加热器8给燃料电池冷却管路中的冷却介质加热，燃料电池冷却管路中的水泵6工作，燃料电池冷却管路中的冷却介质从燃料电池电堆1的冷却出口流出，经过保温部分13的分流旁路、水箱4、三通阀9、燃料电池散热器5的旁路以及水泵6进入燃料电池电堆1的冷却入口。燃料电池冷却管路中的冷却介质的温度持续上升，当冷却介质温度升到0℃后，正常启动燃料电池，接触器3断开，电加热器8停止工作。
动力电池低温保温的流程图如图3所示，当车辆正常运行时，动力电池温度传感器10检测动力电池的实际环境温度T2(温度范围-30～55℃)，并将检测到的温度T2发送给整车控制器7，整车控制器7对温度T2进行判断，若T2不低于零度(动力电池设定的最低温度)，燃料电池正常运行，燃料电池冷却管路中的保温部分13无需给动力电池2保温；若T2低于零度，通过控制三通阀14，使从燃料电池电堆1的冷却出口流出的高温冷却介质流过保温部分13给动力电池进行加热。另外，还可以根据动力电池的温度情况，通过三通阀14控制燃料电池冷却管路中的冷却介质的流量分配，当动力电池的温度比较低时，可以控制燃料电池冷却管路中的绝大部分或全部的冷却介质流过保温部分13，当动力电池的温度相对较高些时(仍然低于设定温度)，可以控制燃料电池冷却管路中少量的冷却介质流过保温部分13，以维持动力电池温度在设定的T3(5～30℃)范围内，从而实现动力电池的低温保温功能，提高动力电池的低温环境适应性。
当然，上述具体给出的温度数值或温度范围仅是作为一种具体的实施例，用户可根据实际情况进行设定。
在上述的燃料电池汽车中，燃料电池低温启动和动力电池低温保温实现的核心是一种控制方法，即：在燃料电池启动时，若燃料电池的实际温度低于燃料电池的最低设定温度，控制动力电池给燃料电池的冷却管路中的冷却介质加热以提升燃料电池的启动温度；当燃料电池的实际温度高于燃料电池设定的最低启动温度时，燃料电池启动；燃料电池启动后，若动力电池的环境温度低于动力电池设定的最低温度，采用燃料电池冷却管路中的保温部分给动力电池加热以维持动力电池在设定的温度范围内。
上述控制方法将燃料电池和动力电池保温相结合，用燃料电池系统的废热给动力电池保温，用动力电池存储的电能给燃料电池暖机升温，不仅提高了动力电池和燃料电池的工作性能，同时减少了燃料电池对大气的废热排放量，提高了能源利用率，实现了整车节能。

Claims (18)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池和燃料电池冷却管路，其特征在于，所述燃料电池冷却管路上设有用于在所述燃料电池启动时为所述燃料电池冷却管路中的冷却介质加热的电加热器，所述电加热器用于连接动力电池以从动力电池取电；所述燃料电池冷却管路还包括一个用于对动力电池加热的保温部分。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述保温部分包括一个保温散热器。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述保温散热器设于动力电池内部或者围设于动力电池外部。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述保温散热器并联有用于在不对动力电池保温时通流的第一旁路。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池冷却管路中设有燃料电池散热器，所述燃料电池散热器还并联有用于在所述燃料电池启动时通流的第二旁路。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一旁路通过第一三通阀与所述保温散热器相连。
7.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二旁路通过第二三通阀与所述燃料电池散热器相连。
8.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在燃料电池启动时，若燃料电池的温度低于燃料电池设定的最低启动温度，控制动力电池给燃料电池的冷却管路中的冷却介质加热以提升燃料电池的温度，达到最低启动温度；
步骤2，燃料电池启动后，若动力电池的温度低于动力电池设定的最低温度，采用燃料电池冷却管路中的保温部分给动力电池加热以维持动力电池在设定的温度范围内。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，通过三通阀控制保温部分的冷却介质流量实现控制动力电池温度。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括检测动力电池电量的步骤，若动力电池电量小于燃料电池由当前温度上升至燃料电池设定的最低温度所需的电量，则进行动力电池充电报警。
11.根据权利要求8或9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述保温部分通过散热器或者换热器为动力电池保温。
12.一种燃料电池汽车，包括动力电池和燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池和燃料电池冷却管路，其特征在于，所述燃料电池冷却管路上设有用于在所述燃料电池启动时为所述燃料电池冷却管路中的冷却介质加热的电加热器，所述电加热器与所述动力电池连接以从动力电池取电；所述燃料电池冷却管路还包括一个对所述动力电池加热的保温部分。
13.根据权利要求12所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述保温部分包括一个保温散热器。
14.根据权利要求13所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述保温散热器设于所述动力电池内部或者围设于所述动力电池外部。
15.根据权利要求13或14所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述保温散热器并联有用于在不对动力电池保温时通流的第一旁路。
16.根据权利要求13或14所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述燃料电池冷却管路中设有燃料电池散热器，所述燃料电池散热器还并联有用于在所述燃料电池启动时通流的第二旁路。
17.根据权利要求15所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述第一旁路通过第一三通阀与所述保温散热器相连。
18.根据权利要求16所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述第二旁路通过第二三通阀与所述燃料电池散热器相连。
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