CN110444786A - 一种燃料电池低温启动控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池控制技术领域，特别是一种燃料电池低温启动控制方法及装置。该控制装置包括电加热模块、燃烧室、控制模块和用于检测燃料电池电堆温度的第一温度传感器，电加热模块通过电加热产生热能对电堆进行加热，燃烧室通过设定燃料燃烧产生热能对电堆进行加热；控制模块的输出端连接电加热模块和燃烧室，控制模块获取燃料电池电堆温度，当电堆温度小于第一设定值控制燃烧室工作进行燃烧加热，直至电堆温度大于第一设定值；控制电加热模块工作进行电加热，当电堆温度大于第二设定值时关闭电加热，实现燃料电池车辆在低温情况下的快速启动，解决单纯依靠电加热方式进行低温启动时燃料转化成电能再转化成热能导致的燃料利用率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池控制技术领域，特别是一种燃料电池低温启动控制方法及装置。
背景技术
在环境污染、全球变暖及石油匮乏等问题的背景下，燃料电池汽车作为一种高效、清洁的新能源汽车，因其相对于纯电动汽车具有续航里程长、加氢时间短、零污染的特性，成为最适合作为汽车动力源被认为是新能源汽车发展的终极方向。由于温度对燃料电池系统性能及可靠性有重要的影响，特别在北方寒冷地区，其冬季温度低和室内外温差大的气候特点给燃料电池汽车带来了巨大的挑战；当燃料电池汽车放置于寒冷环境时，燃料电池汽车无法直接启动，直接制约了燃料电池汽车在北方高寒地区的推广和应用。
为了保证燃料电池汽车电堆启动正常，电堆必须进行预热升温，燃料电池低温启动的策略可以归纳为两个大的类别，分别是“保温策略”与“加热融冰策略”。其中，保温法虽然理念较好，但是冬天需要保温，夏天就会阻碍热量的散失，即使方便拆卸，仍需驾驶员根据当天温度进行安装或拆卸，在实际情况下不可行；而在加热融冰方面有中国专利公布号为CN107171004A的专利文献公开了一种燃料电池低温启动分级预热控制方法，使用了温度分级策略控制，能够保证电堆升温的合理性、安全性并延长电堆耐久性，但是在温度较低时，主要依靠加热丝升温，动力电池在低温时输出能力有限，容易造成动力电池SOC亏损较大，且动力电池的能量来源于氢能，氢能变电能的转化率为50％左右，且动力电池在低温时，电流输出能力及储能量下降明显，综合计算氢能转化热的利用率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池低温启动控制方法及装置，用以解决单纯依靠电加热方式进行低温启动时燃料转化成电能再转化成热能导致的燃料利用率低的问题。
为了实现燃料电池车辆在低温情况下的快速启动，解决单纯依靠电加热方式进行低温启动时燃料转化成电能再转化成热能导致的燃料利用率低的问题，本发明提供一种燃料电池低温启动控制方法，包括以下步骤：
1)获取燃料电池电堆温度，并判断电堆温度是否小于第一设定值；
2)若是，则控制设定燃料燃烧产生热能对电堆进行加热，直至电堆温度大于第一设定值；
3)控制电加热产生热能对电堆进行加热，并判断电堆温度是否大于第二设定值；当电堆温度大于第二设定值时关闭电加热。
进一步地，为了便于燃料的管理，减少冗余的燃料气源布置，该燃料电池低温启动控制方法中的所述设定燃料的供气气源为燃料电池电堆的燃料气源。
进一步地，为了减少能源的浪费，避免加热过度，该燃料电池低温启动控制方法中的步骤2)中电堆温度大于第一设定值后关闭燃烧加热。
进一步地，为了提升驾驶员的主观感受，使驾驶的自主性更强，提高升温等级使更加快速的进行冷启动，燃料电池低温启动控制方法中还判断是否接收到低温启动信号，当未接收到低温启动信号时执行步骤1)、步骤2)和步骤3)；当接收到低温启动信号时，控制设定燃料燃烧和电加热产生热能对电堆进行加热。
为了实现燃料电池车辆在低温情况下的快速启动，解决单纯依靠电加热方式进行低温启动时燃料转化成电能再转化成热能导致的燃料利用率低的问题，本发明提供一种燃料电池低温启动控制装置，包括电加热模块、用于设置在燃料电池电堆的换热单元进出水口之间的循环管路和用于检测燃料电池电堆温度的第一温度传感器，所述电加热模块设置于所述循环管路上，还包括燃烧室和控制模块，所述燃烧室上设置有用于连接气源的燃料进气口，所述燃烧室中设置有燃烧换热单元，所述燃烧换热单元的接入所述循环管路；所述控制模块用于根据第一温度传感器检测到的电堆温度，控制燃烧室和电加热模块的启停。
进一步地，为了便于将热量传递给燃料电池电堆，所述循环管路中包括电加热支路和燃烧加热支路，所述电加热支路通过电加热模块用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口，所述燃烧加热支路通过燃烧换热单元用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口。
进一步地，为了避免燃烧室对燃烧加热支路的空加热，防止能量浪费和设备损坏，所述燃烧换热单元的入水口处设置有水量传感器。进一步地，所述控制模块的输入端连接所述水量传感器，所述控制模块根据水量传感器的信号控制燃烧室的燃料进气量。
进一步地，为了防止燃烧室燃料积压过多，氧气不足导致燃烧不充分和燃料浓度过大引起的爆炸，所述燃烧室上还设置有风机，所述控制模块的输入端连接所述水量传感器和所述风机，当水量达到设定水量值时，所述控制模块控制风机开启，当风机转速达到设定转速值时，所述控制模块控制燃烧室进气。
进一步地，为了实现对燃料气体流入量的控制，所述燃烧室的燃料进气口的出气端连接燃气比例阀，所述控制模块的输出端连接所述燃气比例阀。
进一步地，为了实现燃料加热的大小可控，防止电堆的换热单元的进水口处的温度过高导致局部高温对电堆的损害，所述控制模块的输入端还连接第二温度传感器，所述第二温度传感器设置于燃料电池电堆的换热单元的进水口处，所述控制模块根据燃料电池电堆的换热单元的进水口处的水温控制所述燃气比例阀的开度。
进一步地，为了便于燃料的管理，减少冗余的燃料气源布置，所述燃料进气口的进气端通过选通阀用于接入燃料电池气源与燃料电池电堆之间的供气管路上，所述控制模块的输出端连接所述选通阀。
进一步地，为了节约成本、能量消耗和简化线路布置，所述循环管路上还设置有水泵，所述控制模块的输出端连接所述水泵。
进一步地，为了防止热源过量集中，导致局部大功率引起的电极损伤，所述电加热模块包括第一PTC和第二PTC，所述第一PTC与所述第二PTC设置于电加热支路上并间隔设定距离。
附图说明
图1是方法实施例1的一种燃料电池低温启动控制方法的流程图；
图2是方法实施例2的一种燃料电池低温启动控制方法的流程图；
图3是装置实施例1的一种燃料电池低温启动控制装置的连接示意图；
图4是装置实施例2的一种燃料电池低温启动控制装置的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
方法实施例1
本方法实施例1提供一种燃料电池低温启动控制方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
1)获取燃料电池电堆温度，并判断电堆温度是否小于第一设定值。
通过相应的温度传感器获取电堆的温度，根据电堆当前的温度进行相应的控制，避免不必要的加热。
2)若是，则控制设定燃料燃烧产生热能对电堆进行加热，直至电堆温度大于第一设定值。
可以选取第一设定值为0℃，即在电堆温度较低时，采用燃烧设定的燃料进行热交换的方式对电堆进行加热，其产热的效率加高，且燃料利用率较高，同时燃烧所需的耗电功率较低。
另外，其中的设定燃料的供气气源为燃料电池电堆的燃料气源，以便于燃料的管理，减少冗余的燃料气源布置。
当电堆的温度超过该第一设定值时，可以将该燃料加热关闭，也可不关闭，在进行电加热。
3)控制电加热产生热能对电堆进行加热，并判断电堆温度是否大于第二设定值；当电堆温度大于第二设定值时关闭电加热。
当电堆温度超过第一设定值时，电加热的供电装置的性能能够有效的恢复至正常水平，即可采用电加热对电堆进行加热，避免长时间采用燃料加热的带来的局部过热问题。
当电堆温度超过第二设定值时，燃料电池能够正常工作，此时断开加热模块，燃料电池依靠自身产生的热能供给系统正常运转。
方法实施例2
在方法实施例1的基础上，为了提升驾驶员的主观感受，使驾驶的自主性更强，将低温启动分为普通和快速级别，本方法实施例2提供一种燃料电池低温启动控制方法，如图2所示，在进行所有的步骤之前，还获取低温启动信号，该低温启动信号可以为驾驶员选取还可以为控制器根据环境等条件进行判定得到。
判断是否接收到开启低温启动的信号，若没有接收到低温启动的信号，则按照方法实施例1的步骤1)、步骤2)和步骤3)进行控制；当接收到低温启动的信号时，控制定燃料燃烧和电加热产生热能对电堆进行加热，即电加热和燃烧加热同时进行，对电堆进行加热，并且可以在电堆温度到达第二设定值时关闭上述两种加热。
装置实施例1
本装置实施例1提供一种用于燃料电池的低温启动控制装置，如图3所示，该控制装置包括电加热模块、用于设置在燃料电池电堆的换热单元进出水口之间的循环管路和用于检测燃料电池电堆温度的第一温度传感器，电加热模块设置于循环管路上；该控制装置还包括燃烧室和控制模块，燃烧室上设置有用于连接气源的燃料进气口，燃烧室中设置有燃烧换热单元，燃烧换热单元的接入循环管路；控制模块用于根据第一温度传感器检测到的电堆温度，控制燃烧室和电加热模块的启停。
其中，上述循环管路包括电加热支路和燃烧加热支路，其中，电加热支路通过电加热模块用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口，燃烧加热支路通过燃烧室连接用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口，该电加热支路和燃烧加热支路中流通的可以是水，也可以是其他能够进行热交换的液态物质。
此外，上述燃烧室的燃料进气口的进气端通过选通阀用于接入燃料电池气源与燃料电池电堆之间的供气管路上，设定燃料的供气气源为燃料电池电堆的燃料气源；控制模块的输出端连接选通阀，当燃烧室工作完成后，将选通阀导通燃料电池电堆的供气。其中，选通阀为L型三通球阀，气源通过L型三通球阀将气体分别输送给燃烧室和燃料电池；控制模块控制连接该L型三通球阀，以控制气体是否通入燃烧室。
为了使循环管路循环管路上还设置有水泵，控制模块的输出端连接水泵，只有需要进行冷启动加热的时候，才控制水泵动作使水循环。
上述的电加热模块通过动力电池进行供电，同时，动力电池内的换热单元也可以接入循环管路中。在此基础上，电加热模块包括第一PTC和第二PTC，第一PTC与第二PTC设置于电加热支路上并间隔设定距离，使热源不会过量集中，导致局部大功率过热而损伤电极。
另外，该电加热支路与燃烧加热支路可以采用串联或并联的方式，也可采用电加热支路为总加热支路，燃烧加热支路为总加热支路分支的方式；并通过T型三通球阀汇聚至燃料电池电堆的换热单元的进水口。
装置实施例2
在上述装置实施例1的基础上，为了避免燃烧室对燃烧加热支路的空加热，防止能量浪费和设备损坏，本装置实施例2提供一种燃料电池低温启动控制装置，在燃烧换热单元的入水口处还设置有水量传感器。
控制模块的输入端连接水量传感器，控制模块根据水量传感器的信号控制燃烧室的燃料进气量，当燃烧室中燃烧换热单元中水量超过设定水量值时，控制燃料进入燃烧室。或者，上述燃烧室上还设置有风机，上述控制模块的输入端连接水量传感器和风机，当水量达到设定水量值时，上述控制模块控制风机开启，当风机转速达到设定转速值时，上述控制模块控制燃烧室进气。
在此基础上，该燃烧室中的燃料进气口的出气端连接燃气比例阀，上述控制模块的输出端连接燃气比例阀，该燃气比例阀可在控制中加入速率限制，防止出水口水温陡增，导致电堆局部温差过大。
另外，如图4所示，控制装置还包括第二温度传感器，第二温度传感器设置于燃料电池的电堆的换热单元的进水口处，以检测燃料电池电堆的换热单元的进水口处的水温，控制模块根据燃料电池电堆进水口处的水温控制燃气比例阀的开度。例如，将电堆入水口温度和系统定值60℃进行比较，通过差值大小调节氢气比例阀的开关，以控制出口热水不超过60℃，以免局部高温对电堆造成损害。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池低温启动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取燃料电池电堆温度，并判断电堆温度是否小于第一设定值；
2)若是，则控制设定燃料燃烧产生热能对电堆进行加热，直至电堆温度大于第一设定值；
3)控制电加热产生热能对电堆进行加热，并判断电堆温度是否大于第二设定值；当电堆温度大于第二设定值时关闭电加热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温启动控制方法，其特征在于，所述设定燃料的供气气源为燃料电池电堆的燃料气源。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池低温启动控制方法，其特征在于，步骤2)中电堆温度大于第一设定值后关闭燃烧加热。
4.根据权利要求3所述的燃料电池低温启动控制方法，其特征在于，还判断是否接收到低温启动信号，当未接收到低温启动信号时执行步骤1)、步骤2)和步骤3)；当接收到低温启动信号时，控制设定燃料燃烧和电加热产生热能对电堆进行加热。
5.一种燃料电池低温启动控制装置，包括电加热模块、用于设置在燃料电池电堆的换热单元进出水口之间的循环管路和用于检测燃料电池电堆温度的第一温度传感器，所述电加热模块设置于所述循环管路上，其特征在于，还包括燃烧室和控制模块，所述燃烧室上设置有用于连接气源的燃料进气口，所述燃烧室中设置有燃烧换热单元，所述燃烧换热单元的接入所述循环管路；所述控制模块用于根据第一温度传感器检测到的电堆温度，控制燃烧室和电加热模块的启停。
6.根据权利要求5所述的燃料电池低温启动控制装置，其特征在于，所述循环管路中包括电加热支路和燃烧加热支路，所述电加热支路通过电加热模块用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口，所述燃烧加热支路通过燃烧换热单元用于连接燃料电池电堆的换热单元的进出水口。
7.根据权利要求6所述的燃料电池低温启动控制装置，其特征在于，所述燃烧换热单元的入水口处设置有水量传感器。
8.根据权利要求7所述的燃料电池低温启动控制装置，其特征在于，所述控制模块的输入端连接所述水量传感器，所述控制模块根据水量传感器的信号控制燃烧室的燃料进气量。
9.根据权利要求7所述的燃料电池低温启动控制装置，其特征在于，所述燃烧室上还设置有风机，所述控制模块的输入端连接所述水量传感器和所述风机，当水量达到设定水量值时，所述控制模块控制风机开启，当风机转速达到设定转速值时，所述控制模块控制燃烧室进气。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池低温启动控制装置，其特征在于，所述燃烧室的燃料进气口的出气端连接燃气比例阀，所述控制模块的输出端连接所述燃气比例阀。
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