CN110949184A - 一种燃料电池系统及燃料电池控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混合动力汽车技术领域，公开了一种燃料电池系统及燃料电池控制方法。所述燃料电池系统包括串联模式和独立模式；燃料电池系统包括相互连通的电堆、加热器、第一调节件及暖风芯体，第一调节件设置于电堆和加热器之间，第一调节件被配置为分别与电堆和暖风芯体选择性连通，使燃料电池系统在串联模式和独立模式之间切换。所述燃料电池系统电堆的余热可以为暖风芯体加热，充分利用了电堆的余热，还可以同时使用加热器和电堆的热量对暖风芯体进行暖风采暖，性能更好，能源消耗低，具有节能环保的优势。另外，加热器用于电堆冷启动时对其加热，使得电堆冷启动和暖风芯体采暖共用同一个加热器，有效地降低了生产成本。

Description

一种燃料电池系统及燃料电池控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及燃料电 池控制方法。
背景技术
随着混合动力汽车的发展，燃料电池车型作为其中一种特殊的混合动力车 型，受到了越来越来多的关注。燃料电池车型一般配置有电池和电堆两个动力 源，电池为纯电动行驶的动力源，电堆利用储存在气瓶中的氢气与被送入的空 气中的氧气之间发生电化学反应来产生电能，在此过程中电堆会排出大量的热 量和水等反应副产物。该热量需要由散热器散热，冬季时该热量也可以供给暖 风使用。然而，只利用电池进行纯电动模式时，电堆不工作，那么就无法为乘 员舱提供热源。
为了解决上述问题，现有燃料电池系统一般采用以下两种方式：
第一，仅电堆采暖方式，在乘员舱需要暖风的时候退出纯电动模式，启动 电堆为乘员舱提供热源，采用这种方式，暖风和电堆始终连通，若电堆不工作， 则暖风就无热源可用。在环境温度很低时，由于电堆是无法自启动的，在燃料 电池系统中需要配有加热器，加热器用于对电堆进行加热，待水温升到后才能 够启动。如果开启纯电动行驶模式，即使启动加热器，但是由于加热器连接的 部件过多，加热时需要将各部件的温度全部提升才能够维持水温，耗费太多能 源，且加热采暖效果不好。
第二，暖风独立方式，通过增加一个加热器，使得在需要暖风的时候可以 启动该加热器进行工作。由于暖风与电堆不共用加热器，整车需要配备两个加 热器，成本较高，且暖风系统无法利用电堆的余热，耗能较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池系统及燃料电池控制方法，可以利用 电堆或加热器为暖风加热，节能好，成本低。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括串联模式和独立模式；
所述燃料电池系统包括相互连通的电堆、加热器、第一调节件及暖风芯体， 所述第一调节件设置于所述电堆和所述加热器之间，所述第一调节件被配置为 分别与所述电堆和所述暖风芯体选择性连通，使所述燃料电池系统在所述串联 模式和所述独立模式之间切换。
作为优选，所述第一调节件为第一三通阀，所述第一三通阀的A口连通于 所述电堆，所述第一三通阀的B口连通于所述暖风芯体，所述第一三通阀的C 口连通于所述加热器，在开启所述串联模式时，开启所述第一三通阀的所述A 口和所述C口，在开启所述独立模式时，开启所述第一三通阀的所述B口和所 述C口。
作为优选，所述燃料电池系统还包括第一水泵，所述第一水泵的两端分别 连通于所述暖风芯体和所述电堆。
作为优选，所述燃料电池系统还包括第二水泵，所述第二水泵的两端分别 连通于所述第一调节件和所述暖风芯体。
作为优选，所述燃料电池系统还包括散热器和第二调节件，所述第二调节 件被配置为将所述散热器选择性与所述电堆相连通。
作为优选，所述第二调节件为第二三通阀，所述第二三通阀的D口连通于 所述散热器，所述第二三通阀的E口连通于所述暖风芯体，所述第二三通阀的F 口连通于所述电堆，在开启所述串联模式和所述独立模式时，开启所述第二三 通阀的所述E口和所述F口，在开启散热模式时，开启所述第二三通阀的所述D 口和所述F口。
作为优选，所述燃料电池系统还包括第一温度传感器，所述第一温度传感 器设置于所述电堆和所述第一调节件之间，所述第一温度传感器用于检测所述 电堆的出口温度。
作为优选，所述燃料电池系统还包括第二温度传感器，所述第二温度传感 器设置于所述加热器和所述暖风芯体之间，所述第二温度传感器用于检测所述 暖风芯体的进口温度。
为达上述目的，本发明还提供了一种燃料电池控制方法，所述燃料电池控 制方法用于控制上述的燃料电池系统，所述燃料电池控制方法包括以下步骤：
比较暖风芯体的进口温度T2和电堆的出口温度T1之差和第一预设温度T0；
当T2-T1＜T0时，所述燃料电池系统开启所述串联模式；
当T2-T1≥T0时，所述燃料电池系统开启所述独立模式。作为优选，
作为优选，在所述串联模式时，判断暖风芯体的进口温度T2是否小于第二 预设温度T0＇，若是，开启加热器。
本发明的有益效果：
本发明提供的燃料电池系统，当第一调节件被配置为与电堆选择性连通， 使燃料电池系统进入串联模式，当第一调节件被配置为与暖风芯体选择性连通， 使燃料电池系统进入独立模式，通过设置第一调节件，实现燃料电池系统在串 联模式和独立模式之间切换，结构简单，方便可靠。同时，电堆的余热可以为 暖风芯体加热，充分利用了电堆的余热，还可以同时使用加热器和电堆的热量 对暖风芯体共同进行暖风采暖，性能更好，能源消耗低，具有节能环保的优势。 另外，加热器用于电堆冷启动时对其加热，使得电堆冷启动和暖风芯体采暖共 用同一个加热器，与现有技术暖风独立方式需要配备两个加热器的方式相比， 有效地降低了生产成本。
本发明提供的燃料电池控制方法，暖风芯体的进口温度T2实际为暖风的进 水温度，通过比较暖风芯体的进口温度T2和电堆的出口温度T1之差和第一预 设温度T0，当T2-T1＜T0时，此时意味着暖风芯体的进口温度T2和电堆的出口 温度T1之差保持在一定有限范围之内，此时燃料电池系统开启串联模式；当 T2-T1≥T0时，此时意味着暖风芯体的进口温度T2和电堆的出口温度T1的差距 比较大，燃料电池系统开启独立模式，实现互不干扰，保证快速升温的效果。
附图说明
图1是本发明燃料电池系统的结构示意图。
图中：
1、电堆；2、加热器；3、第一调节件；4、暖风芯体；5、第一水泵；6、 第二水泵；7、散热器；8、第二调节件；9、第一温度传感器；10、第二温度传 感器。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚， 下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描 述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中 的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、 “固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成 一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间 媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于 本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含 义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上” 或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不 是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征 “之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅 仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方” 和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水 平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
针对现有燃料电池系统，电堆采暖方式和暖风独立方式存在的耗费能源多， 加热采暖效果不好及生产成本高的问题。本实施例提供了一种燃料电池系统， 如图1所示，燃料电池系统包括相互连通的电堆1、加热器2、第一调节件3、 暖风芯体4及控制器(图中未示出)，控制器分别电连接于电堆1、加热器2、 第一调节件3和暖风芯体4。电堆1也称燃料电池反应堆，电堆1内部利用储存 的氢气与被送入的空气中的氧气之间发生电化学反应来产生电能，以为混合动 力车辆提供驱动力。加热器2具体为电加热器2，在电堆1冷启动时，加热器2 可以对电堆1进行加热，且加热器2可以和电堆1一起为暖风芯体4共同提供 热量，使得在天气气温较低时，冷暖风芯体4为乘员舱提供热源，以提高乘员 的乘车体验感。燃料电池系统包括串联模式和独立模式，第一调节件3设置于 电堆1和加热器2之间，第一调节件3用于模式调节，第一调节件3被配置为 分别与电堆1和暖风芯体4选择性连通，使燃料电池系统在串联模式和独立模 式之间切换。
本实施例提供的燃料电池系统，当第一调节件3被配置为与电堆1选择性 连通，使燃料电池系统进入串联模式，当第一调节件3被配置为与暖风芯体4 选择性连通，使燃料电池系统进入独立模式，通过设置第一调节件3，实现燃料 电池系统在串联模式和独立模式之间切换，结构简单，方便可靠。同时，电堆1 的余热可以为暖风芯体4加热，充分利用了电堆1的余热，还可以同时使用加 热器2和电堆1的热量对暖风芯体4共同进行暖风采暖，性能更好，能源消耗 低，具有节能环保的优势。另外，加热器2用于电堆1冷启动时对其加热，使得电堆1冷启动和暖风芯体4采暖共用同一个加热器2，与现有技术暖风独立方 式需要配备两个加热器2的方式相比，有效地降低了生产成本。
进一步地，为了保证燃料电池系统分别串联模式和独立模式能够正常工作， 如图1所示，燃料电池系统还包括第一水泵5和第二水泵6，第一水泵5的两端 分别连通于暖风芯体4和电堆1，第二水泵6的两端分别连通于第一调节件3和 暖风芯体4。在燃料电池系统启动串联模式时，第一水泵5为整个水循环提供动 力；在燃料电池系统启动独立模式时，第一水泵5为电堆1的水循环提供动力， 第二水泵6为加热器2和暖风芯体4的水循环提供动力。
第一调节件3为第一三通阀，第一三通阀具体为电控三通阀，该第一三通 阀具有A口、B口及C口三个出口，第一三通阀的A口连通于电堆1，第一三通 阀的B口连通于暖风芯体4，第一三通阀的C口连通于加热器2，在开启串联模 式时，开启第一三通阀的A口和C口，在开启独立模式时，开启第一三通阀的B 口和C口。通过设置第一三通阀，实现了燃料电池系统在串联模式和独立模式 之间切换。
进一步地，为了更好对电堆1和暖风芯体4进行温度监控，如图1所示， 燃料电池系统还包括第一温度传感器9和第二温度传感器10，第一温度传感器 9和第二温度传感器10均电连接于控制器，第一温度传感器9设置于电堆1和 第一调节件3之间，第一温度传感器9用于检测电堆1的出口温度，并将出口 温度信息传递给控制器。第二温度传感器10设置于加热器2和暖风芯体4之间， 第二温度传感器10用于检测暖风芯体4的进口温度，并将进口温度信息传递给 控制器。控制器根据这两种温度信息，对第一三通阀进行调节控制，以在串联 模式和独立模式之间进行模式切换。
由于电堆1在工作一段时间后在产生电能的过程中，电堆1会排出大量的 热量，如果电堆1或其他部件不能将热量排出，会将各个零部件烧坏。为了解 决这个问题，燃料电池系统还包括散热器7和第二调节件8，第二调节件8用于 控制燃料电池系统从串联模式和独立模式进入散热模式，第二调节件8被配置 为将散热器7选择性与电堆1相连通。
具体地，第二调节件8为第二三通阀，第二三通阀具体为电控三通阀，第 二三通阀电连接于控制器，第二三通阀的D口连通于散热器7，第二三通阀的E 口连通于暖风芯体4，第二三通阀的F口连通于电堆1，在开启串联模式和独立 模式时，开启第二三通阀的E口和F口，在开启散热模式时，开启第二三通阀 的D口和F口。
本实施例提供的燃料电池系统的工作过程如下：
一、串联模式
如图1所示，控制器开启第一三通阀的A口和C口，并开启第二三通阀的E 口和F口，使得第一水泵5驱动水进入电堆1，从电堆1出口分成两路，其中一 路经第二三通阀回流至第一水泵5内，另外一条支路经第一三通阀进入加热器2 内，并流入暖风芯体4内，最后回流至第一水泵5。
1.1.在寒冷的冬天，电堆1冷启动，为了便于电堆1可以尽快启动，控制 器控制加热器2开启，加热器2的热量用于电堆1进行冷启动，此时虽然水会 经过暖风芯体4，为了减少暖风芯体4向乘员舱吹暖风引起热量的散失，控制器 控制禁止启动鼓风机，以避免暖风芯体4热量的散失，便于让电堆1尽快启动；
1.2.随着电堆1的启动，电堆1的温度逐渐升高，此时燃料电池系统的水 温不是特别高，但是其热量也可以有利用价值，例如燃料电池系统水温大约60 度，但是为了更好的采暖效果，控制器控制加热器2开启，加热器2工作，将 水温从60度水提高至80度，采用这种方式，与现有暖风独立方式，更省电， 与现有电堆1采暖方式相比，直接使用电堆1余热，节能环保，且采暖效果更 好；
1.3.随着电堆1的温度继续升高，燃料电池系统的水温较高，控制器控制 加热器2不工作，此时利用电堆1余热对暖风芯体4进行采暖，降低能源耗费， 且保证加热采暖效果；
二、独立模式
如图1所示，控制器开启第一三通阀的B口和C口，并开启第二三通阀的E 口和F口，使得第一水泵5驱动水进入电堆1，从电堆1流出的水经第二三通阀 回流至第一水泵5中；同时，第二水泵6驱动水经第一三通阀进入加热器2，从 加热器2流出的水经暖风芯体4回流至第二水泵6内，形成两个独立的水循环。
2.1.一般环境较冷时，电堆1冷启动结束后，水温不高，此时的水温低， 如果仅采用串联模式不足以提供较好的暖风效果，因此独立模式，利用加热器2 单独为暖风芯体4提供热量，此时加热器2只为暖风芯体4进行加热，与现有 技术电堆1采暖方式相比，没有连接其他过多的零部件，减少其他零部件的热 量散失，从而保证了加热采暖效果；
2.2.如果混合动力汽车没有采用电堆1为动力源，而是采用锂电池进行纯 电动行驶时，由于电堆1不工作，为了避免暖风芯体4无热源，此时燃料电池 系统工作在此模式下运行，通过加热器2实现对暖风芯体4的加热和采暖。
二、散热模式
如图1所示，控制器开启第二三通阀的D口和F口，第二三通阀的控制开 口可以不进行限制，以开启第一三通阀的A口和C口为例。
当电堆1启动时间较长时，随着电堆1的温度持续升高，电堆1的热量不 仅足够暖风芯体4使用，电堆1还需要散热，此时只需要开启第二三通阀的D 口和F口，同时可以根据实际生产需要，如果第一水泵5需要散热，开启第一 三通阀的A口和B口，如果加热器2或暖风芯体4需要散热，开启第一三通阀 的A口和C口。
本实施例还提供了一种燃料电池控制方法，用于控制上述的燃料电池系统， 燃料电池控制方法包括以下步骤：
比较暖风芯体4的进口温度T2和电堆1的出口温度T1之差和第一预设温 度T0；
当T2-T1＜T0时，燃料电池系统开启串联模式；
当T2-T1≥T0时，燃料电池系统开启独立模式。
本实施例提供的燃料电池控制方法，暖风芯体4的进口温度T2实际为暖风 的进水温度，通过比较暖风芯体4的进口温度T2和电堆1的出口温度T1之差 和第一预设温度T0，T0具体为10度，当T2-T1＜T0时，此时意味着暖风芯体4 的进口温度T2和电堆1的出口温度T1之差保持在一定有限范围之内，此时燃 料电池系统开启串联模式；当T2-T1≥T0时，此时意味着暖风芯体4的进口温 度T2和电堆1的出口温度T1的差距比较大，燃料电池系统开启独立模式，实 现互不干扰，保证快速升温的效果。
进一步地，在串联模式时，判断暖风芯体4的进口温度T2是否小于第二预 设温度T0＇，若是，开启加热器2，加热器2按水温反馈调节，直至暖风芯体4 的进口温度T2达到T0＇。
进一步地，在独立模式时，判断暖风芯体4的进口温度T2是否小于第二预 设温度T0＇＇，若是，开启加热器2，加热器2按水温反馈调节，直至暖风芯体4 的进口温度T2达到T0＇＇。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不 是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操 作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于 在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合 该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一 个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相 同的实施例或示例。
此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统包括串联模式和独立模式；
所述燃料电池系统包括相互连通的电堆(1)、加热器(2)、第一调节件(3)及暖风芯体(4)，所述第一调节件(3)设置于所述电堆(1)和所述加热器(2)之间，所述第一调节件(3)被配置为分别与所述电堆(1)和所述暖风芯体(4)选择性连通，使所述燃料电池系统在所述串联模式和所述独立模式之间切换。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一调节件(3)为第一三通阀，所述第一三通阀的A口连通于所述电堆(1)，所述第一三通阀的B口连通于所述暖风芯体(4)，所述第一三通阀的C口连通于所述加热器(2)，在开启所述串联模式时，开启所述第一三通阀的所述A口和所述C口，在开启所述独立模式时，开启所述第一三通阀的所述B口和所述C口。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第一水泵(5)，所述第一水泵(5)的两端分别连通于所述暖风芯体(4)和所述电堆(1)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第二水泵(6)，所述第二水泵(6)的两端分别连通于所述第一调节件(3)和所述暖风芯体(4)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括散热器(7)和第二调节件(8)，所述第二调节件(8)被配置为将所述散热器(7)选择性与所述电堆(1)相连通。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二调节件(8)为第二三通阀，所述第二三通阀的D口连通于所述散热器(7)，所述第二三通阀的E口连通于所述暖风芯体(4)，所述第二三通阀的F口连通于所述电堆(1)，在开启所述串联模式和所述独立模式时，开启所述第二三通阀的所述E口和所述F口，在开启散热模式时，开启所述第二三通阀的所述D口和所述F口。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第一温度传感器(9)，所述第一温度传感器(9)设置于所述电堆(1)和所述第一调节件(3)之间，所述第一温度传感器(9)用于检测所述电堆(1)的出口温度。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括第二温度传感器(10)，所述第二温度传感器(10)设置于所述加热器(2)和所述暖风芯体(4)之间，所述第二温度传感器(10)用于检测所述暖风芯体(4)的进口温度。
9.一种燃料电池控制方法，其特征在于，所述燃料电池控制方法用于控制如权利要求1-8任一项所述的燃料电池系统，所述燃料电池控制方法包括以下步骤：
比较暖风芯体(4)的进口温度T2和电堆(1)的出口温度T1之差和第一预设温度T0；
当T2-T1＜T0时，所述燃料电池系统开启所述串联模式；
当T2-T1≥T0时，所述燃料电池系统开启所述独立模式。
10.根据权利要求9所述的燃料电池控制方法，其特征在于，在所述串联模式时，判断暖风芯体(4)的进口温度T2是否小于第二预设温度T0＇，若是，开启加热器(2)。
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