CN111613811A - 一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统 - Google Patents

一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统，该方法包括：设定燃料电池目标升温速率和目标温度；根据目标升温速率计算目标输出电流；计算目标空气流量和目标氢气流量；在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。本发明氢燃料电池低温冷启动方法及系统利用燃料电池的氢气侧和氧气测浓差过电势拉低燃料电池对外输出效率，将尽可能多的化学能转化为热能用于燃料电池堆本体加热，使得燃料电池迅速暖机。

Description

一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，特别涉及一种氢燃料电池低温冷启动方法及系统。
背景技术
车用燃料电池必须经受反应气污染、启停、冷启动、高电位和高负荷等复杂环境考验，其中冷启动是燃料电池汽车高寒环境运行的最大挑战。
目前常用的启动方法是直接通过车载PTC将燃料电池的散热系统的水进行加热，但是该方法存在散热系统的水较多，从而耗费时间较长的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明目的之一在于提供一种可以实现在高寒环境快速启动的氢燃料电池低温冷启动方法，其采用如下技术方案：
一种氢燃料电池低温冷启动方法，其包括：
设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
根据目标升温速率计算目标输出电流；
在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；
计算目标空气流量和目标氢气流量；
通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
作为本发明的进一步改进，所述根据目标升温速率计算目标输出电流，具体包括：
根据目标升温速率计算升温需求热功率；
根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
根据总需求功率计算目标输出电流。
作为本发明的进一步改进，所述计算目标空气流量，具体包括：
根据目标输出电流计算目标输出电压；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
作为本发明的进一步改进，所述计算目标氢气流量，具体包括：根据以下公式计算得到目标氢气流量；
Figure BDA0002490218980000021
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
作为本发明的进一步改进，上述设定燃料电池目标升温速率和目标温度，之前还包括：
检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，否则正常启动。
本发明的目的之二在于提供一种可以实现在高寒环境快速启动的氢燃料电池低温冷启动系统，其采用如下技术方案：
一种氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，包括：
设定模块，用于设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
第一计算模块，用于根据目标升温速率计算目标输出电流；
第二计算模块，用于计算目标空气流量和目标氢气流量；
启动模块，用于在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池
第一调节模块，用于通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
第二调节模块，由于通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
所述第一调节模块和第二调节模块还用于当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
作为本发明的进一步改进，所述根据目标升温速率计算目标输出电流，具体包括：
根据目标升温速率计算升温需求热功率；
根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
根据总需求功率计算目标输出电流。
作为本发明的进一步改进，所述计算目标空气流量，具体包括：
根据目标输出电流计算目标输出电压；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
作为本发明的进一步改进，所述计算目标氢气流量，具体包括：根据以下公式计算得到目标氢气流量；
Figure BDA0002490218980000041
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
作为本发明的进一步改进，还包括：
检测模块，用于检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，否则正常启动。
本发明氢燃料电池低温冷启动方法及系统通过设定目标升温速率和目标温度，计算得到目标空气流量和目标氢气流量，并在PTC对燃料电池冷却系统进行加热的同时启动燃料电池，利用燃料电池的氢气侧和氧气测浓差过电势拉低燃料电池对外输出效率，将尽可能多的化学能转化为热能用于燃料电池堆本体加热。使得燃料电池迅速暖机，使燃料电池在最合适的温度区间转换至正常输出功率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例中氢燃料电池低温冷启动方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
在本发明实施例中，浓差过电势是指：燃料电池电化学反应不断消耗氧气，导致燃料电池空气系统实际供给氧气分压力(等效于浓度)与阴极催化剂层内氧气分压力不同，氧气分压力差值表现为气体扩散层内的压力梯度、促进氧气朝着催化剂层扩散，催化剂层内氧气分压力越低则氧气还原反应的活化过电势越高，结合活化过电势升高与氧气分压力差异，从而量化为浓差过电势。
结合燃料电池电压公式：V＝Voc-ηact-ηohm-ηcon，即输出电压＝燃料电池内部电势差-活化过电压-欧姆过电压-浓度差过电压。
可知：通过提高浓度过电势而使燃料电池输出电压降低并提高内部发热量，是最为有效的一种方式：理论可逆电势是固定的，活化极化与温度相关而温度是环境与系统共同决定的，欧姆极化与水含量和温度相关而水含量必须精确控制以抑制结冰，浓差极化与空气过量系数和空气压力相关且是灵活可调的。
如图1所示，为本发明实施例中氢燃料电池低温冷启动方法，该方法包括以下步骤：
步骤S110、设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
步骤S120、根据目标升温速率计算目标输出电流；
具体包括以下步骤：
步骤S121、根据目标升温速率计算升温需求热功率；其中，升温需求热功率等于目标升温速率乘以热容。
步骤S122、根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
步骤S123、根据总需求功率计算目标输出电流。
步骤S130、计算目标空气流量和目标氢气流量；
其中，计算目标空气流量具体包括以下步骤：
根据目标输出电流计算目标输出电压；其中，燃料电池DC/DC变换器采用输入电压控制方式；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
燃料电池输出电流中，刨除过量空气系数所对应的氧气全部发生电化学反应所能提供的电流，即为氢泵效应在空气路生成的电流，根据氢泵效应公式，可计算氢气流量。氢泵效应公式如下：
Figure BDA0002490218980000061
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
步骤S140、在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；
步骤S150、通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
步骤S160、通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
步骤S170、当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
在本实施例中，在设定燃料电池目标升温速率和目标温度，之前还包括步骤：
检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，即进行上述步骤，否则正常启动。
本发明实施例还提供了一种氢燃料电池低温冷启动系统，该系统包括：
设定模块，用于设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
第一计算模块，用于根据目标升温速率计算目标输出电流；具体包括：
根据目标升温速率计算升温需求热功率；
根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
根据总需求功率计算目标输出电流。
第二计算模块，用于计算目标空气流量和目标氢气流量；
其中，计算目标空气流量具体包括以下步骤：
根据目标输出电流计算目标输出电压；其中，燃料电池DC/DC变换器采用输入电压控制方式；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
燃料电池输出电流中，刨除过量空气系数所对应的氧气全部发生电化学反应所能提供的电流，即为氢泵效应在空气路生成的电流，根据氢泵效应公式，可计算氢气流量。氢泵效应公式如下：
Figure BDA0002490218980000071
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
启动模块，用于在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；
第一调节模块，用于通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
第二调节模块，由于通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
所述第一调节模块和第二调节模块还用于当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
在本实施例中，该系统还包括：
检测模块，用于检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，否则正常启动。
本发明氢燃料电池低温冷启动方法及系统通过设定目标升温速率和目标温度，计算得到目标空气流量和目标氢气流量，并在PTC对燃料电池冷却系统进行加热的同时启动燃料电池，利用燃料电池的氢气侧和氧气测浓差过电势拉低燃料电池对外输出效率，将尽可能多的化学能转化为热能用于燃料电池堆本体加热。使得燃料电池迅速暖机，使燃料电池在最合适的温度区间转换至正常输出功率。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池低温冷启动方法，其特征在于，包括：
设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
根据目标升温速率计算目标输出电流；
计算目标空气流量和目标氢气流量；
在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；
通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池低温冷启动方法，其特征在于，所述根据目标升温速率计算目标输出电流，具体包括：
根据目标升温速率计算升温需求热功率；
根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
根据总需求功率计算目标输出电流。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池低温冷启动方法，其特征在于，所述计算目标空气流量，具体包括：
根据目标输出电流计算目标输出电压；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池低温冷启动方法，其特征在于，所述计算目标氢气流量，具体包括：根据以下公式计算得到目标氢气流量；
Figure FDA0002490218970000021
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池低温冷启动方法，其特征在于，上述设定燃料电池目标升温速率和目标温度，之前还包括：
检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，否则正常启动。
6.一种氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，包括：
设定模块，用于设定燃料电池目标升温速率和目标温度；
第一计算模块，用于根据目标升温速率计算目标输出电流；
第二计算模块，用于计算目标空气流量和目标氢气流量；
启动模块，用于在PTC对燃料电池冷却系统进行加热时启动燃料电池；
第一调节模块，用于通过调节空压机转速以达到所述目标空气流量；
第二调节模块，由于通过调节比例阀以达到所述目标氢气流量；
所述第一调节模块和第二调节模块还用于当燃料电池温度达到所述目标温度后，将空气流量和氢气流量配比调节至正常输出功率对应值。
7.如权利要求6所述的氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，所述根据目标升温速率计算目标输出电流，具体包括：
根据目标升温速率计算升温需求热功率；
根据升温需求热功率和需求输出功率得到总需求功率；
根据总需求功率计算目标输出电流。
8.如权利要求6所述的氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，所述计算目标空气流量，具体包括：
根据目标输出电流计算目标输出电压；
根据燃料电池温度和所述目标输出电流查询燃料电池参照极化曲线，得到燃料电池在参照工作条件下的参照输出电压；
根据所述参照输出电压和目标输出电压之差计算浓差过电势；
根据浓差过电势查询燃料电池浓差过电势空气配给流量表，得到过量空气系数；
根据所述目标输出电流和过量空气系数计算得到目标空气流量。
9.如权利要求6所述的氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，所述计算目标氢气流量，具体包括：根据以下公式计算得到目标氢气流量；
Figure FDA0002490218970000031
其中，QH2为目标氢气流量，IFC为目标输出电流，St可通过查询燃料电池工况特性氢气流量标定参数表得到。
10.如权利要求6所述的氢燃料电池低温冷启动系统，其特征在于，还包括：
检测模块，用于检测环境温度是否满足低温冷启动要求，若是则进行低温冷启动，否则正常启动。
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