CN112803043B - 一种燃料电池动力系统及其低温启动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池动力系统，包括氢空燃料电池电堆，以及分别与氢空燃料电池电堆连接的氢气供给单元、空气供给单元、动力热管理单元和电气控制单元，氢气供给单元保证低温启动与运行时的供氢、排氢、排水正常，动力热管理单元分为内层循环结构和外层循环结构，通过换热器进行热量传递，用于低温加热快速启动和运行散热的双向双层热量传递；还公开了其低温启动控制方法，分三个温度区间针对氢气供给单元、空气供给单元、动力热管理单元及电气控制单元采用不同的控制策略，使燃料电池动力系统快速低温启动。

Description

一种燃料电池动力系统及其低温启动控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，特别是一种燃料电池动力系统及其低温启动控制方法。
背景技术
燃料电池动力系统是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的电化学发电装置，具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点。它可用于新能源汽车、孤岛电源、水下电源、航空电源、固定电站等诸多领域。
燃料电池发电是电化学反应过程，产生电能直接受到膜电极和催化剂性能影响，必须满足膜电极和催化剂的反应条件。燃料电池最佳运行温度在72℃左右，但是作为应用于汽车燃料电池动力系统，其运行环境温度变化范围非常大，要求在-40℃环境下快速启动运行。而电堆在0℃以下发电性能就大大下降，在-10℃以下就必须借助外部加热或其它控制方法使电堆输出电能。同时在-40℃环境下一些电气设备基本不能正常运行，如：电磁阀、氢泵、水泵、空压机系统、直流变换器等，氢气的排水及排氢阀低于0℃时存在水结冰破坏阀门转子，低于-20℃时水泵和空压机等控制性能就失效，难以保证在低温启动时有效安全控制燃料电池动力系统运行，所以必须设计一种燃料电池动力系统及其控制方法满足燃料电池使用环境条件，推进燃料电池动力系统产业化进程。
现有的燃料电池汽车的燃料电池动力系统结构分为：空气供给系统、氢气供给系统、电气控制系统、发动机电堆冷却及附件、发动机电气冷却及附件、整车动力系统电气冷却及附件，且互不干交叉，低温启动和散热都是分开的，给整车增加了很多设备，同时能消耗高、耐久性和经济性差。
同时现有的燃料电池低温启动方法如：直接氧化放热法、氢氧燃烧放热法、金属板通电加热法等，不实用且很难在整车应用实现，同时其它的一些低温启动方法，只考虑某一方面的应用，且没有考虑燃料电池动力系统的整体低温启动要求和运行散热性能需求，特别是一些冷却液加热方法，只考虑快速给电堆升温，没有考虑电堆的温升特性，使电堆最短时间快速加温同时避免温升冲击太快伤害电堆，所以必须寻求一种高效、综合、实用的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，实现燃料电池动力系统在低至-40℃低温时的快速启动，为燃料电池汽车的产业化奠定技术基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池动力系统，包括氢空燃料电池电堆、氢气供给单元、空气供给单元、通过冷却液实现内外层热量交换的内层循环结构和外层循环结构以及电气控制单元；所述的氢气供给单元包括分别与氢气进口和氢气出口连接的供氢支路和尾排支路，所述的供氢支路由顺序连接的流量计、稳压阀、温压传感器和进气电磁阀构成，稳压阀上还连接有氢气循环泵，所述的尾排支路由连接氢气出口的温湿压传感器、气水分离器、通过排气电磁阀从气水分离器引出的排气支路以及通过排水电磁阀从气水分离器引出的排水支路组成，气水分离器同时与氢气循环泵连接，所述的进气电磁阀、排气电磁阀、排水电磁阀和氢气循环泵均带低温加热功能；所述的空气供给单元包括与空气进口和空气出口连接的膜增湿器，所述的膜增湿器分别通过中冷器和电子节气门连接空压机和空气尾排口；所述的内层循环结构和外层循环结构之间连接有对内外层冷却液进行热量传递的换热器，用于低温加热快速启动和运行散热的双向双层热量传递；所述的内层循环结构包括水泵一、三通调节阀、PTC加热器一和换热器一次侧；换热器的一次侧入口与三通调节阀的出口2相连，换热器的一次侧出口与水泵一的入口相连，水泵一的入口与换热器的出口及PTC加热器一出口相连，水泵一的出口与氢空燃料电池电堆的冷却进口相连，水泵一带低温自加热功能；所述三通调节阀的入口1与氢空燃料电池电堆的冷却出口相连，三通调节阀的出口2与换热器的一次侧入口相连，三通调节阀的出口2与PTC加热器一相连；所述的电气控制单元包括启动保护电路、与启动保护电路连接的直流变换器和分别与氢气供给单元、空气供给单元、内层循环结构和外层循环结构连接的主控制器；所述的外层循环结构包括换热器二次侧、三通调节阀、PTC加热器二、水泵二和风冷散热器；所述的水泵二的出口管路分多个并联分支，分别与直流变换器的冷却入口、启动保护电路的冷却入口、中冷器的冷却入口、空压机控制器及空压机的冷却入口相连，水泵二带低温自加热功能；直流变换器的冷却出口、启动保护电路的冷却出口、中冷器的冷却出口、空压机控制器及空压机的冷却出口管路合并后与换热器二次侧的进口相连，所述的换热器二次侧的出口与PTC加热器二和风冷散热器相连，所述的三通调节阀的入口1与PTC加热器二相连，三通调节阀的入口2与风冷散热器相连，三通调节阀的出口与水泵二的入口相连。
一种燃料电池动力系统的低温启动控制方法，根据氢空燃料电池电堆热量，冷却液比热容、温度的关系，根据算法控制PTC加热器一和PTC加热器二变功率工作，使氢空燃料电池电堆最短时间快速加温同时避免温升冲击太快伤害电堆；燃料电池动力系统低温启动控制方法通过设计低温三区间分别对氢气供给单元、空气供给单元、内层循环结构和外层循环结构不同的启动控制方法，以及直流变换器的多阶段变载恒流控制启动方法，使燃料电池动力系统实现快速低温启动。
进一步，低温时，需给燃料电池动力系统加热，首先外层循环结构控制三通调节阀的入口1与PTC加热器二支路导通，启动PTC加热器二，启动水泵二自加热启动给自身加热，直到到达启动温度时启动水泵二运行，给启动保护电路、中冷器、空压机控制器及空压机加热，通过换热器的二次侧传导至一次侧加热给内层循环结构加热；同时内层循环结构控制三通调节阀与换热器支路导通，启动水泵一自加热启动给自身加热，直至到达启动温度时启动水泵一运行，给氢空燃料电池电堆低温缓慢加热，避免低温热冲击损坏氢空燃料电池电堆；待氢空燃料电池电堆温度加到一定温度值时，启动PTC加热器一，控制三通调节阀同时连接PTC加热器一和换热器支路，一起快速给氢空燃料电池电堆加热，等待温度达到氢空燃料电池电堆启动条件，停止PTC加热器一加热。
进一步，启动温度分为[s1，s2]、[s2，s3]、[s3，s4]三个不同温度区间，s1＜s2＜s3＜s4，定义环境温度为Ta、外层冷却液温度为Tb、内层冷却液温度为Tc，根据不同温度区间按照如下步骤进行低温启动：在Ta≤s4时，进气电磁阀、排气电磁阀、排水电磁阀和氢气循环泵启动自加热；在Ta＞s4时，进气电磁阀、排气电磁阀、排水电磁阀和氢气循环泵停止自加热；在s1≤Tb＜s2时，水泵二启动自加热，PTC加热器二工作；在s2≤Tb＜s4时，水泵二保持正常运转并停止自加热，PTC加热器二停止工作；在s2≤Tc≤s3时，空压机为氢空燃料电池电堆提供加热用空气，融化存在的冰并将水带出；在s3＜Tc≤s4时，空压机为氢空燃料电池电堆提供过量空气以吹扫清除生成的水；当Tc＞s4时，空压机根据空气出口的空气湿度为氢空燃料电池电堆提供启动发电用空气；在s1≤Tc＜s2时，水泵一启动运转，PTC加热器一工作；在s2≤Tc＜s3时，PTC加热器一停止工作，PTC加热器一为降额工作模式；在s3≤Tc≤s4时，氢空燃料电池电堆发电产生热量，PTC加热器一为再次降额工作模式；在Tc＞s4时，氢空燃料电池电堆满足自启动条件，PTC加热器一停止工作；在s3≤Tc＜s4时，直流变换器控制电能输出以变载速率加载电流，直到恒流放电；在Tc≥s4时，直流变换器控制电能输出，以变载速率加载电流，直到放电稳定，动力系统低温启动成功。
进一步，所述的三个温度区间分别为[-40℃，-20℃]、[-20℃，-10℃]、[-10℃，0℃]
所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其空气供给单元在低温启动时，根据不同温度区间采用不同低温启动控制方法，使空压机工作状态分为低温压缩加热控制状态、低温发电控制状态、正常控制状态：当-20≤Tc＜-10时，空压机处于低温压缩加热控制状态，保证气体快速升温，融化存在的冰并将水带出电堆；当-10≤Tc≤0时，空压机处于低温发电控制状态，以进入电堆空气的压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在5～8倍，吹扫清除生成的水，防止电堆内部冷冻结冰；当0＜Tc时，空压机处于正常控制状态，电堆启动发电，以进入电堆空气的压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在2～4倍。
所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其外层循环结构低温启动控制方法为：当-40≤Tb＜-20时，水泵二自加热且运转启动，PTC加热器二工作给外层冷却液快速加温；当-20≤Tb≤0时，水泵二自加热停止但运转正常、PTC加热器二停止工作。
所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其内层循环结构低温启动控制方法为：当-40≤Tc＜-20时，水泵一自加热且运转启动，PTC加热器一额定状态工作；当-20≤Tc＜-10时，水泵一自加热停止，PTC加热器一变功率工作；当-10≤Tc≤0时，PTC加热器一变功率加热；当0≤Tc时，电堆满足自启动条件，PTC加热器一停止工作。
所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其多阶段变载恒流控制启动方法为：当Tc≤-10时，直流变换器不控制电能输出；当-10≤Tc≤0时，直流变换器控制电能输出以5mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到100mA/cm2恒流放电；当0≤Tc时，直流变换器控制电能输出，以50mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到1000mA/cm2恒流放电，稳定持续5min，动力系统低温启动成功
本发明与现有技术相比，其优点是：
1，燃料电池动力系统结构更加优化，简化对外接口便于整车应用；
2，内层循环结构和外层循环结构组成的动力热管理单元设计低温启动自加热，以及内层结构和外层结构，通过换热器实现双向双层热量传递结构，便于低温快速启动和正常运行散热；
3，电堆温升算法采用电堆热量、比热容、温度的关系，根据算法控制PTC加热器一和PTC加热器二变功率工作，使电堆最短时间快速加温同时避免温升冲击太快伤害电堆；
4，集多种热管理方式于一体，根据不同的环境和电堆温度采用多区间不同低温启动策略，以及分段变载恒流控制启动方法，提高了燃料电池发动机实用性、经济性、耐久性。
总之，本发明燃料电池动力系统的优点是集合气体供给、发电、电能变换、电气保护、动力热管理于一体，简化对外接口便于整车应用；燃料电池动力系统低温启动控制方法优点是集多低温启动方式于一体，根据不同的环境和电堆温度采用三区间不同低温启动策略，以及分段变载恒流控制启动方法，满足燃料电池动力系统实际应用需求，提高燃料电池动力系统实用性、经济性、耐久性。
附图说明
图1为本发明系统的结构原理图；
图2为本发明系统低温启动控制方法流程图。
各附图标记为：1—氢空燃料电池电堆，2—氢气供给单元，21—流量计，22—稳压阀，23—温压传感器，24—氢气循环泵，25—气水分离器，26—进气电磁阀，27—排气电磁阀，28—排水电磁阀，3—空气供给单元，32—空压机，33—中冷器，34—膜增湿器，35—温湿压传感器，36—电子节气门，4—内层循环结构，41—换热器，42—三通调节阀，43—电导率传感器，44—水泵一，45—PTC加热器一，5—外层循环结构，51—风冷散热器，52—PTC加热器二，53—水泵二，54—三通调节阀，55—温压传感器，6—电气控制单元，61—主控制器，62—启动保护电路，63—直流变换器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1，本发明公开的燃料电池动力系统包括氢空燃料电池电堆1、氢气供给单元2、空气供给单元3、内层循环结构4和外层循环结构5、电气控制单元6。其中氢气供给单元2设计电磁阀及氢泵自加热，保证低温启动与运行时供氢、排氢、排水正常；氢气供给单元2包括分别与氢气进口和氢气出口连接的供氢支路和尾排支路，所述的供氢支路由顺序连接的流量计21、稳压阀22、温压传感器23和进气电磁阀26构成，稳压阀22上还连接有氢气循环泵24，所述的尾排支路由连接氢气出口的温湿压传感器35、气水分离器25、通过排气电磁阀27从气水分离器25引出的排气支路以及通过排水电磁阀28从气水分离器25引出的排水支路组成，气水分离器25同时与氢气循环泵24连接，所述的进气电磁阀26、排气电磁阀27、排水电磁阀28和氢气循环泵24均带低温加热功能；内层循环结构4包括水泵一44、三通调节阀42、电导率传感器43、PTC加热器一45和换热器41一次侧；换热器41的一次侧入口与三通调节阀42的出口2相连，换热器41的一次侧出口与水泵一44的入口相连，水泵一44的入口与换热器41的出口及PTC加热器一45出口相连，水泵一44的出口与氢空燃料电池电堆1的冷却进口相连，水泵一44带低温自加热功能；所述三通调节阀42的入口1与氢空燃料电池电堆1的冷却出口相连，三通调节阀42的出口2与换热器41的一次侧入口相连，三通调节阀42的出口2与PTC加热器一45相连；外层循环结构5包括换热器41二次侧、三通调节阀54、PTC加热器二52、水泵二53和风冷散热器51；所述的水泵二53的出口管路分多个并联分支，分别与直流变换器63的冷却入口、启动保护电路62的冷却入口、中冷器33的冷却入口、空压机控制器及空压机32的冷却入口相连，水泵二53带低温自加热功能；直流变换器63的冷却出口、启动保护电路62的冷却出口、中冷器33的冷却出口、空压机控制器及空压机32的冷却出口管路合并后与换热器41二次侧的进口相连，所述的换热器41二次侧的出口与PTC加热器二52和风冷散热器51相连，所述的三通调节阀54的入口1与PTC加热器二52相连，三通调节阀54的入口2与风冷散热器51相连，三通调节阀54的出口与水泵二53的入口相连。
空气供给单元3包括与空气进口和空气出口连接的膜增湿器34，所述的膜增湿器34分别通过中冷器33和电子节气门36连接空压机32和空气尾排口；内层循环结构4和外层循环结构5之间连接有对内外层冷却液进行热量传递的换热器41，用于低温加热快速启动和运行散热的双向双层热量传递；电气控制单元6包括启动保护电路62、与启动保护电路62连接的直流变换器63和分别与氢气供给单元2、空气供给单元3、内层循环结构4和外层循环结构5连接的主控制器61。
所述的内层循环结构4包括水泵一44、三通调节阀42、PTC加热器一45和换热器41一次侧；换热器41的一次侧入口与三通调节阀42的出口2相连，换热器41的一次侧出口与水泵一44的入口相连，水泵一44的入口与换热器41的出口及PTC加热器一45出口相连，水泵一44的出口与氢空燃料电池电堆1的冷却进口相连，水泵一44带低温自加热功能；所述三通调节阀42的入口1与氢空燃料电池电堆1的冷却出口相连，三通调节阀42的出口2与换热器41的一次侧入口相连，三通调节阀42的出口2与PTC加热器一45相连；所述的外层循环结构5包括换热器41二次侧、三通调节阀54、PTC加热器二52、水泵二53和风冷散热器51；风冷散热器51上设置有温压传感器55，所述的水泵二53的出口管路分多个并联分支，分别与直流变换器63的冷却入口、启动保护电路62的冷却入口、中冷器33的冷却入口、空压机控制器及空压机32的冷却入口相连，水泵二53带低温自加热功能；直流变换器63的冷却出口、启动保护电路62的冷却出口、中冷器33的冷却出口、空压机控制器及空压机32的冷却出口管路合并后与换热器41二次侧的进口相连，所述的换热器41二次侧的出口与PTC加热器二52和风冷散热器51相连，所述的三通调节阀54的入口1与PTC加热器二52相连，三通调节阀54的入口2与风冷散热器51相连，三通调节阀54的出口与水泵二53的入口相连。
动力热管理单元通过换热器41进行内层结构和外层结构热量传递，实现低温加热快速启动和运行散热的双向双层热量传递。电堆温升算法采用电堆热量、比热容、温度的关系，根据算法控制PTC加热器一45和PTC加热器二52变功率工作，使电堆最短时间快速加温同时避免温升冲击太快伤害电堆；如图2所示，燃料电池动力系统低温启动控制方法设计低温三区间氢气供给单元2、空气供给单元3、动力热管理单元不同的启动控制方法，以及直流变换器63多阶段变载恒流控制启动方法，使燃料电池动力系统快速低温启动。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，电堆温升算法采用电堆热量、比热容、温度的关系，根据算法控制PTC加热器一45和PTC加热器二52变功率工作，使电堆最短时间快速加温同时避免温升冲击太快伤害电堆。
电堆比热容与温度关系公式：C(T)＝aT+b。
电堆热量公式：
Figure BDA0002881369240000101
假设电堆的单位时间最大温升ΔT，NΔT(N＝1,2,3......n)电堆的理论吸热量：
Figure BDA0002881369240000102
实际电堆吸热量：Qstack,n＝QH2,n+QO2,n+Qptc,n+Qe,n。
其中，Qstack,n，Qptc,n可以通过温度测量和控制量获知，则：
QH2,n+QO2,n+Qe,n＝Qstack,n-Qptc,n。
在n+1时刻的理论热量：
Figure BDA0002881369240000103
QH2,n+1,QO2,n+1,Qe,n+1值未知，在控制上可沿用上一时刻段值，即：
QH2,n+1+QO2,n+1+Qe,n+1＝Qstack,n-Qptc,n。
则PTC理论加热量Qptc,n+1＝Q'(Tn+1)-(Qstack,-Qptc,n)。
由于在发动机低温启动过程中逐步加入QH2,QO2,Qe，且量值增大，所以Qptc是减少的过程。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，低温度三区间不同的氢气供给单元2、空气供给单元3、动力热管理单元的启动控制方法，监测环境温度Ta、外层循环结构5外冷却液温度Tb、内循环结构电堆出口处内冷却液温度Tc，在[-40℃，-20℃]、[-20℃，-10℃]、[-10℃，0℃]三个不同温度区间的，氢气供给单元2、空气供给单元3、动力热管理单元采用不同的启动控制方法。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，氢气供给单元2设计电磁阀及氢泵自加热，在低温启动Ta≤0时，进气电磁阀26、氢气循环泵24、排气电磁阀27、排水电磁阀28的自加热启动，防止低温情况下进气电磁阀26不能工作，排气电磁阀27和排水电磁阀28存在水结冰破坏阀门转子；0＜Ta时，进气电磁阀26、氢气循环泵24、排气电磁阀27、排水电磁阀28的自加热停止。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，空气供给单元3在低温启动时，根据不同温度区间采用不同低温启动控制方法，使空压机32工作状态分为低温压缩加热控制状态、低温发电控制状态、正常控制状态。
当-20≤Tc≤-10时，空压机32处于低温压缩加热控制状态，保证气体快速升温，进入电堆的空气以压力和温度为控制目标，空气主要用于电堆加热，融化存在的冰，并将水带出电堆；当-10≤Tc≤0时，空压机32处于低温发电控制状态，进入电堆的空气以压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在5～8倍，吹扫清除生成的水，防止电堆内部冷冻结冰；当0≤Tc时，空压机32处于正常控制状态，电堆启动发电，进入电堆的空气以压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在2～4倍。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，动力热管理单元在低温启动时，根据不同温度区间采用不同低温启动控制方法。
动力热管理单元外层循环结构5低温启动控制方法：当-40≤Tb≤-20时，水泵自加热且运转启动，加热器工作给冷却液快速加温；当-20≤Tb≤0时，水泵自加热停止但运转正常、加热器停止工作。
动力热管理单元内层循环结构4低温启动控制方法：当-40≤Tc≤-20时，水泵自加热且运转启动，加热器额定工作；当-20≤Tc≤-10时，水泵自加热停止，电堆温升热量由氢泵加热氢气循环给电堆加热量、空气给电堆加热量、加热器冷却液加热电堆量共同确定，但是防止温升过快伤害电堆，加热器必须降额工作，加热功率由权利4算法确定，通过PWM调节控制加热器变功率工作；当-10≤Tc≤0时，电堆温升热量由氢泵加热氢气循环给电堆加热量、空气给电堆加热量、电堆发电产生热量、加热器冷却液加热电堆量共同确定，但是防止温升过快伤害电堆，加热器必须再次降额工作，加热功率由权利4算法确定，通过PWM调节控制加热器变功率加热；当0≤Tc时，电堆满足自启动条件，加热器停止工作。
所述的燃料电池动力系统及其低温启动控制方法，直流变换器6多阶段变载恒流控制启动方法：当Tc≤-10时，直流变换器6不控制电能输出；当-10≤Tc≤0时，直流变换器6控制电能输出以5mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到100mA/cm2恒流放电；当0≤Tc时，直流变换器6控制电能输出，以50mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到1000mA/cm2恒流放电，稳定持续5min，动力系统低温启动成功。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (9)

1.一种燃料电池动力系统，其特征在于：包括氢空燃料电池电堆（1）、氢气供给单元（2）、空气供给单元（3）、通过冷却液实现内外层热量交换的内层循环结构（4）和外层循环结构（5）以及电气控制单元（6）；
所述的氢气供给单元（2）包括分别与氢气进口和氢气出口连接的供氢支路和尾排支路，所述的供氢支路由顺序连接的流量计（21）、稳压阀（22）、温压传感器（23）和进气电磁阀（26）构成，稳压阀（22）上还连接有氢气循环泵（24），所述的尾排支路由连接氢气出口的温湿压传感器（35）、气水分离器（25）、通过排气电磁阀（27）从气水分离器（25）引出的排气支路以及通过排水电磁阀（28）从气水分离器（25）引出的排水支路组成，气水分离器（25）同时与氢气循环泵（24）连接，所述的进气电磁阀（26）、排气电磁阀（27）、排水电磁阀（28）和氢气循环泵（24）均带低温加热功能；
所述的空气供给单元（3）包括与空气进口和空气出口连接的膜增湿器（34），所述的膜增湿器（34）分别通过中冷器（33）和电子节气门（36）连接空压机（32）和空气尾排口；
所述的内层循环结构（4）和外层循环结构（5）之间连接有对内外层冷却液进行热量传递的换热器（41），用于低温加热快速启动和运行散热的双向双层热量传递；
所述的内层循环结构（4）包括水泵一（44）、三通调节阀（42）、PTC加热器一（45）和换热器（41）一次侧；换热器（41）的一次侧入口与三通调节阀（42）的出口2相连，换热器（41）的一次侧出口与水泵一（44）的入口相连，水泵一（44）的入口与换热器（41）的出口及PTC加热器一（45）出口相连，水泵一（44）的出口与氢空燃料电池电堆（1）的冷却进口相连，水泵一（44）带低温自加热功能；所述三通调节阀（42）的入口1与氢空燃料电池电堆（1）的冷却出口相连，三通调节阀（42）的出口2与换热器（41）的一次侧入口相连，三通调节阀（42）的出口2与PTC加热器一（45）相连；
所述的电气控制单元（6）包括启动保护电路（62）、与启动保护电路（62）连接的直流变换器（63）和分别与氢气供给单元（2）、空气供给单元（3）、内层循环结构（4）和外层循环结构（5）连接的主控制器（61）；
所述的外层循环结构（5）包括换热器（41）二次侧、三通调节阀（54）、PTC加热器二（52）、水泵二（53）和风冷散热器（51）；所述的水泵二（53）的出口管路分多个并联分支，分别与直流变换器（63）的冷却入口、启动保护电路（62）的冷却入口、中冷器（33）的冷却入口、空压机控制器及空压机（32）的冷却入口相连，水泵二（53）带低温自加热功能；直流变换器（63）的冷却出口、启动保护电路（62）的冷却出口、中冷器（33）的冷却出口、空压机控制器及空压机（32）的冷却出口管路合并后与换热器（41）二次侧的进口相连，所述的换热器（41）二次侧的出口与PTC加热器二（52）和风冷散热器（51）相连，所述的三通调节阀（54）的入口1与PTC加热器二（52）相连，三通调节阀（54）的入口2与风冷散热器（51）相连，三通调节阀（54）的出口与水泵二（53）的入口相连。
2.一种如权利要求1所述燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，根据氢空燃料电池电堆（1）热量，冷却液比热容、温度的关系，控制PTC加热器一（45）和PTC加热器二（52）变功率工作，使氢空燃料电池电堆（1）最短时间快速加温同时避免温升冲击太快；通过低温三区间分别对氢气供给单元（2）、空气供给单元（3）、内层循环结构（4）和外层循环结构（5）控制，以及直流变换器（63）的多阶段变载恒流控制，实现快速低温启动。
3.一种如权利要求2所述燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，低温时，需给燃料电池动力系统加热，首先外层循环结构（5）控制三通调节阀（54）的入口1与PTC加热器二（52）支路导通，启动PTC加热器二（52），启动水泵二（53）自加热启动给自身加热，直到到达启动温度时启动水泵二（53）运行，给启动保护电路（62）、中冷器（33）、空压机控制器及空压机（32）加热，通过换热器（41）的二次侧传导至一次侧加热给内层循环结构（4）加热；同时内层循环结构（4）控制三通调节阀（42）与换热器（41）支路导通，启动水泵一（44）自加热启动给自身加热，直至到达启动温度时启动水泵一（44）运行，给氢空燃料电池电堆（1）低温缓慢加热，避免低温热冲击损坏氢空燃料电池电堆（1）；待氢空燃料电池电堆（1）温度加到一定温度值时，启动PTC加热器一（45），控制三通调节阀（42）同时连接PTC加热器一（45）和换热器（41）支路，一起快速给氢空燃料电池电堆（1）加热，等待温度达到氢空燃料电池电堆（1）启动条件，停止PTC加热器一（45）加热。
4.根据权利要求3所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，启动温度分为[s1，s2]、[s2，s3]、[s3，s4]三个不同温度区间，s1＜s2＜s3＜s4，定义环境温度为Ta、外层冷却液温度为Tb、内层冷却液温度为Tc，根据不同温度区间按照如下步骤进行低温启动：
在Ta≤s4时，进气电磁阀（26）、排气电磁阀（27）、排水电磁阀（28）和氢气循环泵（24）启动自加热；在Ta＞s4时，进气电磁阀（26）、排气电磁阀（27）、排水电磁阀（28）和氢气循环泵（24）停止自加热；
在s1≤Tb＜s2时，水泵二（53）启动自加热，PTC加热器二（52）工作；在s2≤Tb＜s4时，水泵二（53）保持正常运转并停止自加热，PTC加热器二（52）停止工作；
在s2≤Tc≤s3时，空压机（32）为氢空燃料电池电堆（1）提供加热用空气，融化存在的冰并将水带出；在s3＜Tc≤s4时，空压机（32）为氢空燃料电池电堆（1）提供过量空气以吹扫清除生成的水；当Tc＞s4时，空压机（32）根据空气出口的空气湿度为氢空燃料电池电堆（1）提供启动发电用空气；
在s1≤Tc＜s2时，水泵一（44）启动运转，PTC加热器一（45）工作；在s2≤Tc＜s3时，PTC加热器一（45）停止工作，PTC加热器一（45）为降额工作模式；在s3≤Tc≤s4时，氢空燃料电池电堆（1）发电产生热量，PTC加热器一（45）为再次降额工作模式；在Tc＞s4时，氢空燃料电池电堆（1）满足自启动条件，PTC加热器一（45）停止工作；
在s3≤Tc＜s4时，直流变换器（63）控制电能输出以变载速率加载电流，直到恒流放电；在Tc≥s4时，直流变换器（63）控制电能输出，以变载速率加载电流，直到放电稳定，动力系统低温启动成功。
5.根据权利要求4所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，所述的三个温度区间分别为[-40℃，-20℃]、[-20℃，-10℃]、[-10℃，0℃]。
6.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，所述的空气供给单元（3）在低温启动时，根据不同温度区间采用不同低温启动控制方法，使空压机（32）工作状态分为低温压缩加热控制状态、低温发电控制状态、正常控制状态：
当-20≤Tc＜-10时，空压机（32）处于低温压缩加热控制状态，保证气体快速升温，融化存在的冰并将水带出电堆；当-10≤Tc≤0时，空压机（32）处于低温发电控制状态，以进入电堆空气的压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在5～8倍，吹扫清除生成的水，防止电堆内部冷冻结冰；当0＜Tc时，空压机（32）处于正常控制状态，电堆启动发电，以进入电堆空气的压力和流量为控制目标，根据电堆出口空气湿度，控制空气过量系数在2～4倍。
7.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，所述的外层循环结构（5）低温启动控制方法为：
当-40≤Tb＜-20时，水泵二（53）自加热且运转启动，PTC加热器二（52）工作给外层冷却液快速加温；当-20≤Tb≤0时，水泵二（53）自加热停止但运转正常、PTC加热器二（52）停止工作。
8.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，所述的内层循环结构（4）低温启动控制方法为：
当-40≤Tc＜-20时，水泵一（44）自加热且运转启动，PTC加热器一（45）额定状态工作；当-20≤Tc＜-10时，水泵一（44）自加热停止，PTC加热器一（45）变功率工作；当-10≤Tc≤0时，PTC加热器一（45）变功率加热；当0≤Tc时，电堆满足自启动条件，PTC加热器一（45）停止工作。
9.根据权利要求5所述的燃料电池动力系统的低温启动控制方法，其特征在于，所述的多阶段变载恒流控制启动方法为：当Tc≤-10时，直流变换器（63）不控制电能输出；当-10≤Tc≤0时，直流变换器（63）控制电能输出以5 mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到100 mA/cm2 恒流放电；当0≤Tc时，直流变换器（63）控制电能输出，以 50mA/cm2/s的变载速率加载电流，直到1000 mA/cm2 恒流放电，稳定持续5 min，动力系统低温启动成功。
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高温甲醇燃料电池热管理系统设计;李毅等;《化工进展》;20200410;第916-923页 *

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