CN113299949A - 具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法，包括小循环回路、氢气加热子系统、空气加热子系统和控制装置，小循环回路的两端连接于燃料电池电堆上，小循环回路用于对燃料电池电堆进行加热，氢气加热子系统连接于氢气气路上，并用于对经氢气气路进入燃料电池电堆的氢气进行加热，空气加热子系统连接于空气气路上，并用于对经空气气路进入燃料电池电堆的空气进行加热，控制装置用于基于冷却液的出堆温度实测值，控制小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统，在低温冷启动工况下加热。本申请能够解决相关技术中低温冷启动工况下燃料电池电堆启动速率较慢的问题。

Description

具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池与自动控制领域，特别涉及一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法。

背景技术

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

燃料电池的种类众多，其中有一类称之为质子交换膜燃料电池，这种燃料电池是采用能传导质子的固态高分子薄膜材料作为电解质。而这种由固态高分子薄膜材料制作而成的电解质，其具有高功率-质量比和低工作温度、能量转化效率高、响应迅速，以及零排放等优点，是一种能够应用于固定和移动装置的理想材料，也被视作具备良好发展前景的汽车动力源。

燃料电池系统中的一个重要的子系统便是热管理系统，采用热管理系统，其中一个重要功能是保证燃料电池系统可以在低温环境下快速冷启动。

在一些相关技术方案中，在岐块、回氢泵、吹扫阀等几个零件设置了温度传感器和电加热板，在进行低温冷启动控制时，利用冷却液经过换热器对空气进行加热，但这种方案并未考虑对氢气进行加热，同时，由于只有当冷却液及岐块、回氢泵、吹扫阀等几个零件的温度到达预定温度后，燃料电池才会启动。而上述相关技术方案的冷启动方式，不仅启动速率较慢，而且通常认为，只有当燃料电池电堆的电流达到怠速电流时，燃料电池系统才算进入正常工作状态，才具备对外稳定输出电流的条件，而在达到怠速电流之前产生的电能，实际上是不具备对外稳定输出电流的条件，这部分电能的品质较低，得不到有效利用，如果让燃料电池电堆长时间处于这种状态，那么势必会对燃料电池电堆的寿命造成影响。

发明内容

本申请实施例提供一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法，以解决相关技术中低温冷启动工况下燃料电池电堆启动速率较慢的问题。

第一方面，提供了一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统，其包括：

小循环回路，所述小循环回路的两端连接于燃料电池电堆上，所述小循环回路用于对所述燃料电池电堆进行加热；

氢气加热子系统，所述氢气加热子系统连接于氢气气路上，并用于对经所述氢气气路进入所述燃料电池电堆的氢气进行加热；

空气加热子系统，所述空气加热子系统连接于空气气路上，并用于对经所述空气气路进入所述燃料电池电堆的空气进行加热；

控制装置，其用于基于冷却液的出堆温度实测值，控制所述小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统，在低温冷启动工况下加热。

一些实施例中，所述小循环回路包括第一管路，所述第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和用于测量冷却液的出堆温度实测值的第一温度传感器；

所述氢气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入氢气的第二管路，以及设于所述第二管路上、并用于测量氢气的进堆温度实测值的第三温度传感器；

所述氢气加热子系统包括第三管路，所述第三管路通过第一旁通阀将所述换热器并联于所述第二管路上；

所述空气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入空气的第四管路，以及设于所述第四管路上的增湿器；

所述空气加热子系统包括设于所述第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，所述空压机位于增湿器上游；

所述控制器还用于基于环境温度、冷却液的出堆温度实测值、氢气的进堆温度实测值，获取所述水泵的目标转速、第一旁通阀的目标开度，以控制所述小循环回路、氢气加热子系统加热。

一些实施例中，所述空气气路还包括设于所述第四管路上、并用于测量空气的进堆温度实测值的第四温度传感器；

所述空气加热子系统还包括设于所述第四管路上、并位于所述空压机和增湿器之间的第二旁通阀，以及第五管路，所述第五管路一端连接于所述第二旁通阀，另一端位于所述增湿器的下游、连接于所述第四管路上；

所述控制器还用于基于环境温度和空气的进堆温度实测值，获取所述第二旁通阀的目标开度，以控制所述空气加热子系统加热。

第二方面，提供了一种如前所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其包括如下步骤：

所述控制装置接收冷却液的出堆温度实测值，并与冷却液的出堆温度目标值对比；

当冷却液的出堆温度实测值≤冷却液的出堆温度目标值，则判断所述燃料电池电堆处于冷启动模式，并控制所述小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统加热。

一些实施例中，所述小循环回路包括第一管路，所述第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和用于测量冷却液的出堆温度实测值的第一温度传感器；

所述氢气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入氢气的第二管路，以及设于所述第二管路上、并用于测量氢气的进堆温度实测值的第三温度传感器；

所述氢气加热子系统包括第三管路，所述第三管路通过第一旁通阀将所述换热器并联于所述第二管路上；

所述空气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入空气的第四管路，以及设于所述第四管路上的增湿器；

所述空气加热子系统包括设于所述第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，所述空压机位于增湿器上游；

控制所述小循环回路加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于冷却液的出堆温度实测值和冷却液的出堆温度目标值，计算所述所述水泵的目标转速；

通过所述控制装置，控制所述加热装置和换热器运行，以及控制所述水泵，按照其目标转速运行；

控制所述氢气加热子系统加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于环境温度和氢气的进堆温度实测值，计算所述第一旁通阀的目标开度；

通过所述控制装置，控制所述第一旁通阀，按照其目标开度打开。

一些实施例中，计算所述水泵的目标转速，包括如下步骤：

计算冷却液的出堆温度目标值与冷却液的出堆温度实测值的差值，得到第一温度偏差量；

根据所述第一温度偏差量，获取水泵的目标转速。

一些实施例中，计算所述第一旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

通过环境温度，获取氢气的进堆温度目标值；

计算氢气的进堆温度目标值与氢气的进堆温度实测值的差值，得到第二温度偏差量；

根据所述第二温度偏差量，获取第一旁通阀的目标开度。

一些实施例中，所述空气气路还包括设于所述第四管路上、并用于测量空气的进堆温度实测值的第四温度传感器；

所述空气加热子系统还包括设于所述第四管路上、并位于所述空压机和增湿器之间的第二旁通阀，以及第五管路，所述第五管路一端连接于所述第二旁通阀，另一端位于所述增湿器的下游、连接于所述第四管路上；

控制所述空气加热子系统加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于环境温度和空气的进堆温度实测值，计算所述第二旁通阀的目标开度；

通过所述控制装置，控制所述空压机运行，以及控制所述第二旁通阀，按照其目标开度打开。

一些实施例中，计算所述第二旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

通过环境温度，获取空气的进堆温度目标值；

计算空气的进堆温度目标值与空气的进堆温度实测值的差值，得到第三温度偏差量；

根据所述第三温度偏差量，获取第二旁通阀的目标开度。

一些实施例中，还包括如下步骤：

当冷却液的出堆温度实测值达到冷却液的出堆温度目标值，氢气的进堆温度实测值达到氢气的进堆温度目标值，以及空气的进堆温度实测值达到空气的进堆温度目标值时，控制所述氢气气路和空气气路，以使燃料电池电堆电流升至怠速电流，完成低温冷启动。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统及控制方法，通过冷却液的出堆温度实测值，判断当前是否处于低温冷启动工况，若是低温冷启动工况，则控制小循环回路对燃料电池电堆进行加热、氢气加热子系统对氢气进行加热以及空气加热子系统对空气进行加热；由于在低温冷启动工况下，不仅对燃料电池电堆加热，还同时对空气、氢气进行加热，做到协调控制，确保各自都能快速达到预定温度，从而可以使燃料电池电堆快速启动；且对三者进行加热时，同时让燃料电池电堆产生电流，这部分电能会转化成热能加热燃料电池电堆，当燃料电池电堆、空气、氢气温度达到预定温度时，燃料电池电堆本身也已经工作了一段时间，故可使燃料电池电堆的电流快速提升至怠速电流，有效利用了冷启动时燃料电池电堆产生的热能，进一步地缩短了冷启动的时间，避免对燃料电池电堆的寿命造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统示意图；

图2为本申请实施例提供的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法流程图；

图3为本申请实施例提供的控制小循环回路加热流程图；

图4为本申请实施例提供的控制氢气加热子系统加热流程图；

图5为本申请实施例提供的计算水泵的目标转速流程图；

图6为本申请实施例提供的计算第一旁通阀的目标开度流程图；

图7为本申请实施例提供的控制空气加热子系统加热流程图；

图8为本申请实施例提供的计算第二旁通阀的目标开度流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统，其包括小循环回路、氢气加热子系统、空气加热子系统和控制装置，小循环回路的两端连接于燃料电池电堆上，小循环回路用于对燃料电池电堆进行加热，氢气加热子系统连接于氢气气路上，并用于对经氢气气路进入燃料电池电堆的氢气进行加热，空气加热子系统连接于空气气路上，并用于对经空气气路进入燃料电池电堆的空气进行加热，控制装置用于基于冷却液的出堆温度实测值，控制小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统，在低温冷启动工况下加热。

本实施例中的冷却液可以采用水，并通过水泵来使冷却液在小循环回路中流动。

本申请的原理是：通过冷却液的出堆温度实测值，判断当前是否处于低温冷启动工况，若是低温冷启动工况，则控制小循环回路对燃料电池电堆进行加热、氢气加热子系统对氢气进行加热以及空气加热子系统对空气进行加热；由于在低温冷启动工况下，不仅对燃料电池电堆加热，还同时对空气、氢气进行加热，做到协调控制，确保各自都能快速达到预定温度，从而可以使燃料电池电堆快速启动；且对三者进行加热时，同时让燃料电池电堆产生电流，这部分电能会转化成热能加热燃料电池电堆，当燃料电池电堆、空气、氢气温度达到预定温度时，燃料电池电堆本身也已经工作了一段时间，故可使燃料电池电堆的电流快速提升至怠速电流，有效利用了冷启动时燃料电池电堆产生的热能，进一步地缩短了冷启动的时间，避免对燃料电池电堆的寿命造成影响。

为了实现对燃料电池电堆、空气、氢气进行加热，作为一个较好的实施方式，参见图1所示，本实施例中，小循环回路包括第一管路，第一管路的两端连接在燃料电池电堆上，第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和第一温度传感器T1、第二温度传感器T2；第一温度传感器T1用来测量冷却液的出堆温度实测值，第二温度传感器T2用来测量冷却液的进堆温度实测值；为了提高测量的准确性，第一温度传感器T1设置在冷却液出堆处，第二温度传感器T2设置在冷却液入堆处。本实施例中，加热装置包括水箱及加热器，比如采用PTC，在低温冷启动时，加热器用来加热流经水箱的冷却液，快速提升冷却液的温度，以实现对燃料电池电堆的加热，而在对燃料电池电堆的冷却过程中，也即常规启动或燃料电池正常工作情况下，加热器关闭，此时冷却液经水箱可正常流通，水箱相当于一段冷却液流通用的管路，而加热器不会对冷却液加热。

氢气气路包括第二管路和第三温度传感器T3，其中，第二管路与燃料电池电堆连接，氢气可以通过第二管路通入燃料电池电堆，第三温度传感器T3设置在第二管路上，第三温度传感器T3用于测量氢气的进堆温度实测值，为了测量的准确性，第三温度传感器T3设置在氢气入堆处。

氢气加热子系统包括第三管路，第三管路通过第一旁通阀将换热器并联在第二管路上；第一旁通阀可以根据需求调节开度大小，比如，在低温冷启动时，氢气在第二管路中流通，并到达第一旁通阀时，根据需求调节开度大小，一部分氢气离开第一旁通阀，经过换热器，与冷却液换热，从而得以加热，并以较高的温度进入燃料电池电堆，另一部分氢气并未加热，离开第一旁通阀后继续在第二管路中流通，并以较低的温度进入燃料电池电堆，第一旁通阀的开度越大，则经过换热器加热的氢气越多，最后进入燃料电池电堆混合后氢气的温度越高，反之越低。而在常规启动或燃料电池电堆正常工作时，第一旁通阀关闭，无需加热，氢气全部直接经过第二管路进入燃料电池电堆。

为了更好地通过换热器对氢气加热，沿冷却液的流动方向，加热装置、换热器与水泵依次布置。此外，第二管路上还设置有比例阀，沿氢气的流动方向，比例阀位于第一旁通阀的上游，比例阀用来将氢气送至燃料电池电堆中。

空气气路包括第四管路和增湿器，第四管路与燃料电池电堆连接，空气可以通过第四管路通向燃料电池电堆，增湿器设置在第四管路上，增湿器用来增湿空气。

空气加热子系统包括设于第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，空压机位于增湿器上游，低温冷启动时，利用空压机对空气进行加热。

控制器还用于基于环境温度、冷却液的出堆温度实测值、氢气的进堆温度实测值，获取水泵的目标转速、第一旁通阀的目标开度，以控制小循环回路、氢气加热子系统加热，以及直接控制空压机工作。

为了能够对空气的加热温度进行调节，作为一个较好的实施方式，参见图1所示，本实施例中，空气气路还包括设于第四管路上的第四温度传感器T4，第四温度传感器T4用来测量空气的进堆温度实测值，第四温度传感器T4位于空气入堆处。空气加热子系统还包括第二旁通阀以及第五管路，第二旁通阀设置在第四管路上、并位于空压机和增湿器之间，第五管路一端连接于第二旁通阀，另一端位于增湿器的下游，并连接于第四管路上。控制器还用于基于环境温度和空气的进堆温度实测值，获取第二旁通阀的目标开度，以控制空气加热子系统加热。

在低温冷启动时，空气经空压机加热后，在第四管路中流通并到达第二旁通阀时，根据需求调节第二旁通阀的开度，一部分空气离开第二旁通阀，经增湿器后湿度会有所提升，温度有所降低，然后进入燃料电池电堆；另一部分空气经第五管路后直接进入燃料电池电堆，因该部分空气不经过增湿器而直接进入燃料电池电堆，温度较高；通过调节第二旁通阀的开度，可以调节进入燃料电池电堆的空气的温度，第二旁通阀的开度越大，经第五管路进入燃料电池电堆的空气越多，最后混合后空气的温度越高；而在常规启动或燃料电池电堆正常工作时，第二旁通阀关闭，无需加热。由于常规启动或燃料电池电堆正常工作时，又需要对空气降温，故通常在第四管路上还设置中冷器，中冷器位于第二旁通阀和增湿器之间，空气全部进入中冷器进行冷却。

由于在常规启动或燃料电池电堆正常工作时，需要对空气以及燃料电池电堆进行制冷降温，为了减小制造成本，同时降低系统占用空间，使系统更加小巧紧凑，作为一个较好的实施方式，参见图1所示，本实施例中，在第一管路上设置三通阀，再提供第六管路，第六管路通过三通阀将中冷器并联在第一管路上，三通阀有开关两种状态，在低温冷启动时，可以关闭三通阀，冷却液不会经过中冷却，仅在小循环回路中流动，以通过尽可能多的热量加热燃料电池电堆，此时的三通阀相当于一段冷却液管路。在常规启动或燃料电池电堆正常工作时，三通阀打开，从燃料电池电堆流出的冷却液到达三通阀时，一部分直接在第一管路中流向加热装置，另一部分通过第六管路而经过中冷器，对空气进行冷却，之后流回至第一管路后流向加热装置。

此外，本申请提供的热管路还包括大循环回路(图中未示出)，大循环回路通过电子节温器与小循环回路相连，大循环回路用于对燃料电池电堆进行冷却。电子节温器可以根据需求调节开度，实现冷却液的大小循环。

作为一个较好的实施方式，参见图1所示，本实施例中，提供了一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，该热管理系统包括小循环回路、氢气加热子系统、空气加热子系统和控制装置，小循环回路的两端连接于燃料电池电堆上，小循环回路用于对燃料电池电堆进行加热，氢气加热子系统连接于氢气气路上，并用于对经氢气气路进入燃料电池电堆的氢气进行加热，空气加热子系统连接于空气气路上，并用于对经空气气路进入燃料电池电堆的空气进行加热，控制装置用于基于冷却液的出堆温度实测值，控制小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统，在低温冷启动工况下加热。参见图2所示，该控制方法包括如下步骤：

101：控制装置接收冷却液的出堆温度实测值，并与冷却液的出堆温度目标值对比，判断是否冷却液的出堆温度实测值≤冷却液的出堆温度目标值。冷却液的出堆温度目标值一般设定为0℃。

102：当冷却液的出堆温度实测值≤冷却液的出堆温度目标值，则判断燃料电池电堆处于冷启动模式，需要对燃料电池电堆、空气和氢气进行加热，通过控制装置，控制小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统加热。

103：当冷却液的出堆温度实测值＞冷却液的出堆温度目标值，则正常启动。

为了实现对燃料电池电堆、空气、氢气进行加热，作为一个较好的实施方式，参见图1所示，本实施例中，小循环回路包括第一管路，第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和用于测量冷却液的出堆温度实测值的第一温度传感器T1；氢气气路包括与燃料电池电堆连接、并用于向燃料电池电堆通入氢气的第二管路，以及设于第二管路上、并用于测量氢气的进堆温度实测值的第三温度传感器T3；氢气加热子系统包括第三管路，第三管路通过第一旁通阀将换热器并联于第二管路上；空气气路包括与燃料电池电堆连接、并用于向燃料电池电堆通入空气的第四管路，以及设于第四管路上的增湿器；空气加热子系统包括设于第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，空压机位于增湿器上游。

参见图3所示，控制小循环回路加热，包括如下步骤：

201：控制装置接收、并基于冷却液的出堆温度实测值和冷却液的出堆温度目标值，计算水泵的目标转速。

202：通过控制装置，控制加热装置和换热器运行，以及控制水泵，按照其目标转速运行，从而使得从燃料电池电堆流出的冷却液，在加热装置中加热之后，在水泵的作用下，再次进入燃料电池电堆。

参见图4所示，控制氢气加热子系统加热，包括如下步骤：

301：控制装置接收、并基于环境温度和氢气的进堆温度实测值，计算第一旁通阀的目标开度，环境温度可由整车控制器提供。

302：通过控制装置，控制第一旁通阀，按照其目标开度打开，从而使得氢气，至少有一部分是可以经换热器、并与冷却液进行换热，而被加热，然后流入燃料电池电堆。

作为一个较好的实施方式，参见图5所示，计算水泵的目标转速，包括如下步骤：

401：计算冷却液的出堆温度目标值与冷却液的出堆温度实测值的差值，得到第一温度偏差量。

402：根据第一温度偏差量，获取水泵的目标转速。

作为一个较好的实施方式，参见图6所示，计算第一旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

501：通过环境温度，获取氢气的进堆温度目标值。

燃料电池电堆正常工作时氢气的进堆温度不能超过特定阈值，否则会损坏燃料电池电堆的质子交换膜，这是由燃料电池的自身特性决定的；在低温冷启动时，氢气的进堆温度显然不会到达其阈值。但是如果环境温度过低，一味地将氢气加热到阈值，则需要更多的能量，导致此时给各零件提供电能的高压锂电池的电量快速消耗，甚至影响寿命；因此，可以通过试验获得环境温度和氢气的进堆温度目标值之间的关系，在快速低温冷启动和保证能量经济性及电池寿命之间取得平衡。

例如，环境温度为-20℃，欲将氢气加热至10℃，而此时锂电池活性较低，可能无法提供足够的电量供加热装置产生足够的热量以将氢气加热至10℃，且长时间在过低的环境温度下工作，会导致锂电池寿命降低，通过多次试验，发现将此时氢气的进堆温度目标值设为3℃，既能兼顾锂电池的寿命、不使其长时间工作在过低的环境温度下，同时又保证了低温冷启动；又例如，环境温度为-5℃，此时锂电池活性较高，可为加热装置提供足够的热量以将氢气加热至40℃，但这样会消耗太多锂电池的电量，导致锂电池无法为空压机等其他部件提供足够的能量；而且此时环境温度较高，冷启动时间比较快，故没有必要将氢气的进堆温度目标值设置的很高，通过多次试验，发现将此时氢气的进堆温度目标值设为12℃，既能兼顾能量经济性又能保证快速低温冷启动。

502：计算氢气的进堆温度目标值与氢气的进堆温度实测值的差值，得到第二温度偏差量；

503：根据第二温度偏差量，获取第一旁通阀的目标开度。

作为一个较好的实施方式，空气气路还包括设于第四管路上、并用于测量空气的进堆温度实测值的第四温度传感器T4；空气加热子系统还包括设于第四管路上、并位于空压机和增湿器之间的第二旁通阀，以及第五管路，第五管路一端连接于第二旁通阀，另一端位于增湿器的下游、连接于第四管路上；

参见图7所示，控制空气加热子系统加热，包括如下步骤：

601：控制装置接收、并基于环境温度和空气的进堆温度实测值，计算第二旁通阀的目标开度。

602：通过控制装置，控制空压机运行，以及控制第二旁通阀，按照其目标开度打开，从而使得空气在空压机加热后，至少有一部分是可以直接经过第五管路后流入燃料电池电堆。

作为一个较好的实施方式，参见图8所示，计算第二旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

701：通过环境温度，获取空气的进堆温度目标值。

燃料电池电堆正常工作时空气的进堆温度不能超过特定阈值，否则会损坏燃料电池电堆的质子交换膜，这是由燃料电池的自身特性决定的；在低温冷启动时，空气的进堆温度显然不会到达其阈值。但是如果环境温度过低，一味地将空气加热到阈值，则需要更多的能量，导致此时给各零件提供电能的高压锂电池的电量快速消耗，甚至影响寿命；因此，可以通过试验获得环境温度和空气的进堆温度目标值之间的关系，在快速低温冷启动和保证能量经济性及电池寿命之间取得平衡。

例如，环境温度为-20℃，欲将空气加热至40℃，而此时锂电池活性较低，可能无法提供足够的电量供空压机工作，使其将空气压缩至40℃，且长时间在过低的环境温度下工作，会导致锂电池寿命降低，通过多次试验，发现将此时空气的进堆温度目标值设为28℃，既能兼顾锂电池的寿命、不使其长时间工作在过低的环境温度下，同时又保证了低温冷启动；又例如，环境温度为-5℃，此时锂电池活性较高，可为空压机提供足够的能量，高速的空压机可将空气加热至60℃，但这样会消耗太多锂电池的电量，导致锂电池无法为加热装置等其余部件提供足够的能量；而且此时环境温度较高，冷启动时间比较快，故没有必要将空气的进堆温度目标值设置的很高，通过多次试验，发现将此时空气的进堆温度目标值设为35℃，既能兼顾能量经济性又能保证快速低温冷启动。

702：计算空气的进堆温度目标值与空气的进堆温度实测值的差值，得到第三温度偏差量。

703：根据第三温度偏差量，获取第二旁通阀的目标开度。

在本申请中，控制装置集合了PID控制器，利用PID控制器，计算水泵的目标转速，第一旁通阀和第二旁通阀的目标开度。

作为一个较好的实施方式，在进入冷启动模式，对燃料电池电堆、氢气和空气进行加热后，还包括如下步骤：

继续测量冷却液的出堆温度实测值、氢气的进堆温度实测值和空气的进堆温度实测值，并与冷却液的出堆温度目标值、氢气的进堆温度目标值和空气的进堆温度目标值进行比对；

当冷却液的出堆温度实测值达到冷却液的出堆温度目标值，氢气的进堆温度实测值达到氢气的进堆温度目标值，以及空气的进堆温度实测值达到空气的进堆温度目标值时，关闭加热装置、打开三通阀，关闭第一旁通阀和第二旁通阀，通过调节比例阀和空压机，控制氢气气路的氢气供应量和空气气路的空气供应量，以使燃料电池电堆电流升至怠速电流，完成低温冷启动，意味着燃料电池系统可以稳定工作，怠速电流由直流变换器DCDC提供。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，其包括：

小循环回路，所述小循环回路的两端连接于燃料电池电堆上，所述小循环回路用于对所述燃料电池电堆进行加热；

氢气加热子系统，所述氢气加热子系统连接于氢气气路上，并用于对经所述氢气气路进入所述燃料电池电堆的氢气进行加热；

空气加热子系统，所述空气加热子系统连接于空气气路上，并用于对经所述空气气路进入所述燃料电池电堆的空气进行加热；

控制装置，其用于基于冷却液的出堆温度实测值，控制所述小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统，在低温冷启动工况下加热。

2.如权利要求1所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统，其特征在于：

所述小循环回路包括第一管路，所述第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和用于测量冷却液的出堆温度实测值的第一温度传感器；

所述氢气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入氢气的第二管路，以及设于所述第二管路上、并用于测量氢气的进堆温度实测值的第三温度传感器；

所述氢气加热子系统包括第三管路，所述第三管路通过第一旁通阀将所述换热器并联于所述第二管路上；

所述空气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入空气的第四管路，以及设于所述第四管路上的增湿器；

所述空气加热子系统包括设于所述第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，所述空压机位于增湿器上游；

所述控制器还用于基于环境温度、冷却液的出堆温度实测值、氢气的进堆温度实测值，获取所述水泵的目标转速、第一旁通阀的目标开度，以控制所述小循环回路、氢气加热子系统加热。

3.如权利要求2所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统，其特征在于：

所述空气气路还包括设于所述第四管路上、并用于测量空气的进堆温度实测值的第四温度传感器；

所述空气加热子系统还包括设于所述第四管路上、并位于所述空压机和增湿器之间的第二旁通阀，以及第五管路，所述第五管路一端连接于所述第二旁通阀，另一端位于所述增湿器的下游、连接于所述第四管路上；

所述控制器还用于基于环境温度和空气的进堆温度实测值，获取所述第二旁通阀的目标开度，以控制所述空气加热子系统加热。

4.一种如权利要求1所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

所述控制装置接收冷却液的出堆温度实测值，并与冷却液的出堆温度目标值对比；

当冷却液的出堆温度实测值≤冷却液的出堆温度目标值，则判断所述燃料电池电堆处于冷启动模式，并控制所述小循环回路、氢气加热子系统和空气加热子系统加热。

5.如权利要求4所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于：

所述小循环回路包括第一管路，所述第一管路上设有加热装置、换热器、水泵和用于测量冷却液的出堆温度实测值的第一温度传感器；

所述氢气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入氢气的第二管路，以及设于所述第二管路上、并用于测量氢气的进堆温度实测值的第三温度传感器；

所述氢气加热子系统包括第三管路，所述第三管路通过第一旁通阀将所述换热器并联于所述第二管路上；

所述空气气路包括与所述燃料电池电堆连接、并用于向所述燃料电池电堆通入空气的第四管路，以及设于所述第四管路上的增湿器；

所述空气加热子系统包括设于所述第四管路上的空压机，且沿空气流通方向，所述空压机位于增湿器上游；

控制所述小循环回路加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于冷却液的出堆温度实测值和冷却液的出堆温度目标值，计算所述所述水泵的目标转速；

通过所述控制装置，控制所述加热装置和换热器运行，以及控制所述水泵，按照其目标转速运行；

控制所述氢气加热子系统加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于环境温度和氢气的进堆温度实测值，计算所述第一旁通阀的目标开度；

通过所述控制装置，控制所述第一旁通阀，按照其目标开度打开。

6.如权利要求5所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，计算所述水泵的目标转速，包括如下步骤：

计算冷却液的出堆温度目标值与冷却液的出堆温度实测值的差值，得到第一温度偏差量；

根据所述第一温度偏差量，获取水泵的目标转速。

7.如权利要求5所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，计算所述第一旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

通过环境温度，获取氢气的进堆温度目标值；

计算氢气的进堆温度目标值与氢气的进堆温度实测值的差值，得到第二温度偏差量；

根据所述第二温度偏差量，获取第一旁通阀的目标开度。

8.如权利要求5所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于：

所述空气气路还包括设于所述第四管路上、并用于测量空气的进堆温度实测值的第四温度传感器；

所述空气加热子系统还包括设于所述第四管路上、并位于所述空压机和增湿器之间的第二旁通阀，以及第五管路，所述第五管路一端连接于所述第二旁通阀，另一端位于所述增湿器的下游、连接于所述第四管路上；

控制所述空气加热子系统加热，包括如下步骤：

所述控制装置接收、并基于环境温度和空气的进堆温度实测值，计算所述第二旁通阀的目标开度；

通过所述控制装置，控制所述空压机运行，以及控制所述第二旁通阀，按照其目标开度打开。

9.如权利要求8所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，计算所述第二旁通阀的目标开度，包括如下步骤：

通过环境温度，获取空气的进堆温度目标值；

计算空气的进堆温度目标值与空气的进堆温度实测值的差值，得到第三温度偏差量；

根据所述第三温度偏差量，获取第二旁通阀的目标开度。

10.如权利要求8所述的具有低温冷启动功能的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

当冷却液的出堆温度实测值达到冷却液的出堆温度目标值，氢气的进堆温度实测值达到氢气的进堆温度目标值，以及空气的进堆温度实测值达到空气的进堆温度目标值时，控制所述氢气气路和空气气路，以使燃料电池电堆电流升至怠速电流，完成低温冷启动。

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