CN113707906A - 一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆工程技术领域，公开一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆。其中燃料电池发动机系统包括电堆、水循环加热组件、共振器和空压机。水循环加热组件包括水泵和PTC加热件，所述电堆内部设置有水路，所述水泵连接于所述水路，所述PTC加热件用于对所述水路内的水加热；共振器连接于所述电堆，用于驱动所述电堆振动；空压机用于吹扫所述电堆。本发明实现了电堆在低温环境下启动和停机过程中，通过对电堆进行一定频率和振幅的振动，结合升温和吹扫来控制电堆内部的湿度进而防止结冰，提高冷启动性能。

Description

一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆
技术领域
本发明涉及车辆工程技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆。
背景技术
质子交换膜燃料电池(下称燃料电池)作为高效、洁净的能源转换装置，燃料电池应用于车用动力系统，需要满足适应低温环境的应用要求。环境温度在零度以下时的燃料电池启动是整个燃料电池行业的难题，因为质子交换膜燃料电池是个有水参与的反应，在环境温度低于第一预设温度时，燃料电池内部将结冰，无法正常发电。
现有的冷启动上下电方式为：通过高压机对电堆高速吹扫，尽可能的将电堆内部的水吹出，进而降低电堆湿度来防止结冰，或者启动过程中采用PTC对电堆进行加热，来提高冷启动性能，但是上述冷启动上下电方式耗电时间长，除冰效果差。
基于此，亟需一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆，以解决上述存在的问题。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机系统、控制方法及车辆，实现了电堆在低温环境下启动和停机过程中，通过对电堆进行一定频率和振幅的振动，结合升温和吹扫来控制电堆内部的湿度进而防止结冰，提高冷启动性能。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，提供一种燃料电池发动机系统，包括：
电堆；
水循环加热组件，包括水泵和PTC加热件，所述电堆内部设置有水路，所述水泵连接于所述水路，所述PTC加热件用于对所述水路内的水加热；
共振器，连接于所述电堆，用于驱动所述电堆振动；
空压机，用于吹扫所述电堆。
作为一种燃料电池发动机系统的优选技术方案，还包括温度传感器，其用于监测所述电堆的环境温度。
作为一种燃料电池发动机系统的优选技术方案，还包括电阻检测件，用于检测所述电堆的阻值。
第二方面，提供一种燃料电池发动机系统的控制方法，应用于以上任一方案所述的燃料电池发动机系统，所述燃料电池发动机系统的控制方法包括燃料电池上电方法，所述燃料电池上电方法包括以下步骤：
S11、车辆发出起动请求；
S12、检测电堆的环境温度是否低于第一预设温度，若所述环境温度低于所述第一预设温度，则进行步骤S13；
S13、开启水循环加热组件、空压机和共振器；
S14、实时检测电堆是否解冻成功，若解冻成功，则进行步骤S15；
S15、发动机拉载电流；
S16、实时检测所述电堆的水路出口温度是否高于第二预设温度，若高于所述第二预设温度，进行步骤S17；
S17、关闭所述水循环加热组件的PTC加热件和所述共振器；
S18、所述发动机进入怠速工况；
S19、所述燃料电池发动机系统根据所述车辆的功率需求运行。
作为一种燃料电池发动机系统的控制方法的优选技术方案，在所述步骤S12中，若所述环境温度不低于第一预设温度，所述燃料电池发动机系统常温上电，并进行所述步骤S19。
作为一种燃料电池发动机系统的控制方法的优选技术方案，所述第二预设温度为2第一预设温度。
作为一种燃料电池发动机系统的控制方法的优选技术方案，还包括燃料电池下电方法，包括以下步骤：
S21、所述车辆发出停机请求；
S22、检测所述电堆的所述环境温度是否低于第三预设温度，若所述环境温度低于所述第三预设温度，则进行步骤S23；
S23、开启所述空压机和所述共振器；
S24、实时检测所述电堆的电阻是否高于预设阻值，若高于所述预设阻值，进行步骤S25；
S25、关闭所述空压机和所述共振器；
S26、所述燃料电池发动机系统停机。
作为一种燃料电池发动机系统的控制方法的优选技术方案，在所述步骤S22中，若所述环境温度不低于第三预设温度，所述燃料电池发动机系统常温下电，进行步骤S26。
作为一种燃料电池发动机系统的控制方法的优选技术方案，所述共振器开启的振幅为2mm，频率为10Hz。
第三方面，提供一种车辆，包括以上任一方案所述的燃料电池发动机系统。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种燃料电池发动机系统，包括电堆、水循环加热组件、共振器和空压机。在燃料电池发动机系统低温上下电过程中，通过共振器对电堆进行一定频率和幅度的振动，来促进电堆内部的液态水雾化和防止质子交换膜上面的水结冰；通过水循环加热组件的水泵，实现电堆内部的水循环，通过水循环加热组件的PTC加热件对水路内的水加热，进而提高电堆温度和环境温度，使电堆快速满足使用需求，减少冷启动时间；同时配合空压机吹扫，尽可能将电堆内部的水分吹出，以防止结冰，从而对电堆实现保护来提高冷启动性能。本发明电堆在低温环境下启动和停机过程中，通过对电堆进行一定频率和振幅的振动，结合升温和吹扫来控制电堆内部的湿度进而防止结冰，提高冷启动性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的燃料电池发动机系统的原理图；
图2是本发明具体实施方式提供的燃料电池上电方法的流程图；
图3是本发明具体实施方式提供的燃料电池下电方法的流程图。
图中标记如下：
1、电堆；2、水循环加热组件；21、水泵；22、PTC加热件；3、共振器；4、空压机；5、温度传感器；6、电阻检测件。
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说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
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。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“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。
如图1所示，本实施例提供一种车辆，包括燃料电池发动机系统，该燃料电池发动机系统包括电堆1、水循环加热组件2、共振器3和空压机4。
具体地，水循环加热组件2包括水泵21和PTC加热件22，电堆1内部设置有水路，水泵21连接于水路，PTC加热件22用于对水路内的水加热；共振器3连接于电堆1，用于驱动电堆1振动；空压机4用于吹扫电堆1。在燃料电池发动机系统低温上下电过程中，通过共振器3对电堆1进行一定频率和幅度的振动，来促进电堆1内部的液态水雾化和防止质子交换膜上面的水结冰；通过水循环加热组件2的水泵21，实现电堆1内部的水循环，通过水循环加热组件2的PTC加热件22对水路内的水加热，进而提高电堆1温度和环境温度，使电堆1快速满足使用需求，减少冷启动时间；同时配合空压机4吹扫，尽可能将电堆1内部的水分吹出，以防止结冰，从而对电堆1实现保护来提高冷启动性能。本实施例电堆1在低温环境下启动和停机过程中通过对电堆1进行一定频率和振幅的振动，结合升温和吹扫来控制电堆1内部的湿度进而防止结冰，提高冷启动性能。
优选地，该燃料电池发动机系统还包括温度传感器5，温度传感器5用于监测电堆1的环境温度。根据温度传感器5测量的环境温度，进行水循环加热组件2、共振器3和空压机4的控制策略。
优选地，该燃料电池发动机系统还包括电阻检测件6，电阻检测件6用于检测电堆1的阻值。根据电阻检测件6测量的阻值，判断出电堆1内部的环境湿度，根据环境湿度进行水循环加热组件2、共振器3和空压机4起动和停机的控制策略。
本实施例还提供一种燃料电池发动机系统的控制方法，应用于上述的燃料电池发动机系统，燃料电池发动机系统的控制方法包括燃料电池上电方法，如图2所示，燃料电池上电方法包括以下步骤：
S11、车辆发出起动请求；
S12、检测电堆1的环境温度是否低于第一预设温度，若环境温度低于第一预设温度，则进行步骤S13；
优选地，在步骤S12中，通过温度传感器5检测电堆1的环境温度，若环境温度不低于第一预设温度，燃料电池发动机系统常温上电，并进行步骤S19。
具体地，常温上电包括开启水泵21，空压机4高速吹扫电堆1，发动机缓慢拉载电流，直至进入怠速工况。
本实施例中，第一预设温度为0℃。在其他实施例中，还可以为其他温度，不局限于0℃的情况。
S13、开启水循环加热组件2、空压机4和共振器3；
本实施例通过共振器3对电堆1进行一定频率和幅度的振动，来促进电堆1内部的液态水雾化和防止质子交换膜上面的水结冰；通过水循环加热组件2的水泵21，实现电堆1内部的水循环，通过水循环加热组件2的PTC加热件22对水路内的水加热，进而增加电堆1和环境温度，使电堆1快速满足使用需求，减少冷启动时间；同时配合空压机4吹扫，尽可能将电堆1内部的水分吹出，以防止结冰，从而对电堆1实现保护来提高冷启动性能。
需要注意的是，随着振动的频率与振幅升高，电堆1的冷启动性能提升，但是当温度极低的情况下，频率与振幅的升高对冷启动性能的优化无效，所以在温度极低的情况下，需要水循环加热组件2提高电堆1温度和环境温度。
共振器3振幅和频率过大或过小，均不利于提高电堆1的冷启动性能。进一步优选地，本实施例中共振器3开启，共振器3开启的振幅为2mm，频率为10Hz，使电堆1的振幅为2mm，电堆1的频率为10Hz，在气体分散层平行方向，振动促进电堆1表面水的分布，以提高电堆1的冷启动性能。当然，在其他实施例中，共振器3的振幅和频率可根据生产需求进行适应性调整。
本实施例中，空压机4工作时的转速为40000rpm，高度转动，提高电堆1内部的水分吹出效果。
S14、实时检测电堆1是否解冻成功，若解冻成功，则进行步骤S15；
需要说明的是，本实施例中，检验电堆1是否解冻成功的方式为本领域技术人员常用技术手段，例如通过控制器发送状态信号，由于电堆1的解冻情况不同，电堆1的电压和电流大小均不相同，根据接收的状态信号，得知电堆1的解冻情况。
S15、发动机拉载电流；
发动机启动前，电堆1需要解冻成功，以提高发动机燃料电池系统的使用寿命。
本实施例中，发动机需要缓慢拉载电流，本实施例中，拉载电流的速率为20A/s。
S16、实时检测电堆1的水路出口温度是否高于第二预设温度，若高于第二预设温度，进行步骤S17；
本实施例中，第二预设电流的大小为20℃，在此温度下，电堆1具有良好的工作状态。
S17、关闭水循环加热组件2的PTC加热件22和共振器3；
电堆1内的水到达第二预设温度时，关闭PTC加热件22，电堆1无需继续加热，以提高电堆1的使用性能，同时关闭共振器3，减少能量消耗。
S18、发动机进入怠速工况；
S19、燃料电池发动机系统根据车辆的功率需求运行。
如图3所示，该燃料电池发动机系统的控制方法还包括燃料电池下电方法，具体包括以下步骤：
S21、车辆发出停机请求；
S22、检测电堆1的环境温度是否低于第三预设温度，若环境温度低于第三预设温度，则进行步骤S23；
优选地，在步骤S22中，若环境温度不低于第三预设温度，则进行常温下电，并进行步骤S26；
具体地，常温下电包括关闭水循环加热组件2的水泵21，关闭空压机4，以及燃料电池发动机系统内部的高压零部件停止供电。
本实施例中，第三预设温度为0℃。
S23、开启空压机4和共振器3；
空压机4和共振器3工作时，能够去除电堆1内部的水分。此时，空压机4工作的转速为40000rpm，高度转动，提高电堆1内部的水分吹出效果。共振器3开启，共振器3开启的振幅为2mm，频率为10Hz，使电堆1的振幅为2mm，电堆1的频率为10Hz。
S24、检测电堆1的电阻是否高于预设阻值，若高于预设阻值，进行步骤S25；
具体地，通过电阻检测件6检测电堆1的阻值。根据阻值大小判断出电堆1内部的环境湿度，阻值越大，环境湿度越小。本实施例中，预设阻值为120Ω，当电堆1阻值高于120Ω时，电堆1内部的环境湿度满足要求，减少燃料电池发动机系统停机后的结冰量，以提高燃料电池发动机系统下一次启动时的冷启动性能。
S25、关闭空压机4和共振器3；
S26、燃料电池发动机系统停机。
本实施例中，电堆1在低温环境下启动和停机过程中，通过对电堆1进行一定频率和振幅的振动，结合升温和吹扫来控制电堆1内部的湿度进而防止结冰，提高了冷启动性能。
注意，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)

1.一种燃料电池发动机系统，其特征在于，包括：
电堆(1)；
水循环加热组件(2)，包括水泵(21)和PTC加热件(22)，所述电堆(1)内部设置有水路，所述水泵(21)连接于所述水路，所述PTC加热件(22)用于对所述水路内的水加热；
共振器(3)，连接于所述电堆(1)，用于驱动所述电堆(1)振动；
空压机(4)，用于吹扫所述电堆(1)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，还包括温度传感器(5)，其用于监测所述电堆(1)的环境温度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统，其特征在于，还包括电阻检测件(6)，用于检测所述电堆(1)的阻值。
4.一种燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的燃料电池发动机系统，所述燃料电池发动机系统的控制方法包括燃料电池上电方法，所述燃料电池上电方法包括以下步骤：
S11、车辆发出起动请求；
S12、检测电堆(1)的环境温度是否低于第一预设温度，若所述环境温度低于所述第一预设温度，则进行步骤S13；
S13、开启水循环加热组件(2)、空压机(4)和共振器(3)；
S14、实时检测电堆(1)是否解冻成功，若解冻成功，则进行步骤S15；
S15、发动机拉载电流；
S16、实时检测所述电堆(1)的水路出口温度是否高于第二预设温度，若高于所述第二预设温度，进行步骤S17；
S17、关闭所述水循环加热组件(2)的PTC加热件(22)和所述共振器(3)；
S18、所述发动机进入怠速工况；
S19、所述燃料电池发动机系统根据所述车辆的功率需求运行。
5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S12中，若所述环境温度不低于第一预设温度，所述燃料电池发动机系统常温上电，并进行所述步骤S19。
6.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，所述第二预设温度为20℃。
7.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，还包括燃料电池下电方法，包括以下步骤：
S21、所述车辆发出停机请求；
S22、检测所述电堆(1)的所述环境温度是否低于第三预设温度，若所述环境温度低于所述第三预设温度，则进行步骤S23；
S23、开启所述空压机(4)和所述共振器(3)；
S24、实时检测所述电堆(1)的电阻是否高于预设阻值，若高于所述预设阻值，进行步骤S25；
S25、关闭所述空压机(4)和所述共振器(3)；
S26、所述燃料电池发动机系统停机。
8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，在所述步骤S22中，若所述环境温度不低于第三预设温度，所述燃料电池发动机系统常温下电，进行步骤S26。
9.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统的控制方法，其特征在于，所述共振器(3)开启的振幅为2mm，频率为10Hz。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的燃料电池发动机系统。
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