CN113921868B - 基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法 - Google Patents

基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器，通过热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，多个磁质储热器和脉冲磁体位于冷却回路中，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路，将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。

Description

基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法。
背景技术
作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。
当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中冷启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。
目前燃料电池冷启动的技术方案主要是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与离子树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与离子树脂界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统及控制方法，采用热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，多个磁质储热器和脉冲磁体位于冷却回路中，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源电性连接，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路，将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器；热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有多个磁质储热器和脉冲磁体，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源电性连接。
所述冷却回路中的磁质储热器包括磁质储热器І和磁质储热器Ⅱ，磁质储热器І和磁质储热器Ⅱ位于脉冲磁体І、脉冲磁体Ⅱ和脉冲磁体Ⅲ之间。
所述磁质储热器І与燃料电池电堆的出液侧连通的管路中串联有三通电磁阀І；磁质储热器І与燃料电池电堆的进液侧连通的管路中串联有三通电磁阀Ⅱ和水泵І。
所述磁质储热器Ⅱ一端引出的支路连接于三通电磁阀І和燃料电池电堆之间的管路上，该支路中串联有三通电磁阀Ⅲ；磁质储热器Ⅱ另一端引出的支路与三通电磁阀Ⅲ连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅳ、散热器、三通电磁阀Ⅵ和水泵Ⅱ；位于水泵Ⅱ和三通电磁阀Ⅲ之间的管路中引出分支管路与三通电磁阀І连通。
所述三通电磁阀Ⅱ引出的支路与三通电磁阀Ⅳ和散热器之间的管路连通；该支路引出的分支管路与燃料电池电堆的出液侧连通，该分支管路上串联有三通电磁阀Ⅴ，三通电磁阀Ⅴ还连通于三通电磁阀Ⅱ和水泵І之间的管路上；三通电磁阀Ⅱ和水泵І之间的管路中引出两个分支管路分别与三通电磁阀Ⅳ和三通电磁阀Ⅵ连通。
所述冷却回路中的温度传感器І和温度传感器Ⅱ分别靠近燃料电池电堆的进液侧和出液侧。
所述磁质储热器包括磁质储热器外壳内的磁质储热管，以及位于磁质储热器外壳内壁与磁质储热管外壁之间的保温层，磁质储热器外壳两端的磁质进口和磁质出口与磁质储热管连通。
所述磁质储热管内沿轴线布设多个磁工质板，磁工质板之间的间隙为冷却液流动通道。
所述热管理控制器接收温度信号，并发送指令控制调控水泵І、水泵Ⅱ和散热器的转速，以及控制脉冲磁体І、脉冲磁体Ⅱ或脉冲磁体Ⅲ的通断。
如上所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统的控制方法，它包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器监测到燃料电池电堆冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵І启动，三通电磁阀Ⅲ、三通电磁阀Ⅳ、三通电磁阀Ⅴ和三通电磁阀Ⅵ关闭；水泵І驱动燃料电池电堆内的冷却液沿三通电磁阀І、磁质储热器І、三通电磁阀Ⅱ和水泵І返回至燃料电池电堆内；
S1-2，脉冲磁体І和脉冲磁体Ⅱ作用于磁质储热器І形成磁化放热，冷却液将磁工质板释放的磁化热传递给燃料电池电堆为其预热；
S2，当热管理控制器监测到燃料电池电堆冷却液进口的温度TFi等于燃料电池电堆冷却液出口的温度TFo时；
S2-1，三通电磁阀Ⅲ导通燃料电池电堆、三通电磁阀Ⅳ导通水泵І、三通电磁阀І导通水泵Ⅱ、三通电磁阀Ⅵ导通水泵Ⅱ和散热器、三通电磁阀Ⅱ导通散热器、三通电磁阀Ⅴ关闭；水泵І和水泵Ⅱ启动；
S2-2，脉冲磁体Ⅲ和脉冲磁体Ⅱ作用于磁质储热器Ⅱ，断开脉冲磁体І；磁质储热器Ⅱ中的磁工质开始磁化放热,磁质储热器І中的磁工质则开始退磁释冷；
S2-3，燃料电池电堆的冷却液在水泵І的驱动下流经磁质储热器Ⅱ，将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆为其进行持续预热；
S2-4，冷水泵Ⅱ驱动磁质储热器І中的冷却液流经散热器，将磁质储热器І中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
S3，当热管理控制器再次监测到TFi=TFo时；
S3-1，三通电磁阀І导通燃料电池电堆、三通电磁阀Ⅱ导通水泵І、三通电磁阀Ⅲ导通水泵Ⅱ、三通电磁阀Ⅳ导通散热器、三通电磁阀Ⅵ导通水泵Ⅱ，三通电磁阀Ⅴ关闭；水泵І和水泵Ⅱ启动；
S3-2，脉冲磁体І和脉冲磁体Ⅱ作用于磁质储热器І，断开脉冲磁体Ⅲ，磁质储热器І中的磁工质开始磁化放热, 磁质储热器Ⅱ中的磁工质则开始退磁释冷；
S3-3，燃料电池电堆的冷却液在水泵І的驱动下流经磁质储热器І，将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆为其进行持续预热；
S3-4，冷水泵Ⅱ驱动磁质储热器Ⅱ中的冷却液流经散热器，将磁质储热器Ⅱ中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
重复S2→S3→S2，为燃料电池电堆进行不间断的预热；然后实时监测TF与T1的大小变化；
S4，当热管理控制器监测到TF＞T1时，燃料电池开始启动；
S4-1，三通电磁阀Ⅴ导通水泵І，三通电磁阀І、三通电磁阀Ⅱ、三通电磁阀Ⅲ、三通电磁阀Ⅳ和三通电磁阀Ⅵ关闭，以及水泵Ⅱ和脉冲电源关闭；
S4-2，燃料电池电堆的冷却液只通过水泵І进行循环；
S5，当热管理控制器监测到TF＞T2时，三通电磁阀Ⅴ导通散热器、三通电磁阀Ⅵ导通水泵І，三通电磁阀І、三通电磁阀Ⅱ、三通电磁阀Ⅲ和三通电磁阀Ⅳ关闭，以及水泵Ⅱ关闭；燃料电池电堆的冷却液流经散热器进行散热降温以确保燃料电池处于最佳的工作温度区间；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间。
本发明的主要有益效果在于：
采用在冷却回路中设置磁质储热器和脉冲磁体，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源电性连接，脉冲电源断通脉冲磁体，构建磁化放热→退磁吸热。
磁质储热器内设置磁工质板，利用脉冲磁体的作用实现磁化或退磁。
实时监测在磁化放热过程中将热量传递给燃料电池电堆进行预热，在退磁吸热过程中对燃料电池电堆进行降温。
采用磁化放热进行热传导低温启动燃料电池电堆，耗能较低，利用率高，延长燃料电池的续航里程。
采用实时监测温度的大小变化，通过热管理控制器管理磁化、退磁和冷却回路，退磁过程中不影响对燃料电池电堆进行持续预热。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明磁质储热器І磁化、磁质储热器Ⅱ退磁的系统图。
图2为本发明磁质储热器І退磁、磁质储热器Ⅱ磁化的系统图。
图3为本发明正常热管理时冷却液仅过水泵І的系统图。
图4为本发明正常热管理时冷却液过散热器的系统图。
图5为本发明磁质储热器的结构示意图。
图6为本发明的流程示意图。
图中：燃料电池电堆1，燃料电池热管理单元2，磁质储热器外壳21,保温层22,磁质储热管23，磁工质板24，水泵І201，水泵Ⅱ202，磁质储热器І203，磁质储热器Ⅱ204，散热器205，脉冲电源206，脉冲磁体І207，脉冲磁体Ⅱ208，脉冲磁体Ⅲ209，温度传感器І210，三通电磁阀І211，三通电磁阀Ⅱ212，三通电磁阀Ⅲ213，三通电磁阀Ⅳ214，三通电磁阀Ⅴ215，三通电磁阀Ⅵ216，温度传感器Ⅱ217，热管理控制器3。
具体实施方式
如图1~图6中，一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，它包括燃料电池电堆1、燃料电池热管理单元2和热管理控制器3；热管理控制器3与燃料电池热管理单元2电性连接，燃料电池热管理单元2的冷却回路与燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有多个磁质储热器和脉冲磁体，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源206电性连接。使用时，利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路，将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。
优选的方案中，所述冷却回路中的磁质储热器包括磁质储热器І203和磁质储热器Ⅱ204，磁质储热器І203和磁质储热器Ⅱ204位于脉冲磁体І207、脉冲磁体Ⅱ208和脉冲磁体Ⅲ209之间。使用时，脉冲电源206用于对脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅲ209分别错时施加正向电流，对脉冲磁体Ⅱ208施加负向电流，从而在脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208之间以及脉冲磁体Ⅲ209和脉冲磁体Ⅱ208之间分别形成一定强度的磁场。
优选地，燃料电池热管理单元2用于控制燃料电池电堆1的工作温度，并在冷启动前通过利用磁质储热器І203和磁质储热器Ⅱ204分别在脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208之间，以及脉冲磁体Ⅲ209和脉冲磁体Ⅱ208之间所形成的磁场内释放的磁化热为燃料电池电堆1进行预热。
优选的方案中，所述磁质储热器І203与燃料电池电堆1的出液侧连通的管路中串联有三通电磁阀І211；磁质储热器І203与燃料电池电堆1的进液侧连通的管路中串联有三通电磁阀Ⅱ212和水泵І201。
优选的方案中，所述磁质储热器Ⅱ204一端引出的支路连接于三通电磁阀І211和燃料电池电堆1之间的管路上，该支路中串联有三通电磁阀Ⅲ213；磁质储热器Ⅱ204另一端引出的支路与三通电磁阀Ⅲ213连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅳ214、散热器205、三通电磁阀Ⅵ216和水泵Ⅱ202；位于水泵Ⅱ202和三通电磁阀Ⅲ213之间的管路中引出分支管路与三通电磁阀І211连通。
优选的方案中，所述三通电磁阀Ⅱ212引出的支路与三通电磁阀Ⅳ214和散热器205之间的管路连通；该支路引出的分支管路与燃料电池电堆1的出液侧连通，该分支管路上串联有三通电磁阀Ⅴ215，三通电磁阀Ⅴ215还连通于三通电磁阀Ⅱ212和水泵І201之间的管路上；三通电磁阀Ⅱ212和水泵І201之间的管路中引出两个分支管路分别与三通电磁阀Ⅳ214和三通电磁阀Ⅵ216连通。
优选地，三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215和三通电磁阀Ⅵ216均为三位三通电磁阀。
优选的方案中，所述冷却回路中的温度传感器І210和温度传感器Ⅱ217分别靠近燃料电池电堆1的进液侧和出液侧。使用时，温度传感器І210、温度传感器Ⅱ217用于监测进出燃料电池电堆冷却液的温度。
优选地，热管理控制器3用于接收燃料电池电堆1中冷却液进口和出口的温度信号，向燃料电池热管理单元2中的水泵І201、水泵Ⅱ202、散热器205、三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215和三通电磁阀Ⅵ216发送开关指令以及通过PWM控制机制调控水泵电机和散热器风扇电机的转速，以及向脉冲电源206发送开关指令控制脉冲磁体І207、脉冲磁体Ⅱ208和脉冲磁体Ⅲ209电流的通断从而为磁质储热器І203和磁质储热器Ⅱ204提供磁场。
优选的方案中，所述磁质储热器包括磁质储热器外壳21内的磁质储热管23，以及位于磁质储热器外壳21内壁与磁质储热管23外壁之间的保温层22，磁质储热器外壳21两端的磁质进口和磁质出口与磁质储热管23连通。
优选地，磁质储热器的保温层22内填充的绝热材料为二氧化硅纳米微孔绝热材料，二氧化硅纳米微孔绝热材料包括但不限于气相二氧化硅、二氧化硅气凝胶及沉淀法二氧化硅，并将保温层抽真空密封。
优选的方案中，所述磁质储热管23内沿轴线布设多个磁工质板24，磁工质板24之间的间隙为冷却液流动通道。
优选地，磁工质板24中的固体磁性材料为居里温度在245~280K之间的磁制冷材料，包括但不限于Gd-Si-Ge、La-Fe-Si-C、La-Fe-Co-Al、La-Fe-Co-Si、La-Fe-Al-C、La-Fe-Al-H、La-Fe-Al-C-H、La-Pr-Fe-Co-Si、Mn-Fe-P-As、Mn-Cr-Co-Ge系列合金材料。
优选的方案中，所述热管理控制器3接收温度信号，并发送指令控制调控水泵І201、水泵Ⅱ202和散热器205的转速，以及控制脉冲磁体І207、脉冲磁体Ⅱ208或脉冲磁体Ⅲ209的通断。
优选的方案中，如上所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统的控制方法，它包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器3监测到燃料电池电堆1冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵І201启动，三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215和三通电磁阀Ⅵ216关闭；水泵І201驱动燃料电池电堆1内的冷却液沿三通电磁阀І211、磁质储热器І203、三通电磁阀Ⅱ212和水泵І201返回至燃料电池电堆1内；
S1-2，脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208作用于磁质储热器І203形成磁化放热，冷却液将磁工质板24释放的磁化热传递给燃料电池电堆1为其预热；
S2，当热管理控制器3监测到燃料电池电堆1冷却液进口的温度TFi等于燃料电池电堆1冷却液出口的温度TFo时；
S2-1，三通电磁阀Ⅲ213导通燃料电池电堆1、三通电磁阀Ⅳ214导通水泵І201、三通电磁阀І211导通水泵Ⅱ202、三通电磁阀Ⅵ216导通水泵Ⅱ202和散热器205、三通电磁阀Ⅱ212导通散热器205、三通电磁阀Ⅴ215关闭；水泵І201和水泵Ⅱ202启动；
S2-2，脉冲磁体Ⅲ209和脉冲磁体Ⅱ208作用于磁质储热器Ⅱ204，断开脉冲磁体І207；磁质储热器Ⅱ204中的磁工质开始磁化放热,磁质储热器І203中的磁工质则开始退磁释冷；
S2-3，燃料电池电堆1的冷却液在水泵І201的驱动下流经磁质储热器Ⅱ204，将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆1为其进行持续预热；
S2-4，冷水泵Ⅱ202驱动磁质储热器І203中的冷却液流经散热器205，将磁质储热器І203中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
S3，当热管理控制器再次监测到TFi=TFo时；
S3-1，三通电磁阀І211导通燃料电池电堆1、三通电磁阀Ⅱ212导通水泵І201、三通电磁阀Ⅲ213导通水泵Ⅱ202、三通电磁阀Ⅳ214导通散热器205、三通电磁阀Ⅵ216导通水泵Ⅱ202，三通电磁阀Ⅴ215关闭；水泵І201和水泵Ⅱ202启动；
S3-2，脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208作用于磁质储热器І203，断开脉冲磁体Ⅲ209，磁质储热器І203中的磁工质开始磁化放热, 磁质储热器Ⅱ204中的磁工质则开始退磁释冷；
S3-3，燃料电池电堆1的冷却液在水泵І201的驱动下流经磁质储热器І203，将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆1为其进行持续预热；
S3-4，冷水泵Ⅱ202驱动磁质储热器Ⅱ204中的冷却液流经散热器205，将磁质储热器Ⅱ204中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
重复S2→S3→S2，为燃料电池电堆1进行不间断的预热；然后实时监测TF与T1的大小变化；
S4，当热管理控制器监测到TF＞T1时，燃料电池开始启动；
S4-1，三通电磁阀Ⅴ215导通水泵І201，三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214和三通电磁阀Ⅵ216关闭，以及水泵Ⅱ202和脉冲电源206关闭；
S4-2，燃料电池电堆1的冷却液只通过水泵І201进行循环；
S5，当热管理控制器监测到TF＞T2时，三通电磁阀Ⅴ215导通散热器205、三通电磁阀Ⅵ216导通水泵І201，三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213和三通电磁阀Ⅳ214关闭，以及水泵Ⅱ202关闭；燃料电池电堆1的冷却液流经散热器205进行散热降温以确保燃料电池处于最佳的工作温度区间；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间。
具体地，如图1~4所示，
水泵І201的出液口与燃料电池电堆1的冷却液进口通过管道连接，燃料电池电堆1的冷却液出口分别通过管道与三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅲ213的第一进液口和三通电磁阀Ⅴ215的进液口连接，三通电磁阀І211的出液口与磁质储热器І203的进液口通过管道连接，磁质储热器І203的出液口与三通电磁阀Ⅱ212的进液口通过管道连接，三通电磁阀Ⅲ213的出液口与磁质储热器Ⅱ204的进液口通过管道连接，磁质储热器Ⅱ204的出液口与三通电磁阀Ⅳ214的进液口通过管道连接，三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215的第二出液口通过管道三路汇并后接于散热器205的进液口，散热器205的出液口与三通电磁阀Ⅵ216的进液口通过管道连接，三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215、三通电磁阀Ⅵ216的第一出液口通过管道四路汇并后接于水泵І201的进液口，三通电磁阀Ⅵ216的第二出液口与水泵Ⅱ202的进液口通过管道连接，水泵Ⅱ202的出液口分别通过管道与三通电磁阀І211和三通电磁阀Ⅲ213的第二进液口连接。
燃料电池热管理单元2还包括2个膨胀水箱，膨胀水箱分别通过管路连接在水泵І201和水泵Ⅱ202的两端，膨胀水箱用于定压补液。图中膨胀水箱未示出。
具体地，如图1~4所示，热管理控制器3通过低压信号线分别与燃料电池热管理单元2中的温度传感器І210、温度传感器Ⅱ217连接，接收温度传感器的温度信号；通过低压开关控制线分别与三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅴ215和三通电磁阀Ⅵ216连接，向其发送开通方向的指令；通过低压开关控制线分别与水泵І201、水泵Ⅱ202和散热器205连接，向其发送开关指令并通过PWM控制机制向水泵І201、水泵Ⅱ202和散热器205的风扇发送脉宽调制信号以调控水泵电机和散热器风扇电机的转速；通过低压开关控制线与脉冲电源206连接，向其发送开关指令控制脉冲磁体І207、脉冲磁体Ⅱ208和脉冲磁体Ⅲ209电流的通断从而为磁质储热器І203和磁质储热器Ⅱ204提供磁场。
一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统工作在低温启动模式和正常热管理模式：
在低温启动模式下，燃料电池电堆1的冷却液存在着两种不同的循环路径，其中，
如图1中粗实线所示，当燃料电池热管理单元2的脉冲电源206分别给脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208接通正向和负向电流从而为磁质储热器І203施加磁场时，热管理控制器3分别开启三通电磁阀І211和三通电磁阀Ⅱ212的第一阀门并关闭三通电磁阀Ⅴ215，然后启动水泵І201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵І201→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器210→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器217→三通电磁阀І211→磁质储热器І203→三通电磁阀Ⅱ212→水泵І201，从而构成燃料电池的第一载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵І201的驱动下进入磁质储热器І203将磁质储热器І203内的磁工质板2034所释放磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温；如果此时磁质储热器Ⅱ204需要退磁，脉冲电源206则断开接于脉冲磁体Ⅲ209的正向电流，热管理控制器3分别开启三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214和三通电磁阀Ⅵ216的第二阀门以及水泵Ⅱ202，使磁质储热器Ⅱ204内的冷却液的运行轨迹为：磁质储热器Ⅱ204→三通电磁阀Ⅳ214→散热器205→三通电磁阀Ⅵ216→水泵Ⅱ202→三通电磁阀Ⅲ213→磁质储热器Ⅱ204，从而构成磁质储热器Ⅱ204的退磁冷流回路Ⅱ，在此过程中磁质储热器Ⅱ204内的冷却液则在水泵Ⅱ202的驱动下将磁质储热器Ⅱ204的退磁释冷量传递给散热器205然后与外界环境进行换热升温至环境温度；
如图2中粗实线所示，当磁质储热器І203完成磁化不再放热时，脉冲电源206分别给脉冲磁体Ⅲ209和脉冲磁体Ⅱ208接通正向和负向电流从而为磁质储热器Ⅱ204施加磁场，热管理控制器3分别开启三通电磁阀Ⅲ213和三通电磁阀Ⅳ214的第一阀门并使三通电磁阀Ⅴ215处于关闭状态而水泵І201处于工作状态，使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵І201→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器210→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器217→三通电磁阀Ⅲ213→磁质储热器Ⅱ204→三通电磁阀Ⅳ214→水泵І201，从而构成燃料电池的第二载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵І201的驱动下进入磁质储热器Ⅱ204将磁质储热器Ⅱ204内的磁工质板所释放磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温；如果此时磁质储热器І203需要退磁，脉冲电源206则断开接于脉冲磁体І207的正向电流，热管理控制器3分别开启三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212和三通电磁阀Ⅵ216的第二阀门以及水泵Ⅱ202，使磁质储热器І203内的冷却液的运行轨迹为：磁质储热器І203→三通电磁阀Ⅱ212→散热器205→三通电磁阀Ⅵ216→水泵Ⅱ202→三通电磁阀І211→磁质储热器І203，从而构成磁质储热器І203的退磁冷流回路І，在此过程中磁质储热器І203内的冷却液则在水泵Ⅱ202的驱动下将磁质储热器І203的退磁释冷量传递给散热器205然后与外界环境进行换热升温至环境温度；
如此建立燃料电池电堆1的冷却液回路，第一载热流体传递回路→第二载热流体传递回路→第一载热流体传递回路的循环，从而不间断为燃料电池电堆供热直至燃料电池电堆的温度升至符合电堆启动的温度进而完成冷启动。
在正常热管理模式下，燃料电池电堆1的冷却液也存在着两种不同的循环路径，其中，
如图3中粗实线所示，当燃料电池电堆1刚完成冷启动还未达到最佳工作温度时，热管理控制器3开启三通电磁阀Ⅴ215的第一阀门，关闭三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅵ216、水泵Ⅱ202和脉冲电源206，并启动水泵І201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵І201→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器210→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器217→三通电磁阀Ⅴ215→水泵І201，从而构成燃料电池的第三载热流体传递回路。
如图4中粗实线所示，当燃料电池电堆1已进入最佳工作温度区间时，热管理控制器3分别开启三通电磁阀Ⅴ215的第二阀门和三通电磁阀Ⅵ216的第一阀门，确认三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、水泵Ⅱ202和脉冲电源206处于关闭状态，并启动水泵І201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵І201→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器210→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器217→三通电磁阀Ⅴ215→散热器205→三通电磁阀Ⅵ216→水泵І201，从而构成燃料电池的第四载热流体传递回路。在此过程中，热管理控制器3通过PWM控制机制分别向水泵І201和散热器205的风扇发送脉宽调制信号来调控水泵电机和散热器风扇电机的转速以控制燃料电池电堆1的温度。
热管理控制器3将温度传感器І210测得的冷却液温度记为TFi，将温度传感器Ⅱ217测得的冷却液温度记为TFo，在一个实施例中，热管理控制器3采用TFi或者TFo作为燃料电池电堆的参考温度进行后续比较和处理；在另一个实施例中，热管理控制器3采用TFi和TFo的平均值作为后续比较和处理的参数。以下将上述实施例中的TFi或/和TFo统称为“燃料电池电堆冷却液温度TF”。
在一个实施例中，热管理控制器3读取第一阈值温度T1、第二阈值温度T2，其中，第一阈值温度T1小于第二阈值温度T2，即T1＜T2。其中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃区间中的一个温度；第二阈值温度T2设定为70℃~75℃区间中的一个温度，即燃料电池电堆1正常工作的最佳温度。
热管理控制器3比较燃料电池电堆冷却液温度TF和第一阈值温度T1。当TF＜T1时，燃料电池冷启动系统进入冷启动模式；当TF＞T1时，燃料电池冷启动系统进入正常热管理模式。
本发明巧妙的利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热循环将环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的冷启动，与常规热泵及电加热或氢气催化燃烧等预热方式相比耗能较低，能够提高燃料电池汽车车载能源，例如电能和氢能的利用率，从而延长燃料电池的续驶里程。
实施例：
本发明实施例还提供一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统的控制方法，如图6所示，该方法通过如下步骤实现：
在步骤600中，热管理控制器3检测通过燃料电池电堆1的冷却液温度TF值；在一个实施例中，热管理控制器3采用TFi和TFo的平均值作为燃料电池电堆1的冷却液温度TF值。然后，比较燃料电池电堆冷却液温度TF和第一阈值温度T1的大小并进入步骤610。
在步骤610中，热管理控制器3检测是否存在TF＜T1的情况，是则进入步骤611，否则进入步骤620。
在步骤611中，热管理控制器3分别开启三通电磁阀І211、Ⅱ212的第一阀门和三通电磁阀Ⅲ213、Ⅳ214及Ⅵ216的第二阀门，关闭三通电磁阀Ⅴ215，分别接通脉冲磁体І207和脉冲磁体Ⅱ208的正向和负向电流并断开脉冲磁体Ⅲ209的正向电流，启动水泵І201和水泵Ⅱ202或保持开启状态从步骤612或614返回至步骤611时从而将磁质储热器І203所释放的磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温并将磁质储热器Ⅱ204的退磁释冷量传递给散热器205然后与外界环境进行换热升温至环境温度；然后返回步骤610实时监测TF与T1的大小变化。
在步骤612中，热管理控制器3开始实时监测TFi和TFo的数值变化并检测是否存在TFi=TFo的情况，是则进入步骤613，否则返回步骤611。
在步骤613中，热管理控制器3分别开启三通电磁阀Ⅲ213、Ⅳ214的第一阀门和三通电磁阀І211、Ⅱ212及Ⅵ216的第二阀门，三通电磁阀Ⅴ215保持关闭状态，分别接通脉冲磁体Ⅲ209和脉冲磁体Ⅱ208的正向和负向电流并断开脉冲磁体І207的正向电流，水泵І201和水泵Ⅱ202保持开启状态，从而将磁质储热器Ⅱ204所释放的磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温并将磁质储热器І203的退磁释冷量传递给散热器205然后与外界环境进行换热升温至环境温度；然后返回步骤610实时监测TF与T1的大小变化。
在步骤614中，热管理控制器3继续实时监测TFi和TFo的数值变化并检测是否存在TFi=TFo的情况，是则返回步骤611，否则返回步骤613。
在步骤620中，热管理控制器3开启三通电磁阀Ⅴ215的第一阀门，关闭三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、三通电磁阀Ⅵ216、水泵Ⅱ202和脉冲电源206，并启动水泵І201或保持开启状态从步骤622返回至步骤620时，然后进入步骤621。
在步骤621中，热管理控制器3开始实时监测燃料电池电堆冷却液温度TF与第二阈值温度T2的大小变化。
在步骤622中，热管理控制器3检测是否存在TF＞T2的情况：是则进入步骤623；否则返回步骤620。
在步骤623中，热管理控制器3分别开启三通电磁阀Ⅴ215的第二阀门和三通电磁阀Ⅵ216的第一阀门，确认三通电磁阀І211、三通电磁阀Ⅱ212、三通电磁阀Ⅲ213、三通电磁阀Ⅳ214、水泵Ⅱ202和脉冲电源206处于关闭状态，并启动水泵І201，使燃料电池电堆1的冷却液流经散热器205进入电堆进行正常热管理，并通过PWM控制机制分别向水泵І201和散热器205的风扇发送脉宽调制信号来调控水泵І201的电机和散热器风扇电机的转速以控制燃料电池电堆1的温度。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：它包括燃料电池电堆（1）、燃料电池热管理单元（2）和热管理控制器（3）；热管理控制器（3）与燃料电池热管理单元（2）电性连接，燃料电池热管理单元（2）的冷却回路与燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有多个磁质储热器和脉冲磁体，每两个脉冲磁体之间设置一个磁质储热器，脉冲磁体与脉冲电源（206）电性连接；
其控制方法包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器（3）监测到燃料电池电堆（1）冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵І（201）启动，三通电磁阀Ⅲ（213）、三通电磁阀Ⅳ（214）、三通电磁阀Ⅴ（215）和三通电磁阀Ⅵ（216）关闭；水泵І（201）驱动燃料电池电堆（1）内的冷却液沿三通电磁阀І（211）、磁质储热器І（203）、三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）返回至燃料电池电堆（1）内；
S1-2，脉冲磁体І（207）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器І（203）形成磁化放热，冷却液将磁工质板（24）释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其预热；
S2，当热管理控制器（3）监测到燃料电池电堆（1）冷却液进口的温度TFi等于燃料电池电堆（1）冷却液出口的温度TFo时；
S2-1，三通电磁阀Ⅲ（213）导通燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅳ（214）导通水泵І（201）、三通电磁阀І（211）导通水泵Ⅱ（202）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵Ⅱ（202）和散热器（205）、三通电磁阀Ⅱ（212）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅴ（215）关闭；水泵І（201）和水泵Ⅱ（202）启动；
S2-2，脉冲磁体Ⅲ（209）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器Ⅱ（204），断开脉冲磁体І（207）；磁质储热器Ⅱ（204）中的磁工质开始磁化放热,磁质储热器І（203）中的磁工质则开始退磁释冷；
S2-3，燃料电池电堆（1）的冷却液在水泵І（201）的驱动下流经磁质储热器Ⅱ（204），将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其进行持续预热；
S2-4，冷水泵Ⅱ（202）驱动磁质储热器І（203）中的冷却液流经散热器（205），将磁质储热器І（203）中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
S3，当热管理控制器再次监测到TFi=TFo时；
S3-1，三通电磁阀І（211）导通燃料电池电堆（1）、三通电磁阀Ⅱ（212）导通水泵І（201）、三通电磁阀Ⅲ（213）导通水泵Ⅱ（202）、三通电磁阀Ⅳ（214）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵Ⅱ（202），三通电磁阀Ⅴ（215）关闭；水泵І（201）和水泵Ⅱ（202）启动；
S3-2，脉冲磁体І（207）和脉冲磁体Ⅱ（208）作用于磁质储热器І（203），断开脉冲磁体Ⅲ（209），磁质储热器І（203）中的磁工质开始磁化放热, 磁质储热器Ⅱ（204）中的磁工质则开始退磁释冷；
S3-3，燃料电池电堆（1）的冷却液在水泵І（201）的驱动下流经磁质储热器І（203），将磁工质释放的磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其进行持续预热；
S3-4，冷水泵Ⅱ（202）驱动磁质储热器Ⅱ（204）中的冷却液流经散热器（205），将磁质储热器Ⅱ（204）中磁工质退磁时的冷量释放到环境中；
重复S2→S3→S2，为燃料电池电堆（1）进行不间断的预热；然后实时监测TF与T1的大小变化；
S4，当热管理控制器监测到TF＞T1时，燃料电池开始启动；
S4-1，三通电磁阀Ⅴ（215）导通水泵І（201），三通电磁阀І（211）、三通电磁阀Ⅱ（212）、三通电磁阀Ⅲ（213）、三通电磁阀Ⅳ（214）和三通电磁阀Ⅵ（216）关闭，以及水泵Ⅱ（202）和脉冲电源（206）关闭；
S4-2，燃料电池电堆（1）的冷却液只通过水泵І（201）进行循环；
S5，当热管理控制器监测到TF＞T2时，三通电磁阀Ⅴ（215）导通散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）导通水泵І（201），三通电磁阀І（211）、三通电磁阀Ⅱ（212）、三通电磁阀Ⅲ（213）和三通电磁阀Ⅳ（214）关闭，以及水泵Ⅱ（202）关闭；燃料电池电堆（1）的冷却液流经散热器（205）进行散热降温以确保燃料电池处于最佳的工作温度区间；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间。
2.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述冷却回路中的磁质储热器包括磁质储热器І（203）和磁质储热器Ⅱ（204），磁质储热器І（203）和磁质储热器Ⅱ（204）位于脉冲磁体І（207）、脉冲磁体Ⅱ（208）和脉冲磁体Ⅲ（209）之间。
3.根据权利要求2所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器І（203）与燃料电池电堆（1）的出液侧连通的管路中串联有三通电磁阀І（211）；磁质储热器І（203）与燃料电池电堆（1）的进液侧连通的管路中串联有三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）。
4.根据权利要求2所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器Ⅱ（204）一端引出的支路连接于三通电磁阀І（211）和燃料电池电堆（1）之间的管路上，该支路中串联有三通电磁阀Ⅲ（213）；磁质储热器Ⅱ（204）另一端引出的支路与三通电磁阀Ⅲ（213）连通，该支路中依次串联有三通电磁阀Ⅳ（214）、散热器（205）、三通电磁阀Ⅵ（216）和水泵Ⅱ（202）；位于水泵Ⅱ（202）和三通电磁阀Ⅲ（213）之间的管路中引出分支管路与三通电磁阀І（211）连通。
5.根据权利要求3所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述三通电磁阀Ⅱ（212）引出的支路与三通电磁阀Ⅳ（214）和散热器（205）之间的管路连通；该支路引出的分支管路与燃料电池电堆（1）的出液侧连通，该分支管路上串联有三通电磁阀Ⅴ（215），三通电磁阀Ⅴ（215）还连通于三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）之间的管路上；三通电磁阀Ⅱ（212）和水泵І（201）之间的管路中引出两个分支管路分别与三通电磁阀Ⅳ（214）和三通电磁阀Ⅵ（216）连通。
6.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述冷却回路中的温度传感器І（210）和温度传感器Ⅱ（217）分别靠近燃料电池电堆（1）的进液侧和出液侧。
7.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热器包括磁质储热器外壳（21）内的磁质储热管（23），以及位于磁质储热器外壳（21）内壁与磁质储热管（23）外壁之间的保温层（22），磁质储热器外壳（21）两端的磁质进口和磁质出口与磁质储热管（23）连通。
8.根据权利要求7所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述磁质储热管（23）内沿轴线布设多个磁工质板（24），磁工质板（24）之间的间隙为冷却液流动通道。
9.根据权利要求1所述的基于磁热效应的燃料电池冷启动系统，其特征是：所述热管理控制器（3）接收温度信号，并发送指令控制调控水泵І（201）、水泵Ⅱ（202）和散热器（205）的转速，以及控制脉冲磁体І（207）、脉冲磁体Ⅱ（208）或脉冲磁体Ⅲ（209）的通断。
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