CN114068987A - 燃料电池低温判断方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池低温环境判断方法及装置，通过采集并检测实时燃料电池低温数据及当前环境数据，并根据实时燃料电池低温数据及当前环境数据判断当前温度是否满足预设低温控制策略的温度阈值，若满足则执行低温控制策略，对燃料电池进行温度调节，否则实时检测燃料电池低温数据及当前环境数据；本发明在无需外部系统提供温度环境，避免加装环境温度传感器，降低成本，提高工作效率，并避免了因温度判断错误导致燃料电池内部冻结。
Description
技术领域
本发明涉及基于燃料电池低温环境处理领域，具体涉及一种燃料电池低温判断方法及装置。
背景技术
燃料电池发电系统是通过氢气与氧气产生电化学反应生成水来产生电能的发电装置，由于产生的水在低温下会冻结成冰，冻住燃料电池内部如电堆流道、氢气循环泵、空压机等管路、阀门、泵头等装置，因此在环境温度低于0℃的低温下，需要调节燃料电池控制策略，在开机过程中快速暖机或辅助加热提高电堆温度，在关机过程中延长吹扫时间降低电堆内部的水含量。
目前燃料电池发电系统判断是否进行冷启动策略主要是通过上级控制器发送环境温度或通过自身冷却液及空气温度进行判断是否执行冷启动策略，但是这些方法存在误判的可能及对燃料电池的应用提出额外的要求，如要求上级控制器向燃料电池发电系统发送环境温度需要加装温度传感器，且温度传感器不能真实判断实际环境温度，可能存在运行过程中车辆在库内温度较高，但出库后温度降低导致燃料电池冻结，也有可能由于上一次运行结束后燃料电池内部温度上升导致短时间内后一次启动没有正确进入冷启动模式的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，如需额外增加外部环境温度传感器，在连续运行或在室内、库内等环境较高区域启停中导致对实际环境温度出现误判等问题，本发明提供了一种燃料电池低温判断方法及装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种燃料电池低温环境判断方法，包括以下步骤：
S1、采集并检测实时燃料电池低温数据及当前环境数据；
S2、根据步骤S1采集的实时燃料电池低温数据及当前环境数据判断是否当前温度是否满足预设的低温控制策略的温度阈值，若满足则进入步骤S3，否则返回步骤S1；
S3、根据步骤S2中的判断结果执行低温控制策略，对燃料电池进行温度调节。
优选地，步骤S2具体包括以下分步骤：
S21、判断步骤S1采集的实时燃料电池低温数据是否大于第一温度阈值，若是则进入步骤S22；否则进入步骤S23；
S22、判断步骤S1采集的当前环境数据是否大于第二温度阈值，若是则不执行低温控制策略，否则进入步骤S23；
S23、执行低温控制策略。
该优选方案的有益效果为：
通过预设的温度阈值完成对低温控制策略实施的温度判断，细化燃料电池低温判断方法，在需要进行加热启动时进入加热流程，并在完成加热后自动退出继续启动燃料电池并拉载，在无需进行加热的情况下，燃料电池可直接跳过该加热环节进入启动流程。
优选地，步骤S3中的低温控制策略具体包括以下分步骤：
A1、对燃料电池进行加热，并实时检测燃料电池的温度；
A2、判断步骤A1中燃料电池的温度是否满足第一预设温度阈值，若满足则向燃料电池通入反应气体，并进入步骤A3；否则返回步骤A1，继续加热燃料电池；
A3、通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升，并判断燃料电池的拉载温度是否满足第二预设温度阈值，若满足则根据需求功率进行拉载，并进入步骤A4；否则继续通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升；
A4、以预设比例增加燃料电池中吹扫时间以及吹扫气体流量对燃料电池发电系统进行吹扫。
该优选方案的有益效果为：
通过低温控制策略提高燃料电池在低温条件下的内部工作，避免燃料电池在运行过程中生成的水由于低温冻结成冰，堵塞气体通道导致燃料电池启动失败或在燃料电池运行发热及外部寒冷空气的交叉影响下反复结冰融化损害燃料电池内部结构。
优选地，步骤A3中根据负载功率进行燃料电池的电压拉载具体为：
将燃料电池的生成电压通过升压变换器进行升压，待电压稳定后为负载供电，负载功率的计算式为：
Pf＝Ps-Pl＝Um*(Is-Il)
其中，Pf为负载功率，Ps为升压变压器的输出功率，Pl为降压变压器的输入功率，Um为母线电压，Is为升压输出电流，Il为降压输入电流。
该优选方案的有益效果为：
通过拉载，即：调整升压变化器输出电流改变燃料电池系统输出功率。
第二方面，一种燃料电池低温环境判断系统，包括：气象数据采集装置、燃料电池低温判断装置、燃料电池装置以及无线通信装置；
所述无线通信装置分别与所述气象数据采集装置、所述燃料电池低温判断装置通信连接，用于接收气象数据采集装置采集的气象数据，并传输给燃料电池低温判断装置；
所述气象数据采集装置，用于采集当前环境温度；
所述燃料电池低温判断装置分别与所述无线通信装置、所述燃料电池装置通信连接，用于接收并判断无线通信装置传输的气象数据，并将判断结果传输给燃料电池装置；
所述燃料电池装置，用于接收燃料电池低温判断装置的判断结果，并结合判断结果执行相应操作。
优选地，所述燃料电池装置包括：发电装置、辅助加热装置、冷却装置、主控装置、扫风装置以及系统温度采集装置；
所述主控装置分别与所述扫风装置、所述系统温度采集装置、所述冷却装置通信连接，用于接收系统温度采集装置采集的温度数据，并将控制信号传输至扫风装置以及冷却装置；
所述辅助加热装置与所述冷却装置连接，用于加热冷却装置；
所述发电装置分别与所述系统温度采集装置、所述冷却装置连接，用于接收反应气体进行燃烧发电；
所述冷却装置，用于在发电装置运行过程中进行散热冷却，并与辅助加热装置共同加热发电装置；
所述扫风装置，用于清除发电装置多余的反应气体；
所述系统温度采集装置与所述无线通信装置连接，用于检测冷却装置的温度与燃料电池装置的温度。
第三方面，一种燃料电池低温环境判断设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现任一项所述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
采集并检测实时燃料电池低温数据及当前环境数据，并判断实时燃料电池低温数据及当前环境数据判断是否当前温度是否满足预设的低温控制策略的温度阈值，若满足则执行低温控制策略，对燃料电池进行温度调节，否则实时检测燃料电池低温数据及当前环境数据，并构建相应的系统、设备及计算机可读存储介质，在无需外部系统提供温度环境，避免加装环境温度传感器，降低成本，提高工作效率，并避免了因温度判断错误导致燃料电池内部冻结。
附图说明
图1为本发明提供的一种燃料电池低温环境判断方法的整体步骤示意图；
图2为本发明提供的一种燃料电池低温环境判断方法中步骤S2的分步骤示意图；
图3为本发明提供的一种燃料电池低温环境判断方法中低温控制策略的步骤示意图；
图4为本发明实施例提供的燃料电池拉载的结构示意图；
图5为本发明实施提供的一种燃料电池低温环境判断系统的结构示意图；
图6为本发明实施提供的一种燃料电池低温环境判断设备的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，第一方面，一种燃料电池低温环境判断方法，包括以下步骤：
S1、采集并检测实时燃料电池低温数据及当前环境数据；
可选的，本发明可应用于车用燃料电池发电系统以及燃料电池固定电站，可通过采用GPS信号接收器采集当前环境下的燃料电池所处经度、纬度、海拔等地理位置环境，建立云端数据平台获取所处地理条件下的未来24小时的环境最低温度情况，得到当前环境温度。
S2、根据步骤S1采集的实时燃料电池低温数据及当前环境数据判断当前温度是否满足预设的低温控制策略的温度阈值，若满足则进入步骤S3，否则返回步骤S1；
如图2所示，优选地，步骤S2具体包括以下分步骤：
S21、判断步骤S1采集的实时燃料电池低温数据是否大于第一温度阈值，若是则进入步骤S22；否则进入步骤S23；
可选的，判断采集的实时燃料电池低温数据是否大于第一温度阈值，即0摄氏度，若大于则进入步骤S22；否则进入步骤S23；
S22、判断步骤S1采集的当前环境数据是否大于第二温度阈值，若是则不执行低温控制策略，否则进入步骤S23；
可选的，判断当前环境数据是否大于第二温度阈值，即0摄氏度，若大于则不执行低温控制策略，否则进入步骤S23；
当实时燃料电池低温数据大于第一温度阈值，且当前环境数据亦大于第二温度阈值，这种情况可以属于燃料电池发电系统未处于低温环境，当地气温高于0℃，在未来短时间内也不会处于低温环境，则无需对燃料电池执行低温控制策略；
若实时燃料电池低温数据大于第一温度阈值，但当前环境数据小于第二温度阈值，这种属于燃料电池发电系统未处在低温环境中，但当地气温低于0℃，在未来较短时间内有可能低温环境中，因此在这种情况下需要执行低温控制策略，实际中，该情况可能存在于日间运行气温高，根据运行时温度判断运行时刻不会结冰，但夜间气温低，车辆或设备在夜间存在结冰可能，或运行时刻在车库或保温环境中，但后续车辆可能出库或取消保温，处于低温环境后车辆存在结冰可能；
而对于实时燃料电池低温数据小于第一温度阈值，且进一步判断时，当前环境数据大于第二温度阈值，该情况属于燃料电池发电系统处在低温环境中，但当地气温高于0℃，在未来较短时间内有可能低温环境中，因此在这种情况下需要执行低温控制策略；实际中，可发生在例如车辆从低温环境运行至非低温环境中，或处于降雪融雪及其他局部性低温环境附近，若发电系统需短时间内启动运行，则需要避免局部低温条件对发电系统性能的影响，应进行低温控制策略；
当实时燃料电池低温数据小于第一温度阈值，且当前环境数据小于第二温度阈值时，属于燃料电池发电系统处在低温环境中，且当地气温低于0℃，发电系统可能长时处于低温环境，因此在这种情况下需要执行低温控制策略。
对于第一温度阈值与第二温度阈值可根据实际情况进行设置，并不单一限制为零摄氏度。
S23、执行低温控制策略。
S3、执行低温控制策略，对燃料电池进行温度调节。
如图3所示，优选地，步骤S3中的低温控制策略具体包括以下分步骤：
A1、对燃料电池进行加热，并实时检测燃料电池的温度；
A2、判断步骤A1中燃料电池的温度是否满足第一预设温度阈值，若满足则向燃料电池通入反应气体，并进入步骤A3；否则返回步骤A1，继续加热燃料电池；
实际中，A2步骤可增加燃料电池通入燃料气体并拉载前的电堆温度，避免电堆在运行过程中生成的水由于低温冻结成冰，堵塞气体通道导致燃料电池启动失败或在燃料电池运行发热及外部寒冷空气的交叉影响下反复结冰融化损害燃料电池内部结构。
A3、通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升，并判断燃料电池的拉载温度是否满足第二预设温度阈值，若满足则根据需求功率进行拉载，并进入步骤A4；否则继续通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升；
如图4所示，优选地，步骤A3中根据负载功率进行燃料电池的电压拉载具体为：
将燃料电池的生成电压通过升压变换器进行升压，待电压稳定后为负载供电，负载功率的计算式为：
Pf＝Ps-Pl＝Um*(Is-Il)
其中，Pf为负载功率，Ps为升压变压器的输出功率，Pl为降压变压器的输入功率，Um为母线电压，Is为升压输出电流，Il为降压输入电流。
可选的，可通过调整升压变换器开关管占空比改变升压变换器的电流，进而改变燃料电池电堆的输出电流及燃料电池发电系统的输出功率，亦可通过降压变换器结合稳定的升压电压为燃料电池除了电堆以外的其他燃料电池辅助部件供电。
实际中，A3步骤可在燃料电池拉载至额定功率之前将燃料电池温度提高至合适温度，提高燃料电池内部催化剂活性，避免大功率下燃料电池因温度不足导致拉载电流过大将电堆电压拉低影响性能及寿命。
A4、以预设比例增加燃料电池中吹扫时间以及吹扫气体流量对燃料电池发电系统进行吹扫。
实际中，A4步骤可在关机中降低燃料电池内部含水量，减少内部结冰的可能并有利于避免下次低温启动内部结冰。
可选的，当燃料电池检测到应实施低温控制策略后，实施低温控制策略主要包括启动过程和关机过程；
其中，启动过程具体为：燃料电池发电系统在低温环境下，首先启动辅助加热设备及循环水泵，通过辅助加热设备加热内部冷却液，等到内部冷却液温度高于启动最低温度后，像燃料电池阴极侧与阳极侧通入反应气体，通过控制阴极反应气体流量及电堆电流使电堆内部温度上升，达到满足燃料电池拉载温度后，根据车辆需求功率进行拉载；
关机过程具体为：燃料电池发电系统在低温环境下，关机过程中延长关机吹扫时间，增大吹扫时的反应气体流量，延长时间和流量与燃料电池内部水含量和预测最低温度有关。
第二方面，如图5所示，一种燃料电池低温环境判断系统，包括：气象数据采集装置、燃料电池低温判断装置、燃料电池装置以及无线通信装置；
无线通信装置分别与气象数据采集装置、燃料电池低温判断装置通信连接，用于接收气象数据采集装置采集的气象数据，并传输给燃料电池低温判断装置；
气象数据采集装置，用于采集当前环境温度；
燃料电池低温判断装置分别与无线通信装置、燃料电池装置通信连接，用于接收并判断无线通信装置传输的气象数据，并将判断结果传输给燃料电池装置；
燃料电池装置，用于接收燃料电池低温判断装置的判断结果，并结合判断结果执行相应操作。
优选地，燃料电池装置包括：发电装置、辅助加热装置、冷却装置、主控装置、扫风装置以及系统温度采集装置；
主控装置分别与扫风装置、系统温度采集装置、冷却装置通信连接，用于接收系统温度采集装置采集的温度数据，并将控制信号传输至扫风装置以及冷却装置；
辅助加热装置与冷却装置连接，用于加热冷却装置；
发电装置分别与系统温度采集装置、冷却装置连接，用于接收反应气体进行燃烧发电；
冷却装置，用于在发电装置运行过程中进行散热冷却，并与辅助加热装置共同加热发电装置；
扫风装置，用于清除发电装置多余的反应气体；
系统温度采集装置与无线通信装置连接，用于检测冷却装置的温度与燃料电池装置的温度。
可选的，在燃料电池内部分别设置氢气温度、空气温度、冷却液温度的采集装置，与无线通信装置连接，用于检测冷却装置的温度与燃料电池装置的温度；本发明无需增加外部温度传感器，可通过地理位置结合气象数据分析所处地点环境，避免由于燃料电池开始运行后，内部环境由于发热温度上升，使得内部传感器温度无法正确反映环境温度。
本发明实施例提供的一种燃料电池低温环境判断系统具有上述的一种燃料电池低温环境判断方法的有益效果。
对于车用燃料电池发电系统而言，本发明实施例提供的一种燃料电池低温环境判断系统可替代车用TBOX无线传输终端，实现运行数据云端上传及环境温度预测的功能，无需增加额外的硬件成本，并通过将燃料电池低温环境判断系统设置在车载燃料电池发电系统中，可以实现车辆运行至寒冷地区时向燃料电池系统发送低温信号，使燃料电池系统进入低温控制策略，而对于燃料电池固定电站，则可通过设置低温环境判断系统可防止因昼夜温度变化导致的燃料电池发电系统夜间冻结现象，提高燃料电池固定电站运行稳定性。
第三方面，一种燃料电池低温环境判断设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如任一项所述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
本发明实施例提供的一种燃料电池低温环境判断设备具有上述的一种燃料电池低温环境判断方法的有益效果。
第四方面，如图6所示，一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质具有上述的一种燃料电池低温环境判断方法的有益效果。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种燃料电池低温环境判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集并检测实时燃料电池低温数据及当前环境数据；
S2、根据步骤S1采集的实时燃料电池低温数据及当前环境数据判断当前温度是否满足预设的低温控制策略的温度阈值，若满足则进入步骤S3，否则返回步骤S1；
S3、执行低温控制策略，对燃料电池进行温度调节。
2.根据权利要求1所述的燃料电池低温环境判断方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下分步骤：
S21、判断步骤S1采集的实时燃料电池低温数据是否大于第一温度阈值，若是则进入步骤S22；否则进入步骤S23；
S22、判断步骤S1采集的当前环境数据是否大于第二温度阈值，若是则不执行低温控制策略，否则进入步骤S23；
S23、执行低温控制策略。
3.根据权利要求2所述的燃料电池低温环境判断方法，其特征在于，步骤S3中的低温控制策略具体包括以下分步骤：
A1、对燃料电池进行加热，并实时检测燃料电池的温度；
A2、判断步骤A1中燃料电池的温度是否满足第一预设温度阈值，若满足则向燃料电池通入反应气体，并进入步骤A3；否则返回步骤A1，继续加热燃料电池；
A3、通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升，并判断燃料电池的拉载温度是否满足第二预设温度阈值，若满足则根据负载功率进行燃料电池电压拉载，并进入步骤A4；否则继续通过控制反应气体流量与电堆电流使电堆内部温度上升；
A4、以预设比例增加燃料电池中吹扫时间以及吹扫气体流量对燃料电池发电系统进行吹扫。
4.根据权利要求3所述的燃料电池低温环境判断方法，其特征在于，步骤A3中根据负载功率进行燃料电池的电压拉载具体为：
将燃料电池的生成电压通过升压变换器进行升压，待电压稳定后为负载供电，负载功率的计算式为：
Pf＝Ps-Pl＝Um*(Is-Il)
其中，Pf为负载功率，Ps为升压变压器的输出功率，Pl为降压变压器的输入功率，Um为母线电压，Is为升压输出电流，Il为降压输入电流。
5.一种应用于燃料电池低温环境判断方法的系统，其特征在于，包括：气象数据采集装置、燃料电池低温判断装置、燃料电池装置以及无线通信装置；
所述无线通信装置分别与所述气象数据采集装置、所述燃料电池低温判断装置通信连接，用于接收气象数据采集装置采集的气象数据，并传输给燃料电池低温判断装置；
所述气象数据采集装置，用于采集当前环境温度；
所述燃料电池低温判断装置分别与所述无线通信装置、所述燃料电池装置通信连接，用于接收并判断无线通信装置传输的气象数据，并将判断结果传输给燃料电池装置；
所述燃料电池装置，用于接收燃料电池低温判断装置的判断结果，并结合判断结果执行相应操作。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述燃料电池装置包括：发电装置、辅助加热装置、冷却装置、主控装置、扫风装置以及系统温度采集装置；
所述主控装置分别与所述扫风装置、所述系统温度采集装置、所述冷却装置通信连接，用于接收系统温度采集装置采集的温度数据，并将控制信号传输至扫风装置以及冷却装置；
所述辅助加热装置与所述冷却装置连接，用于加热冷却装置；
所述发电装置分别与所述系统温度采集装置、所述冷却装置连接，用于接收反应气体进行燃烧发电；
所述冷却装置，用于在发电装置运行过程中进行散热冷却，并与辅助加热装置共同加热发电装置；
所述扫风装置，用于清除发电装置多余的反应气体；
所述系统温度采集装置与所述无线通信装置连接，用于检测冷却装置的温度与燃料电池装置的温度。
7.一种燃料电池低温环境判断设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的燃料电池低温环境判断方法的步骤。
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