CN114447364A - 一种燃料电池系统低温冷启动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统低温冷启动系统，包括：电堆、空气路系统和冷却回路系统；冷却回路系统中包括循环水泵、若干温度传感器、三通调节阀以及散热器；三通调节阀分别与电堆、循环水泵输入端和散热器输入端连接；空气路系统中包括：空压机、中冷器、旁通阀、进气阀和出气阀；中冷器通过若干循环管路连通至冷却回路系统，若干循环管路分别连接至循环水泵的输出端和三通调节阀的输入端。该低温冷启动系统通过空压机压缩空气产热，进而通过空气路系统中冷器将压缩空气热量用于冷却回路系统中冷却液的加热，使得电堆在低温状态下短时间内进入常温启动，这种方式兼顾启动时间和成本，减小对燃料电池系统的伤害。

Description

一种燃料电池系统低温冷启动系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统低温冷启动系统及其控制方法。

背景技术

在节能环保的背景下，燃料电池技术发展的一大难点是低温环境下的冷启动问题，燃料电池系统的低温冷启动性能也是判断其性能的一个重要指标。现有技术中的燃料电池系统低温冷启动方式主要分为两种，第一种是外接PTC加热，这种方式主要应用于国内大部分燃料电池系统，该方式有能耗高、成本高和冷启动时间长等缺点，不适用于现有燃料电池系统的应用场景；第二种为自加热方式，主要应用于丰田Mirai系统，该方式能耗低且启动快，但该方式对燃料电池系统伤害较大，且启动策略复杂，不可预知因素较多。

因此，有必要研发一种燃料电池系统低温冷启动系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种燃料电池系统低温冷启动系统及其控制方法。本发明中燃料电池系统低温冷启动系统通过空压机压缩空气产热，进而通过空气路系统中冷器将压缩空气热量用于冷却回路系统中冷却液加热，使得电堆在低温状态下短时间内进入常温启动。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池系统低温冷启动系统，包括：电堆、空气路系统和冷却回路系统：

所述冷却回路系统中包括循环水泵、若干温度传感器、三通调节阀以及散热器；所述三通调节阀分别与所述电堆、所述循环水泵输入端和所述散热器输入端连接；

所述空气路系统中包括：空压机、中冷器、旁通阀、进气阀和出气阀；所述空压机用于吸入空气，并压缩空气产生热量；所述进气阀和所述出气阀分别设置在所述电堆的进气端和出气端；所述中冷器通过若干循环管路连通至所述冷却回路系统，若干所述循环管路分别连接至所述循环水泵的输出端和所述三通调节阀的输入端。

本发明一个较佳实施例中，所述三通调节阀根据所述温度传感器的温度信号，控制所述三通调节阀与所述循环水泵或所述散热器的连通或关闭。

本发明一个较佳实施例中，通过调节所述空压机转速和所述旁通阀的开度，闭环控制空气流量和压比。

本发明一个较佳实施例中，若干所述温度传感器分别设置在所述电堆的进水端和出水端，用于检测环境温度或所述冷却回路系统中冷却液温度。

本发明一个较佳实施例中，所述三通调节阀为电子式三通调节阀。

基于上述所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、温度传感器检测到环境温度是否低于冷启动设定阈值T1，若低于冷启动设定阈值T1，进入S2；

S2、将旁通阀全开，进气阀和出气阀全闭，三通调节阀与散热器不连通，三通调节阀与循环水泵连通，循环水泵开启至最大转速，空压机开启至最小转速；

S3、空气路系统中空压机压缩空气产生热量，冷却回路系统中的冷却液通过循环管路通入中冷器，并在中冷器中与压缩空气实现混合加热，加热后的冷却液通过循环管路输送至冷却回路系统中；调节空压机转速和旁通阀的开度，使得空气压比至设定值，实现最低能耗下持续对冷却液的加热；

S4、实时检测电堆输出端的冷却液温度是否大于电堆启动阈值T2，若大于电堆启动阈值T2，燃料电池系统进入常温启动，并根据负载需求输出电流，燃料电池低温冷启动成功。

本发明一个较佳实施例中，在所述S1中，所述冷启动设定阈值T1在-30℃～10℃范围内选取。

本发明一个较佳实施例中，在所述S3中，所述设定值在0.8～1.8Mpa范围内选取。

本发明一个较佳实施例中，在所述S4中，所述电堆启动阈值T2在10～40℃范围内选取。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

（1）本发明提供了一种燃料电池系统低温冷启动系统，该低温冷启动系统通过空压机压缩空气产热，进而通过空气路系统中冷器将压缩空气热量用于冷却回路系统中冷却液的加热，使得电堆在低温状态下短时间内进入常温启动，解决了现有技术中能耗高、成本高和冷启动时间长的问题。

（2）本发明的低温冷启动系统无需加装辅助装置进行加热，利用冷却回路系统在电堆中均匀分布的特性，通过加热后的冷却液在电堆中均匀流动，实现快速且均匀加热电堆；这种方式兼顾启动时间和成本，减小对燃料电池系统的伤害。

（3）本发明通过调节空压机转速和旁通阀的开度，使得空气压比至设定值，实现最低能耗下持续对冷却液的加热，进一步减少了低温冷启动的成本。

（4）本发明在低温冷启动的过程中，通过将冷却回路系统中的冷却水持续均匀加热，使得经过电堆中的冷却水温度逐渐提高，在短时间内逐渐加热电堆，避免一次性向电堆中通入高温的冷却水，造成电堆的损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明中记载的一些实施例，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是本发明的优选实施例的一种燃料电池系统低温冷启动系统的示意图；

图中：1、电堆；2、循环水泵；3、温度传感器；4、三通调节阀；5、散热器；6、空压机；7、中冷器；8、旁通阀；9、进气阀；10、出气阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，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，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，示出了本发明中一种燃料电池系统低温冷启动系统的示意图。该低温冷启动系统包括：电堆1、空气路系统和冷却回路系统。

冷却回路系统中包括循环水泵2、若干温度传感器3、三通调节阀4以及散热器5。该循环水泵2用于循环流动冷却回路系统中的冷却液。若干温度传感器3分别设置在电堆1的进水端和出水端，用于检测环境温度或冷却回路系统中冷却液温度。

三通调节阀4分别与电堆1、循环水泵2输入端和散热器5输入端连接。

三通调节阀4根据温度传感器3的温度信号，控制三通调节阀4与循环水泵2或散热器5的连通或关闭。当三通调节阀4与循环水泵2连接时，冷却回路系统形成冷却路小循环，该冷却路小循环中冷却水依次经过循环水泵2、电堆1进水端、电堆1出水端和三通调节阀4。当三通调节阀4与散热器5连接时，冷却回路系统形成冷却路大循环，该冷却路大循环中冷却水依次经过循环水泵2、电堆1进水端、电堆1出水端、三通调节阀4和散热器5。

空气路系统中包括：空压机6、中冷器7、旁通阀8、进气阀9和出气阀10。空压机6用于吸入空气，并压缩空气产生热量。进气阀9和出气阀10分别设置在电堆1的进气端和出气端。中冷器7通过若干循环管路连通至冷却回路系统，若干循环管路分别连接至循环水泵2的输出端和三通调节阀4的输入端。

通过调节空压机6转速和旁通阀8的开度，闭环控制空气流量和压比，实现最低能耗下持续对冷却液的加热，减少了低温冷启动的成本。

本发明中三通调节阀4为电子式三通调节阀4。

当温度传感器3检测到环境温度低于冷启动设定阈值T1时，燃料电池系统开启低温冷启动系统，此时三通调节阀4接收到温度传感器3的温度信号，三通调节阀4与散热器5不连通，三通调节阀4与循环水泵2连通，以形成冷却小循环。当温度传感器3检测到环境温度或冷却水温度高于电堆启动阈值T2时，燃料电池系统关闭低温冷启动系统，并进入常温启动，此时三通调节阀4与散热器5连通，三通调节阀4与循环水泵2不连通。

基于上述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、温度传感器3检测到环境温度是否低于冷启动设定阈值T1，若低于冷启动设定阈值T1，进入S2；

S2、将旁通阀8全开，进气阀9和出气阀10全闭，三通调节阀4与散热器5不连通，三通调节阀4与循环水泵2连通，循环水泵2开启至最大转速，空压机6开启至最小转速；

S3、空气路系统中空压机6压缩空气产生热量，冷却回路系统中的冷却液通过循环管路通入中冷器7，并在中冷器7中与压缩空气实现混合加热，加热后的冷却液通过循环管路输送至冷却回路系统中；调节空压机6转速和旁通阀8的开度，使得空气压比至设定值，实现最低能耗下持续对冷却液的加热；

S4、实时检测电堆1输出端的冷却液温度是否大于电堆启动阈值T2，若大于电堆启动阈值T2，燃料电池系统进入常温启动，并根据负载需求输出电流，燃料电池低温冷启动成功。

需要说明的是，本发明中冷启动设定阈值T1在-30℃～10℃范围内选取，优选为5℃。本发明中设定值在0.8～1.8Mpa范围内选取，优选为1.2Mpa。本发明中电堆启动阈值T2在10～40℃范围内选取，优选为20℃。

本发明中低温冷启动系统通过空压机6压缩空气产热，进而通过空气路系统中冷器7将压缩空气热量用于冷却回路系统中冷却液加热，使得电堆1在低温状态下短时间内进入常温启动，解决了现有技术中能耗高、成本高和冷启动时间长的问题。

本发明利用冷却回路系统在电堆1中均匀分布的特性，通过加热后的冷却液在电堆1中均匀流动，实现均匀加热电堆1；这种方式的导热效率高，可快速提高电堆1的温度。

本发明中低温冷启动系统在不外加加热设备的前提下，通过燃料电池系统本身的装置就能实现低温冷启动，解决了现有技术中通过外接PTC加热造成燃料电池体积过大的问题。在低温冷启动的过程中，只需压缩空气，不产生任何污染物，这种方式兼顾启动时间和成本，减小了对燃料电池系统的伤害。

本发明中冷却回路系统、电堆1和中冷器7相互连通，在低温冷启动的过程中，通过将冷却回路系统中的冷却水持续均匀加热，使得经过电堆1中的冷却水温度逐渐提高，在短时间内逐渐加热电堆1，避免一次性向电堆1中通入高温的冷却水，造成电堆1的损坏。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统低温冷启动系统，所述低温冷启动系统适用于-30℃～10℃，包括：电堆、空气路系统和冷却回路系统，其特征在于：

所述冷却回路系统中包括循环水泵、若干温度传感器、三通调节阀以及散热器；所述三通调节阀分别与所述电堆、所述循环水泵输入端和所述散热器输入端连接；

所述空气路系统中包括：空压机、中冷器、旁通阀、进气阀和出气阀；所述空压机用于吸入空气，并压缩空气产生热量；所述进气阀和所述出气阀分别设置在所述电堆的进气端和出气端；所述中冷器通过若干循环管路连通至所述冷却回路系统，若干所述循环管路分别连接至所述循环水泵的输出端和所述三通调节阀的输入端；

所述三通调节阀根据所述温度传感器的温度信号，控制所述三通调节阀与所述循环水泵或所述散热器的连通或关闭。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统，其特征在于：通过调节所述空压机转速和所述旁通阀的开度，闭环控制空气流量和压比。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统，其特征在于：若干所述温度传感器分别设置在所述电堆的进水端和出水端，用于检测环境温度或所述冷却回路系统中冷却液温度。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统，其特征在于：所述三通调节阀为电子式三通调节阀。

5.基于权利要求1-4中任一项所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、温度传感器检测到环境温度是否低于冷启动设定阈值T1，若低于冷启动设定阈值T1，进入S2；

S2、将旁通阀全开，进气阀和出气阀全闭，三通调节阀与散热器不连通，三通调节阀与循环水泵连通，循环水泵开启至最大转速，空压机开启至最小转速；

S3、空气路系统中空压机压缩空气产生热量，冷却回路系统中的冷却液通过循环管路通入中冷器，并在中冷器中与压缩空气实现混合加热，加热后的冷却液通过循环管路输送至冷却回路系统中；调节空压机转速和旁通阀的开度，使得空气压比至设定值，实现最低能耗下持续对冷却液的加热；

S4、实时检测电堆输出端的冷却液温度是否大于电堆启动阈值T2，若大于电堆启动阈值T2，燃料电池系统进入常温启动，并根据负载需求输出电流，燃料电池低温冷启动成功。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，其特征在于：在所述S1中，所述冷启动设定阈值T1在-30℃～10℃范围内选取。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，其特征在于：在所述S3中，所述设定值在0.8～1.8Mpa范围内选取。

8.根据权利要求5所述的一种燃料电池系统低温冷启动系统的控制方法，其特征在于：在所述S4中，所述电堆启动阈值T2在10～40℃范围内选取。

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