CN114744240A - 一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置 - Google Patents

一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置，其方法包括：对燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；当上电自检结果为无故障时，接收启动指令，并根据启动指令控制燃料电池热管理系统启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度；当电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对燃料电池热管理系统进行大小循环切换；获取散热环境变化状态，并基于散热环境变化状态与需求冷却液出口温度调整燃料电池热管理系统的状态参数；接收停机指令，并根据停机指令控制燃料电池热管理系统停机。本发明提高了对燃料电池热管理系统进行控制的全面性。

Description

一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池热管理系统技术领域，具体涉及一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置。
背景技术
燃料电池汽车为代表的新能源汽车具有节能、环保等优点，在近年来迅速发展，具有很好的应用前景。尤其在商用车领域，燃料电池汽车和纯电动汽车相比具有更长的续驶里程。但与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车在热管理方面面临较大的挑战。
现有技术中，燃料电池热管理系统基本上均只描述热管理过程中某一部分，比如低温启动、大小循环切换等单一过程，未考虑燃料电池热管理系统的整体控制方案，导致燃料电池热管理系统的热管理不全面的技术问题。
因此，急需提出一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的燃料电池热管理系统的热管理不全面的技术问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的燃料电池热管理系统的热管理不全面的技术问题。
一方面，本发明提供了一种燃料电池热管理系统的控制方法，燃料电池热管理系统包括电堆，所述燃料电池热管理系统的控制方法包括：
对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
当所述上电自检结果为无故障时，接收启动指令，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
接收停机指令，并根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机。
在一些可能的实现方式中，所述燃料电池热管理系统的控制方法还包括：
在对所述燃料电池热管理系统进行上电自检的过程中，当所述上电自检结果为故障时，触发故障，且所述燃料电池热管理系统禁止启动；
或，
在控制所述燃料电池热管理系统启动的错承重，当所述电堆冷却液出口温度小于所述阈值温度，且加热时间大于阈值加热时间时，触发故障，且控制所述燃料电池热管理系统进行高低压下电；
或，
在对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换的过程中，当所述电堆的实际功率小于需求功率，或所述电堆出现过温时，触发故障，控制所述燃料电池热管理系统停机或高低压下电；
或，
在调整所述燃料电池热管理系统的状态参数的过程中，当所述电堆冷却液出口温度的变化趋势不符合理论变化趋势时，触发故障，控制所述燃料电池热管理系统停机或高低压下电。
在一些可能的实现方式中，所述燃料电池热管理系统还包括散热器、水箱、水泵以及去离子器；所述对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果，包括：
获取所述散热器的散热器冷却液出口温度、所述电堆的电堆冷却液进口温度、所述电堆的电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述水箱的液位、所述去离子器的离子浓度以及所述水泵的水泵工作状态；
判断所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位以及所述离子浓度是否在标定范围内，并判断所述水泵工作状态是否为正常；
当所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位以及所述离子浓度在标定范围内，且所述水泵工作状态为正常时，所述上电自检结果为无故障；
当所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位中的任意一个不在标定范围内，或所述水泵工作状态为非正常时，所述上电自检结果为故障。
在一些可能的实现方式中，所述根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度，包括：
获取环境温度，并判断所述环境温度是否小于预设低温环境温度，所述环境温度是否大于预设高温环境温度；
当所述环境温度小于所述预设低温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行低温启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述环境温度大于或等于所述预设低温环境温度，且所述环境温度小于或等于所述预设高温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行常温启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述环境温度大于所述预设高温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行热机启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度。
在一些可能的实现方式中，所述燃料电池热管理系统的控制方法还包括：
在所述燃料电池热管理系统进行热机启动的过程中，获取所述电堆冷却液出口温度，并判断所述电堆冷却液出口温度是否上升；
当所述电堆冷却液出口温度上升时，获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数。
在一些可能的实现方式中，所述燃料电池热管理系统还包括热交换器、加热器、第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，所述第一三通阀分别连接所述水泵、所述第三三通阀以及所述加热器，所述第二三通阀分别连接所述加热器、所述散热器和所述电堆，所述第三三通阀分别连接所述第一三通阀、所述散热器和所述热交换器。
在一些可能的实现方式中，所述对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换，包括：
步骤一、获取所述电堆的实际功率，当所述实际功率大于或等于所述需求功率时，根据所述燃料电池热管理系统的需求温差，确定所述水泵的需求转速，并根据所述需求转速调整所述水泵的实际转速；
步骤二、当所述电堆冷却液出口温度小于设定温度时，关闭所述加热器，并通过控制所述第一三通阀、所述第二三通阀以及所述第三三通阀调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤三、当所述散热器冷却液出口温度大于或等于所述阈值温度时，通过控制所述第一三通阀和所述第二三通阀调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤四、当所述电堆冷却液进口温度和所述散热器冷却液出口温度的差值小于所述设定温度时，通过控制所述第二三通阀和所述散热器的风扇转速调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤五、判断所述电堆冷却液出口温度是否达到需求冷却液出口温度，若未达到，则返回至步骤一。
在一些可能的实现方式中，所述基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数，包括：
判断所述散热环境变化状态是否有利于散热；
若所述散热环境变化状态有利于散热，则根据第一调整策略调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
若所述散热环境变化状态不利于散热，则根据第二调整策略调整所述燃料电池热管理系统的状态参数。
在一些可能的实现方式中，所述根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机，包括：
将所述燃料电池热管理系统减载至设定功率，并停止向所述电堆供给气体；
判断所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度是否小于或等于冷却液设定温度；
当所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度大于所述冷却液设定温度时，通过控制所述水泵转速、所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第三三通阀以及所述散热器的风扇的转速调整所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度小于或等于所述冷却液设定温度；
当所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度小于或等于所述冷却液设定温度时，关闭所述水泵、所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第三三通阀以及所述散热器的风扇，并将所述燃料电池热管理系统进行高低压下电。
另一方面，本发明还提供了一种燃料电池热管理系统的控制装置，燃料电池热管理系统包括电堆，所述燃料电池热管理系统的控制装置包括：
上电自检单元，用于对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
系统启动单元，用于当所述上电自检结果为无故障时，接收启动指令，并根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
大小循环切换单元，用于当所述电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
状态参数调整单元，用于获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
系统停机单元，用于接收停机指令，并根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的燃料电池热管理系统的控制方法，实现燃料电池热管理系统上电自检、启动、大小循环切换、状态参数调整到停机各个过程的控制策略，实现对燃料电池热管理系统的全过程控制，提高对燃料电池热管理系统进行控制的全面性。
进一步地，本发明通过获取散热环境变化状态，并基于散热环境变化状态与需求冷却液出口温度调整燃料电池热管理系统的状态参数，可实现在外部散热环境发生变化时，仍对燃料电池热管理系统进行有效控制，进一步提高燃料电池热管理系统控制的可靠性。并且，可在燃料电池热管理系统装车后，仍对其进行有效控制的目的，提高装载有燃料电池热管理系统的车辆的安全性和可靠性。
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发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明提供的燃料电池热管理系统的一个实施例结构示意图；
图2为本发明提供的燃料电池热管理系统的控制方法的一个实施例流程示意图；
图3为本发明图2中S201的一个实施例流程示意图；
图4为本发明图2中S202的一个实施例流程示意图；
图5为本发明图2中S203的一个实施例流程示意图；
图6为本发明图2中S204的一个实施例流程示意图；
图7为本发明图2中S205的一个实施例流程示意图；
图8为本发明提供的燃料电池热管理系统的控制装置的一个实施例结构示意图。
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。
应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
在本发明实施例的描述中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如：A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明实施例提供了一种燃料电池热管理系统的控制方法及装置，以下分别进行说明。
在展示实施例之前，先对燃料电池热管理系统进行介绍，图1为本发明实施例中的燃料电池热管理系统的一个实施例结构示意图，如图1所示，燃料电池热管理系统10包括电堆11、水箱12、水泵13、热交换器14、散热器15、加热器16、去离子器17、第一三通阀18、第二三通阀19、第三三通阀20、第一开关阀21、第二开关阀22、电堆冷却液出口压力传感器P1、电堆冷却液出口温度传感器T1、散热器冷却液出口温度传感器T2、电堆冷却液进口温度传感器T3、电堆冷却液进口压力传感器P2、离子浓度传感器DI以及连接所有器件的管路。
具体地，第一三通阀18分别连接水泵13、第三三通阀20以及加热器16，第二三通阀19分别连接加热器16、散热器15和电堆11，第三三通阀20分别连接第一三通阀18、散热器15和热交换器14。
更具体地，第一三通阀18包括三个接口，分别为A1，B1和C1，第二三通阀19包括三个接口，分别为A2，B2和C2，第三三通阀20包括三个接口，分别为A3，B3和C3。
其中，图1中由细实线形成的回路为小循环，由粗实线形成的回路为大循环，虚线为水箱回路。应当理解的是：大循环中的热交换器14既可以串联也可以并联至大循环管路中，其出入口可以直接接入管路，也可以选择增加阀门来控制流体的通断；小循环中的加热器16和去离子器17既可以串联也可以并联至小循环管路中，其出入口可以直接接入管路，也可以选择增加阀门来控制流体的通断。
图2为本发明提供的燃料电池热管理系统的控制方法的一个实施例流程示意图，如图2所示，燃料电池热管理系统的控制方法包括：
S201、对燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
S202、当上电自检结果为无故障时，接收启动指令，并根据启动指令控制燃料电池热管理系统启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度；
S203、当电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
S204、获取散热环境变化状态，并基于散热环境变化状态与需求冷却液出口温度调整燃料电池热管理系统的状态参数；
S205、接收停机指令，并根据停机指令控制燃料电池热管理系统停机。
应当理解的是：电堆冷却液出口温度可通过电堆冷却液出口温度传感器T1获得。
与现有技术相比，本发明实施例提供的燃料电池热管理系统的控制方法，实现燃料电池热管理系统上电自检、启动、大小循环切换、状态参数调整到停机各个过程的控制策略，实现对燃料电池热管理系统的全过程控制，提高对燃料电池热管理系统进行控制的全面性。
进一步地，本发明实施例通过获取散热环境变化状态，并基于散热环境变化状态与需求冷却液出口温度调整燃料电池热管理系统的状态参数，可实现在外部散热环境发生变化时，仍对燃料电池热管理系统进行有效控制，进一步提高燃料电池热管理系统控制的可靠性。并且，可在燃料电池热管理系统装车后，仍对其进行有效控制的目的，提高装载有燃料电池热管理系统的车辆的安全性和可靠性。
在本发明的一些实施例中，燃料电池热管理系统的控制方法还包括：
在对燃料电池热管理系统进行上电自检的过程中，当上电自检结果为故障时，触发故障，且燃料电池热管理系统禁止启动；
或，
在控制燃料电池热管理系统启动的错承重，当电堆冷却液出口温度小于阈值温度，且加热时间大于阈值加热时间时，触发故障，且控制燃料电池热管理系统进行高低压下电；
或，
在对燃料电池热管理系统进行大小循环切换的过程中，当电堆的实际功率小于需求功率，或电堆出现过温时，触发故障，控制燃料电池热管理系统停机或高低压下电；
或，
在调整燃料电池热管理系统的状态参数的过程中，当电堆冷却液出口温度的变化趋势不符合理论变化趋势时，触发故障，控制燃料电池热管理系统停机或高低压下电。
本发明实施例通过对上电自检、启动、大小循环切换以及状态参数调整过程中可能触发故障的情况进行说明，并对应设置不同的故障处理方式，可进一步提高燃料电池热管理系统10的安全可靠性，并提高燃料电池热管理控制系统的控制方法的控制全面性。
具体地：在步骤S201的上电自检过程中检测到故障时，应直接上报故障，并禁止启动系统。
在步骤S202的启动过程中检测到故障，应进入下电模式。首先上报故障信息，然后停止氢气和空气的供给，当电堆11内部没有燃料气体之后，关闭水泵13、加热器16、第一三通阀18、第二三通阀19等零部件，然后进行高低压下电操作，然后结束流程。
在步骤S203的大小循环切换时检测到故障，或者在步骤S204的散热环境确认过程中触发故障，应进入到故障停机流程。在故障停机模式中也需要先上报故障信息，若出现压力异常、限功率等故障，应直接进入到停机流程；若出现温度异常的故障，也应进入到停机流程；若出现执行器自身问题，则需要立即切断负载并排出燃料(氢气和空气)，然后对故障进行区分：水泵13和散热器15的风扇出故障，则需要直接进入高低压下电过程，然后结束流程；非水泵13和散热器15的风扇的问题，则需要将水泵13调整到设定转速(80％)，风扇调整到设定转速(80％)，持续运行一段预先设置的时间(10min)，然后进入高低压下电过程，再结束流程。
在本发明的一些实施例中，如图1和图3所示，步骤S201包括：
S301、获取散热器的散热器冷却液出口温度、电堆的电堆冷却液进口温度、电堆的电堆冷却液进口压力、电堆的电堆冷却液出口压力、水箱的液位、去离子器的离子浓度以及水泵的水泵工作状态；
S302、判断散热器冷却液进口温度、电堆冷却液进口温度、电堆冷却液出口温度、电堆冷却液进口压力、电堆的电堆冷却液出口压力、液位以及离子浓度是否在标定范围内，并判断水泵工作状态是否为正常；
S303、当散热器冷却液进口温度、电堆冷却液进口温度、电堆冷却液出口温度、电堆冷却液进口压力、电堆的电堆冷却液出口压力、液位以及离子浓度在标定范围内，且水泵工作状态为正常时，上电自检结果为无故障；
S304、当散热器冷却液进口温度、电堆冷却液进口温度、电堆冷却液出口温度、电堆冷却液进口压力、电堆的电堆冷却液出口压力、液位中的任意一个不在标定范围内，或水泵工作状态为非正常时，上电自检结果为故障。
应当理解的是：电堆冷却液出口压力、散热器冷却液出口温度、电堆冷却液进口温度、电堆冷却液进口压力以及离子浓度可分别通过电堆冷却液出口压力传感器P1、散热器冷却液出口温度传感器T2、电堆冷却液进口温度传感器T3、电堆冷却液进口压力传感器P2以及去离子器17获得。
需要说明的是：步骤S201还包括：当离子浓度不在标定范围内时，运行水泵13至设定转速，开启第一开关阀21，持续10分钟，然后依次关闭第一开关阀21和水泵13，再次检测离子浓度，直至离子浓度在标定范围内。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，步骤S202包括：
S401、获取环境温度，并判断环境温度是否小于预设低温环境温度，环境温度是否大于预设高温环境温度；
S402、当环境温度小于预设低温环境温度时，根据启动指令控制燃料电池热管理系统进行低温启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度；
S403、当环境温度大于或等于预设低温环境温度，且环境温度小于或等于预设高温环境温度时，根据启动指令控制燃料电池热管理系统进行常温启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度；
S404、当环境温度大于预设高温环境温度时，根据启动指令控制燃料电池热管理系统进行热机启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度。
在本发明的具体实施例中，预设低温环境温度为0℃，预设高温环境温度为40℃。
具体地，步骤S402中的低温启动过程为：
首先启动水泵13，确认水泵13的水压正常后，调节第一三通阀18、第二三通阀19、第一开关阀21进入燃料电池热管理系统10的小循环(即：第一三通阀18开启AI-CI路，第二三通阀19开启A2-C2路，第一开关阀21不导通)，与此同时，由于此时环境温度较低，燃料电池热管理系统10与环境之间的热交换比较迅速，所以需要启动加热器16至满功率运行。此时，需要检测水路压力是否出现异常，避免管路中存在气体导致水泵13空转。
在低温环境下，只靠加热器16来加热电堆无法达到快速启动的目的，因此需要电堆11内部自身也去克服低温环境造成的性能下降问题。具体地：在电堆11通入氢气和空气后，保持一定的压力(氢气侧60kPa，空气侧30kPa)，此时电堆每个单片电池都会产生电压，然后控制升压对电堆进行拉载，拉载过程需要特别注意电堆11的最低单个单片电池的电压不允许低于0.2V，拉载也不宜过快，按照1A/S的速率进行加载，当出现最低单个单片电池的电压低于0.2V时，以1A/S的速度进行减载，减载至最低单个单片电池的电压高于0.4V后，再进行加载，如此循环。
在加热器16开始工作后，检测电堆冷却液出口温度出上升2℃的时间t0，通过以下计算方式预估环境散热量Qmass：
Qwaterall＝QFCall+QPTCall-Qmass
式中，Qwaterall表示冷却液增加的热量；QFCall表示电堆11自身发热热量；QPTCall表示加热器对冷却液的热交换量；Qmass表示燃料电池热管理系统10对环境的热交换量。
Qwaterall＝Cwater*mwater*ΔTwater
式中，Cwater表示冷却液的比热容；mwater表示需加热的冷却液的总质量；ΔTwater为冷却液需要的温升。
mwater＝V*ρwater
式中，V表示小循环冷却液的总体积；ρwater为冷却液的密度。
Figure BDA0003605858450000131
式中，Vstack表示电堆11输出电压；Istack表示电堆11输出电流；t表示电堆11功率输出时间。
Figure BDA0003605858450000132
式中，PPTC表示加热器16的加热功率；δPTC表示加热器16的换热效率；t1表示加热器16的加热时间。
上述公式中，各参数获取方式如下：
表1各参数获取方式
参数名 物理意义 获取方式 单位
C<sub>water</sub> 冷却液比热容 3.396 KJ/(kg*℃)
ΔT<sub>water</sub> 冷却液温升 2 ℃
V 小循环冷却液总体积 0.008 m3
ρ<sub>water</sub> 冷却液密度 1.058 kg/m3
V<sub>stack</sub> 电堆11输出电压 实际测量值 V
I<sub>stack</sub> 电堆11输出电流 实际测量值 A
t1 加热时间 t<sub>0</sub> S
P<sub>PTC</sub> 加热器16的加热功率 14 kW
δ<sub>PTC</sub> 加热器16的换热效率 0.95 ％
计算出环境散热量后，若总加热功率(电堆11+加热器16)与环境散热量的比值小于或等于1.2，则燃料电池热管理系统10很难快速升温，甚至有可能无法升温，此时就应该触发故障。若燃料电池热管理系统10总加热功率与环境散热量的比值大于1.2，则开始计时，在燃料电池热管理系统10允许加热时间内，将电堆冷却液出口温度上升到阈值温度(70℃)，进入步骤S203，否则触发加热失败的故障。
具体地，步骤S402中的常温启动过程为：
首先启动水泵13，确认水压正常后，调节第一三通阀18、第二三通阀19、第一开关阀21进入燃料电池热管理系统10的小循环(即：第一三通阀18开启AI-CI路，第二三通阀19开启A2-C2路，第一开关阀21不导通)，与此同时，由于此时环境温度较低，燃料电池热管理系统10与环境之间的热交换比较迅速，所以需要启动加热器16至满功率运行。此时，需要检测水路压力是否出现异常，避免管路中存在气体导致水泵空转。
在常温环境下，只靠加热器16来加热电堆11无法达到快速启动的目的，因此需要电堆11内部自身也去克服环境温度低造成的性能下降问题。具体如下：在电堆11通入氢气和空气后，保持一定的压力(氢气侧60kPa，空气侧30kPa)，此时电堆每个单片电池都会产生电压，然后控制升压对电堆11进行拉载，拉载过程需要特别注意电堆的最低单个的单片电池的电压不允许低于0.6V，拉载也不宜过快，按照1A/S的速率进行加载，当出现最低单片电池的电压低于0.6V时，以1A/S的速度进行减载，减载至最低单片电池的电压高于0.8V后，再进行加载，如此循环。
在加热器16开始工作后，检测电堆冷却液出口温度上升2℃的时间t0，通过上述计算方式预估环境散热量Qmass，计算出环境散热量后，根据燃料电池热管理系统10需求的加热时间，调节加热器16功率，并开始计时，在燃料电池热管理系统10允许加热时间内，将电堆冷却液出口温度上升到70℃，进入步骤S203，否则触发加热失败的故障。加热器16的功率计算公式如下：
Figure BDA0003605858450000151
式中，tset表示系统加热需求时间。
具体地，步骤S403中的热机启动过程为：
首先启动水泵13，确认水压正常后，调节第一三通阀18、第二三通阀19、第一开关阀21进入燃料电池热管理系统10的小循环(即：第一三通阀18开启AI-CI路，第二三通阀19开启A2-C2路，第一开关阀21不导通)，与此同时，电堆11通入氢气和空气，直接开始对外输出。
电堆11开始对外输出后，检测电堆冷却液出口温度是否上升，若电堆冷却液出口温度上升，则直接开启燃料电池热管理系统10的大循环(第一三通阀18开启A1-B1路，第二三通阀19开启A2-B2路，第三三通阀20开启A3-C3路，第一开关阀21不导通)，并进入步骤S204；若电堆冷却液出口温度没有上升，则启动加热器16至满功率运行，检测电堆冷却液出口温度上升2℃的时间t0，通过上述计算方式预估环境散热量Qmass，计算出环境散热量后，根据系统需求的加热时间，调节加热器16功率，并开始计时，在系统允许加热时间内，将电堆冷却液出口温度上升到70℃，进入步骤S203，否则触发加热失败的故障。
在本发明的一些实施例中，如图5所示，步骤S203包括：
S501、获取电堆的实际功率，当实际功率大于或等于需求功率时，根据燃料电池热管理系统的需求温差，确定水泵的需求转速，并根据需求转速调整水泵的实际转速；
S502、当电堆冷却液出口温度小于设定温度(2℃)时，关闭加热器，并通过控制第一三通阀、第二三通阀以及第三三通阀调整电堆冷却液出口温度；
S503、当散热器冷却液出口温度大于或等于阈值温度(70℃)时，通过控制第一三通阀和第二三通阀调整电堆冷却液出口温度；
S504、当电堆冷却液进口温度和散热器冷却液出口温度的差值小于设定温度时，通过控制第二三通阀和散热器的风扇转速调整电堆冷却液出口温度；
S505、判断电堆冷却液出口温度是否达到需求冷却液出口温度，若未达到，则返回至步骤S501。
具体地：进入到步骤S203时，电堆冷却液出口温度已达到70℃，此时电堆11性能较好，可以按照需求功率进行对外输出。但是此时大循环中的冷却液温度几乎跟环境温度一致，与小循环温度差较大，若直接将大循环的冷却液送进电堆，必然引起电堆内部热量的失衡。因此，在切换到大循环之前，需要先检测系统实际功率是否大于或等于需求功率，若下雨则触发故障；若实际输出功率大于或等于需求功率，则根据系统标定的水温差，使用PID算法调节水泵13转速，其计算公式如下：
Figure BDA0003605858450000161
式中，Spumpreal为水泵13的实际转速；Kp为比例向系数；ΔTOUT-IN为电堆进出口水温差的实际值和测量值之差；Tt为积分时间常数；Td为微分时间常数；t为水泵13调整转速的时间。
当小循环中检测到电堆冷却液出口温度比设定值低2℃时，关闭加热器16，调节第三三通阀20的A3-B3路至全开，保持第二三通阀19的A2-C2路全开，并通过PID算法来调节第一三通阀18的开度，其计算公式如下：
Figure BDA0003605858450000171
式中，Openvalue1为第一三通阀18的开度，ΔTOUT为电堆冷却液出口水文的实际值和测量值之差；t为调节第一三通阀18的开度的时间。
当检测到散热器冷却液出口温度上升到70℃时，调节第一三通阀18的A1-B1路至全开，通过PID算法来调节第二三通阀19的开度，其计算公式如下：
Figure BDA0003605858450000172
式中，Openvalue2为第二三通阀19的开度；为调整第二三通阀19开度的时间。
当电堆冷却液进口温度和散热器冷却液出口温度的差值小于2℃时，调节第二三通阀19的A2-B2路至全开，并启动散热器15的风扇，风扇的转速通过PID进行调节，计算公式如下：
Figure BDA0003605858450000173
式中，Fanpwm为风扇的转速；t为调节风扇转速的时间。
当检测到电堆冷却液出口温度达到需求值时，代表燃料电池热管理系统10启动已完成，此时燃料电池热管理系统10可以完全按照需求对外发电。那么就需要检测燃料电池热管理系统10的散热环境，以保证燃料电池热管理系统10能稳定运行。
则在本发明的一些实施例中，如图6所示，步骤S204包括：
S601、判断散热环境变化状态是否有利于散热；
S602、若散热环境变化状态有利于散热，则根据第一调整策略调整燃料电池热管理系统的状态参数；
S603、若散热环境变化状态不利于散热，则根据第二调整策略调整燃料电池热管理系统的状态参数。
在本发明的具体实施例中，行驶中的汽车在路口停下，此时散热器15的对流进风急剧减少，则为不利于散热的情况，而当停在路口的汽车开始前进，此时散热器的对流进风急剧增加，则为利于散热的情况。
具体地，步骤S602具体为：
当检测到环境有利于散热时，首先需要确认系统输出功率达到需求值，若系统输出没有达到需求值，则需要增加系统输出至需求值，然后检测电堆冷却液进口温度是否下降2℃；若系统输出已经达到需求值，则需要确认热交换器14是否处于制热模式，若热交换器14处于制热模式，则开启第二开关阀22，第三三通阀20的A3-C3路连通，其开度通过PID进行调节，目标控制量为散热器冷却液出口温度，并调整散热器15的风扇转速，在原PID算法上减小一个增量，增量值由查表得知；
表2利于散热时的增量值查询表
Figure BDA0003605858450000181
Figure BDA0003605858450000191
调节过后，检测电堆冷却液进口温度是否下降2℃，若电堆冷却液进口温度没有下降，则系统可按照当前状态继续运行，直到又一次检测到环境发生变化；若电堆冷却液进口温度下降超过2℃，则说明此时外循环散热量超出预估，需要切换至小循环，第一三通阀18切换到A1-C1路，第二三通阀19切换到A2-C2路，电堆11走小循环，第三三通阀20恢复到默认状态，风扇停止转动；
此后，检测电堆冷却液出口温度是否出现下降，若电堆冷却液出口温度上升，则直接进入步骤S203；若电堆冷却液出口温度仍在下降，则开启加热器16，加热器16的功率通过PID进行调节，控制目标为电堆冷却液出口温度，公式如下：
Figure BDA0003605858450000192
式中，PPTC为加热器16的功率；t为调节加热器功率的时间。
加热器16开启后，检测电堆冷却液出口温度的变化，若电堆冷却液出口温度上升至设定温度，则系统进入步骤S203；若电堆冷却液出口温度仍在下降，则触发故障。
具体地，步骤S603具体为：
根据当前外部环境温度查表预估此状态下的环境散热量，比较系统需求功率与环境散热量的值，查表值如下：
表3环境散热量预估表
Figure BDA0003605858450000193
Figure BDA0003605858450000201
若系统需求功率与环境散热量之比大于等于1，则确认热交换器14是否为制冷模式，若热交换器14在制冷模式，则第二开关阀22开启，第三三通阀20开启A3-C3路，其开度通过PID进行调节，目标控制量为散热器冷却液出口温度；调整散热器15的风扇转速，在原PID算法上增加一个增量，增量值直接查看下表：
表4不利于散热时的风扇转速增量
Figure BDA0003605858450000202
Figure BDA0003605858450000211
检测散热器冷却液出口温度是否上升2℃，若散热器冷却液出口温度上升了，则代表热交换器14无法将环境变化引起的热变化消除，所以需要降低系统对外输出功率至比预估的环境散热量低10％左右，同时，若是上述步骤中热交换器14不是在制冷模式，则需要直接降低系统对外输出功率至比预估的环境散热量低10％左右；若散热器冷却液出口温度没有上升，则说明热交换器14的制冷功率可以使系统的热量维持平衡，那么系统可按照当前状态继续运行，直到又一次检测到环境发生变化。
若系统需求功率与环境散热量之比小于1，或者执行了降低系统对外输出功率至比预估的环境散热量低10％后，需检测电堆冷却液出口温度是否上升2℃，若电堆冷却液出口温度没有上升到2℃，系统可按照当前状态继续运行，直到又一次检测到环境发生变化；若电堆冷却液出口温度上升了2℃，说明系统调节能力与预估散热量之间差值较大，导致电堆冷却液出口温度上升。此时，需要进一步调节相关参数，其中散热风扇转速需要变换新的增量，增量表如下所示：
表5不利于散热时的风扇转速新增量
Figure BDA0003605858450000212
Figure BDA0003605858450000221
水泵13也需要增加转速以提高循环水流量，将更多的热量带入散热器，水泵13的调节主要是基于冷却液进出口温度差，因此需要适当减小温度差，温度差控制量的查表值如下：
表6水温差设定表
外部环境温度(℃) 功率调整后水温差设定值(℃)
-30 20
-20 15
-10 12
0 10
10 10
20 8
30 7
40 6
50 5
60 5
调节完成后，检测电堆冷却液出口温度变化趋势，若电堆冷却液出口温度上升，则需要进一步将系统输出功率下降到最小功率输出点(3kW)，此后若电堆冷却液出口温度扔持续上升，则触发故障；若调节完成后，电堆冷却液出口温度下降，则需要将风扇转速的增量去掉，并将水泵13的温差控制恢复，然后检测电堆冷却液出口温度，若电堆冷却液出口温度上升，则仍需要增加风扇转速和水泵13转速，若电堆冷却液出口温度下降到设定值，则系统可按照当前状态继续运行，直到又一次检测到环境发生变化。
在本发明的一些实施例中，如图7所示，步骤S205包括：
S701、将燃料电池热管理系统减载至设定功率，并停止向电堆供给气体；
S702、判断电堆冷却液出口温度和散热器冷却液出口温度是否小于或等于冷却液设定温度；
S703、当电堆冷却液出口温度和散热器冷却液出口温度大于冷却液设定温度时，通过控制水泵转速、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀以及散热器的风扇的转速调整电堆冷却液出口温度和散热器冷却液出口温度小于或等于冷却液设定温度；
S704、当电堆冷却液出口温度和散热器冷却液出口温度小于或等于冷却液设定温度时，关闭水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀以及散热器的风扇，并将燃料电池热管理系统进行高低压下电。
通过执行步骤S201-步骤S205，一个正常且完整的燃料电池热管理系统10的发电循环执行完成，并且下电，等待下一次的上电和启动指令。
为了更好实施本发明实施例中的燃料电池热管理系统的控制方法，在燃料电池热管理系统的控制方法基础之上，对应的，本发明实施例还提供了一种燃料电池热管理系统的控制装置，如图8所示，燃料电池热管理系统的控制装置800包括：
上电自检单元801，用于对燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
系统启动单元802，用于当上电自检结果为无故障时，接收启动指令，并根据启动指令控制燃料电池热管理系统启动，并获得电堆的电堆冷却液出口温度；
大小循环切换单元803，用于当电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
状态参数调整单元804，用于获取散热环境变化状态，并基于散热环境变化状态与需求冷却液出口温度调整燃料电池热管理系统的状态参数；
系统停机单元805，用于接收停机指令，并根据停机指令控制燃料电池热管理系统停机。
上述实施例提供的燃料电池热管理系统的控制装置800可实现上述燃料电池热管理系统的控制方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述燃料电池热管理系统的控制分类方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上对本发明所提供的燃料电池热管理系统的控制方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个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。

Claims (10)

1.一种燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，燃料电池热管理系统包括电堆，所述燃料电池热管理系统的控制方法包括：
对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
当所述上电自检结果为无故障时，接收启动指令，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
接收停机指令，并根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池热管理系统的控制方法还包括：
在对所述燃料电池热管理系统进行上电自检的过程中，当所述上电自检结果为故障时，触发故障，且所述燃料电池热管理系统禁止启动；
或，
在控制所述燃料电池热管理系统启动的错承重，当所述电堆冷却液出口温度小于所述阈值温度，且加热时间大于阈值加热时间时，触发故障，且控制所述燃料电池热管理系统进行高低压下电；
或，
在对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换的过程中，当所述电堆的实际功率小于需求功率，或所述电堆出现过温时，触发故障，控制所述燃料电池热管理系统停机或高低压下电；
或，
在调整所述燃料电池热管理系统的状态参数的过程中，当所述电堆冷却液出口温度的变化趋势不符合理论变化趋势时，触发故障，控制所述燃料电池热管理系统停机或高低压下电。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池热管理系统还包括散热器、水箱、水泵以及去离子器；所述对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果，包括：
获取所述散热器的散热器冷却液出口温度、所述电堆的电堆冷却液进口温度、所述电堆的电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述水箱的液位、所述去离子器的离子浓度以及所述水泵的水泵工作状态；
判断所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位以及所述离子浓度是否在标定范围内，并判断所述水泵工作状态是否为正常；
当所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位以及所述离子浓度在标定范围内，且所述水泵工作状态为正常时，所述上电自检结果为无故障；
当所述散热器冷却液进口温度、所述电堆冷却液进口温度、所述电堆冷却液出口温度、所述电堆冷却液进口压力、所述电堆的电堆冷却液出口压力、所述液位中的任意一个不在标定范围内，或所述水泵工作状态为非正常时，所述上电自检结果为故障。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度，包括：
获取环境温度，并判断所述环境温度是否小于预设低温环境温度，所述环境温度是否大于预设高温环境温度；
当所述环境温度小于所述预设低温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行低温启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述环境温度大于或等于所述预设低温环境温度，且所述环境温度小于或等于所述预设高温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行常温启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
当所述环境温度大于所述预设高温环境温度时，根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统进行热机启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度。
5.根据权利要求4所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池热管理系统的控制方法还包括：
在所述燃料电池热管理系统进行热机启动的过程中，获取所述电堆冷却液出口温度，并判断所述电堆冷却液出口温度是否上升；
当所述电堆冷却液出口温度上升时，获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数。
6.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池热管理系统还包括热交换器、加热器、第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，所述第一三通阀分别连接所述水泵、所述第三三通阀以及所述加热器，所述第二三通阀分别连接所述加热器、所述散热器和所述电堆，所述第三三通阀分别连接所述第一三通阀、所述散热器和所述热交换器。
7.根据权利要求6所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换，包括：
步骤一、获取所述电堆的实际功率，当所述实际功率大于或等于所述需求功率时，根据所述燃料电池热管理系统的需求温差，确定所述水泵的需求转速，并根据所述需求转速调整所述水泵的实际转速；
步骤二、当所述电堆冷却液出口温度小于设定温度时，关闭所述加热器，并通过控制所述第一三通阀、所述第二三通阀以及所述第三三通阀调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤三、当所述散热器冷却液出口温度大于或等于所述阈值温度时，通过控制所述第一三通阀和所述第二三通阀调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤四、当所述电堆冷却液进口温度和所述散热器冷却液出口温度的差值小于所述设定温度时，通过控制所述第二三通阀和所述散热器的风扇转速调整所述电堆冷却液出口温度；
步骤五、判断所述电堆冷却液出口温度是否达到需求冷却液出口温度，若未达到，则返回至步骤一。
8.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数，包括：
判断所述散热环境变化状态是否有利于散热；
若所述散热环境变化状态有利于散热，则根据第一调整策略调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
若所述散热环境变化状态不利于散热，则根据第二调整策略调整所述燃料电池热管理系统的状态参数。
9.根据权利要求6所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机，包括：
将所述燃料电池热管理系统减载至设定功率，并停止向所述电堆供给气体；
判断所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度是否小于或等于冷却液设定温度；
当所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度大于所述冷却液设定温度时，通过控制所述水泵转速、所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第三三通阀以及所述散热器的风扇的转速调整所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度小于或等于所述冷却液设定温度；
当所述电堆冷却液出口温度和所述散热器冷却液出口温度小于或等于所述冷却液设定温度时，关闭所述水泵、所述第一三通阀、所述第二三通阀、所述第三三通阀以及所述散热器的风扇，并将所述燃料电池热管理系统进行高低压下电。
10.一种燃料电池热管理系统的控制装置，其特征在于，燃料电池热管理系统包括电堆，所述燃料电池热管理系统的控制装置包括：
上电自检单元，用于对所述燃料电池热管理系统进行上电自检，获得上电自检结果；
系统启动单元，用于当所述上电自检结果为无故障时，接收启动指令，并根据所述启动指令控制所述燃料电池热管理系统启动，并获得所述电堆的电堆冷却液出口温度；
大小循环切换单元，用于当所述电堆冷却液出口温度大于或等于阈值温度时，对所述燃料电池热管理系统进行大小循环切换；
状态参数调整单元，用于获取散热环境变化状态，并基于所述散热环境变化状态与所述需求冷却液出口温度调整所述燃料电池热管理系统的状态参数；
系统停机单元，用于接收停机指令，并根据所述停机指令控制所述燃料电池热管理系统停机。
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