CN114744251B - 一种燃料电池启动系统、控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池启动系统、控制方法、设备及存储介质，属于燃料电池技术领域，燃料电池启动系统包括通过液体管道进行连接的燃料电池与水箱；所述燃料电池与所述水箱之间设置有电磁加热组件，所述电磁加热组件包括感应线圈和电磁加热控制器，所述感应线圈的两端分别连接所述电磁加热控制器的两端，所述电磁加热组件套在所述液体管道上，所述液体管道用于流通从所述水箱到所述燃料电池的液体；其有益效果：能够防止金属离子的析出，降低液体回路的导电性，提高系统的安全性，并且液体回路导热快，且温度保持时间长，提高对燃料电池的加热效率，且通过液体回路对燃料电池加热，保证受热均匀。

Description

一种燃料电池启动系统、控制方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池启动系统、控制方法、设备及存储介质。

背景技术

燃料电池系统是一种以氢气为燃料，以空气中氧气为氧化剂，将氢气的化学能直接转化为电能的装置，其中，质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、低噪音、零污染、零排放等优点，被广泛应用于汽车领域。

燃料电池工作时，会在阴极侧反应生成水，在0℃以下的低温工作环境下，生成的水容易结冰导致催化剂层和气体扩散层的堵塞，妨碍反应的进行；此外，质子膜中的水分结冰会导致体积变大，对膜电极结构造成破坏，降低了电池性能。因此急需一种冷启动方法，使得燃料电池车能在低温下快速启动运行，这也是影响燃料电池车商业化的主要因素之一。

现有的技术大多是通过PTC加热器加热燃料电池冷却液来提高温度，但会存在一定的问题：加热器直接置于管路液体当中，会存在一定的金属离子析出，冷却液流经加热器后电导率上升，若不经处理，进入电堆内部会导致系统绝缘电阻降低，影响高压安全。此外，若质量制造不良，可能会出现更多问题，如：PTC陶瓷体击穿烧毁而导致短路，烧毁绝缘层；绝缘层击穿漏电，使外壳带电；加热功率随使用时间增加而衰减；冲击电流过大，造成供电线路和开关故障等。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明公开一种燃料电池冷启动系统及其控制方法，能够抑制金属离子的析出，并且加热迅速且均匀。该系统包括通过液体管道进行连接的燃料电池与水箱；所述燃料电池与所述水箱之间设置有电磁加热组件，所述电磁加热组件包括感应线圈和电磁加热控制器，所述感应线圈的两端分别连接所述电磁加热控制器的两端，所述电磁加热组件套在所述液体管道上，所述液体管道用于流通从所述水箱到所述燃料电池的液体。

更进一步地，所述电磁加热组件包括多个，至少一个所述电磁加热组件设在所述燃料电池的进液端。

更进一步地，所述启动系统还包括温度传感器，所述温度传感设在所述燃料电池与所述电磁加热组件之间。

另一方面，本申请还提供一种燃料电池启动系统控制方法，该方法是基于如上所述的一种燃料电池启动系统实现的，所述方法包括：

获取所述燃料电池的进液端液体的当前温度；

基于所述当前温度，确定所述电磁加热组件的匹配加热功率；

基于所述匹配加热功率生成加热控制信号；

将所述加热控制信号发送给所述电磁加热控制器；所述加热控制信号用于指示所述电磁加热控制器将所述电磁加热组件的加热功率调节至所述匹配加热功率，以使所述燃料电池的进液端液体的温度与预设温度一致。

更进一步地，所述将所述加热控制信号发送给所述电磁加热控制器，包括：

基于所述当前温度与所述预设温度的温度差值，确定候选电磁加热组件；所述候选电磁加热组件为所述多个电磁加热组件中的一个或者多个组件；

将所述加热控制信号发送给所述候选电磁加热组件的电磁加热控制器。

更进一步地，所述基于所述当前温度，确定所述电磁加热组件的匹配加热功率：

基于所述当前温度，确定所述当前温度所属的目标区间；

将所述目标区间对应的预设加热功率，确定为所述匹配加热功率。

更进一步地，所述方法还包括：

获取所述感应线圈的电流频率；

根据所述电流频率确定所述液体管道的壁厚。

更进一步地，所述方法还包括：

基于所述电磁加热组件的预设加热功率范围，确定所述感应线圈的电感量；

根据所述感应线圈的电感量确定所述感应线圈所缠绕的匝数。

第三方面，本申请还提供一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如上所述的一种燃料电池启动系统控制方法。

第四方面，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行如上所述的一种燃料电池启动系统控制方法。

实施本发明，具有如下有益效果：

在燃料电池连接的液体回路中设置电磁加热组件，通过电磁感应加热能够防止金属离子的析出，降低液体回路的导电性，提高系统的安全性，并且液体回路导热快，且温度保持时间长，提高对燃料电池的加热效率，且通过液体回路对燃料电池加热，保证受热均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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它附图。

图1为本发明实施例提供的电磁加热组件结构示意图；

图2为本发明实施例提供的燃料电池启动系统原理图；

图3为本发明实施例提供的燃料电池启动系统控制方法流程图；

其中，图中附图标记对应为：1-液体管道；2-水箱；3-电磁加热组件；4-感应线圈；5-电磁加热控制器；6-水泵；7-去离子器；8-散热器；9-绝缘保温层；10-节温器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本实施例中，本发明所要解决的技术问题在于能够抑制金属离子的析出，并且加热迅速且均匀，将传统的PTC加热器替换成通过电磁感应对液体回路进行加热，能够解决PTC加热时析出金属离子，而导致液体回路导电率升高的问题，参照图1-2，该燃料电池启动系统包括通过液体管道1进行连接的燃料电池与水箱2，本实施例是以氢气为燃料，以空气中的氧气为氧化器的燃料电池，在燃料电池工作时，会在阴极侧反应生成水，为防止水结冰会导致催化剂层和气体扩散层的堵塞，因此需要对燃料电池进行加热，燃料电池加热分为外部加热与内部加热，外部加热即在燃料电池外部设置加热装置，但是加热比较缓慢，大量热量散发到周围空气中，升温的效率低，因此本实施例选择通过内部加热方式，将燃料电池通过液体管道1连接水箱2，燃料电池与水箱2之间设置有电磁加热组件3，电磁加热组件3包括感应线圈4和电磁加热控制器5，感应线圈4的两端分别连接电磁加热控制器5的两端，电磁加热组件3套在液体管道1上，液体管道1用于流通从水箱2到燃料电池的液体，其电磁感应的加热原理是：在液体管道1外面绕缠绕一定匝数的感应线圈4，感应线圈4的两端连接电磁加热控制器5，电磁加热控制器5用于将直流电转换成高频高压电输出，高速变化的电流通过电磁线4产生高速变化的交变磁场，液体管道1的表面切割交变磁力线从而在液体管道1内产生交变的涡流，涡流使内部铁原子高速无规则地运动，原子间相互碰撞、摩擦从而产生热能，液体管道1均匀地发热从而加热流经的液体，升温后的液体流入燃料电池中，化解堵住气体扩散层的冰，使得燃料电池能够在超低温下也能正常启动；具体地，液体管道1为金属管道，车载电源为电磁加热控制器5提供直流电输入。本实施例通过电磁加热组件3对燃料电池液体回路进行加热为最优实施方式，具有极高的热转化率，电能能够充分利用，相较于将加热装置直接设置在燃料电池上，不需要使用较大体积和质量的感应线圈4，造成系统的质量功率密度和体积功率密度下降，所需成本相对较低；并且加热发生在液体管路，发热源为金属管路在磁场内感应发热，不连接电路，做到了水电完全分离，安全且有效的抑制了金属离子的析出，防止液体回路的电导率上升。

在本实施例中，电磁加热组件3包括多个，至少一个电磁加热组件3设在燃料电池的进液端，其中，用于流通整个液体回路的管道可以为金属管道，也可以是硅胶材质管道，但是用于加热的金属管道设在硅胶材质管道的内部，金属管道配合感应线圈设置，液体流经金属管道的内部进行加热；若液体回路的管道为金属管道，电磁加热组件3设置多个，根据与燃料电池进液端的不同距离在金属管道上设置多个电磁加热组件3；若液体回路的管道为硅胶材质管道，则电磁加热组件3还包括金属管道，根据与燃料电池进液端的不同距离在硅胶材质管道上设置多个电磁加热组件3，液体流经电磁加热组件3的金属管道内部进行加热；优化地，在感应线圈与燃料电池之间设有绝缘保温层9，绝缘保温层9不影响金属管道加热，但是能够对金属管道内部的液体进行保温，防止热量消耗。

更进一步地，在燃料电池的出液端连接节温器10，节温器10连接去离子器7与散热器8，去离子器7与水箱2串联，散热器8与水箱2和去离子器7并联，水箱2与散热器8的出液端连接水泵6，节温器10是控制液体流动路径的阀门，当燃料电池的出液端的液体温度超过80℃，节温器10自动打开通往散热器8的散热回路，通过散热器8对液体回路进行降温，若燃料电池的出液端温度保持在80℃以内，节温器10关闭散热回路，通过水箱2的液体流经燃料电池。

更进一步地，燃料电池启动系统还包括温度传感器，温度传感器设在燃料电池与电磁加热组件3之间，具体为温度传感器设在燃料电池的进液端，与距离燃料电池的进液端最近的电磁加热组件3之间，能够反映出当前燃料电池进液端的温度以及经过电磁感应加热后的进液端温度，根据温度值判断燃料电池是否需要加热，以及是否将燃料电池的进液端的温度调至理想状态，对应的，本实施例还提供一种燃料电池启动系统控制方法，如图3所示，方法包括：

S11：获取燃料电池的进液端液体的当前温度；

当前温度由温度传感器获取，当环境温度下降时，燃料电磁中的气体扩散层的液体与液体回路中的液体温度都会降低，获取燃料电池进液端温度，一是可以反映出当前的环境温度以及气体扩散层的液体是否需要加热，二是在液体回路经过电磁加热组件进行加热后，作为燃料电池是否达到理想启动温度的依据；根据当前温度，判断液体回路是否通过加热回路，若当前温度超过80℃，则节温器开启散热回路，电磁加热装置的功率为0，不对液体回路进行加热，通过散热器将当前温度降低至预设温度；若液体回路不超过80℃，则节温器开启加热回路，通过电磁加热组件对液体回路进行加热。

S12：基于当前温度，确定电磁加热组件的匹配加热功率；

在根据当前温度确定节温器开启加热回路的情况下，基于当前温度，确定电磁加热组件的匹配功率，在电磁加热控制器上连接控制面板，控制面板能够接收温度传感器检测的当前温度的信号并在控制面板上显示当前温度，控制面板根据当前温度，确定电磁加热组件的匹配加热功率，避免极低温度下加热功率不足导致的加热时间较长，也避免了加热功率过高导致的升温过快从而减少能量浪费。

S13：基于匹配加热功率生成加热控制信号，加热控制信号用于指示电磁加热控制器将电磁加热组件的加热功率调节至匹配加热功率；

确定好匹配加热功率，控制面板生成加热控制信号。

S14：将加热控制信号发送给电磁加热控制器；加热控制信号用于指示电磁加热控制器将电磁加热组件的加热功率调节至匹配加热功率，以使燃料电池的进液端液体的温度与预设温度一致；

其中，步骤S14包括：

S141：基于当前温度与预设温度的温度差值，确定候选电磁加热组件；候选电磁加热组件为多个电磁加热组件中的一个或者多个组件；

电磁加热组件设置有多个，每个电磁加热组件与燃料电池的距离不同，通过距离燃料电池进液端最近的一个电磁加热组件进行加热，减少了液体在液体回路中的能量流失，加热完成能够直接流进燃料电池进行加热；对控制面板输入一个预设温度，预设温度为燃料电池启动最匹配的温度，一般是在70-80℃，确定当前温度与预设温度的之间的温度差值，确定将当前温度调节至预设温度所需要的加热功率，考虑多个电磁加热组件及各个电磁加热组件与燃料电池之间的距离，确定候选电磁加热组件，候选电磁加热组件可以为一个，可以多个，具体地，若温度差值远大于阈值，则启动所有的电磁加热组件，避免极低温度下加热功率不足导致的加热时间较长，若温度差接近于阈值，则启动距离燃料电池进液端最接近的电磁加热组件，避免了加热功率过高导致的升温过快从而减少能量浪费。

S142：将加热控制信号发送给候选电磁加热组件的电磁加热控制器；

多个电磁加热组件对应的电磁加热控制器接收加热控制信号，将该电磁加热组件的功率调节至匹配加热功率。

其中，确定匹配加热功率的方法包括：

S121：基于当前温度，确定电磁加热组件的匹配加热功率：S122：基于当前温度，确定当前温度所属的目标区间；

当前温度的目标区间包括三个，分别是燃料电池启动的第一温度区间、第二温度区间和第三温度区间。

S123：将目标区间对应的预设加热功率，确定为匹配加热功率。

能够通过以下函数确定电磁加热组件的匹配加热功率：

其中，x代表燃料电池的当前温度，当前温度在70-80℃之间为第一温度区间，第一温度区间为燃料电池启动的最匹配的温度，即预设温度，匹配加热功率为0，0-70℃为第二温度区间，第二温度区间为燃料电池启动较为适宜的温度区间，对应的匹配加热功率为P₀，低于0℃为第三温度区间，处于第三温度区间的燃料电池启动受阻，匹配加热功率为P₁。

优选地，该方法还包括：

S21：获取感应线圈的电流频率；

S22：根据电流频率确定液体管道的壁厚。

确定电磁加热组件的电流频率，根据电流频率可以得到电流透入深度，电流透入深度能够反映出电流的均匀性，即加热的均匀性，根据电流投入深度可以计算出液体管道的壁厚，其公式为：

Δ＝1.57δ

其中，δ为电流透入深度，f为感应线圈的电流频率，Δ为液体管道的壁厚，需要说明的是，液体管道的壁厚指的是金属管道的壁厚，为金属管道的选取提供依据，提高管道选取的准确性。

该方法还包括：

S31：基于电磁加热组件的预设加热功率范围，确定感应线圈的电感量；

在电池启动系统组装时，能够计算出电磁加热组件加热功率范围，即预设加热功率范围，以此对感应线圈进行选型，根据预设加热功率范围能够确定感应线圈的截面积以及该感应线圈能够通过的电感量。

S32：根据感应线圈的电感量确定感应线圈所缠绕的匝数；

根据已经确定的感应线圈的电感量确定感应线圈所缠绕的匝数，保证感应线圈的电感量，为感应线圈的选型与安装提供依据，提高感应线圈的准确性。

实施本实施例，具有如下效果：

1.在燃料电池连接的液体回路中设置电磁加热组件，通过电磁感应加热能够防止金属离子的析出，降低液体回路的导电性，提高系统的安全性，并且液体回路导热快，且温度保持时间长，提高对燃料电池的加热效率，且通过液体回路对燃料电池加热，保证受热均匀。

2.多个电磁加热组件的设置，根据匹配加热功率来确定候选电磁加热组件，避免极低温度下加热功率不足导致的加热时间较长，也避免了加热功率过高导致的升温过快从而减少能量浪费。

3.电池启动系统包括加热回路与散热回路，根据液体回路的温度通过节温器选择开启相应的回路，将液体回路一直保持在最佳温度的状态，燃料电池能够快速的启动。

本发明的实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如方法实施例中燃料电池启动系统控制方法。

本发明的实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质可设置于服务器之中以保存用于实现方法实施例中的方向盘自动回正辅助的方法相关的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，该至少一条指令、该至少一段程序、该代码集或指令集由该处理器加载并执行以实现上述方法实施例提供的燃料电池启动系统控制方法。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以位于计算机网络的多个网络服务器中的至少一个网络服务器。可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (6)

1.一种燃料电池启动系统，其特征在于，包括通过液体管道进行连接的燃料电池与水箱；所述燃料电池与所述水箱之间设置有电磁加热组件，所述电磁加热组件包括感应线圈和电磁加热控制器，所述电磁加热组件包括多个，至少一个所述电磁加热组件设在所述燃料电池的进液端，所述感应线圈的两端分别连接所述电磁加热控制器的两端，所述电磁加热组件套在所述液体管道上，所述液体管道用于流通从所述水箱到所述燃料电池的液体，所述电磁加热控制器由车载电源提供直流电输入；

所述启动系统还包括温度传感器，所述温度传感器设在所述燃料电池与所述电磁加热组件之间；

所述启动系统还包括如下控制步骤：

获取所述燃料电池的进液端液体的当前温度；

基于所述当前温度，确定所述电磁加热组件的匹配加热功率；

基于所述匹配加热功率生成加热控制信号；

基于所述当前温度与预设温度的温度差值，确定候选电磁加热组件；所述候选电磁加热组件为所述电磁加热组件中的一个或者多个组件；

将所述加热控制信号发送给所述候选电磁加热组件的电磁加热控制器；所述加热控制信号用于指示所述电磁加热控制器将所述电磁加热组件的加热功率调节至所述匹配加热功率，以使所述燃料电池的进液端液体的温度与所述预设温度一致。

2.一种燃料电池启动系统控制方法，其特征在于，该方法是基于权利要求1的一种燃料电池启动系统实现的，所述基于所述当前温度，确定所述电磁加热组件的匹配加热功率：

基于所述当前温度，确定所述当前温度所属的目标区间；

将所述目标区间对应的预设加热功率，确定为所述匹配加热功率。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池启动系统控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述感应线圈的电流频率；

根据所述电流频率确定所述液体管道的壁厚。

4.根据权利要求2所述的一种燃料电池启动系统控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述电磁加热组件的预设加热功率范围，确定所述感应线圈的电感量；

根据所述感应线圈的电感量确定所述感应线圈所缠绕的匝数。

5.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求2至4任一所述的一种燃料电池启动系统控制方法。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行如权利要求2至4任一所述的一种燃料电池启动系统控制方法。