CN116581338B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，应用于燃料电池技术领域，包括电池堆；氢气回路与电池堆的阳极连通，氢气回路用于调节电池堆的阳极入堆压力；空气回路与电池堆的阴极连通，空气回路用于调节电池堆的阴极入堆压力；调温回路包括加热器和温度检测装置，温度检测装置设置于加热器和电池堆的水入口之间，温度检测装置用于检测工作环境温度，工作环境温度为流入电池堆的水温度；控制模块。本申请根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池电堆往往由几百片单电池串联压制而成，通过在阳极通入氢气、阴极通入空气，使得氢气和空气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，生成物只有水，是真正的清洁能源。氢燃料电池目前已进入大规模产业化推广的阶段，而我国幅员辽阔，气候环境多样，提高燃料电池系统的环境适应性使之可靠运行在不同地区环境是目前必须解决的问题。
现有技术中，燃料电池多关注低温冷启动性能，但是其只能适用于普通低温的情况，并不能适用于极度低温、高海拔等环境，燃料电池的适应性较差，适用范围相对较窄。
发明内容
本申请提供一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，能够提高燃料电池的适用性。
第一方面，本申请提供一种燃料电池系统，包括：
电池堆；
氢气回路，所述氢气回路与所述电池堆的阳极连通，所述氢气回路用于调节所述电池堆的阳极入堆压力；
空气回路，所述空气回路与所述电池堆的阴极连通，所述空气回路用于调节所述电池堆的阴极入堆压力；
调温回路，所述调温回路包括加热器和温度检测装置，所述温度检测装置设置于所述加热器和所述电池堆的水入口之间，所述温度检测装置用于检测工作环境温度，所述工作环境温度为流入所述电池堆的水温度；
控制模块，所述控制模块用于：
当外部环境温度和所述工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制所述加热器工作，以提高所述工作环境温度；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值时，控制所述氢气回路和所述空气回路向所述电池堆通气，以使所述电池堆的电压达到稳定空路电压；
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求；
根据所述外接负载需求，确定与所述电池堆连接的外接负载的启动参数；
根据所述稳定空路电压和所述启动参数，控制所述电池堆进行拉载，以使所述燃料电池系统完成启动；
在所述燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定所述电池堆的进堆压力；
根据所述启动参数和所述进堆压力对所述氢气回路、所述空气回路的参数进行调节。
根据本申请第一方面提供的燃料电池系统，至少具有如下有益效果：当外部环境温度小于或等于第一低温阈值时，燃料电池系统处于极度低温状态，电池堆无法正常启动，需要控制加热器进行工作，以调节电池堆的工作环境温度，当工作环境温度升高至第一低温阈值后，控制氢气回路、空气回路通气，电池堆的电压达到稳定的空路电压，空路电压建立完成后，根据外接负载需求确定与电池堆连接的外接负载的启动参数，以控制电池堆进行拉载，使得燃料电池系统成功启动，之后，当外部环境气压小于低压阈值时，燃料电池系统位于高海拔低压状态，确定电池堆的进堆压力，并根据进堆压力对氢气回路、空气回路进行调整，以使电池堆能够在高海拔低气压的环境下工作，本申请根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述启动参数包括期望工作功率和期望工作电压，所述控制模块还用于：
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取预设的怠速电流，所述怠速电流为怠速状态时所述电池堆生成的电流；
根据所述怠速电流，确定所述电池堆的第一拉载速率；
根据所述期望工作功率和所述期望工作电压，确定所述期望工作电流；
获取所述电池堆的实时工作电流；
根据所述期望工作电流、以及所述实时工作电流与所述怠速电流的比值，确定所述电池堆第二拉载速率，以使所述电池堆的电压由所述稳定空路电压降低至所述期望工作电压，所述第二拉载速率大于所述第一拉载速率；
根据所述第一拉载速率和所述第二拉载速率控制所述电池堆进行拉载。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述氢气回路包括比例阀和氢气循环泵，所述空气回路包括空压机和背压阀，所述进堆压力包括阴极入堆压力和阳极入堆压力，所述控制模块还用于：
根据外部环境气压与预设表压，确定所述电池堆的阴极入堆压力；
根据所述阴极入堆压力和预设的氢空压差，确定所述电池堆的阳极入堆压力；
根据所述期望工作功率，确定所述电池堆的阴极入堆流量；
根据所述阴极入堆压力和所述阴极入堆流量，对所述空压机的转速和所述背压阀的开度进行调节；
根据所述阳极入堆压力，对所述比例阀的开度进行调节。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度大于所述第一低温阈值时，计算所述外部环境温度与所述第一低温阈值的差值；
根据所述差值调整所述空压机的转速和所述比例阀的开度，以使所述电池堆的阴极入堆压力和所述阳极入堆压力保持不变。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
在控制所述加热器工作后，获取所述电池堆的生成热量和散发热量；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值且所述生成热量大于所述散发热量时，控制所述加热器停止加热。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度和所述工作环境温度均大于所述第一低温阈值且小于或等于第二低温阈值时，控制所述电池堆以所述第一拉载速率拉载至怠速状态；
在所述电池堆处于所述怠速状态后，控制所述电池堆以所述第二拉载速率拉载至期望工作电流，以使所述燃料电池系统完成启动。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
当所述工作环境温度大于预设的升温阈值且所述实时工作电流小于所述期望工作电流时，控制所述电池堆以第三拉载速率运行，所述第三拉载速率为恒定值，且所述第三拉载速率大于所述第二拉载速率。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度和所述工作环境温度均大于所述第二低温阈值时，控制所述电池堆以所述第三拉载速率至怠速状态；
在所述电池堆处于所述怠速状态后，控制所述电池堆以所述第三拉载速率拉载至期望工作电流，以使所述燃料电池系统完成启动。
根据本申请第一方面的一些实施例，所述控制模块还用于：
获取停机指令；
根据外部环境温度确定所述电池堆的阻抗阈值；
根据所述停机指令控制所述电池堆的拉载速率降低，直至所述电池堆的电流值为怠速电流；
当所述电池堆的电流值为怠速电流时，控制所述电池堆的阴极入堆压力增大，以调整所述电池堆的交流阻抗；
当所述电池堆的交流阻抗等于所述阻抗阈值时，控制所述氢气回路、所述空气回路停止向所述电池堆输送气体，并控制所述调温回路停止调温。
第二方面，本申请提供一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统包括电池堆、氢气回路、空气回路和调温回路，所述氢气回路与所述电池堆的阳极连通，所述空气回路与所述电池堆的阴极连通，所述调温回路包括加热器和温度检测装置，所述温度检测装置设置于所述加热器和所述电池堆的水入口之间，所述控制方法包括：
当外部环境温度和所述工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制所述加热器工作，以提高工作环境温度；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值时，控制所述氢气回路和所述空气回路向所述电池堆通气，以使所述电池堆的电压达到稳定空路电压；
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求；
根据所述外接负载需求，确定与所述电池堆连接的外接负载的启动参数；
根据所述稳定空路电压和所述启动参数，控制所述电池堆进行拉载，以使所述燃料电池系统完成启动；
在所述燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定所述电池堆的进堆压力；
根据所述启动参数和所述进堆压力对所述氢气回路、所述空气回路的参数进行调节。
由于第二方面的燃料电池系统的控制方法应用于第一方面任一项所述的燃料电池系统，因此具有本发明第一方面的所有有益效果。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关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申请实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的燃料电池系统的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的燃料电池系统的控制方法的主要流程图；
图3是本申请实施例提供的燃料电池系统的控制方法的示意图；
图4是本申请实施例提供的用于燃料电池系统的控制的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请实施例。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请实施例的描述。
需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
还应当理解，在本申请实施例说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请实施例的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
在本申请的描述中，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
质子交换膜燃料电池电堆往往由几百片单电池串联压制而成，通过在阳极通入氢气、阴极通入空气，使得氢气和空气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，生成物只有水，是真正的清洁能源。氢燃料电池目前已进入大规模产业化推广的阶段，而我国幅员辽阔，气候环境多样，提高燃料电池系统的环境适应性使之可靠运行在不同地区环境是目前必须解决的问题。
现有技术中，燃料电池多关注低温冷启动性能，但是其只能适用于普通低温的情况，并不能适用于极度低温、高海拔等环境，燃料电池的适应性较差，适用范围相对较窄。
基于此，本申请提供一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，本申请提供的燃料电池系统根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。
下面结合附图，对本申请作进一步阐述。
参照图1，本申请提供的燃料电池系统包括电池堆、氢气回路、空气回路和控制模块。
其中，氢气回路与电池堆的阳极连通，氢气回路用于调节电池堆的阳极入堆压力。
空气回路，空气回路与电池堆的阴极连通，空气回路用于调节电池堆的阴极入堆压力。
调温回路，调温回路包括加热器和温度检测装置，温度检测装置设置于加热器和电池堆的水入口之间，温度检测装置用于检测工作环境温度，工作环境温度为流入电池堆的水温度。
控制模块用于：
当外部环境温度和工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制加热器工作，以提高工作环境温度。
当工作环境温度大于第一低温阈值时，控制氢气回路和空气回路向电池堆通气，以使电池堆的电压达到稳定空路电压。
在电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求。
根据外接负载需求，确定与电池堆连接的外接负载的启动参数。
根据稳定空路电压和启动参数，控制电池堆进行拉载，以使燃料电池系统完成启动。
在燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定电池堆的进堆压力。
根据启动参数和进堆压力对氢气回路、空气回路的参数进行调节。
需要说明的是，当外部环境温度小于或等于第一低温阈值时，燃料电池系统处于极度低温状态，电池堆无法正常启动，需要控制加热器进行工作，以调节电池堆的工作环境温度，当工作环境温度升高至第一低温阈值后，控制氢气回路、空气回路通气，电池堆的电压达到稳定的空路电压，空路电压建立完成后，根据外接负载需求确定与电池堆连接的外接负载的启动参数，以控制电池堆进行拉载，使得燃料电池系统成功启动，之后，当外部环境气压小于低压阈值时，燃料电池系统位于高海拔低压状态，确定电池堆的进堆压力，并根据进堆压力对氢气回路、空气回路进行调整，以使电池堆能够在高海拔低气压的环境下工作，本申请根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。
需要说明的是，工作环境温度为流入电池堆的水温度，因此，工作环境温度为电池堆的工作环境的温度。
需要说明的是，本申请依据地理和气候环境主要划分为低温低压区、常温低压区、低温常压区和常温常压区。其中，低温低压区主要包括新疆、西藏、云贵地区等西北、西南地区的春冬季，常温低压区主要包括新疆、西藏、云贵地区等西北、西南地区的夏秋季节，低温常压区主要存在于平原地带的冬季，如东北平原地带，海拔正常，温度极低，常温常压区指中东、南部大部分平原地带，温度、海拔正常。并根据上述四个区域以及燃料电池堆的性能对温度、气压定量分类，得到多个区间，使得区间的温度、气压范围与四个区域相对应，以降低燃料电池系统参数的修改频率，并使得燃料电池系统的性能达到最佳。当外部环境温度小于或等于第一低温阈值且外部环境气压小于低压阈值时，燃料电池系统处于低温低压状态，此时，需要加热器进行工作，以提高电池堆的工作环境温度，并调节电池的进堆压力，使得电池堆能够正常运行。
需要说明的是，控制所述氢气回路和所述空气回路向所述电池堆通气，以使所述电池堆的电压达到稳定空路电压是燃料电池系统启动的关键步骤。
需要说明的是，调温回路还包括水泵，水泵与电池堆的水入口连接，加热器与电池堆的水出口连接，加热器对电池堆水出口流出的水进行加热，之后，水泵对加热后的水进行增压等处理，使加热后的水流经电池堆，能够为电池堆提供适宜的工作环境。而温度检测装置设置于加热器和电池堆的水入口之间，温度检测装置能够流入电池堆的水温度。
需要说明的是，当调温回路的温度大于或等于第一低温阈值且电池堆在工作过程中自身发热大于散热时，加热器停止工作。
可以理解的是，启动参数包括期望工作功率和期望工作电压，控制模块还用于：
在电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取预设的怠速电流，怠速电流为怠速状态时电池堆生成的电流。
根据怠速电流，确定电池堆的第一拉载速率。
根据期望工作功率和期望工作电压，确定期望工作电流。
获取电池堆的实时工作电流。
根据期望工作电流、以及实时工作电流与怠速电流的比值，确定电池堆第二拉载速率，以使电池堆的电压由稳定空路电压降低至期望工作电压，第二拉载速率大于第一拉载速率。
根据第一拉载速率和第二拉载速率控制电池堆进行拉载。
需要说明的是，当空路电压建立完成后，获取预设的怠速电流，怠速电流为燃料电池系统处于怠速状态时电池堆对应生成的电流，且怠速电流是燃料电池系统的最小运行电流。根据怠速电流，确定电池堆的第一拉载速率，当电池堆拉载至怠速后，由于燃料电池系统的外接负载需求，燃料电池系统需要为期望工作功率，此时的电池堆的输出电压为期望工作电压，根据期望工作功率和期望工作电压，确定期望工作电流，即燃料电池系统需要为外接负载提供更高的电流点，期望工作电流大于怠速电流，之后，计算实时工作电流与怠速电流的比值，根据该比值体积期望工作电流，能够确定电池堆的第二拉载速率，本申请通过第一拉载速率和第二拉载速率控制电池堆运行，以确保燃料电池系统能够满足外接负载的需求。
需要说明的是，不同温度下的怠速电流和期望工作电流对应的拉载速率不同，当外部环境小于或等于第一低温阈值且回路温度大于第一低温阈值时，电池堆的工作环境温度较低，电池堆的电化学反应速率较低，无法提供过高的拉载速率，而随着电化学反应速率的进行以及加热器的运行，电池堆的工作环境温度升高，电池堆的最大拉载速率的值也能够增大，因此，本申请首先通过第一拉载速率将电池堆拉载至怠速状态，之后，根据电池堆的实时工作电流的大小控制第二拉载速率，直至实时工作电流与期望工作电流相等。
需要说明的是，第一拉载速率为固定值，第二拉载速率为变化值，第一拉载速率的大小跟随实时工作电流与怠速电流的比值的变化而变化。
需要说明的是，第一拉载速率和第二拉载速率根据电池堆的种类、性能进行设置，但第二拉载速率始终大于第一拉载速率，且第二拉载速率的值由实时工作电流与怠速电流的比值确定。假设电池堆对应的怠速电流为时，第一拉载速率为/>，表示第一拉载速率在/>的范围内任意取值，那么当实时工作电流为/>时，第二拉载速率为/>，当实时工作电流为/>时，第二拉载速率为/>，当实时工作电流为/>时，第二拉载速率为/>，当实时工作电流为/>时，第二拉载速率为/>，当实时工作电流为/>时，第二拉载速率为/>，当实时工作电流升至/>之后，第二拉载速率始终保持为/>，直至实时工作电流与期望工作电流相等。
可以理解的是，氢气回路包括比例阀和氢气循环泵，空气回路包括空压机和背压阀，进堆压力包括阴极入堆压力和阳极入堆压力，控制模块还用于：
根据外部环境气压与预设表压，确定电池堆的阴极入堆压力。
根据阴极入堆压力和预设的氢空压差，确定电池堆的阳极入堆压力。
根据期望工作功率，确定电池堆的阴极入堆流量。
根据阴极入堆压力和阴极入堆流量，对空压机的转速和背压阀的开度进行调节。
根据阳极入堆压力，对比例阀的开度进行调节。
需要说明的是，在燃料电池系统的运行过程中，根据外部环境气压与预设表压，确定电池堆的阴极入堆压力，电池堆的阴极入堆压力可表示为，其中，为预设表压，/>为大气绝对压力，即外部环境气压，预设表压根据电池堆的种类、性能决定，预设表压的范围为/>，不同外部环境气压下表压保持不变，电池堆的阴极入堆压力跟随外部环境气压的变化而变化。氢空压差的设置能够减少电池堆中质子交换膜的机械破裂并保证电池堆能够平稳运行，根据期望工作功率，能够电池堆为外接负载提供的功率大小，能够确定电池堆进行电化学反应所需的氢气流量，即阴极入堆流量。另外，空压机设置有固定的压力-流量-转速曲线，根据阴极入堆压力和阴极入堆流量，确定空压机的转速，并确定背压阀的开度，背压阀与空压机互相配合以调节电池堆的阴极入堆压力。根据阴极入堆压力和预设的氢空压差，能够确定电池堆的阳极入堆压力，进而能够确定比例阀的开度。
需要说明的是，本申请对外部环境气压进行定量分类，得到多个两个区间，分别为[60,85]和(85,100]，单位为kPa（千帕）。
需要说明的是，参照图1，氢气回路包括比例阀和氢气循环泵，比例阀的一端设置为氢气入口，比例阀的另一端与电池堆的阳极入口连接，氢气循环泵设置于电池堆的阳极出口、阳极入口之间。通常情况下，燃料电池的氢气供给量大于氢气的理论消耗量，需要通过氢气循环泵对氢气进行循环，减少氢气的浪费，并且电池堆电化学反应生成的部分水能够从电池堆的阳极出口流出，氢气循环泵将该部分水与氢气相混合，进而起到进气增湿的作用，帮助电池堆实现自增湿。比例阀的一端为氢气入口，比例阀的另一端与电池堆的阳极入口连接，通过控制比例阀的开度能够控制电池堆的阳极入口的氢气压力和流量，保证电池堆的的空燃比和输出功率。
需要说明的是，空气回路包括空压机和背压阀，空压机的一端设置为空气出口，空压机的另一端与电池堆的阴极入口连接，背压阀的一端与电池堆的阴极出口连接，背压阀的另一端设置为空气出口。空压机能够控制从进入电池堆阴极的空气的压力和流量，而背压阀与电池堆的阴极出口连接，背压阀能够根据电池堆的进气需求，与空压机配合，为电池堆提供适当流量和压力的空气。
需要说明的是，控制模块还用于：
当外部环境温度大于第一低温阈值时，计算外部环境温度与第一低温阈值的差值。
根据差值调整空压机的转速和比例阀的开度，以使电池堆的阴极入堆压力和阳极入堆压力保持不变。
需要说明的是，在同一外部环境气压下，当外部环境温度发生改变，即外部环境温度大于或等于第一低温阈值时，计算外部环境温度与第一低温阈值的差值。并根据差值调整空压机的转速和比例阀的开度，以使电池堆的阴极入堆压力和阳极入堆压力保持不变。
需要说明的是，本申请对温度进行定量分类，得到多个区间，分别为[-40,-25]、(-25,0]以及（0,40]，单位为℃（摄氏度）其中，[-40,-25]、(-25,0]为低温状态，（0,40]为常温状态。在该分类情况下，第一低温阈值为-25℃。外部环境温度越低，相同功率下空压机需要的转速越低，当外部环境温度大于第一低温阈值时，计算外部环境温度与第一低温阈值的差值，能够确定外部环境温度位于哪一区间，当外部环境温度为(-25,0]时，空压机的转速调整为，空压机的转速是指空压机主轴每分钟的转数，单位为（转每分钟），/>为空压机在外部环境温度小于或等于第一低温阈值，即[-40,-25]的转速，/>为(-25,0]之间的某一温度，具体取值根据空压机和电池堆的性能进行设置，当外部环境温度为（0,40]时，空压机的转速调整为/>，/>为空压机在外部环境温度为(-25,0]的转速，/>为（0,40]之间的某一温度，具体取值根据空压机和电池堆的性能进行设置。另外，在不同的外部环境温度下氢气密度不同，需要对比例阀的开度进行调整，以使阳极入堆压力保持稳定，比例阀的开度的调整关系可以表示为,比例阀的开度用百分比的形式表示，/>为比例阀在外部环境温度为(0,40]下的开度，/>为比例阀在外部环境温度为(-25,0]下的开度，/>为比例阀在外部环境温度为[-40,-25]下的开度。比例阀开度的调整可以减少比例阀抖动问题并加快控制收敛速度，提高了燃料电池系统的稳定性。
可以理解的是，控制模块还用于：
在控制加热器工作后，获取电池堆的生成热量和散发热量。
当工作环境温度大于第一低温阈值且生成热量大于散发热量时，控制加热器停止加热。
需要说明的是，在外部环境温度小于或等于第一低温阈值的情况下，当工作环境温度大于第一低温阈值且生成热量大于散发热量时，电池堆的工作环境温度能够供给其在无辅热的情况下运行，因此，此时能够控制加热器停止加热。
需要说明的是，电池堆的生成热量为电池堆进行电化学反应生成的热量，散发热量为电池堆经外接的装置散发的热量。
需要说明的是，参照图1，调温回路还包括散热器和节温器，散热器的两端分别与电池堆的水出口、水泵连接，节温器设置于散热器与电池堆的水出口之间，且节温器与散热器连接，节温器用于调整流经散热器的水量。在电池堆工作过程中，电池堆的水出口流出的水经过散热器进行降温，再通过水泵流入电池堆，散热器的设置能够对电池堆的工作环境温度进行降温，以减少电池堆因温度过高而损坏的情况的发生，而节温器分别与电池堆的水出口、散热器、加热器连接，节温器能够控制流经散热器、加热器的水量，以使回路温度发到目标温度。
可以理解的是，控制模块还用于：
当外部环境温度和工作环境温度均大于第一低温阈值且小于或等于第二低温阈值时，控制电池堆以第一拉载速率拉载至怠速状态。
在电池堆处于怠速状态后，控制电池堆以第二拉载速率拉载至期望工作电流，以使燃料电池系统完成启动。
需要说明的是，当外部环境温度和工作环境温度均大于第一低温阈值且小于或等于第二低温阈值时，电池堆能够实现无辅热启动，电池堆的电压达到稳定开路电压后，直接通过第一拉载速率拉载至怠速状态，在电池堆处于怠速状态后，控制电池堆以第二拉载速率拉载至期望工作电流。
需要说明的是，当外部环境温度和工作环境温度均大于第一低温阈值且小于或等于第二低温阈值时，外部环境温度的具体区间为(-25,0]。第一低温阈值为-25℃，第二低温阈值为0℃。
可以理解的是，控制模块还用于：
当工作环境温度大于预设的升温阈值且实时工作电流小于期望工作电流时，控制电池堆以第三拉载速率运行，第三拉载速率为恒定值，且第三拉载速率大于第二拉载速率。
需要说明的是，在外部环境温度小于或等于第二低温阈值时，当回路温度大于预设的升温阈值时，电池堆的工作环境温度足够高且短时间内降低幅度不会过大，因此，控制电池堆以第三拉载速率运行，第三拉载速率为恒定值，且第三拉载速率大于第二拉载速率，能够控制电池堆快速启动，以满足外接负载需求。
需要说明的是，第三拉载速率的取值范围为，具体取值可根据电池堆的性能进行确定。
可以理解的是，控制模块还用于：
当外部环境温度和工作环境温度均大于第二低温阈值时，控制电池堆以第三拉载速率至怠速状态。
在电池堆处于怠速状态后，控制电池堆以第三拉载速率拉载至期望工作电流，以使燃料电池系统完成启动。
需要说明的是，当外部环境温度和工作环境温度均大于第二低温阈值时，没有结冰风险，且外部环境温度和工作环境温度能够为电池堆提供良好的工作环境，燃料电池系统可进行常温启动，电池堆的电压达到稳定开路电压后，电池堆以第三拉载速率至怠速状态，并以第三拉载速率拉载至期望工作电流。
需要说明的是，第三拉载速率的取值范围为，具体取值可根据电池堆的性能进行确定。
需要说明的是，当外部环境温度和工作环境温度均大于第二低温阈值时，外部环境温度的具体区间为（0,40]。第二低温阈值为0℃，40℃通常为外部环境最高温度，因此，该区间的最大值为40，实际情况中，即使外部环境温度大于40度，电池堆也能够通过第三拉载速率运行。
可以理解的是，控制模块还用于：
获取停机指令。
根据外部环境温度确定电池堆的阻抗阈值。
根据停机指令控制电池堆的拉载速率降低，直至电池堆的电流值为怠速电流。
当电池堆的电流值为怠速电流时，控制电池堆的阴极入堆压力增大，以调整电池堆的交流阻抗。
当电池堆的交流阻抗等于阻抗阈值时，控制氢气回路、空气回路停止向电池堆输送气体，并控制调温回路停止调温。
需要说明的是，控制模块接收到停机指令之后，根据外部环境温度确定电池堆的阻抗阈值，由于温度在0℃以上没有结冰风险，本申请以0℃作为分界点，将电池堆的阻抗阈值设置为两个不同的值，当外部环境温度低于0℃时，阻抗阈值设置为，当外部环境温度大于或等于0℃时，阻抗阈值设置为/>，且/>,之后，首先根据停机指令控制电池堆的拉载速率降低，直至电池堆的电流值为怠速电流，即燃料电池系统处于怠速状态，然后在怠速状态下，控制电池堆的阴极入堆压力增大，即控制空压机的转速增加，通过空压机向电池堆内通入大量空气，利用空气气流带走电池堆内部残留水分。在停机吹扫的过程中，空气回路、氢气回路以及调温回路均正常运行，直至增加了空压机的转速和进入电池堆阳极的空气的流量。当电池堆的交流阻抗吹扫至阻抗阈值时，控制氢气回路、空气回路停止向电池堆输送气体，并控制调温回路停止调温，此时电池堆内的电化学反应也停止。停机吹扫能够减少下一次启动时因电池堆内部大量结冰导致燃料电池系统启动失败的阿生，另外，停机吹扫可以提高电池堆的膜电极的储水能力，从而延长启动时结冰的时间，提高燃料电池系统在低温情况下启动的成功概率。
需要说明的是，阻抗阈值、/>根据电池堆的类型设置有不同的值，当电池堆为金属堆时，/>，/>。当电池堆为石墨堆时，，/>。/>（毫欧姆平方厘米）为电阻率的单位，/>表示为电池堆的面积。
需要说明的是，参照图1，氢气回路还包括分水器和疏水阀，分水器设置于电池堆的阳极出口和氢气循环泵之间，疏水阀的一端与分水器连接，疏水阀的另一端设置为空气出口。分水器和疏水阀相互配合，排除氢气回路中的多余水分和杂气。
需要说明的是，空气回路中的背压阀以及氢气回路中的疏水阀连接有混合室，在混合室内对多余的水分、气体进行处理，再进行排除，以减少对于环境的污染。
需要说明的是，参照图3，本申请依据地理和气候环境主要划分为低温低压区、常温低压区、低温常压区和常温常压区，并对温度、气压进行定量分类，得到多个区间，其中，低温低压区对应的区间为以及/>，其中/>为外部环境温度，外部环境温度的单位为℃，/>为外部环境气压，外部环境气压的单位为kPa，常温低压区对应的区间为/>，低温常压区对应的区间为/>以及/>，常温常压区对应的区间为。
需要说明的是，参照图3，在时，执行低温冷启动策略，首先控制加热器加热水温至-25℃，在水温，即工作环境温度大于-25℃时，控制氢气回路和空气回路进行通气，电池堆建立OCV（空路电压），即氢气回路和空气回路向电池堆通气，电池堆的电压达到稳定空路电压。OCV建立完成后，控制电池堆以第一拉载速率/>拉载至怠速，之后根据第二拉载速率/>进行更高功率等级的拉载，直至水温增大到升温阈值再以第三拉载速率进行拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为/>，阴极入堆压力为/>，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>。
需要说明的是，参照图3，在时，执行低温冷启动策略，直接建立OCV，OCV建立完成后，控制电池堆以第一拉载速率/>拉载至怠速，之后根据第二拉载速率/>进行更高功率等级的拉载，直至水温增大到升温阈值再以第三拉载速率进行拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。阴极入堆压力为/>，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>。
需要说明的是，参照图3，在时，执行常温正常启动策略，直接建立OCV，控制电池堆以第一拉载速率第三拉载速率拉载至怠速，之后根据第三拉载速率进行更高功率等级的拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。阴极入堆压力为，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>，且/>。
需要说明的是，参照图3，在时，执行低温冷启动策略，首先控制加热器加热水温至-25℃，在水温，即工作环境温度大于-25℃时，控制氢气回路和空气回路进行通气，电池堆建立OCV（空路电压），OCV建立完成后，控制电池堆以第一拉载速率/>拉载至怠速，之后根据第二拉载速率/>进行更高功率等级的拉载，直至水温增大到升温阈值再以第三拉载速率进行拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为/>，阴极入堆压力为/>，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>。
需要说明的是，参照图3，在时，执行低温冷启动策略，直接建立OCV，OCV建立完成后，控制电池堆以第一拉载速率/>拉载至怠速，之后根据第二拉载速率/>进行更高功率等级的拉载，直至水温增大到升温阈值再以第三拉载速率进行拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。阴极入堆压力为/>，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>。
需要说明的是，参照图3，在时，执行常温正常启动策略，直接建立OCV，控制电池堆以第一拉载速率第三拉载速率拉载至怠速，之后根据第三拉载速率进行更高功率等级的拉载，在燃料电池堆的运行过程中，根据环境条件设定各功率点下的空压机目标转速为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。阴极入堆压力为，基于阴极入堆压力和预设的氢空压差调整求阳极入堆压力，并控制比例阀的开度为/>，/>可以根据外部环境温度的变化值进行调整。当接收到停机指令，执行冷启动停机吹扫策略，吹扫至电池堆的交流阻抗为/>，且/>。
需要说明的是，当外部环境温度小于或等于第一低温阈值时，燃料电池系统处于极度低温状态，电池堆无法正常启动，需要控制加热器进行工作，以调节电池堆的工作环境温度，当工作环境温度升高至第一低温阈值后，控制氢气回路、空气回路通气，电池堆的电压达到稳定的空路电压，空路电压建立完成后，根据外接负载需求确定与电池堆连接的外接负载的启动参数，以控制电池堆进行拉载，使得燃料电池系统成功启动，之后，当外部环境气压小于低压阈值时，燃料电池系统位于高海拔低压状态，确定电池堆的进堆压力，并根据进堆压力对氢气回路、空气回路进行调整，以使电池堆能够在高海拔低气压的环境下工作，本申请根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。
另外，本申请提供一种燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统包括电池堆、氢气回路、空气回路和调温回路，氢气回路与电池堆的阳极连通，空气回路与电池堆的阴极连通，调温回路包括加热器和温度检测装置，温度检测装置设置于加热器和电池堆的水入口之间，控制方法包括：
步骤S100、当外部环境温度和工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制加热器工作，以提高工作环境温度。
步骤S200、当工作环境温度大于第一低温阈值时，控制氢气回路和空气回路向电池堆通气，以使电池堆的电压达到稳定空路电压。
步骤S300、在电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求。
步骤S400、根据外接负载需求，确定与电池堆连接的外接负载的启动参数。
步骤S500、根据稳定空路电压和启动参数，控制电池堆进行拉载，以使燃料电池系统完成启动。
步骤S600、在燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定电池堆的进堆压力。
步骤S700、根据启动参数和进堆压力对氢气回路、空气回路的参数进行调节。
需要说明的是，当外部环境温度小于或等于第一低温阈值时，燃料电池系统处于极度低温状态，电池堆无法正常启动，需要控制加热器进行工作，以调节电池堆的工作环境温度，当工作环境温度升高至第一低温阈值后，控制氢气回路、空气回路通气，电池堆的电压达到稳定的空路电压，空路电压建立完成后，根据外接负载需求确定与电池堆连接的外接负载的启动参数，以控制电池堆进行拉载，使得燃料电池系统成功启动，之后，当外部环境气压小于低压阈值时，燃料电池系统位于高海拔低压状态，确定电池堆的进堆压力，并根据进堆压力对氢气回路、空气回路进行调整，以使电池堆能够在高海拔低气压的环境下工作，本申请根据外部环境温度控制加热器工作，使得电池堆的工作环境温度能够满足电池堆工作所需，并根据外部环境气压调整电池堆的进堆压力，使得燃料电池系统能够在极度低温、高海拔的情况下运行，提高了燃料电池系统的适用性。
另外，参照图4，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时如步骤S100至步骤S700的燃料电池系统的控制方法。
处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实现上述实施例的燃料电池系统的控制方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被处理器执行时，执行上述实施例中的燃料电池系统的控制方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至S700。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
此外，本申请实施例的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个处理器或控制器执行，可使得上述处理器执行上述实施例中的燃料电池系统的控制方法，例如，执行以上描述的图2中的方法步骤S100至S700。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储介质、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
电池堆；
氢气回路，所述氢气回路与所述电池堆的阳极连通，所述氢气回路用于调节所述电池堆的阳极入堆压力；
空气回路，所述空气回路与所述电池堆的阴极连通，所述空气回路用于调节所述电池堆的阴极入堆压力；
调温回路，所述调温回路包括加热器和温度检测装置，所述温度检测装置设置于所述加热器和所述电池堆的水入口之间，所述温度检测装置用于检测工作环境温度，所述工作环境温度为流入所述电池堆的水温度；
控制模块，所述控制模块用于：
当外部环境温度和所述工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制所述加热器工作，以提高所述工作环境温度；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值时，控制所述氢气回路和所述空气回路向所述电池堆通气，以使所述电池堆的电压达到稳定空路电压；
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求；
根据所述外接负载需求，确定与所述电池堆连接的外接负载的启动参数；
根据所述稳定空路电压和所述启动参数，控制所述电池堆进行拉载，以使所述燃料电池系统完成启动；
在所述燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定所述电池堆的进堆压力；
根据所述启动参数和所述进堆压力对所述氢气回路、所述空气回路的参数进行调节；
其中，所述启动参数包括期望工作功率和期望工作电压，所述控制模块还用于：
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取预设的怠速电流，所述怠速电流为怠速状态时所述电池堆生成的电流；
根据所述怠速电流，确定所述电池堆的第一拉载速率；
根据所述期望工作功率和所述期望工作电压，确定期望工作电流；
获取所述电池堆的实时工作电流；
根据所述期望工作电流、以及所述实时工作电流与所述怠速电流的比值，确定所述电池堆第二拉载速率，以使所述电池堆的电压由所述稳定空路电压降低至所述期望工作电压，所述第二拉载速率大于所述第一拉载速率；
根据所述第一拉载速率和所述第二拉载速率控制所述电池堆进行拉载；
所述氢气回路包括比例阀和氢气循环泵，所述空气回路包括空压机和背压阀，所述进堆压力包括阴极入堆压力和阳极入堆压力，所述控制模块还用于：
根据外部环境气压与预设表压，确定所述电池堆的阴极入堆压力；
根据所述阴极入堆压力和预设的氢空压差，确定所述电池堆的阳极入堆压力；
根据所述期望工作功率，确定所述电池堆的阴极入堆流量；
根据所述阴极入堆压力和所述阴极入堆流量，对所述空压机的转速和所述背压阀的开度进行调节；
根据所述阳极入堆压力，对所述比例阀的开度进行调节。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度大于所述第一低温阈值时，计算所述外部环境温度与所述第一低温阈值的差值；
根据所述差值调整所述空压机的转速和所述比例阀的开度，以使所述电池堆的阴极入堆压力和所述阳极入堆压力保持不变。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
在控制所述加热器工作后，获取所述电池堆的生成热量和散发热量；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值且所述生成热量大于所述散发热量时，控制所述加热器停止加热。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度和所述工作环境温度均大于所述第一低温阈值且小于或等于第二低温阈值时，控制所述电池堆以所述第一拉载速率拉载至怠速状态；
在所述电池堆处于所述怠速状态后，控制所述电池堆以所述第二拉载速率拉载至期望工作电流，以使所述燃料电池系统完成启动。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
当所述工作环境温度大于预设的升温阈值且所述实时工作电流小于所述期望工作电流时，控制所述电池堆以第三拉载速率运行，所述第三拉载速率为恒定值，且所述第三拉载速率大于所述第二拉载速率。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
当所述外部环境温度和所述工作环境温度均大于所述第二低温阈值时，控制所述电池堆以所述第三拉载速率至怠速状态；
在所述电池堆处于所述怠速状态后，控制所述电池堆以所述第三拉载速率拉载至期望工作电流，以使所述燃料电池系统完成启动。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制模块还用于：
获取停机指令；
根据外部环境温度确定所述电池堆的阻抗阈值；
根据所述停机指令控制所述电池堆的拉载速率降低，直至所述电池堆的电流值为怠速电流；
当所述电池堆的电流值为怠速电流时，控制所述电池堆的阴极入堆压力增大，以调整所述电池堆的交流阻抗；
当所述电池堆的交流阻抗等于所述阻抗阈值时，控制所述氢气回路、所述空气回路停止向所述电池堆输送气体，并控制所述调温回路停止调温。
8.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的燃料电池系统，所述控制方法包括：
当外部环境温度和所述工作环境温度均小于或等于第一低温阈值时，控制所述加热器工作，以提高工作环境温度；
当所述工作环境温度大于所述第一低温阈值时，控制所述氢气回路和所述空气回路向所述电池堆通气，以使所述电池堆的电压达到稳定空路电压；
在所述电池堆的电压达到稳定空路电压后，获取外部环境气压和外接负载需求；
根据所述外接负载需求，确定与所述电池堆连接的外接负载的启动参数；
根据所述稳定空路电压和所述启动参数，控制所述电池堆进行拉载，以使所述燃料电池系统完成启动；
在所述燃料电池启动后，当外部环境气压小于低压阈值时，根据外部环境气压，确定所述电池堆的进堆压力；
根据所述启动参数和所述进堆压力对所述氢气回路、所述空气回路的参数进行调节。
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