汽车燃料电池冷启动控制系统和方法
阅读说明：本技术 汽车燃料电池冷启动控制系统和方法 (Cold start control system and method for automobile fuel cell ) 是由 马秋玉 赵洪辉 鲍金成 郭冬来 赵子亮 黄兴 秦晓 芦岩 李鑫宇 曲禄成 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于车辆电池散热技术领域,公开了一种汽车燃料电池冷启动控制系统和方法,其中系统包括空压机、中冷器、增湿器、燃料电池堆、水泵、三通控制阀、加热器、散热器、节气门、第一阀门、第二阀门、第三阀门和控制器,空压机-所述中冷器-增湿器-燃料电池堆-增湿器-节气门构成空气加热路；水泵-三通控制阀-加热器-中冷器-第二阀门-燃料电池堆-水泵形成冷却液加热回路；水泵-三通控制阀-散热器-第三阀门-所述燃料电池堆-水泵形成第一冷却液散热回路；水泵-三通控制阀-散热器-第一阀门-水泵形成第二冷却液散热回路。低温条件下,保证燃料电池在低温条件下能够快速启动；高温条件下,实现一个散热器对中冷器和燃料电池堆散热。(The invention belongs to the technical field of vehicle battery heat dissipation, and discloses a cold start control system and a cold start control method for an automobile fuel cell, wherein the system comprises an air compressor, an intercooler, a humidifier, a fuel cell stack, a water pump, a three-way control valve, a heater, a radiator, a throttle valve, a first valve, a second valve, a third valve and a controller, wherein the air compressor, the intercooler, the humidifier, the fuel cell stack, the humidifier and the throttle valve form an air heating path; the water pump, the three-way control valve, the heater, the intercooler, the second valve, the fuel cell stack and the water pump form a cooling liquid heating loop; the water pump, the three-way control valve, the radiator, the third valve, the fuel cell stack and the water pump form a first cooling liquid heat dissipation loop; the water pump, the three-way control valve, the radiator, the first valve and the water pump form a second cooling liquid heat dissipation loop. Under the low temperature condition, the fuel cell can be ensured to be started quickly under the low temperature condition; under the condition of high temperature, a radiator is realized to radiate heat of the intercooler and the fuel cell stack.)
技术领域
本发明涉及车辆电池散热技术领域，尤其涉及一种汽车燃料电池冷启动控制系统和方法。
背景技术
燃料电池汽车发展迅速，但是低温条件下，燃料电池启动困难，严重制约燃料电池的发展。现有技术仅仅通过PTC加热燃料电池总成冷却液来提高冷却液温度，加热效率低下且预热时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车燃料电池冷启动控制系统和方法，以解决仅通过PTC加热时加热效率低下、预热时间较长的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面本发明提供一种汽车燃料电池冷启动控制系统，包括空压机、中冷器、增湿器、燃料电池堆、水泵、三通控制阀、加热器、散热器、节气门、第一阀门、第二阀门、第三阀门和控制器，其中：
所述空压机-所述中冷器-所述增湿器-所述燃料电池堆-所述增湿器-所述节气门构成空气加热路；
所述水泵-所述三通控制阀-所述加热器-所述中冷器-所述第二阀门-所述燃料电池堆-所述水泵形成冷却液加热回路；
所述水泵-所述三通控制阀-所述散热器-所述第三阀门-所述燃料电池堆-所述水泵形成第一冷却液散热回路；
所述水泵-所述三通控制阀-所述散热器-所述第一阀门-所述水泵形成第二冷却液散热回路；
所述控制器根据所述燃料电池堆的温度可选择地打开或关闭所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门和所述三通控制阀。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，所述空压机根据所述燃料电池堆的温度控制自身的转速。
空压机根据燃料电池堆的温度调节转速，空气加热路中的气压通过空压机转速与节气门开度联合调解，实现解耦控制。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，所述燃料电池堆设有空气入口、空气出口、冷却液入口和冷却液出口；
所述增湿器的第一出口和所述燃料电池堆的所述空气入口之间设有第一温度传感器；
所述燃料电池堆的所述空气出口和所述增湿器的第二入口之间设有第二温度传感器。
第一温度传感器获取进入燃料电池堆前的空气温度，第二温度传感器获取经过燃料电池堆后的空气温度，两个温度值共同确定了燃料电池堆内部的空气温度范围，为控制器获取燃料电池堆内部温度控制空气加热路提供保障。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，所述第二阀门和所述燃料电池堆的所述冷却液入口之间设有第三温度传感器；
所述燃料电池堆的冷却出口和所述水泵的入口之间设有第四温度传感器。
第三温度传感器获取进入燃料电池堆前的冷却液温度，第四温度传感器获取经过燃料电池堆后的冷却液温度，两个温度值共同确定了燃料电池堆内部的冷却液温度范围，为控制器获取燃料电池堆内部冷却液温度控制冷却液加热回路、第一冷却液散热回路和第二冷却液散热回路提供保障。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，所述空压机的进气端连有空气过滤器。
在空压机的进气端连接空气过滤器，减少杂质进入燃料电池堆内部。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，所述节气门的另一端连有消音器。
在节气门的另一端设置消音器，减小空气排出车外时的噪音。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制系统的优选方案，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱连接至所述燃料电池堆、所述水泵和所述散热器。
由于系统中冷却液的热胀冷缩作用，当冷却液升温时，系统中的水容积增加，当无处容纳水的这部分膨胀量时，系统内的液压增高，将影响正常运行。由膨胀水箱容纳系统的水膨胀量，可减小系统因水的膨胀而造成的液压波动，提高了系统运行的安全、可靠性，当系统由于某种原因漏水或系统降温时，膨胀水箱水位下降，为系统补水。膨胀水箱还可以起到稳定系统的压力和排除冷却液在加热过程中所释放出来的空气。
另一方面，本发明还提供一种汽车燃料电池冷启动控制方法，应用于上述汽车燃料电池冷启动控制系统，包括以下步骤：
获取燃料电池堆内的冷却液的温度；
判断所述冷却液的温度是否小于第一预设阈值温度；
若是，控制空气在所述空气加热路流动以及所述冷却液在所述冷却液加热回路循环流动，以提高所述燃料电池堆的温度。
作为上述汽车燃料电池冷启动控制方法的优选方案，还包括以下步骤：
判断所述冷却液的温度是否大于第二预设阈值温度，所述第二预设阈值温度大于所述第一预设阈值温度；
若是，控制所述冷却液在所述第一冷却液散热回路和所述第二冷却液散热回路中循环流动，以降低所述燃料电池堆的温度。
冷却液在第一冷却液散热回路和第二冷却液散热回路中循环流动使得中冷器和燃料电池堆串联，加热燃料电池总成冷却液，保证燃料电池在低温条件下能够快速启动。
本发明的有益效果：对于汽车燃料电池冷启动控制系统，低温条件下，启动燃料电池发动机，既可以通过空压机加热的空气通入燃料电池堆，加热燃料电池堆的空气供应子系统，还可以打开第二阀门、关闭第一阀门和第三阀门，使得中冷器和燃料电池堆串联，利用中冷器中被加压升温的空气快速加热冷却液，保证燃料电池在低温条件下能够快速启动；在高温条件下，关闭第一阀门、打开第一阀门和第三阀门，使得中冷器和燃料电池并联，散热器同时对流经中冷器和燃料电池堆的冷却液进行降温，实现一个散热器对中冷器和燃料电池堆同时散热。
对于汽车燃料电池冷启动控制方法，低温条件下，系统开机时，启动燃料电池发动机，既可以通过空压机加热的空气通入燃料电池堆，加热燃料电池堆的空气供应子系统，还可以打开第二阀门、关闭第一阀门和第三阀门，使得中冷器和燃料电池堆串联，利用中冷器中被加压升温的空气快速加热冷却液，保证燃料电池在低温条件下能够快速启动。
附图说明
图1是本发明具体实施例的汽车燃料电池冷启动控制系统的示意图。
图中：
1-空气过滤器；2-空压机；3-中冷器；4-增湿器；5-燃料电池堆；6-水泵；7-三通控制阀；8-加热器；9-散热器；10-节气门；11-第一阀门；12-第二阀门；13-第三阀门；14-第一温度传感器；15-第一压力传感器；16-第二温度传感器；17-第二压力传感器；18-第三温度传感器；19-第三压力传感器；20-第四温度传感器；21-膨胀水箱；22-控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供一种汽车燃料电池冷启动控制系统，如图1所示，汽车燃料电池冷启动控制系统包括空压机2、中冷器3、增湿器4、燃料电池堆5、水泵6、三通控制阀7、加热器8、散热器9、节气门10、第一阀门11、第二阀门12、第三阀门13和控制器22。
其中，燃料电池堆5具有氢气入口、空气入口、冷却液入口、氢气出口、空气出口和冷却液出口。
空压机2的出口连接中冷器3的第一入口，中冷器3的第一出口连接增湿器4的第一入口，增湿器4的第一出口连接燃料电池堆5的空气入口，燃料电池堆5的空气出口连接至增湿器4的第二入口，增湿器4的第二出口连接节气门10，并通过节气门10排出外界。
即空气进入空压机2被加压和升温，再进入中冷器3中降低增压后的高温空气温度，并降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率，之后经过增湿器4提高湿度，以提高燃料电池堆5内的质子交换性能，之后进入燃料电池堆5，经过反应重新排出至增湿器4，再从增湿器4进入节气门10，节气门10间歇式的开启和关闭，使空气排到外界。此时，空压机2-中冷器3-增湿器4-燃料电池堆5-增湿器4-节气门10构成空气加热路。
需要说明的是，在本申请实施例中，空压机2根据燃料电池堆5温度控制自身的转速。具体地，控制器22获得燃料电池堆5的温度，控制器22向空压机2内部的空压机控制器发出指令，空压机控制器接收指令后控制空压机2内部的空压机电机的输出功率最终改变空压机2自身转速，空气加热路中的气压通过空压机转速与节气门10开度联合调解，实现解耦控制。
进一步，在增湿器4的第一出口和燃料电池堆5的空气入口之间设有第一温度传感器14和第一压力传感器15，燃料电池堆5的空气出口和增湿器4的第二入口之间设有第二温度传感器16和第二压力传感器17。
第一温度传感器14和第一压力传感器15分别获取进入燃料电池堆5前的空气温度和压力，第二温度传感器16和第二压力传感器17分别获取经过燃料电池堆5后的空气温度和压力，温度值以及压力值分别确定了燃料电池堆5内部的温度范围和压力范围，为控制器22获取燃料电池堆5的内部温度和压力控制空气加热路提供保障。
并且，在本申请实施例中，空压机2的进气端连有空气过滤器1，进而减少杂质进入燃料电池堆5内部。
进一步，节气门10的出气端连有消音器20，以降低噪音污染。
继续参见图1，中冷器3的第二出口连接至燃料电池堆5的冷却液入口，燃料电池堆5的冷却液出口连接至水泵6的入口，水泵6的出口连接至三通控制阀7的入口，三通控制阀7的一个出口连接至加热器8的入口，三通控制阀7的另一个出口连接至散热器9的入口，加热器8的出口和散热器9的出口共同连通至中冷器3的第二入口，另外，中冷器3的第二出口还连接至水泵6，其中，中冷器3的第二出口和水泵6之间设有第一阀门11，中冷器3的第二出口和燃料电池堆5的冷却液入口之间设有第二阀门12，中冷器3的第二入口和燃料电池堆5的冷却液入口之间设有第三阀门13。
需要说明的是，该系统还包括膨胀水箱21，膨胀水箱21连接至燃料电池堆5、水泵6和散热器9。其中，碰撞水箱21连接至燃料电池堆5的系统最高点以及散热器的系统最高点。由于系统中冷却液的热胀冷缩作用，当冷却液升温时，系统中的水容积增加，当无处容纳水的这部分膨胀量时，系统内的液压增高，将影响正常运行。由膨胀水箱21容纳系统的水膨胀量，可减小系统因水的膨胀而造成的液压波动，提高了系统运行的安全、可靠性，当系统由于某种原因漏水或系统降温时，膨胀水箱21的水位下降，为系统补水。膨胀水箱21还可以起到稳定系统的压力和排除冷却液在加热过程中所释放出来的空气。
需要升温时，控制器22关闭第一阀门11、第三阀门13和散热器9，此时中冷器3和燃料电池堆5串联，打开第二阀门12，开启水泵6，冷却液经过水泵6加压到达三通控制阀7，之后经过加热器8加热，加热后的冷却液进入中冷器3，之后进入燃料电池堆5，即一个加热器8能够燃料电池堆5进行加热。此时，水泵6-三通控制阀7-加热器8-中冷器3-第二阀门12-燃料电池堆5-水泵6形成冷却液加热回路。
因此，在需要升温时，冷却液加热回路结合空气加热路，空气和冷却液共同对燃料电池堆5进行加热。
需要说明的是，系统中根据实时检测的燃料电池堆5的冷却液温度，调整三通控制阀7的开合角度，在升温开始时，三通控制阀7连通加热器8的出口的开合度可调至最大，当到达预设温度(燃料电池堆5正常工作的温度)时，可逐渐将开合度减小或关闭。
需要散热时，控制器22关闭第二阀门12和加热器8，打开第一阀门11、第三阀门13和散热器9，冷却液经过水泵6加压到三通控制阀7，之后再经过散热器9进行降温，降温后的冷却液经过第三阀门13进入燃料电池堆5进行换热，换热后的冷却液温度升高再次经过水泵6，如此循环。同时，经过散热器9进行降温后的冷却液经过中冷器3，之后经过第一阀门11再次经过水泵6，如此循环。因此水泵6-三通控制阀7-散热器9-第三阀门13-燃料电池堆5-水泵6形成第一冷却液散热回路，水泵6-三通控制阀7-散热器9-第一阀门11-水泵6形成第二冷却液散热回路。
需要说明的是，第二阀门12和燃料电池堆5的所述冷却液入口之间设有第三温度传感器18和第三压力传感器19；燃料电池堆5的冷却出口和水泵6的入口之间设有第四温度传感器20。第三温度传感器18获取进入燃料电池堆5前的冷却液温度，第四温度传感器20获取经过燃料电池堆5后的冷却液温度，两个温度值共同确定了燃料电池堆5内部的冷却液温度范围，为控制器22获取燃料电池堆5内部冷却液温度控制冷却液加热回路、第一冷却液散热回路和第二冷却液散热回路提供保障。
本发明还提供一种汽车燃料电池冷启动控制方法，包括以下步骤：获取燃料电池堆5内的冷却液的温度；判断冷却液的温度是否小于第一预设阈值温度；若是，控制空气在空气加热路流动以及冷却液在冷却液加热回路循环流动，以提高所述燃料电池堆5的温度。
具体地，通过第三温度传感器18和第四温度传感器20所测温度进而获取燃料电池堆5内的冷却液的温度；将该温度与第一预设阈值温度相比，若此时冷却液的温度小于第一预设阈值温度，使空气进入空压机2被加压和升温，再进入中冷器3中降低增压后的高温空气温度，并降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率，之后经过增湿器4提高湿度，以提高燃料电池堆5内的质子交换性能，之后进入燃料电池堆5，经过反应重新排出至增湿器4，再从增湿器4进入节气门10，节气门10间歇式的开启和关闭，使空气排到外界。此时，空压机2-中冷器3-增湿器4-燃料电池堆5-增湿器4-节气门10构成空气加热路。同时，控制器22关闭第一阀门11、第三阀门13和散热器9，此时中冷器3和燃料电池堆5串联，打开第二阀门12，开启水泵6，冷却液经过水泵6加压到达三通控制阀7，之后经过加热器8加热，加热后的冷却液进入中冷器3，之后进入燃料电池堆5，此时，水泵6-三通控制阀7-加热器8-中冷器3-第二阀门12-燃料电池堆5-水泵6形成冷却液加热回路。
随着系统的温度提升，判断燃料电池堆5中的冷却液的温度大于第二预设阈值温度时(第二预设阈值温度大于第一预设阈值温度)，需要对系统进行散热，则控制冷却液在所述第一冷却液散热回路和第二冷却液散热回路中循环流动，以降低燃料电池堆5的温度。
具体地，控制器22关闭第二阀门12和加热器8，打开第一阀门11、第三阀门13和散热器9，冷却液经过水泵6加压到三通控制阀7，之后再经过散热器9进行降温，降温后的冷却液经过第三阀门13进入燃料电池堆5进行换热，换热后的冷却液温度升高再次经过水泵6，如此循环。同时，经过散热器9进行降温后的冷却液经过中冷器3，之后经过第一阀门11再次经过水泵6，如此循环。因此水泵6-三通控制阀7-散热器9-第三阀门13-燃料电池堆5-水泵6形成第一冷却液散热回路，水泵6-三通控制阀7-散热器9-第一阀门11-水泵6形成第二冷却液散热回路。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。