一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法与流程

1.本发明涉及氢燃料电池发动机技术领域，具体是一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种把燃料氢气和氧化剂中的化学能通过电化学反应转化为电能的发电装置，其产物为水，绿色环保，同时能量转化效率高，是一种具有广阔前景的商业化应用方式。
3.当环境温度低于0℃时，氢燃料电池电堆内残存的水以及启动过程中阴极新产生的水会出现结冰现象，堆积的冰造成阴阳极流道阻塞，损伤氢燃料电池内部结构，导致氢燃料电池发动机在低温环境下无法正常启动，因此如何提高氢燃料电池发动机低温冷启动能力成为近年来的研究热点。
4.现有冷启动的方法主要采用有无辅助加热两种方式，采用辅助加热方式冷启动效果较好，但额外附件导致系统复杂，增加了较多的额外功耗，而完全无辅助加热方式虽系统简单，但控制过程要求高。现有技术中的冷启动的方法对各类不同的低温环境适应性不太好。


技术实现要素：

5.本发明提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，包括：
7.步骤1、获取冷却液温度t；
8.步骤2、判断冷却液温度t是否小于预设的第一温度t1，若是，氢燃料电池发动机进入冷启动，执行步骤3，若否，执行步骤15；
9.步骤3、判断冷却液温度t是否小于预设的第二温度t2，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；
10.步骤4、打开水泵、ptc(positive temperature coefficient，正温度系数热敏电阻)加热装置和空压机；
11.步骤5、判断冷却液温度t是否小于预设的第三温度t3，若是，执行步骤6，若否，执行步骤7；
12.步骤6、打开水泵和ptc加热装置；
13.步骤7、打开水泵；
14.步骤8、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第二温度t2，若是，执行步骤9，若否，继续执行步骤4；
15.步骤9、关闭空压机；
16.步骤10、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第三温度t3，若是，执行步骤11，若
否，继续执行步骤6；
17.步骤11、关闭ptc加热装置；
18.步骤12、打开空压机和氢进电磁阀；
19.步骤13、氢燃料电池输出预设电流；
20.步骤14、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第一温度t1；若是，执行步骤16，若否，继续执行步骤13；
21.步骤15、打开水泵、空压机和氢进电磁阀；
22.步骤16、尝试加载氢燃料电池发动机，直至监测氢燃料电池单体电压达到预先设定的状态。
23.进一步，在步骤1中，通过温度传感器获取冷却液温度t，所述冷却液温度t为氢燃料电池发动机经过长时间冷却后的初始冷却液温度。
24.进一步，步骤16、监测氢燃料电池单体电压，若在时间阈值t内，氢燃料电池单体最低电压大于等于u1且氢燃料电池单体平均电压大于等于u2，则表示氢燃料电池发动机冷启动成功，反之则表示氢燃料电池发动机冷启动失败，其中，u1、u2和t为预先设定的阈值，u1、u2和t由氢燃料电池电堆性能确定，u2＞u1。
25.进一步，所述预设的第一温度t1为0℃。
26.进一步，所述预设的第二温度t2为
‑
30℃。
27.进一步，所述预设的第三温度t3为
‑
10℃。
28.进一步，所述预设的电流密度为0.05a/cm2。
29.本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，能根据初始冷却液温度的不同，采取不同的冷启动控制策略，在不同低温环境下保证冷启动的快速响应，具有非常好的低温环境适应性，合理使用辅助加热装置和氢燃料电池电堆自启动预热方式，在提高氢燃料电池发动机冷启动能力的同时可以尽可能的减少系统能量的消耗。
附图说明
30.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
31.图1是氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法的步骤流程图；
32.图2是氢燃料电池发动机系统结构示意图。
33.1、氢燃料电池电堆；2、减压阀；3、氢进电磁阀；4、比例阀；5、中冷器；6、引射器；7、分水器；8、氢气循环泵；9、排水阀；10、空气滤清器；11、进气调节阀；12、空压机；13、进气截止阀；14、背压阀；15、尾排汇流管；16、温度传感器；17、水箱；18、水泵；19、节温器；20、ptc加热装置；21、散热器。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或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。
36.图1是氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法的步骤流程图。
37.图2是氢燃料电池发动机系统结构示意图。
38.参考图1和图2，本发明提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法。
39.一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，包括：
40.步骤1、获取冷却液温度t；
41.步骤2、判断冷却液温度t是否小于预设的第一温度t1，若是，氢燃料电池发动机进入冷启动，执行步骤3，若否，执行步骤15；
42.步骤3、判断冷却液温度t是否小于预设的第二温度t2，若是，执行步骤4，若否，执行步骤5；
43.步骤4、打开水泵、ptc加热装置和空压机；
44.步骤5、判断冷却液温度t是否小于预设的第三温度t3，若是，执行步骤6，若否，执行步骤7；
45.步骤6、打开水泵和ptc加热装置；
46.步骤7、打开水泵；
47.步骤8、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第二温度t2，若是，执行步骤9，若否，继续执行步骤4；
48.步骤9、关闭空压机；
49.步骤10、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第三温度t3，若是，执行步骤11，若否，继续执行步骤6；
50.步骤11、关闭ptc加热装置；
51.步骤12、打开空压机和氢进电磁阀；
52.步骤13、氢燃料电池输出预设电流；
53.步骤14、判断冷却液温度t是否大于等于预设的第一温度t1；若是，执行步骤16，若否，继续执行步骤13；
54.步骤15、打开水泵、空压机和氢进电磁阀；
55.步骤16、尝试加载氢燃料电池发动机，直至监测氢燃料电池单体电压达到预先设定的状态。
56.参考图2，本发明实施例提供的氢燃料电池发动机系统中，水泵18、节温器19入口、节温器19第一出口、ptc加热装置20和氢燃料电池电堆1相连组成供冷却液流动的小循环回路，用于冷启动过程中对氢燃料电池电堆1进行预热；水泵18、节温器19入口、节温器19第二出口、散热器21和氢燃料电池电堆1相连组成供冷却液流动的大循环回路，用于正常工作过程中对氢燃料电池电堆1进行散热。
57.本发明实施例提供的氢燃料电池发动机系统中，比例阀4出口与中冷器5氢气入口相连，中冷器5氢气出口与引射器6射流入口相连，空压机12出口与中冷器5空气入口相连，中冷器5空气出口与进气截止阀13进口相连。在燃料电池发动机自启动预热阶段，通过中冷
器将升温后的空气与冷氢气进行热量交换，提高氢气进气温度，降低氢气回路部件在冷启动过程中结冰的风险，可以提高冷启动的成功率。
58.为了更好的说明本冷启动控制方法，现在以具体的实施例加以说明。
59.对于冷启动的预设温度。其中，所述预设的第一温度t1为0℃，该温度为水的冰点温度，也是判断氢燃料电池发动机是否进行冷启动的阈值温度。
60.所述预设的第二温度t2为
‑
30℃，该温度为判断氢燃料电池发动机是否采取空气进气预热的阈值温度。
61.所述预设的第三温度t3为
‑
10℃，该温度为判断氢燃料电池发动机是否采取辅助预热的阈值温度，根据氢燃料电池性能确定，通过大量试验数据得到，当初始冷却液温度t大于
‑
10℃时，氢燃料电池发动机可以较好的实现低温自启动。
62.实施例1：假设初始冷却液温度t＝
‑
35℃，即环境温度可以认为为
‑
35℃。
63.本实施例提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，所述方法包括以下步骤：
64.(1)判断冷却液温度t小于预设的第一温度t1，此时氢燃料电池发动机进入冷启动状态；
65.(2)判断冷却液温度t小于预设的第二温度t2，此时氢燃料电池发动机系统打开水泵18、ptc加热装置20和空压机12，ptc加热装置20对冷却液进行加热，通过加热冷却液并控制节温器19和水泵18让冷却液在所述小循环回路中循环流动。空压机12通过压缩空气提高空气进气温度，从而对氢燃料电池电堆1进行双重预热；
66.(3)通过加热冷却液，当冷却液温度t大于等于预设的第二温度t2时，关闭空压机12，ptc加热装置20继续通过加热冷却液，使得其在所述小循环回路中循环流动对氢燃料电池电堆1进行预热；
67.(4)当冷却液温度t大于等于预设的第三温度t3时，关闭ptc加热装置20，取消辅助预热；
68.(5)氢燃料电池发动机系统打开空压机12和氢进电磁阀3；
69.燃料氢气依次通过减压阀2、氢进电磁阀3、比例阀4、中冷器5和引射器6进入到氢燃料电池电堆1，然后形成的水汽通过分水器7、排水阀9进入到尾排汇流管15。剩余的燃料氢气通过分水器7进入到氢气循环泵8后回到中冷器5进行循环。氧化剂(空气)通过空压机12的作用，依次通过空气滤清器10、进气调节阀11、空压机12后进入到中冷器5，然后再通过进气截止阀13进入到氢燃料电池电堆1，在氢燃料电池电堆1反应后，通过背压阀14进入到尾排汇流管15。
70.(6)通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，令氢燃料电池电堆1输出预设电流进行自启动预热；在一些实施例中，预设电流的电流密度为0.05a/cm2，这只预设的电流的目的是通过让氢燃料电池电堆1进行预工作，使得氢燃料电池电堆1产生一定的热量，以提高氢燃料电池电堆1的温度，便于冷启动。
71.(7)通过自启动预热后，冷却液的温度持续升高。当冷却液温度t大于等于预设的第一温度t1时，通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，尝试对氢燃料电池发动机进行正常加载；
72.(8)在氢燃料电池发动机进行正常加载后，可以通过监测氢燃料电池单体电压来
判断冷启动是否成功。判断的方式包括：若在时间阈值t内，氢燃料电池单体最低电压大于等于u1且氢燃料电池单体平均电压大于等于u2，则表示氢燃料电池发动机冷启动成功，反之则表示氢燃料电池发动机冷启动失败。
73.实施例2：初始冷却液温度t＝
‑
20℃，即环境温度可以认为为
‑
20℃。
74.本实施例提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，所述方法包括以下步骤：
75.(1)判断冷却液温度t小于预设的第一温度t1，此时氢燃料电池发动机进入冷启动状态；
76.(2)判断冷却液温度t大于预设的第二温度t2且冷却液温度t小于预设的第三温度t3，此时氢燃料电池发动机系统打开水泵18和ptc加热装置20，通过加热冷却液并控制节温器19和水泵18让冷却液在所述小循环回路中循环流动对氢燃料电池电堆1进行预热；
77.(3)当冷却液温度t大于等于预设的第三温度t3时，关闭ptc加热装置20，取消辅助预热；
78.(4)氢燃料电池发动机系统打开空压机12和氢进电磁阀3；
79.燃料氢气依次通过减压阀2、氢进电磁阀3、比例阀4、中冷器5和引射器6进入到氢燃料电池电堆1，然后形成的水汽通过分水器7、排水阀9进入到尾排汇流管15。剩余的燃料氢气通过分水器7进入到氢气循环泵8后回到中冷器5进行循环。氧化剂(空气)通过空压机12的作用，依次通过空气滤清器10、进气调节阀11、空压机12后进入到中冷器5，然后再通过进气截止阀13进入到氢燃料电池电堆1，在氢燃料电池电堆1反应后，通过背压阀14进入到尾排汇流管15。
80.(5)通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，令氢燃料电池电堆1输出预设电流进行自启动预热；在一些实施例中，预设电流的电流密度为0.05a/cm2，这只预设的电流的目的是通过让氢燃料电池电堆1进行预工作，使得氢燃料电池电堆1产生一定的热量，以提高氢燃料电池电堆1的温度，便于冷启动。
81.(6)当冷却液温度t大于等于预设的第一温度t1时，通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，尝试对氢燃料电池发动机进行正常加载；
82.(7)在氢燃料电池发动机进行正常加载后，可以通过监测氢燃料电池单体电压，若在时间阈值t内，氢燃料电池单体最低电压大于等于u1且氢燃料电池单体平均电压大于等于u2，则表示氢燃料电池发动机冷启动成功，反之则表示氢燃料电池发动机冷启动失败。
83.实施例3：初始冷却液温度t＝
‑
5℃，即环境温度可以认为为
‑
5℃。
84.本实施例提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，所述方法包括以下步骤：
85.(1)判断冷却液温度t小于预设的第一温度t1，此时氢燃料电池发动机进入冷启动状态；
86.(2)判断冷却液温度t大于预设的第三温度t3，此时氢燃料电池发动机不打开辅助加热装置；
87.(3)氢燃料电池发动机系统打开水泵18、空压机12和氢进电磁阀3；
88.冷却剂在水泵18的作用下，依次在节温器19入口、节温器19第一出口、ptc加热装置20和氢燃料电池电堆1相连组成供冷却液流动的小循环回路中流动。其中，水箱17可以为
该循环补充冷却剂(水)，温度传感器16可以实时采集冷却剂的温度。
89.燃料氢气依次通过减压阀2、氢进电磁阀3、比例阀4、中冷器5和引射器6进入到氢燃料电池电堆1，然后形成的水汽通过分水器7、排水阀9进入到尾排汇流管15。剩余的燃料氢气通过分水器7进入到氢气循环泵8后回到中冷器5进行循环。氧化剂(空气)通过空压机12的作用，依次通过空气滤清器10、进气调节阀11、空压机12后进入到中冷器5，然后再通过进气截止阀13进入到氢燃料电池电堆1，在氢燃料电池电堆1反应后，通过背压阀14进入到尾排汇流管15。
90.(4)通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，令氢燃料电池电堆1输出预设电流进行自启动预热；在一些实施例中，预设电流的电流密度为0.05a/cm2，这只预设的电流的目的是通过让氢燃料电池电堆1进行预工作，使得氢燃料电池电堆1产生一定的热量，以提高氢燃料电池电堆1的温度，便于冷启动。
91.(5)当冷却液温度t大于等于预设的第一温度t1时，通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速、比例阀4开度，尝试对氢燃料电池发动机进行正常加载；
92.(6)在氢燃料电池发动机进行正常加载后，可以通过监测氢燃料电池单体电压，若在时间阈值t内，氢燃料电池单体最低电压大于等于u1且氢燃料电池单体平均电压大于等于u2，则表示氢燃料电池发动机冷启动成功，反之则表示氢燃料电池发动机冷启动失败。
93.实施例4：初始冷却液温度t＝5℃，即环境温度可以认为为5℃。
94.本实施例提供一种氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，所述方法包括以下步骤：
95.(1)判断冷却液温度t大于预设的第一温度t1，此时氢燃料电池发动机进入正常启动状态；
96.(2)氢燃料电池发动机系统打开水泵18、空压机12和氢进电磁阀3；
97.冷却剂在水泵18的作用下，依次在节温器19入口、节温器19第一出口、ptc加热装置20和氢燃料电池电堆1相连组成供冷却液流动的小循环回路中流动。其中，水箱17可以为该循环补充冷却剂(水)，温度传感器16可以实时采集冷却剂的温度。
98.燃料氢气依次通过减压阀2、氢进电磁阀3、比例阀4、中冷器5和引射器6进入到氢燃料电池电堆1，然后形成的水汽通过分水器7、排水阀9进入到尾排汇流管15。剩余的燃料氢气通过分水器7进入到氢气循环泵8后回到中冷器5进行循环。氧化剂(空气)通过空压机12的作用，依次通过空气滤清器10、进气调节阀11、空压机12后进入到中冷器5，然后再通过进气截止阀13进入到氢燃料电池电堆1，在氢燃料电池电堆1反应后，通过背压阀14进入到尾排汇流管15。
99.(3)通过调节进气调节阀11开度、空压机12转速和比例阀4开度，尝试对氢燃料电池发动机进行正常加载；
100.(4)在氢燃料电池发动机进行正常加载后，可以通过监测氢燃料电池单体电压，若在时间阈值t内，氢燃料电池单体最低电压大于等于u1且氢燃料电池单体平均电压大于等于u2，则表示氢燃料电池发动机正常启动成功，反之则表示氢燃料电池发动机正常启动失败。
101.综上，本发明提供的氢燃料电池发动机低温冷启动控制方法，能根据初始冷却液温度的不同，采取不同的冷启动控制策略，在不同低温环境下保证冷启动的快速响应，具有
非常好的低温环境适应性，合理使用辅助加热装置和氢燃料电池电堆自启动预热方式，在提高氢燃料电池发动机冷启动能力的同时可以尽可能的减少系统能量的消耗。
102.对于所述预设电流，预设电流的电流密度为0.05a/cm2，该电流密度为氢燃料电池发动机不采用辅助加热装置，以恒定电流自启动进行预热的电流密度值，根据氢燃料电池电堆性能确定。较小的电流密度，氢燃料电池电堆内部冰出现的时间晚，启动过程冰累积的速率较小，有利于氢燃料电池发动机的升温和自启动。
103.在上述的实施例中，所述电压阈值u1、u2，时间阈值t由氢燃料电池电堆性能确定，其中u2＞u1。u1为氢燃料电池单体最低电压的阈值，在氢燃料电池发动机加载过程中，如果出现某单体电压值小于阈值u1则判断氢燃料电池发动机冷启动失败；u2为氢燃料电池单体平均电压的阈值，在氢燃料电池发动机加载过程中，如果氢燃料电池单体电压趋于稳定，但此时各单体平均电压值小于阈值u2则判断氢燃料电池发动机冷启动失败；t为氢燃料电池发动机加载过程的时间阈值，如果在时间t内，氢燃料电池单体电压值没有达到相应阈值要求则判断氢燃料电池发动机冷启动失败。
104.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。