一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统与流程

1.本技术涉及车辆技术领域，尤其涉及一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统。


背景技术：

2.随着节能和环保的要求逐渐提高，燃料电池作为一种绿色无污染的能源转换装置，成为了各个国家研究的热点。目前，燃料电池在移动电源和车载能源上发挥了巨大的作用，但仍有一些问题阻碍着其进一步商业化，除了成本和耐久性以外，燃料电池的低温性能仍值得进一步探讨。
3.燃料电池的主要产物是水，当温度低于零点温度时，反应生成的水会发生冻结，导致膜电极上催化剂及质子交换膜被覆盖，降低化学反应速率，同时由于水结冰带来的体积膨胀，还有可能对膜电极组件的结构产生破坏。
4.目前，针对燃料电池低温冷启动提出了各种措施，如辅助电源加热、冷却液辅助加热、无辅助热源加热等方式。但由于采用无辅助热源加热的技术还不够成熟，存在一定的安全隐患，故在各种辅助加热措施中，冷却液辅助加热便于结合燃料电池冷却系统进行布置，得到了广泛的应用。
5.但是，由于冷却液辅助加热的方式对于燃料电池的升温有限，故会出现燃料电池升温缓慢的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统，以解决或者部分解决燃料电池升温缓慢的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法，所述方法包括：
8.确定所述燃料电池的冷启动要求，所述冷启动要求具体为：所述燃料电池在目标加热时间内达到目标输出功率；
9.若所述燃料电池处于工作温度，基于所述冷启动要求和燃料电池的目标加热条件，确定所述燃料电池输出的变电流加载速度；所述变电流加载速度用于提升所述燃料电池的温度；
10.基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载。
11.优选的，所述确定所述燃料电池的冷启动要求之后，所述方法还包括：
12.基于所述冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数，确定所述冷却液回路辅助加热的加热信息；所述加热信息包括第一加热时间；
13.基于所述加热信息，利用所述冷却液回路辅助燃料电池进行加热，以使所述燃料电池加热至所述工作温度。
14.优选的，所述基于所述冷启动要求和燃料电池的目标加热条件，确定所述燃料电
池输出的变电流加载速度，具体包括：
15.根据所述目标加热时间和所述第一加热时间确定第二加热时间；
16.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度。
17.优选的，所述根据所述目标加热时间和所述第一加热时间确定第二加热时间，具体包括：
18.将所述目标加热时间和所述第一加热时间的差值确定为所述第二加热时间。
19.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
20.所述基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度，具体包括：
21.根据所述目标输出功率确定目标加载电流；
22.根据关系式确定所述变电流加载速度；其中，k
i
为所述燃料电池开始启动时输出的所述变电流加载速度，k
i 1
为述燃料电池启动后输出的变电流加载速度，t
i
为k
i
加载持续时间，t
i 1
为k
i 1
加载持续时间，i
目标加载电流
为目标加载电流，t
第二加热时间
为第二加热时间，q为燃料电池发热量，和预设温度t有关，r为用电负载。
23.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
24.所述基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度，具体包括：
25.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率、所述预设温度从映射关系中确定所述变电流加载速度。
26.优选的，所述映射关系通过如下方式得到：
27.根据所述燃料电池的冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数确定所述燃料电池的仿真输出功率和仿真加热时间；
28.在所述仿真加热时间内控制所述燃料电池的变电流加载速度对用电负载进行加载，得到仿真输出电压；
29.利用所述仿真输出功率作为监测结果，将所述仿真输出电压和所述燃料电池的温度进行耦合，确定出达到所述预设温度时的变电流加载速度。
30.优选的，所述变电流加载速度的特性包括下述之一：
31.所述变电流加载速度不随时间变化而变化；
32.所述变电流加载速度随时间延长而减小，
33.所述变电流加载速度随时间延长而增大。
34.本发明公开了一种低温冷启动燃料电池用电负载加载系统，包括：
35.第一确定模块，用于确定所述燃料电池的冷启动要求，所述冷启动要求具体为：所
述燃料电池在目标加热时间内达到目标输出功率；
36.第二确定模块，用于若所述燃料电池处于工作温度，基于所述冷启动要求和燃料电池的目标加热条件，确定所述燃料电池开始启动时输出的变电流加载速度；所述变电流加载速度用于提升所述燃料电池的温度；
37.加载模块，用于基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载。
38.优选的，所述系统还包括：
39.第三确定模块，用于基于所述冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数，确定所述冷却液回路辅助加热的加热信息；所述加热信息包括第一加热时间；
40.所述加热模块，具体用于基于所述加热信息，利用所述冷却液回路辅助燃料电池进行加热，以使所述燃料电池加热至所述工作温度。
41.优选的，所述第二确定模块，具体用于：
42.根据所述目标加热时间和所述第一加热时间确定第二加热时间；
43.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度。
44.优选的，所述第二确定模块，具体用于：
45.将所述目标加热时间和所述第一加热时间的差值确定为所述第二加热时间。
46.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
47.所述第二确定模块，具体用于：
48.根据所述目标输出功率确定目标加载电流；
49.根据关系式确定所述变电流加载速度；其中，k
i
为所述燃料电池开始启动时输出的所述变电流加载速度，k
i 1
为述燃料电池启动后输出的变电流加载速度，t
i
为k
i
加载持续时间，t
i 1
为k
i 1
加载持续时间，i
目标加载电流
为目标加载电流，t
第二加热时间
为第二加热时间，q为燃料电池发热量，和预设温度t有关，r为用电负载。
50.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
51.所述第二确定模块，具体用于：
52.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率、所述预设温度从映射关系中确定所述变电流加载速度。
53.优选的，所述映射关系通过如下方式得到：
54.根据所述燃料电池的冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数确定所述燃料电池的仿真输出功率和仿真加热时间；
55.在所述仿真加热时间内控制所述燃料电池的变电流加载速度对用电负载进行加载，得到仿真输出电压；
56.利用所述仿真输出功率作为监测结果，将所述仿真输出电压和所述燃料电池的温
度进行耦合，确定出达到所述预设温度时的变电流加载速度。
57.优选的，所述变电流加载速度的特性包括下述之一：
58.所述变电流加载速度不随时间变化而变化；
59.所述变电流加载速度随时间延长而减小，
60.所述变电流加载速度随时间延长而增大。
61.本发明公开了一种车辆，所述车辆中的燃料电池用于实现上述方法的步骤。
62.通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：
63.本发明公开了一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统，确定燃料电池的冷启动要求。若所述燃料电池处于工作温度，表示燃料电池已经采用冷却液辅助加热过一次，而处于工作温度表示燃料电池已经能够正常工作，但温度依旧很低，而为了使燃料电池进一步快速升温，基于所述冷启动要求确定所述燃料电池输出的变电流加载速度，变电流加载速度用于提升燃料电池的温度。故基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载能够提升燃料电池的温度。可见，本实施例采用冷却液辅助加热的方式将燃料电池加热至工作温度，再结合燃料电池冷启动要求，采用加载用电负载的加热方式使燃料电池再次升温，故和现有单以冷却液辅助加热方式相比，能够迅速提升燃料电池的温度，且未采用附加加热装置，能够降低成本。
64.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
65.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
66.图1示出了根据本发明一个实施例的一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法流程图；
67.图2示出了根据本发明一个实施例的燃料电池的系统示意图；
68.图3a
‑
图3c示出了根据本发明一个实施例的三种方式的对比结果图；
69.图4示出了根据本发明一个实施例的一种低温冷启动燃料电池用电负载加载系统示意图。
具体实施方式
70.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
71.为解决燃料电池升温缓慢的技术问题，本发明实施例提供了一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法及系统。在该方法中，确定燃料电池的冷启动要求。若所述燃料电池处于工作温度，表示燃料电池已经采用冷却液辅助加热过一次，而处于工作温度表示燃料电池已经能够正常工作，但温度依旧很低。工作温度可以根据实际情况而定，例如本实施例将其设置为3℃。而为了使燃料电池进一步快速升温，基于所述冷启动要求确定所述燃料电
池输出的变电流加载速度。基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载。可见，本实施例采用冷却液辅助加热的方式将燃料电池加热至工作温度，再结合燃料电池冷启动要求，采用加载用电负载的加热方式，使燃料电池迅速升温。
72.值得注意的是，加载方式有恒电流加载方式和变电流加载方式。而本实施例采用的是变电流加载方式，通过确定燃料电池开始启动时输出的变电流加载速度来控制燃料电池的电流变化，进而加载用电负载，采用变电流加载的方式相比恒电流加载方式能使燃料电池迅速升温。
73.下面参看图1，本发明实施例公开的一种低温冷启动燃料电池用电负载加载方法，具体包括如下步骤：
74.步骤101，确定所述燃料电池的冷启动要求。
75.所述冷启动要求具体为：所述燃料电池在目标加热时间内达到目标输出功率。故从冷启动要求中可提取出目标加热时间、目标输出功率等参数。此处的目标加热时间指的是燃料电池从静止到启动的总时间，由于本实施例分为两部分加热，故目标加热时间包括冷却液辅助加热时所需的第一加热时间，和燃料电池加载用电负载进行升温的第二加热时间。
76.具体来说，对于冷却液辅助加热来说，在确定所述燃料电池的冷启动要求之后，基于所述冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数，确定所述冷却液回路辅助加热的加热信息。基于所述加热信息，利用所述冷却液回路辅助燃料电池进行加热，以使所述燃料电池加热至工作温度。
77.其中，冷却液回路的相关参数包括但不限于是：燃料电池的平均比热容，冷却液比热容，燃料电池电堆总质量，冷却液质量，冷启动初始温度，峰值功率等等。加热信息包括第一加热时间和所述工作温度。第一加热时间是冷却液辅助加热所需时间。工作温度是燃料电池能够正常工作所需的最低温度。
78.而关于冷却液回路的结构具体参看图2。
79.图2是燃料电池的系统示意图，燃料电池采用质子交换膜液冷电堆，所采用的燃料电池系统包括阴极回路、阳极回路、冷却液加热和散热回路，阳极通入纯氢，阴极通入空气，阳极回路上设置有氢气循环泵，阴极回路上设置有阴极加湿装置，通过阳极回路和阴极回路的相互作用促使燃料电池正常工作。此外，冷却液回路上设置有温控阀，用于控制燃料电池进行加热或者散热，加热支路采用车载ptc提供热量，车载ptc由动力电池进行供电。
80.故根据冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数，确定所述冷却液回路辅助加热时所需的第一加热时间，再实施辅助加热，使燃料电池升温至工作温度。
81.步骤102，若所述燃料电池处于工作温度，基于所述冷启动要求和燃料电池的目标加热条件，确定所述燃料电池输出的变电流加载速度。
82.其中，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时需要达到的预设温度。
83.变电流加载速度用于控制燃料电池的输出电流的变化，进而提升燃料电池的温度。
84.在具体的实施过程中，根据所述目标加热时间和所述第一加热时间确定第二加热时间。具体来说，将所述目标加热时间和所述第一加热时间的差值确定为所述第二加热时
间。进一步的，基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度。
85.而根据目标加热条件中的预设温度不同，可确定出不同的变电流加载速度进行加载。
86.所述变电流加载速度的特性包括下述之一：所述变电流加载速度不随时间变化而变化；所述变电流加载速度随时间延长而减小；所述变电流加载速度随时间延长而增大。
87.作为一种可选的实施例，根据所述目标输出功率确定目标加载电流。
88.根据关系式确定所述变电流加载速度；其中，k
i
为所述燃料电池开始启动时输出的所述变电流加载速度，k
i 1
为述燃料电池启动后输出的变电流加载速度，t
i
为k
i
加载持续时间，t
i 1
为k
i 1
加载持续时间，i
目标加载电流
为目标加载电流，t
第二加热时间
为第二加热时间，q为燃料电池发热量，和预设温度t有关，r为用电负载。
89.具体来说，上述关系式表示：变电流加载速度也受加载持续时间和目标加载电流的约束。加载持续时间受第二加热时间的约束，变电流加载速度和加载持续时间受燃料电池发热量的约束。而燃料电池发热量可通过预设温度得到，例如基于预设温度燃料从电池发热量和预设温度具有对应关系中得到对应的发热量。而由于预设温度很大程度上受燃料电池开始启动时，也即电流加载初期的启动变电流加载速度k
i
影响。燃料电池启动后，在电流加载初期适当地提高电流加载速度，有助于燃料电池整体温度的提高。因此，本实施例设置了发热量、变电流加载速度和时间的关系式。
90.进一步的，变电流加载速度具有上述特性。若使用k
i
、k
i 1
为例，则有如下结果：若变电流加载速度不随时间变化而变化，则k
i
＝k
i 1
。若所述变电流加载速度随时间延长而减小，则k
i
＞k
i 1
；所述变电流加载速度随时间延长而增大，则k
i
＜k
i 1
。变电流加载速度具有何种特性取决于预设温度。
91.通过结合各种和变电流加载速度相关的影响因子能够准确的得到变电流加载速度，进而实现燃料电池快速升温的目的。
92.作为一种可选的实施例，基于所述第二加热时间、所述目标输出功率、所述预设温度从映射关系中确定所述变电流加载速度。
93.具体来说，通过设置和燃料电池实际场景相同的仿真场景，仿真得到第二加热时间、所述目标输出功率、所述预设温度和变电流加载速度的映射关系，进而在实际应用中，可根据该映射关系得到变电流加载速度。
94.进一步的，所述映射关系通过如下方式得到：
95.根据所述燃料电池的冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数确定所述燃料电池的仿真输出功率和仿真加热时间；具体来说，仿真输出功率和仿真加热时间和目标输出功率、第二加热时间相同。并且具体的实施方案也和确定第二加热时间的实施方案相同，故在此不再赘述。
96.在所述仿真加热时间内控制所述燃料电池的变电流加载速度对用电负载进行加
载，得到仿真输出电压。
97.利用所述仿真输出功率作为监测结果，将所述仿真输出电压和所述燃料电池的温度进行耦合，确定出达到所述预设温度时的变电流加载速度。
98.在本发明实施过程中，可采用simulink仿真软件实施上述过程。在该软件中设置有燃料电池外特性曲线模块和燃料电池温度特性模块。其中，外特性曲线模块用于计算用电负载所对应的仿真输出电压，温度特性模块用于监测变化的负载电流下燃料电池电堆的温度变化。两个模块之间的相互耦合，即燃料电池温度影响仿真输出电压，仿真输出电压通过影响燃料电池自产热功率进一步影响燃料电池温度。利用所述仿真输出功率作为监测结果对其进行调试，即可获得预设温度和变电流加载速度的关系。
99.举例来说，在仿真过程中，先采用附图2所示的燃料电池系统，利用冷却液辅助燃料电池进行加热，先将燃料电池加热至正常工作温度范围，本发明取3℃，冷却液加热所需热量来自车载ptc。电堆加热至正常工作温度后，开始加用电端负载，利用电堆自产热使电堆温度逐渐上升。
100.进一步的，本发明采用300片质子交换膜液冷电堆，双极板为石墨双极板，冷却液为乙二醇溶液，燃料电池额定输出功率为68kw。燃料电池的平均比热容为0.82kj/(kg
·
k)，冷却液比热容为3.165kj/(kg
·
k)，燃料电池电堆总质量约30kg，电堆散热流道内乙二醇液体质量约为5.42kg，若冷启动初始温度为
‑
20℃，则加热至正常工作温度3℃所需热量为960kj，若采用峰值功率10kw的ptc加热器，则所需加热时间为96s。考虑到冷却液在电堆散热流道内循环流通还需要一定时间，故整个加热过程持续2min。则燃料电池的仿真加热时间为1min。
101.根据燃料电池冷启动要求，3min内达到燃料电池额定输出功率的25％(即17kw)，则除开上述冷却液辅助加热的时间，需要在燃料电池启动后1min内输出功率达到17kw。
102.以此为监测结果进行耦合的过程中，具体参看图3a
‑
图3c可采用三种不同的变电流加载方式进行耦合：方式1：电流按1.4a/s的变电流加载速度持续增加。方式2：的变电流加载速度由1.0a/s转变为1.8a/s(当然，也可以1.0a/s、1.4a/s、1.8a/s等逐渐增加)。方式3：电流的斜率由1.8a/s转变为1.0a/s(当然，也可以1.8a/s、1.4a/s、1.0a/s等逐渐减小)。
103.通过仿真输出功率监测可知：三种方式在60s后的加载电流均为84a(对应电流密度为0.24a/cm2)，且均能满足燃料电池启动后1min内输出功率达到17kw。
104.而采用方式1进行加载，60s后燃料电池的整体温度为25.25℃；采用方式2进行加载，60s后燃料电池的整体温度为21.95℃；采用方式3进行加载，60s后燃料电池的整体温度为28.75℃。
105.故，若预设温度为25.25℃，则耦合得到的变电流加载速度为方式1中的参数。若预设温度为21.95℃，则耦合得到的变电流加载速度为方式2中的参数。若预设温度为28.75℃，则耦合得到的变电流加载速度为方式3中的参数。
106.由结果判断，三种方式均能够在1min中内整体提升燃料电池的温度。而进一步对比可知，燃料电池启动后，在电流加载初期适当地提高变电流加载速度，并且在其后减小变电流加载速度，能够更快的使燃料电池整体升温且温度更高。故若目标加热条件为快速将燃料电池升至高温，也即预设温度值较高，可采用方式3的方式进行用电负载的加载。
107.进一步的，确定出变电流加载速度，及确定出了上述映射关系。故在实际应用中，
可根据实际的相关参数值和上述映射关系，确定出对应的变电流加载速度。并且不同的目标加热条件对应有不同的变电流加载速度及其加载特性。
108.步骤103，基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载。
109.通过上述一个或者多个实施例，能够根据冷启动要求和燃料电池的目标加热条件，确定出对应的变电流加载速度来对用电负载进行加载，并且能够在加载后使燃料电池快速升温。
110.基于相同的发明构思，下面的实施例介绍一种低温冷启动燃料电池用电负载加载系统，参看图4，包括：
111.第一确定模块401，用于确定所述燃料电池的冷启动要求，所述冷启动要求具体为：所述燃料电池在目标加热时间内达到目标输出功率；
112.第二确定模块402，用于若所述燃料电池处于工作温度，基于所述冷启动要求确定所述燃料电池开始启动时输出的变电流加载速度；所述变电流加载速度用于提升所述燃料电池的温度；
113.加载模块403，用于基于所述变电流加载速度加载所述燃料电池的用电负载。
114.优选的，所述系统还包括：
115.第三确定模块，用于基于所述冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数，确定所述冷却液回路辅助加热的加热信息；所述加热信息包括第一加热时间；
116.所述加热模块，具体用于基于所述加热信息，利用所述冷却液回路辅助燃料电池进行加热，以使所述燃料电池加热至所述工作温度。
117.优选的，所述第二确定模块402，具体用于：
118.根据所述目标加热时间和所述第一加热时间确定第二加热时间；
119.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率和所述燃料电池的目标加热条件，确定所述变电流加载速度。
120.优选的，所述第二确定模块402，具体用于：
121.将所述目标加热时间和所述第一加热时间的差值确定为所述第二加热时间。
122.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
123.所述第二确定模块402，具体用于：
124.根据所述目标输出功率确定目标加载电流；
125.根据关系式确定所述变电流加载速度；其中，k
i
为所述燃料电池开始启动时输出的所述变电流加载速度，k
i 1
为述燃料电池启动后输出的变电流加载速度，t
i
为k
i
加载持续时间，t
i 1
为k
i 1
加载持续时间，i
目标加载电流
为目标加载电流，t
第二加热时间
为第二加热时间，q为燃料电池发热量，和预设温度t有关，r为用电负载。
126.优选的，所述目标加热条件包括：所述燃料电池在所述第二加热时间内达到所述目标输出功率时产生的预设温度；
127.所述第二确定模块402，具体用于：
128.基于所述第二加热时间、所述目标输出功率、所述预设温度从映射关系中确定所述变电流加载速度。
129.优选的，所述映射关系通过如下方式得到：
130.根据所述燃料电池的冷启动要求和所述冷却液回路的相关参数确定所述燃料电池的仿真输出功率和仿真加热时间；
131.在所述仿真加热时间内控制所述燃料电池的变电流加载速度对用电负载进行加载，得到仿真输出电压；
132.利用所述仿真输出功率作为监测结果，将所述仿真输出电压和所述燃料电池的温度进行耦合，确定出达到所述预设温度时的变电流加载速度。
133.优选的，所述变电流加载速度的特性包括下述之一：
134.所述变电流加载速度不随时间变化而变化；
135.所述变电流加载速度随时间延长而减小，
136.所述变电流加载速度随时间延长而增大。
137.基于相同的发明构思，下面的实施例介绍一种车辆，该车辆中的燃料电池用于实现如上述方法实施例的步骤。
138.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
139.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。