汽车电池冷启动装置及控制方法与流程

1.本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种汽车电池冷启动装置及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料与氧反应释放的化学能通过电化学反应直接转化成电能的发电装置，具有效率高、污染小等优点。与传统电池相比，在有充足的燃料和氧气供应，燃料电池可以持续工作下去。燃料电池广泛应用于电动汽车，被认为是替代传统内燃机的最佳方案。
3.燃料电池在运行过程中会产生水，当燃料电池温度低于0℃时，生成的水会结冰并覆盖在催化层或气体扩散层上，阻碍电化学反应的进行。同时，水结冰形成的冰晶会破坏燃料电池的物理结构，影响燃料电池性能和寿命。因此，燃料电池冷启动问题是燃料电池汽车应用过程中面临的一个重要问题。
4.目前，燃料电池汽车常用的冷启动方式是：通过动力电池为正温度系数电阻(positive temperature coefficient，ptc)加热器供电，用于加热冷却液，从而加热燃料电池电堆，使之温度上升至较高温度，从而成功启动燃料电池。但是动力电池在低温环境下容量会大幅衰减，并且无法持续大倍率放电，从而导致冷启动过程中加热功率较低，启动时间过长或无法实现低温下的冷启动问题。


技术实现要素：

5.本技术实施例通过提供一种汽车电池冷启动装置及控制方法，解决了现有技术中在低温环境下冷启动时间较长或无法实现冷启动的技术问题，实现了低温环境下汽车电池冷启动的便捷性。
6.一方面，本技术通过本技术的一实施例提供一种汽车电池冷启动装置，所述汽车电池冷启动装置包括：水泵、节温器、加热器、电池电堆、热管理控制器和辅助电源，其中：所述水泵、所述节温器、所述加热器和所述电池电堆依次连接，形成所述汽车电池冷启动时冷却液流动的第一循环回路；所述辅助电源支持低温供电，所述辅助电源分别与所述加热器和所述热管理控制器连接，所述热管理控制器用于控制所述辅助电源为所述加热器供电，以加热所述第一循环回路中流动的冷却液，使得流经所述电池电堆进出口处的冷却液温度在达到预设的冷启动温度时，进行所述汽车电池的冷启动。
7.可选地，所述汽车电池冷启动装置还包括：散热器，其中：所述水泵、所述节温器、所述散热器和所述电池电堆依次连接，形成所述汽车电池运行时冷却液的第二循环回路。
8.可选地，所述辅助电源包括以下中的至少一项：超级电容、离子电池、低温金属电池及低温胶体蓄电池。
9.可选地，所述汽车电池冷启动装置还包括：水箱和去离子器，其中：所述水箱用于存储所述冷却液，所述去离子器用于吸附所述冷却液中的离子，所述水箱与所述去离子器串联后，再分别与所述电池电堆的进出口连接。
10.可选地，所述汽车电池冷启动装置还包括：中冷器，其中，所述中冷器并联在所述电池电堆的进出口两端，所述中冷器用于冷却所述电池电堆运行时的气体温度。
11.可选地，所述汽车电池冷启动装置还包括：温度传感器，所述温度传感器用于检测所述电池电堆进出口处的冷却液温度，以作为所述电池电堆的温度。
12.可选地，所述汽车电池冷启动装置还包括：流量传感器，所述流量传感器用于检测所述电池电堆进出口处的冷却液流量。
13.另一方面，本技术通过本技术的一实施例提供一种汽车电池冷启动控制方法，所述方法应用于汽车电池冷启动装置中，所述汽车电池冷启动装置包括水泵、节温器、加热器、电池电堆和辅助电源，所述方法包括：
14.获取所述电池电堆的温度；
15.在所述电池电堆的温度不超过预设的冷启动温度时，控制所述辅助电源为所述加热器供电，以通过加热冷却液的方式加热所述电池电堆；
16.在加热后的所述电池电堆的温度超过所述冷启动温度时，停止所述辅助电源为所述加热器供电，进行所述电池电堆的冷启动。
17.可选地，所述方法还包括：
18.若检测到所述电池电堆的冷启动失败后，重复执行所述控制所述辅助电源为所述加热器供电以通过加热冷却液的方式加热所述电池电堆，及在加热后的所述电池电堆的温度超过所述冷启动温度时停止所述辅助电源为所述加热器供电，进行所述电池电堆的冷启动的步骤。
19.可选地，所述辅助电源包括动力电池和超级电容，所述控制所述辅助电源为所述加热器供电，以通过加热冷却液的方式加热所述电池电堆包括：
20.控制所述超级电容为所述加热器供电，以通过加热冷却液的方式加热所述电池电堆；
21.若加热后的所述电池电堆的当前温度不超过所述冷启动温度，则在所述超级电容的剩余电量不超过预设电量时，控制所述动力电池为所述加热器供电，以通过加热冷却液的方式加热所述电池电堆。
22.另一方面，本技术实施例提供本技术的一实施例提供一种汽车(也可称为车辆)，所述汽车包括如上所述的汽车电池冷启动装置。
23.另一方面，本技术通过本技术的一实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，当所述程序运行在汽车电池冷启动装置上时执行如上提供的所述汽车电池冷启动控制方法。
24.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本技术提供一种包括水泵、节温器、加热器、电池电堆、热管理控制器和辅助电源在内的汽车电池冷启动装置，其中所述水泵、所述节温器、所述加热器和所述电池电堆依次连接形成所述汽车电池冷启动时冷却液流动的第一循环回路。同时所述辅助电源支持低温正常供电，所述热管理控制器用于控制所述辅助电源为所述加热器供电，以加热所述第一循环回路中流动的冷却液，使得流经所述电池电堆进出口处的冷却液温度在达到预设的冷启动温度时，进行所述汽车电池的冷启动；这样既能实现低温环境下汽车电池的快速冷启动，又能提高冷启动的热效率，此外还解决了现有技术中在低温环境下电池冷启动时间较长或无法实
现冷启动的技术问题。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
26.图1是本技术实施例提供的一种汽车电池冷启动装置的结构示意图。
27.图2是本技术实施例提供的一种汽车电池冷启动控制方法的流程示意图。
28.图3是本技术实施例提供的另一种汽车电池冷启动控制方法的流程示意图。
具体实施方式
29.申请人在提出本技术的过程中还发现：燃料电池虽然有诸多优点，但其单独应用于车辆中时，仍会存在许多不足。由于车辆在行驶过程中的负荷变化，燃料电池的输出特性也要快速变化，导致燃料电池寿命缩短。同时，燃料电池只能为车辆单向供电，无法实现制动能力的回收。因此，传统燃料电池汽车往往还会搭配一个动力电池，既可以实现对制动能力的回收，还能弥补车辆负荷突变时燃料电池输出不稳定的缺陷。
30.然而动力电池常用的锂离子电池也存在寿命问题，在持续、频繁大倍率充放电时，动力电池电芯可能会过热，甚至可能引起热失控、燃烧、爆炸等重大安全事故，严重威胁乘员人身和财产安全。超级电容相对于锂离子电池，具有功率密度高、效率高、运行温度范围宽和寿命极长等优点。同时，还适用于大倍率充放电，但其能量密度较低。因此，动力电池和超级电容可以形成极强的互补，动力电池用于满足平均功率需求，而超级电容则用于满足动态功率需求，以避免动力电池频繁大倍率充放电，延长电池的使用寿命，提高整车经济性，同时保证汽车行驶的安全性。
31.此外，超级电容受温度影响小，在低温下也可以实现大倍率放电，应用于冷启动过程中可以增大加热功率，缩短冷启动时间，并且可以实现更低温度下的冷启动。
32.本技术实施例通过提供一种汽车电池冷启动装置及其控制方法，解决了现有技术中在低温环境下电池冷启动时间较长或无法实现冷启动的技术问题。
33.本技术实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：本技术提供一种汽车电池冷启动装置，包括水泵、节温器、加热器、电池电堆、热管理控制器和辅助电源，其中：所述水泵、所述节温器、所述加热器和所述电池电堆依次连接，形成所述汽车电池冷启动时冷却液流动的第一循环回路；所述辅助电源分别与所述加热器和所述热管理控制器连接，所述热管理控制器用于控制所述辅助电源为所述加热器供电，以加热所述第一循环回路中流动的冷却液，使得流经所述电池电堆进出口处的冷却液温度在达到预设的冷启动温度时，进行所述汽车电池的冷启动；其中，所述辅助电源支持低温供电。
34.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
35.首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三
种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
36.请参见图1，是本技术实施例提供的一种汽车电池冷启动装置的结构示意图。如图1所示的装置10包括：水泵101、节温器102、加热器103、电池电堆104、热管理控制器105(也可称为电控模块)和辅助电源106。可选地还可包括：散热器107、水箱108、去离子器109、中冷器110、温度传感器111和流量传感器112。其中：
37.所述电池电堆104的冷却液进口(也可称为电池电堆104的进口或入口)、所述水泵101、所述节温器102的入口、所述节温器102的旁通阀、所述加热器103及所述电池电堆104的冷却液出口(可简称为电池电堆104的出口)通过管道依次相互连接，形成汽车电池冷启动时冷却液流动的第一循环回路(也可称为小循环回路)。
38.所述电池电堆104的冷却液进口、所述水泵101、所述节温器102的入口、所述节温器102的主阀门、所述散热器107及所述电池电堆104的冷却液出口通过管道依次相互连接，形成汽车电池正常运行时冷却液流动的第二循环回路(也可称为大循环回路)。
39.所述第一循环回路和所述第二循环回路对应于汽车电池(电池电堆)的不同运行状态，其主要作用为：电池电堆104的温度较低(例如低于预设的冷启动温度)时，通过所述节温器102阻断苏搜电池电堆104与所述散热器107之间的流动通道，使冷却液无法流经散热器107，此时沿第一循环回路流动，减少冷却液循环过程中的热量损失，同时减少冷启动过程中所需加热的冷却液量，缩短启动时间。反之，当所述电池电堆104的温度达到一定温度(如预设的冷启动温度)后，所述节温器102的主阀门打开，冷却液流经散热器107进行第二循环回路的流动，对电池电堆104进行降温，防止电池电堆过热。
40.相应地其控制过程为：温度传感器111检测并采集所述电池电堆的温度，若该温度低于预设的冷启动温度(如70℃)，则热管理控制器105(即电控模块)控制节温器102的主阀门关闭、旁通阀打开，此时冷却液沿第一循环回路流动。当所述电池电堆因工作余热，当其温度升温达到预设的冷启动温度(如70℃)后，热管理控制器105控制节温器102的主阀门打开，此时冷却液沿第二循环回路流动。
41.如图所述散热器107的一端与所述节温器102的主阀门连接，散热器107的另一端与加热器103和电池电堆104的冷却液进口之间的管道通过三通阀连接。中冷器110的一端与水泵101和电池电堆104的冷却液出口之间的管道通过三通阀连接，中冷器110的另一端与加热器103和电池电堆104的冷却液进口之间的管道通过三通阀连接。水箱108和去离子器109通过管道串联连接，去离子器109的另一端与水泵101和电池电堆104的冷却液出口之间的管道通过三通阀连接，水箱108的另一端与加热器103和电池电堆104的冷却液进口之间的管道通过三通阀连接。温度传感器111和流量传感器112的数量不做限定，优选地图示为2个。如图两个温度传感器111分别部署设置在电池电堆104的冷却液进出口处的管道中，两个流量传感器112分别部署设置在电池电堆104的冷却液进出口处的管道中。
42.本技术中温度传感器111、流量传感器112、水泵101、节温器102、辅助电源106均与热管理控制器105电连接。热管理控制器105接收温度传感器111和流量传感器112传输的信号数据并进行分析，并以此可控制水泵101、节温器102和辅助电源106的工作，具体在下文进行详述。加热器103与辅助电源106电连接，并可在热管理控制器105的控制下向加热器103供电。
43.在可选实施例中，电池电堆104可为水冷型质子交换膜燃料电池，通过冷却液循环
流动使电堆内部温度分布均匀。
44.水泵101可为电子可调控式水泵，可根据冷却液温度调整通入流量。
45.节温器102可为电子节温器，受热管理控制器105控制，主要用于控制上述第一和第二循环回路的切换。当温度传感器111检测到电池电堆104的温度低于冷启动温度(如70℃)时，热管理控制器105控制节温器102的主阀门关闭，旁通阀打开，冷却液沿第一循环回路流动，以减少加热所需能量及减少热量损失。当温度传感器111检测到电池电堆104的温度达到冷启动温度(70℃)后，热管理控制器105控制节温器102的主阀门打开，以便及时对电池电堆进行降温，防止电池电堆过热。
46.加热器103可为正温度系数电阻(positive temperature coefficient，ptc)加热器，其可由辅助电源106供电，用于加热第一循环回路中的冷却液，进而加热电池电堆104。
47.辅助电源106支持低温正常工作，其可包括但不限于超级电容、低温动力电池、低温金属电池(例低温镍电池、低温镉电池等)及低温胶体蓄电池等。本技术下文以辅助电源106包括超级电容和/或低温动力电池(简称为动力电池)为例进行相关内容的阐述。其中，动力电池为水冷式动力电池，用于冷启动过程中为加热器103提供电能。
48.水箱108用于存储一定量的冷却液，其为绝热材料材质，以减少冷却液的热量损失。
49.去离子器109用于吸附冷却液中的离子，避免对电池电堆造成不良影响。
50.中冷器110用于冷却装置中供气系统输送的高温气体，电池电堆启动初期，中冷器110起到加热冷却液的作用。
51.温度传感器111为热敏电阻式温度传感器，安装于电池电堆的冷却液进出口处，用于检测电池电堆104的冷却液进出口处的冷却液温度，并将其作为电池电堆104的(平均)温度，进而作为电池冷启动过程中的主要控制依据。
52.流量传感器112为电子涡轮流量传感器，用于检测电池电堆的冷却液进出口处的冷却液流量，作为水泵控制主要依据，以保证电池电堆各处温度均匀。
53.基于前述实施例，请参见图2，是本技术实施例提供的一种汽车电池冷启动控制方法的流程示意图。如图2所示的方法应用于图1所示的汽车电池冷启动控制装置中，所述方法包括如下实施步骤：
54.s201、获取电池电堆104的温度。
55.本技术在接收到装置启动信号后，温度传感器111检测电池电堆104的冷却液进出口处的冷却液温度，并将其作为电池电堆104的(平均)温度，进而判断该电池电堆104的温度是否超过预设的冷启动温度。如果超过，则进行电池电堆的正常启动运行。如果不超过，则继续执行步骤s202。
56.可选地，所述冷启动温度为系统或用户自定义设置的数值，例如0℃或70℃等等。
57.s202、在所述电池电堆104的温度不超过预设的冷启动温度时，控制辅助电源106为加热器103供电，以通过加热冷却液的方式加热电池电堆104。
58.本技术在装置判断到电池电堆104的温度不超过预设的冷启动温度时，热管理控制器105控制节温器102的主阀门关闭，热管理控制器105控制辅助电源106为加热器103供电，加热冷却液，水泵101驱动冷却液沿第一循环回路流动，以加热电池电堆104。
59.s203、在加热后的所述电池电堆104的温度超过预设的冷启动温度时，停止辅助电
源106为加热器103供电，进行所述电池电堆104的冷启动。
60.在加热过程中温度传感器111实时或周期性地检测电池电堆104的温度，在热管理控制器105判断到加热后的所述电池电堆104的温度超过预设的冷启动温度时，控制辅助电源106停止为加热器103供电，启动电池电堆，此时冷却液仍沿第一循环回路流动。
61.在可选实施例中，热管理控制器105可进一步判断电池电堆104是否冷启动成功，例如通过判断电池电堆104输出的电流或电压是否连续，如果连续则确定电池电堆104冷启动成功，可结束流程；否则，确定到电池电堆104冷启动失败，此时可重复执行步骤s202
‑
s203，直至成功实现电池电堆104的冷启动。
62.通过实施本技术，通过设置小循环回路(第一循环回路)减少加热过程中冷却液的热量损失，缩短加热时间；灵活运用燃料电池汽车上的能量源，使用辅助电源为冷启动过程供电，弥补动力电池低温下放电倍率较小的缺陷，可使冷启动过程中平均加热功率更高，启动速度更快，并且可实现更低温度下的汽车电池电堆冷启动。
63.请一并参见图3，是本技术实施例提供的另一种汽车电池冷启动控制方法的流程示意图。如图3所示的方法中以辅助电源包括超级电容和动力电池为例，其方法包括如下实施步骤：
64.s301、判断电池电堆104的温度是否小于或等于预设的冷启动温度t。
65.本技术在汽车电池冷启动装置接收到启动信号后，温度传感器111检测电池电堆104冷却液进出口处的冷却液温度，将其作为电池电堆104的温度。进而判断该电池电堆104的温度是否小于或等于冷启动温度t，若是，则继续执行步骤s302，否则执行步骤s309。
66.s302、节温器102的主阀门关闭，旁通阀打开，热管理控制器105控制超级电容1061为加热器103供电，加热冷却液，水泵101驱动冷却液沿第一循环回路流动，加热电池电堆104。
67.可选地，热管理控制器105还可比较电池电堆冷却液进出口处的冷却液温差，根据流量传感器112检测的电池电堆冷却液进出口的冷却液流量来调节水泵101，控制冷却液温差不大于预设温度(例如5℃)。
68.s303、判断加热后的所述电池电堆104的温度是否小于或等于预设的冷启动温度t。
69.本技术在加热过程中，温度传感器111不断检测电池电堆104的温度。热管理控制器105接收后继续判断加热后的所述电池电堆104的温度是否小于或等于预设的冷启动温度t。若是，则继续执行步骤s304；否则，则继续执行步骤s310。
70.s304、热管理控制器105不断检测超级电容1061的剩余电量，判断超级电容的剩余电量是否下降到预设的电量下限值。若是，则继续执行步骤s305；否则执行步骤s302。其中，超级电容的剩余电量可用荷电状态(state of charge，soc)表示，换句话说可检测获取超级电容的当前剩余soc值，即获得超级电容的剩余电量。
71.s305、热管理控制器105控制动力电池1062为加热器103供电，加热冷却液，进而加热电池电堆114。具体地，水泵101驱动冷却液沿第一循环回路流动加热电池电堆104。热管理控制器105还可接收温度传感器111和流量传感器112的信号并以此控制水泵101的流量，以保证电池电堆104进出口处的冷却液温差不大于预设温度(如5℃)。
72.s306、热管理控制器105根据温度传感器111采集的加热后的电池电堆104的温度，
进而判断加热后的电池电堆104的温度是否大于预设的冷启动温度t。若是，则继续执行步骤s307；否则，则继续执行步骤s305。
73.s307、热管理控制器105控制动力电池1062停止对加热器103供电，启动电池电堆104。可选地，此过程中，节温器102的主阀门关闭，冷却液沿第一循环回路流动，以减少冷却液热量损失，并保证电池电堆温度尽量一致，减少电池电堆输出的不一致性。
74.s308、热管理控制器105判断电池电堆104是否启动成功。若是，则冷启动过程结束。若否，则继续执行步骤s306。
75.s309、电池电堆104正常启动。
76.s310、热管理控制器105控制超级电容1061停止对加热器103供电，启动电池电堆104。
77.s311、热管理控制器105判断电池电堆104是否启动成功。若是，则冷启动过程结束。若否，则继续执行步骤s303。
78.在可选实施例中，本技术涉及的超级电容1061和动力电池1062为加热器103供电的功率，应视超级电容和动力电池的具体型号而定。所述冷启动温度t可为系统自定义设置的，例如0℃或电池电堆正常启动时的最低温度如70℃等。
79.本技术通过设置冷却液的大循环和小循环回路，减少冷却液循环过程中的热量损失；冷启动过程中首先使用超级电容为加热器供电，充分利用超级电容受低温影响小的特性，可实现低温下大倍率放电的优点，提高冷启动过程中的加热功率，可有效缩短冷启动时间；超级电容和动力电池均可为加热器供电，充分利用电池电堆的可用能量源，可实现更低温度下的冷启动。
80.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
81.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
82.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
83.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
84.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的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发明范围的所有变更和修改。
85.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。