一种氢燃料电池发动机低温运行方法以及系统与流程

未命名 09-29 阅读:30 评论:0


1.本发明涉及氢燃料电池发动机低温运行技术领域,特别是涉及一种氢燃料电池发动机低温运行方法以及系统。


背景技术:

2.氢燃料电池具有体积小、功率密度大的优点,在新能源车辆中具有广阔的应用前景,在实现优化环境方面做出重要的贡献。氢燃料电池在工作时内部发生电化学反应会生成水,当车辆处于低温环境下尤其是零摄氏度以下时,氢燃料电池内阴极产生的水会冻结成冰,阻塞气体流通,影响气体的传质,影响电化学反应,进而导致氢燃料电池内的电压降低,电堆在低温下启动失败,因此氢燃料电池应用必须要解决低温冷启动的问题。
3.现有的氢燃料电池低温启动的方式,通常是通过辅助加热的方式,给电堆冷却液加热,通过冷却液提升电堆的温度,使电堆达到在启动与运行过程中电压相对较高的状态。如申请公布号为cn115395055a的中国发明专利申请公开了一种客车用燃料电池低温冷启动控制方法及系统,燃料电池接收到开机信号后,根据冷却液温度值与预设目标温度值的比较结果,判断是否进行冷启动;冷启动下,开启小循环模式,辅助加热装置ptc持续加热冷却液,直到冷却液温度值升至预设目标温度值,则进行热开机;在加热冷却液的过程中,采用遇限削弱积分法的pid位置算法,将燃料电池的实际功率控制在最大功率内,其中冷却液温度值,是电堆出口处的冷却液温度值;在冷却液回路的电堆入口处和出口处设置两个温度传感器,监测电堆入口处和出口处的冷却液温度值。
4.上述的燃料电池低温冷启动控制方法增加ptc辅助加热装置,通过检测电堆入口和出口两处的温度来判断是否进行冷启动,实现辅助加热的自动控制。但是低温环境影响氢燃料电池启动的因素多样,除了导致电堆内部水结冰电压降低之外,还会影响输送氢气的组合阀的工作稳定性,进而降低氢燃料电池冷启动的成功率和冷启动后的运行稳定性。


技术实现要素:

5.本发明的目的是:提供了一种氢燃料电池发动机低温运行方法,以解决现有技术中的低温环境下系统启动及运行过程中电压低、组合阀运行不稳定的问题;本发明还提供了一种氢燃料电池发动机低温运行系统。
6.为了实现上述目的,本发明提供了一种氢燃料电池发动机低温运行方法,包括以下步骤:
7.s1,氢燃料电池发动机接收到启动指令,检测电堆的冷却液入口处的冷却液温度t1和组合阀处的冷却液温度t2,比较t1、t2与冷启动设定阈值t3,若t1与t2二者中的任意一个温度低于t3,进入步骤s2,否则进入步骤s4;
8.s2,开启内循环回路和组合阀加热回路,经由电堆的冷却液出口流出的冷却液中部分冷却液进入内循环回路,内循环回路的加热器对冷却液加热,另外部分冷却液进入组合阀加热回路,检测t1与t2,直至t1、t2均大于t3后进入步骤s3;
9.s3,关闭内循环回路的加热器,并且关闭组合阀加热回路,进入步骤s4;
10.s4,氢燃料电池发动机开启低温冷启动过程。
11.优选地,还包括步骤s5,检测氢燃料电池发动机的电压u以及冷启动的时间t,比较u与设定运行电压u0、比较t与设定启动时间t0,若u大于等于u0,并且t小于等于t0,则冷启动成功,发动机进入正常加载运行状态,否则返回步骤s2。
12.优选地,还包括步骤s6,发动机正常运行时,持续检测t1与t2,并与t3进行比较,若t1低于t3,则开启加热器;若t2低于t3,则开启加热器与组合阀加热管路,直至t1、t2均大于t3。
13.优选地,设定启动时间t0的范围为10-60s。
14.优选地,步骤s1中,t2为组合阀进口或者出口处的冷却液温度。
15.优选地,步骤s2中,冷启动设定阈值t3范围-10℃-0℃。
16.本发明还提供了一种氢燃料电池发动机低温运行系统,采用上述任一技术方案所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,包括电堆,所述电堆上设置有冷却液入口、冷却液出口和氢气入口,所述冷却液入口与所述冷却液出口之间连接有冷却液管路,所述氢气入口处连接有氢气管路,所述氢气管路上设置有组合阀;
17.还包括加热器、水泵、散热器、调节阀和通断阀,所述水泵和所述调节阀串联布置在所述冷却液管路上,所述加热器和所述散热器并联布置在所述水泵与所述调节阀之间,所述组合阀与所述通断阀并联布置在所述冷却液管路上,所述调节阀与所述通断阀均布置在靠近所述冷却液入口的一侧;
18.所述加热器、所述水泵、所述调节阀形成内循环回路,所述散热器、所述水泵、所述调节阀形成外循环回路,所述组合阀、所述通断阀形成组合阀加热回路;
19.所述冷却液入口处设置有第一温度传感器,所述组合阀处设置有第二温度传感器,所述第一温度传感器用于检测冷却液入口处的冷却液温度,所述第二温度传感器用于检测组合阀处的冷却液温度。
20.优选地,所述电堆还具有空气入口,所述空气入口处连接有空气管路,所述空气管路上串联设置有空压机、中冷器和加湿器,所述电堆还具有空气出口和氢气尾排口,所述空气出口与所述加湿器的湿空气入口连通,所述氢气尾排口上连接有尾排管路,所述加湿器的湿空气出口与所述尾排管路连通。
21.优选地,所述调节阀、所述通断阀均为电磁阀。
22.优选地,所述加热器为ptc加热器。
23.本发明实施例一种氢燃料电池发动机低温运行方法以及系统与现有技术相比,其有益效果在于:同时检测冷却液入口处的冷却液温度以及组合阀处的冷却液温度,并与冷启动设定阈值比较,当二者中有一个温度低于冷启动设定阈值时,冷却液进入内循环回路和组合阀加热回路,利用加热器可以对冷却液加热,加热后的冷却液也可以进入组合阀加热回路对组合阀加热,使组合阀以及冷却液入口处的冷却液温度满足冷启动的要求,保证组合阀的工作稳定性,使氢燃料电池发动机在启动与运行过程中电压相对较高,从而提高了氢燃料电池发动机冷启动的成功率及低温运行稳定性。
附图说明
24.图1是本发明的氢燃料电池发动机低温运行方法的流程图;
25.图2是本发明的氢燃料电池发动机低温运行系统的结构示意图。
26.图中,1、电堆,2、空压机,3、中冷器,4、加湿器,5、背压阀,6、氢气源,7、组合阀,8、尾排电磁阀,9、散热器,10、水泵,11、加热器,12、调节阀,13,通断阀,14、第一温度传感器,15、第二温度传感器。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
28.本发明的一种氢燃料电池发动机低温运行方法的优选实施例,如图1所示,包括以下步骤:
29.s1,氢燃料电池接收到启动指令,检测电堆1的冷却液入口处的冷却液温度t1和组合阀7处的冷却液温度t2,比较t1、t2与冷启动设定阈值t3,若t1与t2二者中的任意一个温度低于t3,进入步骤s2,否则进入步骤s4;
30.s2,开启内循环回路和组合阀加热回路,经由电堆1的冷却液出口流出的冷却液中部分冷却液进入内循环回路,内循环回路的加热器11对冷却液加热,另外部分冷却液进入组合阀加热回路,检测t1与t2,直至t1、t2均大于t3后进入步骤s3;
31.s3,关闭内循环回路的加热器11,并且关闭组合阀加热回路,进入步骤s4;
32.s4,氢燃料电池发动机开启低温冷启动过程。
33.步骤s1中,电堆1的冷却液入口处的冷却液温度t1和组合阀7处的冷却液温度t2表示氢氢燃料电池发动机经过长时间静置后的温度,该温度通过温度传感器检测后由传输通道传输给氢燃料电池发动机的控制系统,冷启动设定阈值t3由控制系统内部设定。
34.步骤s2中,与电堆1连接的冷却液管路上设置有调节阀12和通断阀13,通过控制调节阀12、通断阀13内的液体通路,可以改变冷却液的流向,其中调节阀12、水泵10、加热器11形成内循环回路,调节阀12、散热器9和水泵10形成外循环回路,通过调节阀12可以使冷却液流经内循环回路或者外循环回路中的一个。
35.通断阀13、组合阀7形成组合阀加热回路,通断阀13和组合阀7先串联后整体并联布置在冷却液管路上,当通断阀13关闭时,冷却液不流经组合阀加热回路,当通断阀13开启时,冷却液流经组合阀加热回路。
36.冷却液进入内循环加热回路时,冷却液被加热器11加热,在水泵10的驱动下进入电堆1的冷却液入口,从电堆1的冷却液出口流出后部分冷却液经过调节阀12重新进入加热器11,即在内循环回路循环;与此同时,从电堆1的冷却液出口流出后的部分冷却液经由通断阀13进入组合阀7,再从组合阀7进入电堆1的冷却液入口,对组合阀7进行加热。
37.步骤s3中,加热器11和组合阀加热回路关闭后,冷却液不再流经组合阀7,仅在内循环回路、外循环回路中流通,同时加热器11不再对冷却液加热。
38.步骤s4中,氢燃料电池发动机低温冷启动过程开启后,氢燃料电池发动机打开相关阀门,氢气和空气进入电堆1,冷却液经水泵10流入电堆1的冷却液入口,待冷却液的温度达到设定温度后,从电堆1的冷却液出口出来的冷却液进入调节阀12,再经散热器9、水泵10
进入冷却液入口,在外循环回路内流动。
39.该氢燃料电池发动机低温运行方法同时检测冷却液入口处的冷却液温度以及组合阀7处的冷却液温度,并与冷启动设定阈值比较,当二者中有一个温度低于冷启动设定阈值时,冷却液进入内循环回路和组合阀加热回路,利用加热器11可以对冷却液加热,加热后的冷却液也可以进入组合阀加热回路对组合阀7加热,使组合阀7以及冷却液入口处的冷却液温度满足冷启动的要求,保证组合阀7的工作稳定性,使氢燃料电池发动机在启动与运行过程中电压相对较高,从而提高了氢燃料电池冷启动的成功率。
40.优选地,还包括步骤s5,检测氢燃料电池发动机的电压u以及冷启动的时间t,比较u与设定运行电压u0、比较t与设定启动时间t0,若u大于等于u0,并且t小于等于t0,则冷启动成功,发动机进入正常加载运行状态,否则返回步骤s2。
41.氢燃料电池发动机进入低温冷启动过程后,环境的变化会导致发动机运行不稳定,甚至出现冷启动失败的情况,通过持续检测氢燃料电池发动机的电压u以及冷启动的时间t是否满足设定的阈值,可以判断冷启动过程是否顺利,在冷启动失败的情况下,通过继续对冷却液加热以及对组合阀7加热,可以保证冷启动成功。
42.不同氢燃料电池的电堆1片数不同,设定运行电压u0存在差异,一般情况下u0的数值为电堆1的片数与0.3-0.6v的乘积。发动机进入正常加载运行状态后,按照实际情况加载至需求功率点,并按照需求功率点持续运行。
43.优选地,还包括步骤s6,发动机正常运行时,持续检测t1与t2,并与t3进行比较,若t1低于t3,则开启加热器11;若t2低于t3,则开启加热器11与组合阀加热回路,直至t1、t2均大于t3。
44.氢燃料电池发动机冷启动成功后,受到环境温度的影响,会存在冷却液温度降低而导致发动机运行不稳定的情况,持续检测t1和t2,在冷却液温度降低后通过开启加热器11对冷却液进行加热,保证t1和t2满足设定要求,保障发动机启动后可以稳定运行。
45.优选地,设定启动时间t0的范围为10-60s。
46.不同氢燃料电池发动机的电堆1片数、启动时间均不同相同,t0的具体数值由氢燃料电池发动机的控制系统确定,将t0的范围确定为10-60s,满足大多数氢燃料电池发动机的冷启动时间需求。
47.优选地,步骤s1中,t2为组合阀7进口或者出口处的冷却液温度。
48.冷却液流经组合阀7对其加热,但是受到组合阀7体积的影响,组合阀7进口与出口处的冷却液温度基本相同,因此可以选择任何一个位置作为待检测的t2。
49.优选地,步骤s2中,冷启动设定阈值t3范围-10℃-0℃。
50.氢燃料电池发动机冷启动主要应用在环境温度过低致使阴极生产的水冻结的情况,t3最高选择0℃,满足应用场景需求;同时t3最低选择-10℃是氢燃料池发动机在较短的时间内加热冷却液可以达到的温度范围,也符合厂家的设定需求。
51.本发明还提供了一种氢燃料电池发动机低温运行系统的优选实施例,采用上述任一实施例所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,如图2所示,该氢燃料电池发动机低温运行系统包括电堆1、加热器11、水泵10、散热器9、调节阀12和通断阀13,电堆1上设置有冷却液入口、冷却液出口和氢气入口,冷却液入口与冷却液出口之间连接有冷却液管路,氢气入口处连接有氢气管路,氢气管路上设置有组合阀7,氢气管路用于连接氢气源6,组合阀7可
以影响氢气向电堆1输送的稳定性。
52.水泵10和调节阀12串联布置在冷却液管路上加热器11和散热器9并联布置在水泵10与调节阀12之间,调节阀12用于调节冷却液流通加热器11或者散热器9。当调节阀12与加热器11连通时,加热器11、水泵10、调节阀12形成内循环回路;当调节阀12与散热器9连通时,散热器9、水泵10、调节阀12形成外循环回路。
53.组合阀7与通断阀13先串联后整体并联布置在冷却液管路上,调节阀12与通断阀13均布置在靠近冷却液入口的一侧,组合阀7、通断阀13形成组合阀加热回路,通断阀13用于控制组合阀加热回路的通断。当通断阀13开启时,组合阀加热回路与冷却液管路连通,冷却液流经组合阀7,对组合阀7进行加热;当通断阀13关闭时,组合阀加热回路与冷却液管路断开,冷却液不经过组合阀7。
54.电堆1的冷却液入口处设置有第一温度传感器14,组合阀7处设置有第二温度传感器15,第一温度传感器14用于检测冷却液入口处的冷却液温度,第二温度传感器15用于检测组合阀7处的冷却液温度。第一温度传感器14和第二温度传感器15分别将温度信号传输给氢燃料电池发动机的控制系统,供控制系统判断低温冷启动过程。
55.该氢燃料电池发动机低温运行系统同时检测冷却液入口处的冷却液温度以及组合阀7处的冷却液温度,并与冷启动设定阈值比较,当二者中有一个温度低于冷启动设定阈值时,冷却液进入内循环回路和组合阀加热回路,利用加热器11可以对冷却液加热,加热后的冷却液也可以进入组合阀加热回路对组合阀7加热,使组合阀7以及冷却液入口处的冷却液温度满足冷启动的要求,保证组合阀7的工作稳定性,使氢燃料电池发动机在启动与运行过程中电压相对较高,从而提高了氢燃料电池冷启动的成功率。
56.优选地,电堆1还具有空气入口,空气入口处连接有空气管路,空气管路上串联设置有空压机2、中冷器3和加湿器4,电堆1还具有空气出口和氢气尾排口,空气出口与加湿器4的湿空气入口连通,氢气尾排口上连接有尾排管路,加湿器4的湿空气出口与尾排管路连通。
57.空压机2可以将外界的空气压缩,并将压缩后的空气沿空气管路经由中冷器3、加湿器4输送进电堆1的空气入口,中冷器3可以对空气进行冷却降温,加湿器4可以对空气进行加湿。尾排管路上还设置有尾排电磁阀8,加湿器4与尾排管路之间还连接有背压阀5,尾排电磁阀8为间歇性工作状态,开启时排除电堆1内部水分,关闭时保持住电堆1内部氢压。
58.电堆1上设置空气出口和氢气尾排口,电堆1的阴极会生成水,高温高湿的空气通过空气出口进入加湿器4内,可以对空压机输送的空气加湿,采用阴极生成的水作为加湿用的水源,提高利用率。
59.优选地,调节阀12、通断阀13均为电磁阀。
60.调节阀12和通断阀13采用电磁阀,反应速率快、延迟低,便于精确控制。
61.优选地,加热器11为ptc加热器。
62.ptc加热器为热敏电阻型加热器11,其结构成熟,通过选择对应的型号可以选择合适的加热功率。
63.综上,本发明实施例提供一种氢燃料电池发动机低温运行方法以及系统,其同时检测冷却液入口处的冷却液温度以及组合阀处的冷却液温度,并与冷启动设定阈值比较,当二者中有一个温度低于冷启动设定阈值时,冷却液进入内循环回路和组合阀加热回路,
利用加热器可以对冷却液加热,加热后的冷却液也可以进入组合阀加热回路对组合阀加热,使组合阀以及冷却液入口处的冷却液温度满足冷启动的要求,保证组合阀7的工作稳定性,使氢燃料电池发动机在启动与运行过程中电压相对较高,从而提高了氢燃料电池冷启动的成功率及低温运行稳定性。
64.以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征:
1.一种氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,包括以下步骤:s1,氢燃料电池发动机接收到启动指令,检测电堆的冷却液入口处的冷却液温度t1和组合阀处的冷却液温度t2,比较t1、t2与冷启动设定阈值t3,若t1与t2二者中的任意一个温度低于t3,进入步骤s2,否则进入步骤s4;s2,开启内循环回路和组合阀加热回路,经由电堆的冷却液出口流出的冷却液中部分冷却液进入内循环回路,内循环回路的加热器对冷却液加热,另外部分冷却液进入组合阀加热回路,检测t1与t2,直至t1、t2均大于t3后进入步骤s3;s3,关闭内循环回路的加热器,并且关闭组合阀加热回路,进入步骤s4;s4,氢燃料电池发动机开启低温冷启动过程。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,还包括步骤s5,检测氢燃料电池发动机的电压u以及冷启动的时间t,比较u与设定运行电压u0、比较t与设定启动时间t0,若u大于等于u0,并且t小于等于t0,则冷启动成功,发动机进入正常加载运行状态,否则返回步骤s2。3.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,还包括步骤s6,发动机正常运行时,持续检测t1与t2,并与t3进行比较,若t1低于t3,则开启加热器;若t2低于t3,则开启加热器与组合阀加热管路,直至t1、t2均大于t3。4.根据权利要求2所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,设定启动时间t0的范围为10-60s。5.根据权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,步骤s1中,t2为组合阀进口或者出口处的冷却液温度。6.根据权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,步骤s2中,冷启动设定阈值t3范围-10℃-0℃。7.一种氢燃料电池发动机低温运行系统,采用权利要求1-6任一项所述的氢燃料电池发动机低温运行方法,其特征在于,包括电堆,所述电堆上设置有冷却液入口、冷却液出口和氢气入口,所述冷却液入口与所述冷却液出口之间连接有冷却液管路,所述氢气入口处连接有氢气管路,所述氢气管路上设置有组合阀;还包括加热器、水泵、散热器、调节阀和通断阀,所述水泵和所述调节阀串联布置在所述冷却液管路上,所述加热器和所述散热器并联布置在所述水泵与所述调节阀之间,所述组合阀与所述通断阀并联布置在所述冷却液管路上,所述调节阀与所述通断阀均布置在靠近所述冷却液入口的一侧;所述加热器、所述水泵、所述调节阀形成内循环回路,所述散热器、所述水泵、所述调节阀形成外循环回路,所述组合阀、所述通断阀形成组合阀加热回路;所述冷却液入口处设置有第一温度传感器,所述组合阀处设置有第二温度传感器,所述第一温度传感器用于检测冷却液入口处的冷却液温度,所述第二温度传感器用于检测组合阀处的冷却液温度。8.根据权利要求7所述的氢燃料电池发动机低温运行系统,其特征在于,所述电堆还具有空气入口,所述空气入口处连接有空气管路,所述空气管路上串联设置有空压机、中冷器和加湿器,所述电堆还具有空气出口和氢气尾排口,所述空气出口与所述加湿器的湿空气入口连通,所述氢气尾排口上连接有尾排管路,所述加湿器的湿空气出口与所述尾排管路
连通。9.根据权利要求7所述的氢燃料电池发动机低温运行系统,其特征在于,所述调节阀、所述通断阀均为电磁阀。10.根据权利要求7所述的氢燃料电池发动机低温运行系统,其特征在于,所述加热器为ptc加热器。

技术总结
本发明涉及氢燃料电池发动机低温运行技术领域,公开了一种氢燃料电池发动机低温运行方法以及系统,方法包括以下步骤:S 1,氢燃料电池发动机接收到启动指令,检测电堆的冷却液入口处的冷却液温度T1和组合阀处的冷却液温度T2,比较T1、T2与冷启动设定阈值T3,若T1与T2二者中的任意一个温度低于T3,进入步骤S2,否则进入步骤S4;S2,开启内循环回路和组合阀加热回路,检测T1与T2,直至T1、T2均大于T3后进入步骤S3;S3,关闭内循环回路的加热器和组合阀加热回路,进入步骤S4;S4,氢燃料电池发动机开启低温冷启动过程。加热后的冷却液对组合阀加热,保证组合阀的工作稳定性,提高氢燃料电池发动机冷启动的成功率及低温运行稳定性。发动机冷启动的成功率及低温运行稳定性。发动机冷启动的成功率及低温运行稳定性。


技术研发人员:李龙 何锋 罗杏宜 韩维杰 黄武文 易永鑫
受保护的技术使用者:国鸿氢能科技(嘉兴)股份有限公司
技术研发日:2023.07.13
技术公布日:2023/9/23
版权声明

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