一种氢能汽车电堆温度控制方法及系统

技术领域

本发明涉及氢能汽车技术领域，尤其涉及一种氢能汽车电堆温度控制方法及系统。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭，为了找到替代的能源，新能源的研究日渐得到广泛关注。氢燃料电池作为新能源的一个分支，可通过电化学反应将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，因其发电效率高被视为全球最具发展潜力的清洁能源之一，也越来越广泛地应用于各种场所。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一类可在低温下运行的燃料电池，常被应用于车用发动机系统和备用电源系统。质子交换膜燃料电池系统的工作原理是将空气和氢气输入燃料电池电堆进行电化学反应，然后电堆将化学能转换为电能并直接输出。电堆在产生电能的同时，会伴随大量的热损耗，为了防止电堆温度过高而损害电堆，需要利用冷却水将电堆产生的大量的热能通过热传递带出，因此，质子交换膜燃料电池系统主要有三个流体子系统，即空气系统、氢气系统以及冷却系统。一方面，燃料电池催化剂在高温下才具有较高的电催化活性，电堆温度过低，催化剂活性不高，电化学反应不充分，会影响电堆的输出性能；而另一方面，氢质子利用水作为桥梁在阳极和阴极间进行传输，电堆温度过高，膜电极湿度偏低，会影响质子传导，从而也会影响电堆的输出性能。因此，电堆需在合适的温度下才能输出最高的电性能。

目前，燃料电池系统依靠热损耗对冷却液进行加热，从启动到达额定功率的过程中，由于系统温度无法快速响应，电堆膜电极无法高效率进行电化学反应，使得电堆的输出功率无法快速到达额定功率，故而为提高电堆升功率速率，需快速提高电堆温度。通常，燃料电池系统的冷却回路为水泵->散热器/加热器->节温器->电堆->水泵，在低温下，燃料电池系统只能通过电堆工作和加热器工作对整个冷却循环系统的冷却液进行加热，但由于冷却循环的管路过长、冷却液过多，导致电堆温度提升缓慢，无法快速响应系统的升功率需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种氢能汽车电堆温度控制方法及系统，在燃料电池系统通用冷却结构的基础上进行局部优化，新增一条含有一个截止阀和一个加热器的冷却支路。

本发明提供一种氢能汽车电堆温度控制方法，所述氢能汽车包括第一冷却回路和管路较第一冷却回路短的第二冷却回路，其中所述第一冷却回路包括电堆、水泵、第一截止阀、散热器、第一加热器和节温器，所述第二冷却回路包括电堆、水泵、第二截止阀和第二加热器，所述电堆温度控制方法包括以下步骤：

S1、当燃料电池系统启动时，控制第二冷却回路中的第二截止阀打开，控制第一冷却回路中的第一截止阀关闭，控制水泵开启，并利用所述第二冷却回路中的第二加热器和电堆产生的热量对所述第二冷却回路中的冷却液进行加热；

S2、检测第二冷却回路中的冷却液温度，当所述第二冷却回路中的冷却液温度超过设定的第一阈值后，控制第一冷却回路中的第一截止阀缓慢打开，并调节节温器的角度，控制第一冷却回路中的第一加热器工作；

S3、调节水泵和第一冷却回路中的节温器，当第一冷却回路中冷却液的温度达到设定的第二阈值后，控制第二冷却回路中的第二截止阀关闭；

S4、检测第一冷却回路中冷却液的温度，调节水泵与节温器，使得冷却液带走的热量与散热器散掉的热量平衡。

进一步地，所述第二截止阀和所述第二加热器并联在所述第一冷却回路中。

进一步地，通过所述第一截止阀控制所述第一冷却回路的连通，通过所述第二截止阀控制所述第二冷却回路的连通。

进一步地，所述电堆的出水口连接水泵，当所述第二冷却回路连通后，冷却液经过第二截止阀和第二加热器后流进电堆的入水口；当所述第一冷却回路连通后，冷却液经第一截止阀、散热器和/或第一加热器、以及节温器后流进电堆的入水口。

作为本发明的另一方面，还提供一种氢能汽车电堆温度控制系统，采用上述氢能汽车电堆温度控制方法，包括：

第一控制模块，用于当燃料电池系统启动时，控制第二冷却回路中的第二截止阀打开，控制第一冷却回路中的第一截止阀关闭，控制水泵开启，并利用所述第二冷却回路中的第二加热器和电堆产生的热量对所述第二冷却回路中的冷却液进行加热；

第二控制模块，用于检测第二冷却回路中的冷却液温度，当所述第二冷却回路中的冷却液温度超过设定的第一阈值后，控制第一冷却回路中的第一截止阀缓慢打开，并调节节温器的角度，控制第一冷却回路中的第一加热器工作；

第三控制模块，用于调节水泵和第一冷却回路中的节温器，当第一冷却回路中冷却液的温度达到设定的第二阈值后，控制第二冷却回路中的第二截止阀关闭；

第四控制模块，用于检测第一冷却回路中冷却液的温度，并调节水泵与节温器，使得冷却液带走的热量与散热器散掉的热量平衡。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：在电堆两端新增一条管路较短的冷却支路，当燃料电池系统启动时，利用加热器加热以及电堆产生的大量热能快速、均匀地提高电堆温度，在维持电堆温度的同时，将整个系统的温度提高到合适的温度，使得系统可快速地进行升功率运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的氢能汽车电堆温度控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的氢能汽车冷却系统的结构示意图；

注：1-电堆，2-水泵，3-第一截止阀，4-散热器，5-第一加热器，6-节温器，7-第二截止阀，8-第二加热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种氢能汽车电堆1温度控制方法，所述氢能汽车包括第一冷却回路和管路较第一冷却回路短的第二冷却回路，所述第一冷却回路包括电堆1、水泵2、第一截止阀3、散热器4、第一加热器5和节温器6，其中，散热器4与第一加热器5并联后通过节温器6连接电堆1；所述第一冷却回路中还并联第二截止阀7和第二加热器8，并由所述电堆1、水泵2、第二截止阀7和第二加热器8构成氢能汽车的第二冷却回路。

通过所述第一截止阀3控制所述第一冷却回路的连通，通过所述第二截止阀7控制所述第二冷却回路的连通。具体地，所述电堆1的出水口连接水泵2，冷却液通过水泵2后，一方面可经第二截止阀7和第二加热器8后流进电堆1的入水口，另一方面可经第一截止阀3、散热器4和/或第一加热器5、以及节温器6后流进电堆1的入水口。

所述电堆1温度控制方法包括以下步骤：

S1、当燃料电池系统启动时，控制第二冷却回路中的第二截止阀7打开，控制第一冷却回路中的第一截止阀3关闭，并利用所述第二冷却回路中的第二加热器8和电堆1产生的热量对所述第二冷却回路中的冷却液进行快速加热，同时控制水泵2开启，保证所述第二冷却回路中的温度分布均匀，不会损害电堆1。

S2、检测第二冷却回路中的冷却液温度，当所述第二冷却回路中的冷却液温度超过设定的第一阈值后，控制第一冷却回路中的第一截止阀3缓慢打开，并调节节温器6的角度，控制第一冷却回路中的第一加热器5工作，使得电堆1维持在合适的温度，此时，第一冷却回路中的冷却液温度也逐步提高。

S3、调节水泵2和第一冷却回路中的节温器6，当第一冷却回路中冷却液的温度达到设定的第二阈值后，控制第二冷却回路中的第二截止阀7关闭，使得冷却液只经过第一冷却回路，此时，第一冷却回路中的冷却液流量足以使得电堆1温度均匀，电堆1温度继续维持在合适的温度，整个系统中冷却液温度不会产生较大温差。

S4、检测第一冷却回路中冷却液的温度，调节水泵2与节温器6，使得冷却液带走的热量与散热器4散掉的热量平衡，维持电堆1处于合适的温度。

本实施例还提供一种氢能汽车电堆1温度控制系统，包括：

第一控制模块，用于当燃料电池系统启动时，控制第二冷却回路中的第二截止阀7打开，控制第一冷却回路中的第一截止阀3关闭，控制水泵2开启，并利用所述第二冷却回路中的第二加热器8和电堆1产生的热量对所述第二冷却回路中的冷却液进行加热。

第二控制模块，用于检测第二冷却回路中的冷却液温度，当所述第二冷却回路中的冷却液温度超过设定的第一阈值后，控制第一冷却回路中的第一截止阀3缓慢打开，并调节节温器6的角度，控制第一冷却回路中的第一加热器5工作，使得电堆1维持在合适的温度。

第三控制模块，用于调节水泵2和第一冷却回路中的节温器6，当第一冷却回路中冷却液的温度达到设定的第二阈值后，控制第二冷却回路中的第二截止阀7关闭。

第四控制模块，用于检测第一冷却回路中冷却液的温度，并调节水泵2与节温器6，维持电堆1处于合适的温度。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。