燃料电池系统冷启动时的自动预热控制系统

技术领域

本发明涉及燃料电池冷启动技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统冷启动时的自动预热控制系统。

背景技术

随着全球范围内的能源危机和环境污染等的日益加重，很多国家都在不断地探索和使用清洁能源，尤其是清洁能源在汽车等交通领域上的应用越来越广泛。为此，电动汽车近年来得到大力推广。然而电动汽车目前由于其电池技术的局限性所造成的续航能力相对短以及充电时间较长等原因，和传统的燃油车相比目前仍然无法满足用户的要求。因此很多国家近年来都在加紧燃料电池汽车的技术研发。

氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应，其生成物是电能和纯净水，没有任何有害物质。因此是真正意义上的清洁能源。氢燃料电池具有很多潜在的优势。例如，氢气的能量密度高于汽油三倍，其能量转换效率也高于内燃机效率；氢燃料充气时间以及燃料电池汽车的续航能力完全可以和传统的汽油车相媲美。因此从能源的利用和环境保护方面来说，燃料电池汽车是理想的日常交通工具。

一般来说，燃料电池在工作时产生电和水，同时也会产生热能。因此需要安装冷却系统给燃料电池堆进行冷却，将其操作温度控制在适当的范围内。对于容量较小的燃料电池堆多数采用风冷，即空气冷却。但是对于大容量燃料燃料电池堆(例如5kW以上)一般采用液体介质冷却，例如乙二醇(glycol)、乙二醇和水的混合液体、或者其它液体冷却介质等液体冷却方式。

然而在极其寒冷的环境中，例如在零下30摄氏度甚至更冷的情况下，如果直接冷启动燃料电池系统的话，不仅使得燃料电池堆的输出性能和效率有所下降，还会影响燃料电池堆的使用寿命。更为严重的是，在如此寒冷的情况下冷启动燃料电池系统的时候，其燃料电池堆内部通过氢气和氧气化学反应所生成的水，流到电池堆空气出口处会立即结成冰，堵塞出口和通道，很有可能直接对燃料电池堆的结构造成永久性损坏。

鉴于上述燃料电池在极为寒冷的条件下冷启动时所带来的问题，本发明只需在现有的燃料电池液体冷却循环系统中加装一个电加热器和相关的控制装置即可。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种燃料电池系统冷启动时的自动预热控制系统。本发明可以自动判断在寒冷的条件下冷启动燃料电池系统时是否需要对燃料电池堆进行预热，并自动控制预热过程。这样，使得冷启动过程简单方便、安全可靠。尤其是对于没有燃料电池专业知识的燃料电池汽车的驾驶人员或燃料电池操作人员来说更为重要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

燃料电池系统冷启动时的自动预热控制系统，包括有燃料电池冷却液循环系统、加热器、燃料电池系统的启动电源、冷启动预热控制器和冷启动预热开关，所述的燃料电池冷却液循环系统是几乎所有容量稍大的燃料电池系统本身既有的液体介质冷却系统，包括有燃料电池堆和燃料电池堆内部的冷却管道，以及冷却液循环泵等主要部件；在此既有的冷却液循环系统中，只需在燃料电池堆冷却液入口处附近安装一个容量适当的冷却液容器，该冷却液容器的入口连接有冷却液循环泵，在所述的燃料电池堆的内部安装有电池堆温度传感器，电池堆温度传感器也可为已有的检测燃料电池堆内部温度的温度传感器，在该冷却液容器内安装有加热器和冷却液温度传感器，所述的加热器通过加热器开关与燃料系统的启动电源连接，所述的冷却液循环泵通过循环泵控制器与燃料电池系统的启动电源连接，所述的电池堆温度传感器和冷却液温度传感器的信号输出端分别与冷启动预热控制器的信号输入端连接，冷启动预热控制器的控制信号输出端分别与加热器开关和循环泵控制器连接，燃料电池系统的启动电源的电池管理系统(BMS)的输出端还与冷启动预热控制器的输入端连接，冷启动预热开关与冷启动预热控制器连接；为了便于加热器正常的维修，可以在安有该加热器的循环液容器附近安装循环液旁路只管和相应的阀门开关；通过按动冷启动预热开关来接通燃料电池系统的启动电源，冷启动预热控制器分别接收电池堆温度传感器采集的燃料电池堆内部的温度、冷却液温度传感器采集的安装有加热器的冷却液容器内的冷却液温度、以及燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态，并控制加热器和冷却液循环泵工作，加热器先给冷却液容器内的冷却液加热，加热后的冷却液在冷却液循环泵的作用下，进入燃料电池堆内部进行热交换，给燃料电池堆预热。

在所述的冷启动预热开关上还安装有状态指示灯，状态指示灯与冷启动预热控制器连接。

在所述的冷启动预热控制器内预先设定好燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态阈值、燃料电池堆最高预热温度阈值、燃料电池堆最低预热温度阈值和冷却液最高预热温度阈值，所述的冷启动预热控制器是通过四个比较器和四个逻辑与门实现控制加热器、冷却液循环泵和状态指示灯工作的；燃料电池堆最低预热温度阈值(T

所述的冷启动预热控制器是通过四个比较器和四个逻辑与门实现控制加热器、冷却液循环泵和状态指示灯工作的，具体过程如下：

在寒冷的条件下冷启动燃料电池系统的时候，首先按动冷启动预热开关，冷启动预热开关发出接通控制系统电源的逻辑信号，冷启动预热控制器通过电池堆温度传感器自动检测燃料电池堆的当前温度，并和燃料电池堆最低预热温度设定阀值进行比较，当燃料电池堆的当前温度高于燃料电池堆最低预热温度设定阀值的时候，比较器一输出低逻辑控制信号，表明燃料电池此时不需要任何预热，状态指示灯根据相应的控制信号设置成先绿色闪动3至5次，然后变成绿色，提示有关操作人员，可以直接按照正常的启动程序启动燃料电池系统；当燃料电池堆的当前温度低于燃料电池堆最低预热温度设定阀值的时候，比较器一输出高逻辑控制信号，表明燃料电池系统需要预热；与此同时，将燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态值与燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态阈值进行比较，当燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态值低于燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态阈值的时候，比较器二输出低逻辑控制信号，该低逻辑控制信号同时发送到逻辑与门一和状态指示灯，这时的状态指示灯变成红色，表明启动电源电池的剩余电量无法满足预热过程所需要的能量，因此不能直接用此时的启动电源电池来启动预热过程，在这种情况下，要么先给启动电源电池充电，然后再启动预热，要么直接依靠外部电源启动预热过程；当燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态值高于燃料电池系统的启动电源电池的剩余能量状态阈值的时候，比较器二输出高逻辑控制信号，并与此时由比较器一输出的高逻辑信号一起通过逻辑与门一输出高逻辑信号，这时的逻辑与门一输出的高逻辑信号还要再和此时的冷启动预热开关的接通逻辑信号一起通过逻辑与门二输出高逻辑控制信号，即加热器开启信号，加热器开启信号同时输送到状态指示灯和逻辑与门三，这时的状态指示灯变成黄色闪动，表示预热过程已经启动，但是加热器是否立即开启还需要进行下一步判断；

在冷启动燃料电池系统时候，如果燃料电池堆的当前温度低于燃料电池堆最低预热温度阀值，同时自然也会更低于燃料电池堆最高预热温度阀值，这时的比较器四总是输出高逻辑信号，表示不关闭任何装置，燃料电池堆最高预热温度阀值是燃料电池堆正常运作时所要求的最低操作温度；将燃料电池堆的当前温度和燃料电池堆最高预热温度阀值通过比较器四进行比较，输出保持开关现有状态信号或关闭控制信号，当比较器四输出高逻辑信号的时候，表示保持加热器开关和循环泵开关的现有状态或允许加热器和循环泵的开启控制信号，此时的逻辑与门二输出的高逻辑信号和此时的比较器四输出的高逻辑信号一起通过逻辑与门三，使其输出高逻辑信号给加热器开关，开启加热器给冷却液加热；只有当比较器四输出低逻辑信号的时候，分别通过逻辑与门三、与门四、加热器开关和循环泵控制器关闭加热器和循环泵，此时冷启动预热开关也将自动关闭；

在加热器给冷却液加热过程中，冷却液温度传感器不断地对冷却液温度进行实时检测,并且和冷却液最高预热温度阀值进行实时比较，当冷却液温度低于冷却液最高预热温度阀值的时候，比较器三输出低逻辑信号，即便此时的比较器四输出高逻辑信号，此时的逻辑与门四也依然对循环泵控制器输出低逻辑信号，因此循环泵处于关闭状态；只有当冷却液温度在加热过程中不断上升到高于冷却液最高预热温度阀值的时候，比较器三输出高逻辑信号，并与此时的比较器四输出的高逻辑信号一起通过逻辑与门四发出高逻辑信号给循环泵控制器，开启循环泵，把加热后的冷却液循环到燃料电池堆内部，给整个燃料电池堆预热，这时逻辑与门四也同时发出控制逻辑信号给状态指示灯，状态指示灯发出慢速红色闪动信号，表明正在给燃料电池堆预热；

当燃料电池堆的内部温度被加热后的循环冷却液加热到超过燃料电池堆最高预热温度阀值的时候，比较器四将立即发出低逻辑信号给逻辑与门三和逻辑与门四，并通过逻辑与门三和四把关闭指令分别发送给加热器开关和循环泵控制器，同时立即关闭加热器和循环泵，此时冷启动预热开关也将自动关闭；与此同时，逻辑与门四也把关闭信号发给状态指示灯，使得状态指示灯先发出3至5次慢速绿色闪动，同时发出3至5次响声，然后状态指示灯变为绿色，提示操作人员整个燃料电池堆的预热过程完成。

本发明的优点是：

1)本发明快速、高效、安全可靠

本发明是用加热后的循环冷却液体对燃料电池堆内部进行直接加热。这种加热方式能够使得整个燃料电池堆内部加热均匀。本发明还可以通过启动电源的电池管理系统(BMS)同时对该电源电池进行实时监测和安全保护。另外，在温暖的气候条件下，燃料电池堆不需要预热，但是万一由于操作人员不慎误操作，错按该预热按钮的时候，预热系统通过自动检测相关温度并和相关的数值比较判断之后，也不会接通加热器。在这种情况下，预热开关中的状态指示灯将发出3至5次快速绿色闪动，然后指示灯熄灭，指示操作人员，燃料电池堆不需要任何预热，可以直接按照正常的操作程序启动。除此之外，本发明还可以避免冷启动时各种条件下的繁琐的人工检查和判断而有可能引起的误操作。因此本发明具有操作快速简捷、加热平稳均匀、高效节能、和安全可靠等特点。

2)本发明操作简单、实用性强。

本发明只需按动安装在燃料电池汽车的主操作控制面板上的冷启动预热开关，操作系统就立即自动判断是否需要接通加热器对燃料点电池堆进行预热。根据自动判断结果，如果不需要预热的话，安装在冷启动预热开关上的状态指示灯就会发出相应的绿色闪动，提示相关操作人员燃料电池堆不需要预热。如果判断结果表明需要预热的话，就会自动接通加热器以及冷却液循环泵对燃料电池堆预热。当燃料电池堆温度上升到冷启动时所需要的最低工作温度时，该控制器就自动关断加热器和循环泵，并提示相关操作人员，冷启动预热过程结束，可以按照正常程序启动燃料电池系统或燃料电池汽车。因此，本发明是“一键操作”，具有简单方便和智能化，实用性很强。

3)本发明适用性广泛

本发明虽然是以燃料电池汽车用的燃料电池堆为例进行冷启动时的预热原理和功能说明，但是本发明的工作原理同样适用于所有其他类型的使用液体冷却的燃料电池系统在寒冷的条件下冷启动时的自动预热控制。因此，本发明适用性十分广泛。

4)本发明灵活性高

本发明适用于不同的燃料电池制造商所生产的不同品牌和不同规格的燃料电池系统。燃料电池制造商只需要根据所生产的燃料电池堆的具体情况，调整上述控制系统中所阐述的各个相应阀值参数的设置，便可以使用本发明对其燃料电池堆在冷启动时的预热。因此具有很高的灵活性。

5)本发明集成度高

本发明中的控制功能既可以通过单独的预热控制子系统以及在主操作控制面板上安装的预热控制开关来实现预热，也可以把相应的控制功能集成到燃料电池系统的主控制器的控制功能之中，通过相应的嵌入式控制软件实现该控制功能。因此具有较高的整体控制系统的集成度。

附图说明

图1为常见的燃料电池系统中的液体冷却系统一般示意图。

图2为本发明系统结构原理图。其中左下方的虚线方框内所展示的是本发明所需要的主要结构部件，而虚线方框之外的均为燃料电池系统中既有的部件。

图3为本发明系统控制逻辑示意图。

具体实施方式

为了解决在极端寒冷的条件下冷启动燃料电池时由于低温对燃料电池堆的性能和寿命等不良影响这一技术难题，通常情况下，很多燃料电池制造商直接在燃料电池堆的外部增设外部加热器，在需要预热的时候接通加热器，给燃料电池堆加热。这种外置加热器由于是从燃料电池堆的外部加热，热量从外面向燃料电池堆内部传递时需要时间，而且对燃料电池堆内部加热不均匀。因而具有效率较低，加热时间较长，以及较难准确控制加热温度等不利因素。

对于容量较大的燃料电池系统，一般来说采用液体冷却，其液体冷却系统的基本结构如图1所示，由液体冷却循环系统部分和通过热交换器把冷却液中的热量向外部散发的外部散热部分等构成。

理论依据：

在极其寒冷的气候条件下，冷启动燃料电池系统的时候，应该先对燃料电池堆1适当预热，尽量满足燃料电池堆1相应的工作条件要求，以确保其工作性能和寿命不受低温影响。下面简明阐述燃料电池堆1加热过程中的热量交换或热量传导以及温度变化的相关理论根据。

通常情况下，当热量在物体内部进行热交换或热传递时，会引起物体的温度变化。其温度的变化和热量的关系由以下公式(1)决定。

Q＝C

在上述公式(1)，Q是物体在热交换或热传递过程中所吸收或放出的热量,国际单位是焦耳(J)；C

在本预热系统中，先对燃料系统的冷却液体适当加热，然后用冷却液循环泵2把加热后的冷却液体循环到燃料电池堆1内部的冷却管道3里，对整个燃料电池堆从内部进行均匀加热。热量在冷却液体和燃料电池堆的热传递过程所引起的温度变化均遵循公式(1)所描述的量变关系。具体如下：

当热量在燃料电池堆内部由加热后的冷却液体向燃料电池堆传递时，燃料电池堆的温度变化由以下公式(2)决定。

Q

在上述公式(2)，Q

当热量在冷却循环系统内部由加热器4向冷却液体传递时，冷却液体的温度变化由以下公式(3)决定。

Q

在上述公式(3)，Q

上述公式(2)和公式(3)均由公式(1)得出。

冷却液体在加热过程中的温度变化ΔT

ΔT

冷却液体在加热过程中的温度变化ΔT

当电加热器对循环冷却液加热的时候，可以根据以下公式(5)所描述的焦耳定律算出加热器所放出的热量：

在上述公式(5)中，Qe是加热器通电加热时所产生的热量，国际单位是焦耳(J)；V是加热器的端电压，国际单位是福特(V)；R是加热器的电阻，国际单位是欧姆(Ω)；t是加热时间，国际单位是秒(s)。其中电压V一般由燃料电池系统的启动电源的电池电压决定，或者根据需要单独设计。而加热器的电阻R一般由以下公式(6)中的欧姆定律算出。

在上述公式(6)中，R是加热器的电阻(Ω)；V是加热器的端电压(V)；I是加热器的电流，国际单位是安培(A)。加热器的电流I通常来说，可以根据燃料电池系统中的启动电源电池的电流允许值以及燃料电池堆的加热时间要求等因素来综合决定。

整个预热过程中，应该考虑从加热器产生的热量通过循环冷却液传递到燃料电池堆内部时的整个过程的实际能量损耗。假设整个预热系统的能量交换和传递的效率为η，该效率η根据燃料电池堆以及循环冷却液等不同而有所变化，一般由燃料电池系统制造商通过实验测得。因此，综合上述公式(2)、(5)、(6)，整个预热构成所需要的时间由下述公式(7)算出。

本冷启动预热和控制系统结构简单，其基本结构和原理如图2所示，只需在现有的燃料电池冷却液循环系统里安装一个加热器4、冷启动控制器5、冷启动预热开关6、以及加热器容器7即可。另外，可以在安装有该加热器的容器7附近安装冷却液旁路管道14和相应的阀门开关15，这样，在温暖的条件下不需要使用加热器或者加热器需要维修的时候，就可以打开该旁路管道的阀门，同时关闭该加热器容器的进出口处的阀门，使得冷却液不经过加热器容器而直接通过旁路管道流入燃料电池堆。首先在离燃料电池堆1的冷却液入口处尽量近的冷却液循环管道上安装一个适当容量的冷却液容器7，并把加热器4安装在该容器内部，同时在该容器里安装一个冷却液温度检测传感器8(S

冷启动预热开关6可以安装在燃料电池汽车的操作控制面板上，便于操作。燃料电池系统操作人员或燃料电池汽车驾驶人员只要按动该冷启动预热开关，本发明将自动判断是否需要对燃料电池堆预热。当需要预热的时候，就会自动接通加热器4和冷却液循环泵2，对燃料电池堆进行预热。当燃料电池堆内部温度T

因此，本燃料电池堆预热和控制系统的基本原理是，当按动冷启动预热开关6(Ks)之后，首先自动接通该预热控制系统电源。然后该控制系统由燃料电池堆1的温度传感器9(S

在整个低温冷启动预热过程中，根据燃料电池堆的实际温度和冷却液的实际温度以及由启动电源内部的电池管理系统(BMS)所得到的电池剩余能量，由该控制器自动判断是否需要接通加热器和冷却液循环泵。而整个燃料电池的冷却系统中的所有其它部件，例如外部散热系统中的压缩机和冷却风扇等均始终处于关闭状态，这样可以减少整个冷启动预热过程中的能量消耗和浪费。

本低温冷启动时的自动预热和控制系统的基本构如上述图2所示。其中的冷启动预热控制器的控制逻辑功能如图3所示。

在寒冷的条件下冷启动燃料电池系统的时候，首先按动安装在操作控制板上的冷启动预热开关6(Ks)，冷启动预热开关6(Ks)发出接通逻辑信号，这时控制系统的电源首先被接通。该控制器通过燃料电池堆1的温度传感器9(S

一般情况下，在冷启动燃料电系统的时候，如果燃料电池堆1的温度T

在加热器4给冷却液加热过程中，安装在加热器4附近的冷却液温度传感器8(S

当燃料电池堆的内部温度T