用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法及装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法及装置。

背景技术

燃料电池的基本工作原理是氢气和氧气在催化剂的作用下发生电化学反应，将化学能转换成电能，并生成水。氢气喷射器作为一种电子调压装置，被广泛应用于燃料电池发动机系统中。冬季，氢气喷射器一旦使用后未排净生成的水，就存在被冻住的风险，造成启动失败。

现有技术通常是系统报故障，提醒用户通过外界手段将氢气喷射器内的冰化开或者通过用户反复重启的方式，靠氢气喷射器自身的发热将冰化开。此外，也可以给氢气喷射器设置加热片，开机前先对氢气喷射器预热，再执行开机。

系统报故障的方式，会给用户带来困扰，导致用户体验较差，而且，氢气喷射器如果被冻住，内部的传感器也可能被冻住，导致用户反复重启也无法准确检测压力，无法及时采取保护措施，存在损坏电堆的危险。设置加热片的方式会增加系统复杂度，也会增加系统重量和成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法及装置，用以解决现有氢气喷射器冬季存在结冰导致启动困难的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法，包括如下步骤：

在氢气喷射器的输出端管道内壁上布设氢压传感器；

在燃料电池启动前，启动氢气循环泵并以设定规律变速转动；

获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，执行下一步，否则，执行氢压传感器的消冰修复操作；

启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除，执行燃料电池的启动。

上述技术方案的有益效果如下：低温冷启动时，先使用氢气循环泵先进行氢压传感器的故障诊断，在识别出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流，在打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰。可以安全有效地解决冬季冷启动时氢气喷射器无法打开的问题，无需另外的加热设备。相比现有氢气喷射器的控制方案，更加安全、可靠。

基于上述方法的进一步改进，该方法还包括如下步骤：

获取燃料电池所处环境温度，判断氢气喷射器是否处于冬季冷启动状态；

如果处于冬季冷启动状态，先关闭氢气循环泵并启动氢气喷射器，根据氢压传感器采集的实时压力数据识别氢气喷射器内部是否结冰；如果是，关闭氢气喷射器，并执行在燃料电池启动前，启动氢气循环泵并以设定规律变速转动的步骤；否则，直接执行燃料电池的启动；

如果处于非冬季冷启动状态，直接执行燃料电池的启动。

进一步，通过如下步骤识别氢气喷射器内部是否结冰：

判断实时压力数据是否持续上升且达到设定值；如果是，判定氢气喷射器内部无结冰，否则，判定氢气喷射器内部存在结冰。

进一步，所述启动氢气循环泵并以设定规律变速转动的步骤，进一步包括：

启动氢气循环泵，在其达到额定转速后，保持额定转速匀速运行5~10 s，获取该时段内氢气喷射器的输出端的气体压力数据；

多次下调氢气循环泵的转速直至零，保持每次调整后的新转速再次匀速运行5~10s，获取每次调整后的氢气喷射器的输出端的氢气压力数据；

关闭氢气循环泵。

进一步，所述获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常的步骤，进一步包括：

确定每次匀速运行段的氢气喷射器的输出端的气体压力均值；

比较转速调整过程中的上述气体压力均值，识别氢气压力波动是否与氢气循环泵的转速呈正相关，如果是，判定氢压传感器正常，否则，判定氢压传感器不正常。

进一步，所述执行氢压传感器的消冰修复操作的步骤，进一步包括：

在氢气喷射器表面、内部或氢气入口、输出端处布设加热片；

启动加热片对氢气喷射器加热设定时间，再次启动氢气循环泵并以设定规律变速转动，获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，氢压传感器的消冰修复操作结束，执行下一步，否则，继续加热，直到氢压传感器正常为止。

进一步，所述启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除的步骤进一步包括：

对氢气喷射器施加设定的驱动电流，以预热氢气喷射器后，启动氢气循环泵；

定时获取设定时段内氢压传感器采集的压力数据，判断该时段内的压力数据是否均超过设定值，如果是，判定氢气喷射器内部的结冰现象已消除，否则，继续下一周期的判断，直到某时段内的压力数据均超过设定值。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、增加了氢气喷射器内部是否结冰的识别，驱动氢气喷射器检测到氢压无变化时，先使用氢气循环泵进行氢压传感器的故障诊断，再启动氢气喷射器进行消冰操作，直到结冰现象已消除。

2、在判断出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流进行消冰操作，尝试打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰，直到氢压超过设定值，判定结冰现象已消除，再启动燃料电池（即通氧）。

3、方法简单、安全有效，无额外添加设备，无需增加燃料电池的重量和成本，有效提高了用户体验。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制装置，依次连接的：

数据采集单元，用于获取氢气喷射器的输出端气体的压力数据，发送至控制器；

控制器，用于在燃料电池启动前，启动氢气循环泵并以设定规律变速转动；以及，获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，执行下一步，否则，执行氢压传感器的消冰修复操作；启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除，执行燃料电池的启动；

氢气喷射器，其氢气入口与氢源连接，其引流气体入口经氢气循环泵与燃料电池电堆的氢气尾气出口连接，其输出端与燃料电池电堆的氢气入口连接。

上述技术方案的有益效果如下：低温冷启动时，先使用氢气循环泵先进行氢压传感器的故障诊断，在识别出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流，在打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰。可以安全有效地解决冬季冷启动时氢气喷射器无法打开的问题，无需另外的加热设备。相比现有氢气喷射器的控制方案，更加安全、可靠。

基于上述装置的进一步改进，所述数据采集单元进一步包括：

环境温度传感器，设于燃料电池电堆的周围环境中，用于获取燃料电池所处环境温度；

氢压传感器，布设在氢气喷射器的输出端管道内壁上，用于获取氢气喷射器的输出端气体的压力数据。

进一步，所述控制器执行如下程序：

获取燃料电池所处环境温度，判断氢气喷射器是否处于冬季冷启动状态；如果处于非冬季冷启动状态，直接执行燃料电池的启动；如果处于冬季冷启动状态，执行下一步；

在燃料电池启动前，关闭氢气循环泵并启动氢气喷射器，根据氢压传感器采集的实时压力数据识别氢气喷射器内部是否结冰；如果是，关闭氢气喷射器，执行下一步；否则，直接执行燃料电池的启动；

启动氢气循环泵，在其达到额定转速后，保持额定转速匀速运行5~10 s，获取该时段内氢气喷射器的输出端的气体压力数据；

多次下调氢气循环泵的转速直至零，保持每次调整后的新转速再次匀速运行5~10s，获取每次调整后的氢气喷射器的输出端的氢气压力数据，关闭氢气循环泵；

确定每次匀速运行段的氢气喷射器的输出端的气体压力均值；

比较转速调整过程中的上述气体压力均值，识别氢气压力波动是否与氢气循环泵的转速呈正相关，如果是，判定氢压传感器正常，执行下一步，否则，判定氢压传感器不正常，执行氢压传感器的消冰修复操作；

对氢气喷射器施加设定的驱动电流，以预热氢气喷射器后，启动氢气循环泵；

定时获取设定时段内氢压传感器采集的压力数据，判断该时段内的压力数据是否均超过设定值，如果是，判定氢气喷射器内部的结冰现象已消除，否则，继续下一周期的判断，直到某时段内的压力数据均超过设定值，执行燃料电池的启动。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法组成示意图；

图2示出了实施例1燃料电池的氢气循环系统组成示意图；

图3示出了实施例2用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法的原理示意图。

附图标记：

1- 燃料电池电堆；2- 氢气喷射器；3- 氢气循环泵；4- 氢压传感器；5- 尾排阀；P1- 在氢气循环泵额定转速下氢气喷射器输出端的压力均值；P2- 在氢气循环泵零转速下氢气喷射器输出端的压力均值；Pset- 设定值。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.在氢气喷射器（也称氢喷）的输出端管道内壁上布设氢压传感器；

S2.在燃料电池启动前，启动氢气循环泵（也称氢气循环泵）并以设定规律变速转动；

S3.获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，执行下一步，否则，执行氢压传感器的消冰修复操作；

S4.启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除，执行燃料电池的启动。

燃料电池的氢气循环系统一般为氢气喷射器的氢气入口与氢源连接，其引流气体入口经氢气循环泵与燃料电池电堆的氢气尾气出口连接，其输出端与燃料电池电堆的氢气入口连接。燃料电池电堆的氢气尾气出口处还设有尾排阀，如图2所示。氢压传感器可用来检测氢气子系统内部的压力。

上述方法的原理为：任何管路都是有阻力的，因此气体流动会导致压差，因此先让氢气循环泵快速转动起来，如果氢压传感器正常，则检测到的压力会随着氢气循环泵转速的变化有一个压力波动，通过压力波动和氢气循环泵转速的关系可判断氢压传感器是否正常。在氢压传感器正常后，再操作氢气喷射器化冰不必再担心由于无法正确检测氢压而导致超压损坏氢气循环系统。当氢压传感器检测到氢气喷射器输出气体达到化冰的设定压力后说明氢气喷射器内的冰块已经化开，此时可以执行正常的开机操作。

与现有技术相比，本实施例提供的氢气喷射器控制方法在低温冷启动时，先使用氢气循环泵先进行氢压传感器的故障诊断，在识别出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流，在打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰。可以安全有效地解决冬季冷启动时氢气喷射器无法打开的问题，无需另外的加热设备。相比现有氢气喷射器的控制方案，更加安全、可靠。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该方法还包括如下步骤：

S01.获取燃料电池所处环境温度，判断氢气喷射器是否处于冬季冷启动状态；

S02.如果处于冬季冷启动状态，先关闭氢气循环泵并启动氢气喷射器，根据氢压传感器采集的实时压力数据识别氢气喷射器内部是否结冰（气体压力无压力或无变化说明内部结冰，否则，不存在结冰）；如果是，关闭氢气喷射器，并执行步骤S2的氢压传感器正常识别；否则，直接执行燃料电池的启动（即电堆内同时通入氢气和氧气）；

S03.如果处于非冬季冷启动状态，直接执行燃料电池的启动。

优选地，步骤S02中，通过如下步骤识别氢气喷射器内部是否结冰：

S021.判断实时压力数据是否持续上升且达到设定值；如果是，判定氢气喷射器内部无结冰，否则，判定氢气喷射器内部存在结冰。

优选地，步骤S2中，所述启动氢气循环泵并以设定规律变速转动的步骤，进一步包括：

S21.启动氢气循环泵，在其达到额定转速后，保持额定转速匀速运行5~10 s，获取该时段内氢气喷射器的输出端的气体压力数据；

S22.多次下调氢气循环泵的转速直至零，保持每次调整后的新转速再次匀速运行5~10 s，获取每次调整后的氢气喷射器的输出端的氢气压力数据；

S23.关闭氢气循环泵。

优选地，步骤S3中，所述获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常的步骤，进一步包括：

S31.确定每次匀速运行段的氢气喷射器的输出端的气体压力均值；

S32.比较转速调整过程中的上述气体压力均值，识别氢气压力波动是否与氢气循环泵的转速呈正相关（转速由大到小或由小到大变化时，气体压力均值亦由大到小或由小到大变化），如果是，判定氢压传感器正常，执行步骤S4，否则，判定氢压传感器不正常，执行步骤S34~S35。

优选地，步骤S3中，所述执行氢压传感器的消冰修复操作的步骤，进一步包括：

S34.在氢气喷射器表面、内部或氢气入口、输出端处布设加热片（本领域技术人员能够理解，此处不限定具体布设方式，均可实现化冰操作）；

S35.启动加热片对氢气喷射器加热设定时间，再次启动氢气循环泵并以设定规律变速转动，获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，氢压传感器的消冰修复操作结束，执行下一步，否则，继续加热，直到氢压传感器正常为止。

优选地，步骤S4中，所述启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除的步骤进一步包括：

S41.对氢气喷射器施加设定的驱动电流，以预热氢气喷射器后，启动氢气循环泵；

S42.定时获取设定时段内氢压传感器采集的压力数据（压力数据应是逐渐上升的），判断该时段内的压力数据是否均超过设定值，如果是，判定氢气喷射器内部的结冰现象已消除，否则，继续下一周期的判断，直到某时段内的压力数据均超过设定值，结束判断，氢气喷射器内部的结冰现象已消除。

上述方法的原理可参见图3，但不限于图3所示。原理为：任何管路都是有阻力的，因此气体流动就会产生压差，因此先让氢气循环泵快速转动起来，再停止氢气循环泵工作。如果氢压传感器正常，则氢压传感器检测到的压力会随着氢气循环泵转速的变化有一个压力波动，如果压力波动和氢气循环泵转速正相关，则认为氢压传感器正常，再操作氢气喷射器不必担心由于无法正确检测氢压而导致超压损坏系统。给氢气喷射器施加正常的驱动电流后，加热线圈同时尝试打开氢气喷射器，当氢压传感器检测到压力上升并达到设定值后，说明氢气喷射器已经消融完成，此时可以执行正常的开机操作。

与实施例1相比，本实施例具有如下有益效果：

1、增加了氢气喷射器内部是否结冰的识别，驱动氢气喷射器检测到氢压无变化时，先使用氢气循环泵进行氢压传感器的故障诊断，再启动氢气喷射器进行消冰操作，直到结冰现象已消除。

2、在判断出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流进行消冰操作，尝试打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰，直到氢压超过设定值，判定结冰现象已消除，再启动燃料电池（即通氧）。

3、方法简单、安全有效，无额外添加设备，无需增加燃料电池的重量和成本，有效提高了用户体验。

实施例3

本发明的另一个实施例，公开了一种实施例1或2所述方法对应的用于燃料电池低温冷启动的氢气喷射器控制装置，包括依次连接的数据采集单元、控制器、氢气喷射器。

数据采集单元，用于获取氢气喷射器的输出端气体的压力数据，发送至控制器。

控制器，用于在燃料电池启动前，启动氢气循环泵并以设定规律变速转动；以及，获取氢压传感器采集的压力数据，识别氢压传感器是否正常；如果正常，执行下一步，否则，执行氢压传感器的消冰修复操作；启动氢气喷射器，定时监测氢压传感器采集的压力数据，直到根据该数据识别氢气喷射器内部的结冰现象已消除，执行燃料电池的启动。

氢气喷射器，其氢气入口与氢源连接，其引流气体入口经氢气循环泵与燃料电池电堆的氢气尾气出口连接，其输出端与燃料电池电堆的氢气入口连接。

与现有技术相比，本实施例提供的氢气喷射器控制装置在低温冷启动时，先使用氢气循环泵先进行氢压传感器的故障诊断，在识别出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流，在打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰。可以安全有效地解决冬季冷启动时氢气喷射器无法打开的问题，无需另外的加热设备。相比现有氢气喷射器的控制方案，更加安全、可靠。

实施例4

在实施例3装置的基础上进行改进，数据采集单元进一步包括环境温度传感器、氢压传感器。

环境温度传感器，设于燃料电池电堆的周围环境中，用于获取燃料电池所处环境温度。

氢压传感器，布设在氢气喷射器的输出端管道内壁上，用于获取氢气喷射器的输出端气体的压力数据。

优选地，所述控制器执行如下程序：

SS1.获取燃料电池所处环境温度，判断氢气喷射器是否处于冬季冷启动状态；如果处于非冬季冷启动状态，直接执行燃料电池的启动；如果处于冬季冷启动状态，执行下一步；

SS2.在燃料电池启动前，关闭氢气循环泵并启动氢气喷射器，根据氢压传感器采集的实时压力数据识别氢气喷射器内部是否结冰；如果是，关闭氢气喷射器，执行下一步；否则，直接执行燃料电池的启动；

SS3.启动氢气循环泵，在其达到额定转速后，保持额定转速匀速运行5~10 s，获取该时段内氢气喷射器的输出端的气体压力数据；

SS4.多次下调氢气循环泵的转速直至零，保持每次调整后的新转速再次匀速运行5~10 s，获取每次调整后的氢气喷射器的输出端的氢气压力数据，关闭氢气循环泵；

SS5.确定每次匀速运行段的氢气喷射器的输出端的气体压力均值；

SS6.比较转速调整过程中的上述气体压力均值，识别氢气压力波动是否与氢气循环泵的转速呈正相关，如果是，判定氢压传感器正常，执行下一步，否则，判定氢压传感器不正常，执行氢压传感器的消冰修复操作；

SS7.对氢气喷射器施加设定的驱动电流，以预热氢气喷射器后，启动氢气循环泵；

SS8.定时获取设定时段内氢压传感器采集的压力数据，判断该时段内的压力数据是否均超过设定值，如果是，判定氢气喷射器内部的结冰现象已消除，否则，继续下一周期的判断，直到某时段内的压力数据均超过设定值，执行燃料电池的启动。

与实施例3相比，本实施例具有如下有益效果：

1、增加了氢气喷射器内部是否结冰的识别，驱动氢气喷射器检测到氢压无变化时，先使用氢气循环泵进行氢压传感器的故障诊断，再启动氢气喷射器进行消冰操作，直到结冰现象已消除。

2、在判断出氢压传感器正常后，给氢气喷射器正常施加驱动电流进行消冰操作，尝试打开氢气喷射器的同时加热氢气喷射器化冰，直到氢压超过设定值，判定结冰现象已消除，再启动燃料电池（即通氧）。

3、方法简单、安全有效，无额外添加设备，无需增加燃料电池的重量和成本，有效提高了用户体验。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。