一种燃料电池系统的开机控制方法与流程

本发明涉及燃料电池的应用领域，具体的说是一种燃料电池系统的开机控制方法。

背景技术：

新能源汽车发展的主要趋势是汽车能源的多元化和汽车动力的电气化。燃料电池作为一种高效、零污染车用电源，是汽车动力电气化的理想选择。燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，由于其高效率和低排放等众多优点，逐渐成为了车载发动机的研究重点。在燃料的供应中，由于有水的产生，需要在温度低于0℃时采取保温加热措施，以保证燃料电池不受伤害。

目前氢能源汽车基本采用质子交换膜燃料电池，而在质子交换膜燃料电池工作过程中，生成大量的水；大多数质子交换膜燃料电池都需要阴极空气增湿，在温度低于0℃时，很容易结冰并对质子交换膜产生伤害，严重者会使质子交换膜被戳穿，导致燃料电池报废。即使轻微的结冰也会影响燃料电池的寿命。

技术实现要素：

为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种燃料电池系统的开机控制方法，利用简单的结构实现了环境温度低于0℃时系统低温快速启动，节约材料和能量，延长燃料电池系统的使用寿命。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种燃料电池系统的开机控制方法，所述燃料电池系统包含有燃料电池及相关组件、dcdc转换器、锂电池组和控制器，所述控制器控制燃料电池及其相关组件的动作产生电能，并通过dcdc转换器转换后进入锂电池组储存作为动力源，在燃料电池的正负极之间连接接触器和电阻，所述接触器与控制器连接，并通过如下步骤实现燃料电池系统的自动开机控制：

1）燃料电池系统开机，自检，系统进入待机状态；

2）控制器通过与空压机连接空气温度流量计检测环境温度，如果环境温度低于0℃，系统执行低温启动程序，如果环境高于0℃，系统正常开机运行；

3）系统执行低温启动时，控制器控制系统内冷却水泵、空压机、氢气进气阀，通过电压传感器、电流传感器检测系统开路电压为正常值，控制器控制接触器短时闭合，电阻直接燃料电池正负极之间造成短路，控制器检测到电压发生变化后控制接触器断开，使开路电压恢复至起始状态；

4）循环执行上述步骤3），当空气温度流量计检测到环境温度大于5℃，控制器14控制循环结束，系统自动开机运行。

所述控制器控制继电器闭合的时间为0.25秒，所述电阻阻值设置为5欧姆以下所述燃料电池的单片开路电压升降区间为0.7-0.9v。

本发明针对燃料电池开机过程中存在的环境温度过低对系统造成的影响问题，在燃料电池的正负极之间连接了接触器和电阻，结构简单，在控制器检测到开机环境温度低于0℃时系统执行低温启动程序，控制器控制接触器不断的短时闭合，电阻的存在造成燃料电池正负极处于不断短路的状态，产生大量的热量来迅速使环境空气温度升高，达到燃料电池可以正常启动运行的温度时结束接触器的动作，经过实验证明，在环境温度-30℃时系统在30秒内能够实现正常开机和运行，大大缩短了燃料电池系统低温状态下的启动时间，避免了低温启动对燃料电池的影响，延长了燃料电池的使用寿命，保证了燃料电池良好的运行状态；相对于目前各种复杂的启动前升温加热装置，本发明只是增加了接触器和电阻，成本低廉，适合大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

如图1-2所示，一种燃料电池系统的开机控制方法，所述燃料电池系统包含有燃料电池4及相关组件、dcdc转换器10、锂电池组11和控制器14，所述控制器14控制燃料电池4及其相关组件的动作产生电能，并通过dcdc转换器10转换后进入锂电池组11储存作为动力源，在燃料电池4的正负极之间连接接触器12和电阻13，所述接触器12与控制器14连接，并通过如下步骤实现燃料电池系统的自动开机控制：

1）燃料电池系统开机，自检，系统进入待机状态；

2）控制器14通过与空压机3连接空气温度流量计2检测环境温度，如果环境温度低于0℃，系统执行低温启动程序，如果环境高于0℃，系统正常开机运行；

3）系统执行低温启动时，控制器14控制系统内冷却水泵17、空压机3、氢气进气阀6，通过电压传感器16、电流传感器15检测系统开路电压为正常值，控制器14控制接触器12短时闭合，电阻13直接连接于燃料电池4正负极之间造成短路，控制器14检测到电压发生变化后控制接触器12断开，使开路电压恢复至起始状态；

4）循环执行上述步骤3），当空气温度流量计2检测到环境温度大于5℃，控制器14控制循环结束，系统自动开机运行。

作为优选的方式，本实施例中，所述控制器14控制继电器12闭合的时间为0.25秒，所述电阻13阻值设置为5欧姆以下，所述燃料电池4的单片开路电压升降区间为0.7-0.9v。

如图1所示，本实施例中的燃料电池4的相关组件包括空滤1、空气温度流量计2、空压机3、氢气存储装置5、氢气电磁阀6、膨胀水箱7、去离子器8、散热器9、电流传感器15、电压传感器16和冷却水泵17，所述空滤1、空气温度流量计2、空压机3、燃料电池4顺次连接，所述氢气存储装置5与燃料点吃连接并设置氢气电磁阀6，所述膨胀水箱7、去离子器8连接并接入燃料电池4形成回路，所述冷却水泵17、散热器9连接并接入燃料电池4形成回路，所述电流传感器15、电压传感器16与燃料电池4输出端连接用于检测燃料电池4的电流和电压。

本发明的具体控制过程如下：

1）燃料电池系统开机自检，主要检查各零部件供电与通讯是否正常，自检完成后，系统进入待机状态；

2）控制器14获取到空气温度流量计2检测的环境温度，如果环境温度低于0℃，系统执行低温启动程序，如果环境高于0℃，系统正常开机运行；

3）系统执行低温启动时，控制器14控制系统内冷却水泵17、空压机3、氢气进气阀6，通过电压传感器16、电流传感器15检测系统开路电压为正常值0.9v，控制器14控制接触器12短时闭合，闭合时间为0.25秒，电阻13直接连接于燃料电池4正负极之间造成燃料电池电堆处于正负极短路状态，产生巨大的热量，而此时冷却水泵17是处于工作状态的，产生的热量传递给冷却液，使冷却液迅速升温；由于短路作用，会拉低燃料电池4的开路电压，由初始的单片电压0.9v拉低至每片0.7v，此时控制器14检测到电压发生变化后控制接触器12断开，使开路电压恢复至起始状态；

4）循环执行上述步骤3），当空气温度流量计2检测到环境温度大于5℃，控制器14控制循环结束，系统自动开机运行。

在本发明实施例中，电阻13的阻值选择5欧姆以下，阻值尽量小，根据公式q=i²rt，其中r是燃料电池内阻，不是外加的电阻，这个内阻r是个固定值，外加的电阻r也就是我们的电阻13足够小，整个回路的电流才足够大，在单位时间内产生的热量才足够多，燃料电池升温速度才足够快，可以缩短低温启动的时间。而接触器12闭合时间为0.25秒，就是为了控制热量的产生，热量产生的速度不能太快，否则会导致燃料电池内部温度急剧升高，有损坏燃料电池的危险。本发明的方法，通过连接简单的硬件——电阻和接触器，根据动作过程编写控制程序的软件，即可实现燃料电池在低温情况下的启动控制，不用外加复杂的硬件设备，减少了故障发生的概率，同时降低了成本。

下面表格是同一燃料电池在采用了本发明的低温启动程序和未采用低温启动程序的启动过程记录的状态数据：

从表格可以看出，执行本发明低温启动程序时，电堆温度在30s时已经到达零上，此时可以正常开机运行，而不执行本发明的程序时，电堆在零下30℃只能加载10a电流，零下25℃左右时可以加载到30a，运行30s后，电堆温度仍然在零下20℃以下，还需很长时间加热，经过实验，该加热时间长达10分钟。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。