一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法、控制系统、燃料电池发动机及其车辆与流程

1.本发明涉及一种控制方法、控制系统、燃料电池发动机及其车辆，尤其涉及一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法、控制系统、燃料电池发动机及其车辆。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)具有能量转换效率高、工作温度低、零污染、能量密度高、燃料来源广等优点，是一种高效、环境友好的新能源发电装置，可广泛应用于汽车动力、备用电源、分布式电站等许多领域。
3.氢燃料电池在低温环境中工作时，内部阴极侧h+离子和通入的o2反应生成的水残留在电堆的内部，在冰点以下的低温环境中会发生结冰，导致电堆内催化层、扩散层堵塞，阻碍电化学反应的进行，并且水结冰产生的体积变化也会对氢燃料电池内部结构造成破坏，导致燃料电池反应性能降低。从而造成对整个燃料电池发动机系统的启动造成影响，尤其在极低的环境中发动机系统可能会出现启动缓慢、甚至无法启动或启动失败等问题。
4.现有的燃料电池发动机冷启动上下电策略及低温运行策略均为通过加热线圈对排氢排水阀进行加热，随着加热线圈的老化，可能有漏电的风险，对燃料电池发动机的安全性造成影响，已经不能满足人们的需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法、控制系统、燃料电池发动机及其车辆，通过在超低温上下电及运行过程当中，在电堆排氢排水处用超声波来降低水的凝结点，防止燃料电池发动机在超低温情况下上下电及运行时产生的水使排氢排水阀结冰或者管路结冰，造成排氢不顺畅进而导致发动机急停，解决现有技术存在的缺憾。
6.本发明提供了下述方案：
7.一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法，具体包括：
8.燃料电池发动机上电，监测环境温度，判断是否进入低温启动模式；
9.如果满足低温启动模式的条件，则进入低温启动模式，或：不满足低温启动模式的条件，进入常温上电模式；
10.进入低温启动模式后，对燃料电池的电堆进行升温，开启空压机进行吹扫作业，直到燃料电池发动机解冻成功；
11.燃料电池发动机进入怠速工况，根据整车功率需求运行；
12.计算尾排流量的理论值，将尾排流量的实际值与理论值进行对比；
13.如果尾排流量的实际值低于理论值与系数的乘积，则判定电堆排氢排水处存在堵塞；
14.利用超声波换能器，向电堆排氢排水阀发射超声波，防止燃料电池发动机内部结
冰；
15.持续监测尾排流量的实际值，直到尾排流量的实际值接近或达到尾排流量的理论值，关闭超声波换能器。
16.进一步的，还包括：
17.关闭超声波换能器后，燃料电池发动机发出停机请求；
18.监测环境温度值是否低于0℃，如果环境温度值大于0℃，则常规下电，如果环境温度值小于或等于0℃，则根据环境温度设定超声波换能器的频率，并使用空压机进行高速吹扫作业，判断电堆电阻是否高于一定的阻值，如果电堆电阻低于一定的阻值，则继续根据环境温度设定超声波换能器的频率；如果电堆电阻低于一定的阻值，则关闭超声波换能器，停止空压机的吹扫作业。
19.进一步的，所述对燃料电池的电堆进行升温，具体为：开启水泵和利用ptc加热元件对燃料电池的电堆进行升温。
20.进一步的，所述空压机的转速为38000-42000rpm。
21.进一步的，燃料电池发动机解冻成功后拉载电流，同时判断电堆出水口的温度是否高于20℃，如果电堆出水口温度未达到20℃，则燃料电池发动机继续拉载电流，如果燃料电池发动机的出水口温度达到20℃，则ptc加热元件停止加热，燃料电池发动机进入怠速工况。
22.一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制系统，具体包括：
23.环境温度监测模块，用于监测环境温度，判断燃料电池发动机上电后是否进入低温启动模式；
24.尾排流量计算模块，用于计算尾排流量的理论值，并将尾排流量的实际值与理论值进行对比；
25.超声波换能控制模块，用于通过超声波换能器向电堆排氢排水阀发射超声波，缓解水珠凝结成晶体的过程；
26.冷启动及低温运行控制模块，用于对燃料电池发动机的冷启动及低温运行控制进行决策输出，具体包括：
27.如果满足低温启动模式的条件，则控制燃料电池发动机进入低温启动模式，或：不满足低温启动模式的条件，进入常温上电模式；
28.控制燃料电池发动机进入低温启动模式后，对燃料电池的电堆进行升温，开启空压机进行吹扫作业，直到燃料电池发动机解冻成功，燃料电池发动机进入怠速工况；
29.持续监测尾排流量的实际值，直到尾排流量接近或达到尾排流量的理论值，关闭超声波换能器。
30.一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，
31.处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述方法的步骤。
32.一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得所述电子设备执行所述方法的步骤。
33.一种燃料电池发动机，所述燃料电池发动机与燃料电池发动机冷启动及低温运行
控制系统建立连接，执行所述的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法。
34.一种车辆，车辆内设置有燃料电池发动机，还包括：
35.电子设备，用于实现所述的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法；
36.处理器，所述处理器运行程序，当所述程序运行时从所述电子设备输出的数据执行所述的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤；
37.存储介质，用于存储程序，所述程序在运行时对于从电子设备输出的数据执行所述的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤。
38.本发明与现有技术相比具有以下的优点：
39.本发明通过在超低温上下电及运行过程当中，在电堆排氢排水处用超声波来降低水的凝结点，防止燃料电池发动机在超低温情况下上下电及运行时产生的水使排氢排水阀结冰或者管路结冰造成排氢不顺畅进而导致发动机急停，防止燃料电池发动机在超低温环境下运行排氢阀出结冰，提高燃料电池发动机超低温下可靠性；
40.本发明通过超声波换能器代替加热线圈，提高了燃料电池发动机的安全性，事先在台架上测试超声波频率与水凝结点的数据，将对应数据应用在发动机上，超声波频率的大小与水凝结点温度具有对应关系，在发动机上电和下电过程中，根据环境温度来设定超声波频率，防止上下电过程中排氢排水阀或管路结冰。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本发明燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的流程图。
43.图2是本发明燃料电池发动机冷启动及低温运行控制系统的架构图。
44.图3是本发明实施例的系统结构图。
45.图4是本发明实施例的方法流程图。
46.图5是图4的局部放大图之一。
47.图6是图4的局部放大图之二。
48.图7是图4的局部放大图之三。
49.图8是图4的局部放大图之四。
50.图9是电子设备的系统架构图。
具体实施方式
51.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.如图1所示的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法，具体包括：
53.步骤s1：燃料电池发动机上电，监测环境温度，判断是否进入低温启动模式；
54.步骤s2：如果满足低温启动模式的条件，则进入低温启动模式，或：不满足低温启
动模式的条件，进入常温上电模式；
55.步骤s3：进入低温启动模式后，对燃料电池的电堆进行升温，开启空压机进行吹扫作业，直到燃料电池发动机解冻成功；
56.步骤s4：燃料电池发动机进入怠速工况，根据整车功率需求运行；
57.步骤s5：计算尾排流量的理论值，将尾排流量的实际值与理论值进行对比；如果尾排流量的实际值低于理论值与系数的乘积，则判定电堆排氢排水处存在堵塞，排氢排水处指的是排氢排水阀及管路；
58.尾排流量的作用是燃料电池排气口的气体流量，在本实施例中，测试尾排流量是为了更精准的控制超声波换能器。
59.步骤s6：利用超声波换能器，向电堆排氢排水阀发射超声波，防止燃料电池发动机内部结冰；
60.步骤s7：持续监测尾排流量的实际值，直到尾排流量的实际值接近或达到尾排流量的理论值，关闭超声波换能器。
61.优选的，还包括：
62.关闭超声波换能器后，燃料电池发动机发出停机请求；
63.监测环境温度值是否低于0℃，如果环境温度值大于0℃，则常规下电，如果环境温度值小于或等于0℃，则根据环境温度设定超声波换能器的频率，并使用空压机进行高速吹扫作业，判断电堆电阻是否高于一定的阻值，如果电堆电阻低于一定的阻值，则继续根据环境温度设定超声波换能器的频率；如果电堆电阻低于一定的阻值，则关闭超声波换能器，停止空压机的吹扫作业。
64.优选的，对燃料电池的电堆进行升温，具体为：开启水泵和利用ptc加热元件对燃料电池的电堆进行升温。
65.优选的，空压机的转速为38000-42000rpm。
66.优选的，燃料电池发动机解冻成功后拉载电流，同时判断电堆出水口的温度是否高于20℃，如果电堆出水口温度未达到20℃，则燃料电池发动机继续拉载电流，如果燃料电池发动机的出水口温度达到20℃，则ptc加热元件停止加热，燃料电池发动机进入怠速工况。拉载电流的意思是提升发动机功率，例如从5kw提升到20kw，可以用拉载电流来表达，以一定速率拉载电流是为了功率上升尽可能快的情况下又不会造成电堆单体电压过低。
67.对于本实施例公开的方法步骤，出于简单描述的目的将方法步骤表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
68.如图2所示的燃料电池发动机冷启动及低温运行控制系统的架构图，具体包括：
69.一种燃料电池发动机冷启动及低温运行控制系统，具体包括：
70.环境温度监测模块，用于监测环境温度，判断燃料电池发动机上电后是否进入低温启动模式；
71.尾排流量计算模块，用于计算尾排流量的理论值，并将尾排流量的实际值与理论值进行对比；
72.超声波换能控制模块，用于通过超声波换能器向电堆排氢排水阀发射超声波，缓解水珠凝结成晶体的过程；
73.冷启动及低温运行控制模块，用于对燃料电池发动机的冷启动及低温运行控制进行决策输出，具体包括：
74.如果满足低温启动模式的条件，则控制燃料电池发动机进入低温启动模式，或：不满足低温启动模式的条件，进入常温上电模式；控制燃料电池发动机进入低温启动模式后，对燃料电池的电堆进行升温，开启空压机进行吹扫作业，直到燃料电池发动机解冻成功，燃料电池发动机进入怠速工况；持续监测尾排流量的实际值，直到尾排流量接近或达到尾排流量的理论值，关闭超声波换能器。
75.值得注意的是，虽然在本系统只披露了环境温度监测模块、尾排流量计算模块、超声波换能控制模块、冷启动及低温运行控制模块，但并不意味着本系统的组成仅仅局限于上述基本功能模块，相反，本发明所要表达的意思是：在上述基本功能模块的基础之上本领域技术人员可以结合现有技术任意添加一个或多个功能模块，形成无穷多个实施例或技术方案，也就是说本系统是开放式而非封闭式的，不能因为本实施例仅仅披露了个别基本功能模块，就认为本发明权利要求的保护范围局限于所公开的基本功能模块。同时，为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元、模块分别描述。当然在实施本发明时可以把各单元、模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
76.如图3所示，为了提高燃料电池在超低温环境下上下电及运行的可靠性，可以使燃料电池发动机在低温环境下通过给电堆的排氢排水阀加一个超声波换能器及反射板来使排氢排水阀及管路内在超低温情况下仍不结冰，来保证发动机超低温运行时仍能够顺利排气，超声波频率的大小与水凝结点温度具有对应关系，事先在台架上测试超声波频率与水凝结点的数据，将对应数据应用在发动机上，在发动机上电和下电过程中，根据环境温度来设定超声波频率，防止上下电过程中结冰，发动机在工作中，各个工况下对应的尾排流量是固定于相应的流量区间的，并且可以根据入口流量及电堆功率等条件计算出该工况下对应的理论流量值，若实际测得的流量值低于理论值乘一定系数，则可视为排氢排水不够顺畅，出现结冰的情况，此时可以打开超声波换能器，降低水的凝结点，防止排氢排水堵塞。
77.研究表明，在低温环境下超声波换能器可以将输入的电动率转化为超声波并射出，再通过反射板将超声波反射回来，入射波和反射波的相互作用下空间内将形成大量的网状驻波，形成的声压相互交错的节点，排氢阀及排氢管路内将受到两个方向不同的声压作用，并借此达到平衡，从而悬浮于空中，降低水珠与内壁接触的概率，导致水珠难以凝成晶体，提高燃料电池发动机在超低温环境下的可靠性。现在台架上测试在超低温环境下，超声波频率与排氢排水阀状态的关系，找到保证排氢排水阀及排水管路不结冰的状态下某环境温度下对应的超声波频率。
78.如图4至图8所示的具体控制策略：上电过程当中判断环境温度低于一定温度则进入低温启动模式，水泵和ptc工作来对电堆升温，空压机以一定转速(优选转速为38000-42000rpm，例如可以将转速设置为40000rpm)进行吹扫，根据环境温度设定超声波换能器频率，当各部件解冻后进入功率拉载状态，开始以一定速率(优选为1820a/s至22a/s，示例性的选择速率为20a/s)拉载电流并开始正常运行，此时通过尾排处流量计测得的流量值与当时工况对应下理论的尾排流量值对比，若实际值低于理论值乘系数k(优选为75％～85％，
示例性的选择系数k为80％)，则视为排氢排水有轻微堵塞，打开超声波换能器，若实际流量与理论流量接近则关闭超声波换能器，当整车发送下电指令后，再次根据环境温度判断超声波换能器频率，若环境温度高于0℃则常规下电吹扫。
79.图5至图8是图4的局部放大图，将图5至图8纵向依次排列，去除重复的部分，即可得到图4的完整流程图。
80.如图9所示，本发明还公开与燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法、控制系统相对应的电子设备和存储介质：
81.一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤。
82.一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得所述电子设备执行燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤。
83.上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
84.电子设备包括硬件层，运行在硬件层之上的操作系统层，以及运行在操作系统上的应用层。该硬件层包括中央处理器(cpu，central processing unit)、内存管理单元(mmu，memory management unit)和内存等硬件。该操作系统可以是任意一种或多种通过进程(process)实现电子设备控制的计算机操作系统，例如，linux操作系统、unix操作系统、android操作系统、ios操作系统或windows操作系统等。并且在本发明实施例中该电子设备可以是智能手机、平板电脑等手持设备，也可以是桌面计算机、便携式计算机等电子设备，本发明实施例中并未特别限定。
85.本发明实施例中的电子设备控制的执行主体可以是电子设备，或者是电子设备中能够调用程序并执行程序的功能模块。电子设备可以获取到存储介质对应的固件，存储介质对应的固件由供应商提供，不同存储介质对应的固件可以相同可以不同，在此不做限定。电子设备获取到存储介质对应的固件后，可以将该存储介质对应的固件写入存储介质中，具体地是往该存储介质中烧入该存储介质对应固件。将固件烧入存储介质的过程可以采用现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。
86.电子设备还可以获取到存储介质对应的重置命令，存储介质对应的重置命令由供应商提供，不同存储介质对应的重置命令可以相同可以不同，在此不做限定。
87.此时电子设备的存储介质为写入了对应的固件的存储介质，电子设备可以在写入了对应的固件的存储介质中响应该存储介质对应的重置命令，从而电子设备根据存储介质对应的重置命令，对该写入对应的固件的存储介质进行重置。根据重置命令对存储介质进行重置的过程可以现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。
88.本发明还公开了一种燃料电池发动机和与安装有该资料电池发动机的汽车，具体为：
89.一种燃料电池发动机，燃料电池发动机与燃料电池发动机冷启动及低温运行控制系统建立连接，执行燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法。本领域技术人员根据技术常识可以理解，燃料电池发动机可以作为主体或客体接受控制系统的指令执行相应的操作，实现发明目的、解决技术问题并实现相应的技术效果。
90.一种车辆，车辆内设置有燃料电池发动机，还包括：
91.电子设备，用于实现燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法；
92.处理器，处理器运行程序，当程序运行时从电子设备输出的数据执行燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤；
93.存储介质，用于存储程序，程序在运行时对于从电子设备输出的数据执行燃料电池发动机冷启动及低温运行控制方法的步骤。
94.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
95.需要说明的是，本说明书与权利要求中使用了某些词汇来指称特定元件。本领域技术人员应可以理解，车辆制造商可能会用不同名词来称呼同一个元件。本说明书与权利要求并不以名词的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。如通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故其应被理解成“包括但不限定于”。后续将对实施本发明的较佳实施方式进行描述说明，但是所述说明是以说明书的一般原则为目的，并非用于限定本发明的范围。本发明的保护范围当根据其所附的权利要求所界定者为准。
96.通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。
97.以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
98.本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
99.本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由
通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
100.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。