CN112582649B - 一种电堆加热装置及燃料电池***分级控制方法 - Google Patents

一种电堆加热装置及燃料电池***分级控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电堆加热装置及燃料电池***分级控制方法，属于电池领域。其空压机的进气入口管通过空气流量计连接于空滤的出口管；中冷器的进口管连接于空压机的出口管，且中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；增湿器的干空气侧入口连接于中冷器的第一出口管；增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于混排器；电堆的空气入口连接于增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于增湿器的湿空气侧入口；预热阀的进口管连接于中冷器的第二出口管，且出口管连接于空压机的进气入口管；控制器分别电连接于空气流量计、空压机、预热阀、背压阀以及电堆。该装置占用空间小，降低了整个燃料电池***低温冷启动的耗电量。

Description

一种电堆加热装置及燃料电池***分级控制方法
技术领域
本申请涉及电池领域，尤其涉及一种电堆加热装置及燃料电池***分级控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池***包括电堆、空气***、氢气***、冷却***以及相应控制***。燃料电池在低温条件下启动会受到残余水和生成水结冰的阻碍，冰会填充催化层或扩散层孔隙，使电化学反应降低甚至停止，影响电堆的低温启动性能。同时，当水结冰时会产生体积膨胀，而当电池启动之后产生的热量将冰融化成水，体积又会减小，反复相变会对电池材料结构以至电池性能及寿命产生很大的影响。燃料电池在低温下能够在短时间内成功启动，就需要提供热量使冰融化以及加热燃料电池使其快速达到正常工作状态。
现有的技术方案一般是通过在冷却***中布置加热器，通过加热冷却液或在空气、氢气回路中安装加热器加热气体来使电堆快速升温，实现低温冷启动。这种技术方案的加热效果较差，耗电量较大，升温慢，且加热器体积占用的布置空间大，不利于集成化设计。
发明内容
本申请的目的之一在于提供一种电堆加热装置，旨在改善现有的燃料电池***低温冷启动过程中电堆升温速度慢且启动加热耗量较大的问题。
本申请的技术方案是：
一种电堆加热装置，包括：
空滤；
空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；
中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；
增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述中冷器的第一出口管；
混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器；
电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；
预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的第二出口管，且出口管连接于所述空压机的进气入口管；
控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆。
作为本申请的一种技术方案，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
一种燃料电池***分级控制方法，包括以上所述的电堆加热装置，包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％；
S2，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温；
S3，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热。
一种电堆加热装置，包括：
空滤；
空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；
中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；
预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的出口管，且第二出口管连接于所述空压机的进气入口管；
增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述预热阀的第一出口管；
混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器；
电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；
控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆。
作为本申请的一种技术方案，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
一种燃料电池***分级控制方法，包括以上所述的电堆加热装置，包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％；
S2，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温；
S3，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热。
一种电堆加热装置，包括：
空滤；
空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；
中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；
增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述中冷器的第一出口管；
预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的第二出口管，且第一出口管连接于所述空压机的进气入口管；
混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器，且所述预热阀的第二出口管连接于所述混排器；
电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；
控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆。
作为本申请的一种技术方案，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
一种燃料电池***分级控制方法，包括以上所述的电堆加热装置，包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，并使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度为0℃以上时，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a1时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b1时，开启所述预热阀，调节开度以关闭所述预热阀的第一出口管、开通所述预热阀的第二出口管，将所述预热阀内过剩的空气流量不流经所述电堆而旁通至所述混排器，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a2且a2大于a1时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b2且b2大于b1时，开启所述预热阀，调节开度以同时开通所述预热阀的第一出口管、所述预热阀的第二出口管，将所述预热阀内一部分过剩的空气流量不流经所述电堆而旁通至混排器，所述预热阀内另一部分过剩的空气再次进入到所述空压机中进行循环，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a3且a3大于a2时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b3且b3大于b2时，开启所述预热阀，调节开度以开通所述预热阀的第一出口管、关闭所述预热阀的第二出口管，将一部分过剩的空气再次进入到所述空压机中进行循环。
本申请的有益效果：
本申请的电堆加热装置中，其采用预热阀来调节空压机的出口处的空气循环而进入到空压机中进行加热，可快速提升空压机的出口处的空气温度，其空气温度比现有技术方案中的高出100℃以上，该高温空气一方面可以快速加热中冷器内部的冷却液，该冷却液最终汇入到冷却回路中而进入到电堆中来提升电堆的温度，另一方面高温空气通过增湿器直接进入到电堆中而对电堆进行加热，从而能够快速地加快电堆的升温过程；此外，高温的空气意味着具有更高的饱和蒸气压，其能够带走更多的电堆内部化学反应产生的水，进而进一步地降低电堆的内阻，加快电堆内部的化学反应，缩短燃料电池***低温冷启动时间。此外，本装置没有采用外部热源，占用空间小，从而有效地降低了整个燃料电池***低温冷启动的耗电量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请第一实施例提供的电堆加热装置示意图；
图2为本申请第二实施例提供的电堆加热装置示意图；
图3为本申请第三实施例提供的电堆加热装置示意图。
图标：1-电堆加热装置；2-空滤；3-空压机；4-空气流量计；5-中冷器；6-进口冷却管；7-出口冷却管；8-增湿器；9-混排器；10-背压阀；11-电堆；12-预热阀；13-控制器；14-进堆温度压力传感器；15-出堆温度压力传感器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
第一实施例：
请参照图1，本申请提供一种电堆加热装置1，包括空滤2，空压机3的进气入口管通过空气流量计4连接于空滤2的出口管，中冷器5的进口管连接于空压机3的出口管，且中冷器5上分别连接有进口冷却管6和出口冷却管7；增湿器8的干空气侧入口连接于中冷器5的第一出口管，增湿器8的湿空气侧出口通过背压阀10连接于混排器9；同时，电堆11的空气入口连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口连接于增湿器8的湿空气侧入口；预热阀12的进口管连接于中冷器5的第二出口管，且出口管连接于空压机3的进气入口管；控制器13分别电连接于空气流量计4、空压机3、预热阀12、背压阀10以及电堆11。
进一步地，在本实施例中，电堆11的空气入口通过进堆温度压力传感器14连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器15连接于增湿器8的湿空气侧入口；控制器13分别电连接于进堆温度压力传感器14、出堆温度压力传感器15。
需要说明的是，空滤2是过滤空气中的化学和物理杂质，空滤2的出口连接空气流量计4，空气流量计4具备实时监测空气流量的功能并将流量信号传递至控制器13，空气流量计4出口连接空压机3，通过控制器13调节空压机3的转速实现空气流量和压力调节。空压机3出口连接中冷器5，中冷器5的作用是将空压机3出口的高温气体冷却至目标温度范围。中冷器5第一出口连接增湿器8干空气侧入口，增湿器8具备增湿功能，其干空气侧出口连接进堆温度压力传感器14，然后通向电堆11空气入口，电堆11的出口通过出堆温度压力传感器15而连接于增湿器8湿空气侧入口；因此，空气从增湿器8湿空气侧出口流出再连接背压阀10，最后通向混排器9。同时，中冷器5的第二出口连接预热阀12，然后连接至空压机3进气入口，预热阀12同时具备泄压和空气预热功能；此外，图中的短虚线为控制回路。
预热阀12布置在空气***支路，预热阀12具备泄压和空气预热功能，常温稳态运行工况处于关闭状态；当电堆11运行在功率急速下降工况、背压阀10开度快速变小时，空压机3的出口流量迅速下降导致空压机3容易发生喘振，此时通过控制器13控制预热阀12短时开启一定时间，可缓解空压机3出口流量下降，同时降低空压机3出口压力，避免空压机3发生喘振；当电堆11运行在低温冷启动工况，电堆11内部温度及冷却液温度低于0℃，易出现低温冷启动失败或者启动时间过长，此时预热阀12长时开启一定时间，将空压机3增压后的一部分高温空气通入空压机3的进气口，让空压机3再次对这部分其他做功，如此反复所经历是时间在几秒之内，即可将空压机3出口空气温度提升至比通常超出100℃以上。
此外，本实施例中还提供了一种燃料电池***分级控制方法，其采用以上的电堆加热装置1进行实施，其主要包括以下步骤：
(一)，当环境温度低于0℃时，燃料电池***进入低温冷启动工况：
S1，启动空压机3至转速n1，调整背压阀10至开度V1，同时开启预热阀12至初始开度H1，使流经预热阀12的空气流量占空压机3的出口空气流量的18％-21％，即该比例可以为20％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，其一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11，并对电堆11进行加热；另一方面该经过预热之后的冷却液从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
(二)，当环境温度低于-10℃时：
S1，启动空压机3至转速n2，调整背压阀10至开度V2，同时开启预热阀12至初始开度H2，使流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的33％-36％，即该比例可以为35％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态，以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面升温后的高温气体从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
(三)，当环境温度低于-20℃时：
S1，启动空压机3至转速n3，调整背压阀10至开度V3，同时开启预热阀12至初始开度H3，使流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的49％-51％，即该比例可以为50％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间预热阀12的开度一直处于调节状态，以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
本申请的电堆加热装置1中，其采用预热阀12来调节空压机3的出口处的空气循环而进入到空压机3中进行加热，可快速提升空压机3的出口处的空气温度，其空气温度比现有技术方案中的高出100℃以上，该高温空气一方面可以快速加热中冷器5内部的冷却液，该冷却液最终汇入到冷却回路中而进入到电堆11中来提升电堆11的温度，另一方面高温空气通过增湿器8直接进入到电堆11中而对电堆11进行加热，从而能够快速地加快电堆11的升温过程；此外，高温的空气意味着具有更高的饱和蒸气压，其能够带走更多的电堆11内部化学反应产生的水，进而进一步地降低电堆11的内阻，加快电堆11内部的化学反应，缩短燃料电池***低温冷启动时间。此外，本装置没有采用外部热源，占用空间小，从而有效地降低了整个燃料电池***低温冷启动的耗电量。
第二实施例：
请参照图2，本申请提供了一种电堆加热装置1，包括空滤2；空压机3的进气入口管通过空气流量计4连接于空滤2的出口管；中冷器5的进口管连接于空压机3的出口管，且中冷器5上分别连接有进口冷却管6和出口冷却管7；预热阀12的进口管连接于中冷器5的出口管，且第二出口管连接于空压机3的进气入口管；增湿器8的干空气侧入口连接于预热阀12的第一出口管，且增湿器8的湿空气侧出口通过背压阀10连接于混排器9；电堆11的空气入口连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口连接于增湿器8的湿空气侧入口；控制器13分别电连接于空气流量计4、空压机3、预热阀12、背压阀10以及电堆11。
进一步地，在本实施例中，电堆11的空气入口通过进堆温度压力传感器14连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器15连接于增湿器8的湿空气侧入口；控制器13分别电连接于进堆温度压力传感器14、出堆温度压力传感器15。
需要说明的是，预热阀12布置在空气***主回路，预热阀12的入口连接中冷器5出口，预热阀12的第一出口连接于增湿器8的干空气侧入口，预热阀12的第二出口连接空压机3的进气口。预热阀12阀具备泄压和空气预热功能，在常温稳态工况，预热阀12的入口与第一出口为常通状态，而与第二出口为不连通的常闭状态。当电堆11运行在功率急速下降工况、背压阀10开度快速变小时，空压机3的出口流量迅速下降导致空压机3容易发生喘振，此时预热阀12短时开启一定时间，可缓解空压机3出口流量下降，同时降低空压机3出口压力，避免空压机3发生喘振；当电堆11运行在低温冷启动工况，电堆11内部温度及冷却液温度低于0℃，易出现低温冷启动失败或者启动时间过长，此时预热阀12长时开启一定时间，将空压机3增压后的一部分高温空气通入空压机3的进气口，让空压机3再次对这部分其他做功，如此反复所经历是时间在几秒之内，即可将空压机3出口空气温度提升至比通常超出100℃以上。
此外，本实施例中还提供了一种燃料电池***分级控制方法，其采用括以上的电堆加热装置1进行实施，该控制方法主要包括以下步骤：
(一)，当环境温度低于0℃时，燃料电池***进入低温冷启动工况：
S1，启动空压机3至转速n1，调整背压阀10至开度V1，同时开启预热阀12至初始开度H1，使流经预热阀12的空气流量占空压机3的出口空气流量的18％-21％，即该比例可以为20％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，其一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11，并对电堆11进行加热；另一方面该经过预热之后的冷却液从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
(二)，当环境温度低于-10℃时：
S1，当环境温度低于-10℃时，启动空压机3至转速n2，调整背压阀10至开度V2，同时开启预热阀12至初始开度H2，使流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的33％-36％，即该比例可以为35％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态，以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面升温后的高温气体从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
(三)，当环境温度低于-20℃时：
S1，当环境温度低于-20℃时，启动空压机3至转速n3，调整背压阀10至开度V3，同时开启预热阀12至初始开度H3，使流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的49％-51％，即该比例可以为50％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间预热阀12的开度一直处于调节状态，以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11的快速升温。
因此，在不同环境温度条件下燃料电池***进行低温启动，通过控制器13调节预热阀12的开度，控制流经预热阀12的空气流量比例，最终为了控制空压机3的出口空气温度达到目标温度，提升电堆11升温速度，并快速带走电堆11内部化学反应产生的大量水，缩短燃料电池***低温冷启动时间。
第三实施例：
请参照图3，本申请提供了一种电堆加热装置1，其主要包括空滤2；空压机3的进气入口管通过空气流量计4连接于空滤2的出口管；中冷器5的进口管连接于空压机3的出口管，且中冷器5上分别连接有进口冷却管6和出口冷却管7；增湿器8的干空气侧入口连接于中冷器5的第一出口管；预热阀12，预热阀12的进口管连接于中冷器5的第二出口管，且第一出口管连接于空压机3的进气入口管；增湿器8的湿空气侧出口通过背压阀10连接于混排器9，且预热阀12的第二出口管连接于混排器9；电堆11的空气入口连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口连接于增湿器8的湿空气侧入口；控制器13分别电连接于空气流量计4、空压机3、预热阀12、背压阀10以及电堆11。
进一步地，在本实施例中，电堆11的空气入口通过进堆温度压力传感器14连接于增湿器8的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器15连接于增湿器8的湿空气侧入口；控制器13分别电连接于进堆温度压力传感器14、出堆温度压力传感器15。
需要说明的是，中冷器5的第一出口连接增湿器8的干空气侧入口，增湿器8具备增湿功能，其干空气侧出口连接进堆温度压力传感器14，然后通向电堆11空气入口，电堆11的出口通过出堆温度压力传感器15连接于增湿器8的湿空气侧入口，从增湿器8湿空气侧出口流出再连接背压阀10，最后通向混排器9；中冷器5的第二出口连接预热阀12的入口，预热阀12的第一出口连接至空压机3的进气入口，预热阀12的第二出口连接混排器9，预热阀12同时具备泄压和空气预热功能；此外，图中的短虚线为控制回路。
此外，本实施例中还提供了一种燃料电池***分级控制方法，其主要以上的电堆加热装置1进行实施，该控制方法主要包括以下步骤：
(一)当环境温度低于0℃时，燃料电池***进入低温冷启动工况：
S1，启动空压机3至转速n1，调整背压阀10至开度V1，同时开启预热阀12至初始开度H1，且开通预热阀12的第一出口管，关闭预热阀12的第二出口管，并使H1开度下流经预热阀12的空气流量占空压机3的出口空气流量的18％-21％，即可以为20％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入到空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11快速升温。
(二)当环境温度低于-10℃时：
S1，启动空压机3至转速n2，调整背压阀10至开度V2，同时开启预热阀12至初始开度H2，且开通预热阀12的第一出口管，关闭预热阀12的第二出口管，使H2开度下流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的33％-36％，即可以为35％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后，一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11快速升温。
(三)当环境温度低于-20℃时，燃料电池***进入低温冷启动工况：
S1，启动空压机3至转速n3，调整背压阀10至开度V3，同时开启预热阀12至初始开度H3，且开通预热阀12的第一出口管，关闭预热阀12的第二出口管，使H3开度下流经预热阀12的空气流量占空压机3出口空气流量的49％-51％，即可以为50％左右；
S2，从空压机3出口的空气经中冷器5换热后一部分空气由预热阀12调节再次进入空压机3的入口进行做功升温，提升空压机3出口空气温度；同时，在此期间，预热阀12的开度一直处于调节状态以保持空压机3出口空气温度达到目标控制高温温度；
S3，升温后的高温气体一方面可通过中冷器5换热对流经中冷器5内部的冷却液进行预热，该冷却液通过进口冷却管6流入中冷器5，从出口冷却管7流出，最终汇入冷却回路后进入电堆11并对电堆11进行加热；另一方面从中冷器5气侧出口进入增湿器8，然后进入电堆11，为电堆11提供高温加热气体，实现电堆11快速升温。
此外，该装置还具备分级喘振控制功能。
当环境温度为0℃以上时，燃料电池***启动成功后进入动态运行工况，电堆11负载功率在较大范围内变化，随之发生的是空压机3的转速和背压阀10开度频繁的联动调节，空压机3流量出行急剧下降，导致空压机3发生喘振。此时，预热阀12可以起到泄压和防喘振功能；其具体操作方法如下：
(1)当控制器13监测到电堆11功率需求由大变小的速率大于设定值a1时，且背压阀10变化速率大于设计值b1，开启预热阀12，调节开度使预热阀12的入口仅与第二出口连通，与第一出口不连通，将过剩的空气流量不流经电堆11而旁通至混排器9，使空压机3的流量不至于急速下降，从而改善了喘振；
(2)当控制器13监测到电堆11功率需求由大变小的速率大于设定值a2(a2大于a1)时，且背压阀10变化速率大于设计值b2(b2大于b1)，开启预热阀12，调节开度使预热阀12的入口同时与第一出口和第二出口连通，将一部分过剩的空气流量不流经电堆11而旁通至混排器9，另一部分过剩的空气从新进入空压机3入口循环，使空压机3的流量不至于急速下降，从而改善了喘振；
(3)当控制器13监测到电堆11功率需求由大变小的速率大于设定值a3(a3大于a2)时，且背压阀10变化速率大于设计值b3(b3大于b2)，开启预热阀12，调节开度使预热阀12的入口仅与第一出口连通，与第二出口不连通，将一部分过剩的空气从新进入空压机3入口循环，使空压机3的流量不至于急速下降，同时大幅降低空气压力从而改善了空压机3喘振。
达到上述效果的原因是，预热阀12入口仅与第二出口连通，与第一出口不连通，可旁通空压机3出口大部分流量和少部分压力，可使空压机3的流量维持不变或者缓慢下降避免喘振，同时又让空气压力下降较少，以满足电堆11进堆压力需求，从而能够保持电堆11高效率的工作。同时，预热阀12入口仅与第一出口连通，与第二出口不连通可旁通大部分流量和大部分压力，可使空压机3流量维持不变或者缓慢增加同时又让空气压力下降较多，从而避免喘振，且防喘振效果更好，但会大幅降低电堆11进堆压力，降低电堆11的工作效率，因此需要严格按照上述方法进行空压机3喘振分级控制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池***分级控制方法，其特征在于，采用电堆加热装置进行控制，所述电堆加热装置包括空滤；空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述中冷器的第一出口管；混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器；电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的第二出口管，且出口管连接于所述空压机的进气入口管；控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆；所述燃料电池***分级控制方法包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％；
S2，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温；
S3，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***分级控制方法，其特征在于，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
3.一种燃料电池***分级控制方法，其特征在于，采用电堆加热装置进行控制，所述电堆加热装置包括空滤；空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的出口管，且第二出口管连接于所述空压机的进气入口管；增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述预热阀的第一出口管；混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器；电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆；所述燃料电池***分级控制方法包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％；
S2，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温；
S3，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热。
4.根据权利要求3所述的燃料电池***分级控制方法，其特征在于，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
5.一种燃料电池***分级控制方法，其特征在于，采用电堆加热装置进行控制，所述电堆加热装置包括空滤；空压机，所述空压机的进气入口管通过空气流量计连接于所述空滤的出口管；中冷器，所述中冷器的进口管连接于所述空压机的出口管，且所述中冷器上分别连接有进口冷却管和出口冷却管；增湿器，所述增湿器的干空气侧入口连接于所述中冷器的第一出口管；预热阀，所述预热阀的进口管连接于所述中冷器的第二出口管，且所述预热阀的第一出口管连接于所述空压机的进气入口管；混排器，所述增湿器的湿空气侧出口通过背压阀连接于所述混排器，且所述预热阀的第二出口管连接于所述混排器；电堆，所述电堆的空气入口连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口连接于所述增湿器的湿空气侧入口；控制器，所述控制器分别电连接于所述空气流量计、所述空压机、所述预热阀、所述背压阀以及所述电堆；所述燃料电池***分级控制方法包括以下步骤：
S1，当环境温度低于0℃时，启动所述空压机至转速n1，调整所述背压阀至开度V1，同时开启所述预热阀至初始开度H1，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，并使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机的出口空气流量的18％-21％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度低于-10℃时，启动所述空压机至转速n2，调整所述背压阀至开度V2，同时开启所述预热阀至初始开度H2，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的33％-36％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度低于-20℃时，启动所述空压机至转速n3，调整所述背压阀至开度V3，同时开启所述预热阀至初始开度H3，且开通所述预热阀的第一出口管，关闭所述预热阀的第二出口管，使流经所述预热阀的空气流量占所述空压机出口空气流量的49％-51％，从所述空压机出口的空气经所述中冷器中换热后，一部分空气进入到所述预热阀中，并由所述预热阀调节后再次进入所述空压机中进行升温，由所述空压机升温后的一部分高温气体对所述中冷器内的冷却液进行预热，经过预热后的所述冷却液通过所述出口冷却管汇入冷却回路后进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；由所述空压机升温后的另一部分高温气体通过所述增湿器进入所述电堆，并对所述电堆进行加热；当环境温度为0℃以上时，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a1时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b1时，开启所述预热阀，调节开度以关闭所述预热阀的第一出口管、开通所述预热阀的第二出口管，将所述预热阀内过剩的空气流量不流经所述电堆而旁通至所述混排器，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a2且a2大于a1时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b2且b2大于b1时，开启所述预热阀，调节开度以同时开通所述预热阀的第一出口管、所述预热阀的第二出口管，将所述预热阀内一部分过剩的空气流量不流经所述电堆而旁通至混排器，所述预热阀内另一部分过剩的空气再次进入到所述空压机中进行循环，当所述控制器监测到所述电堆的功率需求由大变小的速率大于设定值a3且a3大于a2时，且所述背压阀的变化速率大于设计值b3且b3大于b2时，开启所述预热阀，调节开度以开通所述预热阀的第一出口管、关闭所述预热阀的第二出口管，将一部分过剩的空气再次进入到所述空压机中进行循环。
6.根据权利要求5所述的燃料电池***分级控制方法，其特征在于，所述电堆的空气入口通过进堆温度压力传感器连接于所述增湿器的干空气侧出口，且空气出口通过出堆温度压力传感器连接于所述增湿器的湿空气侧入口；所述控制器分别电连接于所述进堆温度压力传感器、所述出堆温度压力传感器。
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