CN114142066B - 一种燃料电池冷启动***、方法及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池冷启动***、方法及车辆，所述***包括：电控单元与冷启动子***，冷启动子***包括电堆、背压阀、混排、三通阀以及依次连接的空气过滤器、空压机与中冷器，中冷器的出口与电堆的入口连通，电堆的出口与背压阀的入口连通；其中，三通阀设置在空压机与中冷器的连接管路上，三通阀的第一出口与中冷器的入口连通，三通阀的第二出口与背压阀的入口连通，背压阀的出口与混排的入口连通；电控单元与三通阀电连接，用于控制三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过空压机压缩排出后的高温空气经过三通阀的第二出口进入背压阀。该***能够有效地减少背压阀中的水分残留，防止燃料电池***在冷启动时背压阀结冰。

Description

一种燃料电池冷启动***、方法及车辆
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷启动***、方法及车辆。
背景技术
车用燃料电池***一般采用质子交换膜燃料电池，它是通过氢气与空气中的氧气的化学反应产生电能，反应生成物为水。合适的通气压力、温度、湿度会发挥燃料电池***的最优性能，其中空气压力主要是通过调节背压阀开度实现的。但是在燃料电池冷启动过程中，由于低温使被压阀结冰冻住无法调节开度，燃料电池控制器在接收到背压阀结冰无法正常工作时，发出指令禁止空压机启动，导致燃料电池无法完成冷启动。
分析发现，背压阀结冰主要是由于空气中含有的部分水分残留在背压阀中，燃料电池***停机吹扫动作并未将背压阀中水分完全吹扫干净。这样在低温状态下，被压阀自身破冰能力不足，进而破冰失败，最终控制策略导致空压机无法启动，使燃料电池冷启动失败。
发明内容
本申请实施例提供了一种燃料电池冷启动***、方法及车辆，该***能够有效地减少背压阀中的水分残留，以防止燃料电池***在冷启动时背压阀结冰，使背压阀能够正常调节开度，进而顺利启动空压机，确保燃料电池冷启动成功。
第一方面，本发明通过本发明的一实施例提供如下技术方案：
一种燃料电池冷启动***，包括：
电控单元与冷启动子***，所述冷启动子***包括电堆、背压阀、混排、三通阀以及依次连接的空气过滤器、空压机与中冷器，所述中冷器的第一出口与所述电堆的入口连通，所述中冷器的第二出口与所述电堆的扫气入口连通，所述电堆的出口与所述背压阀的入口连通；其中，所述三通阀设置在所述空压机与所述中冷器的连接管路上，所述三通阀的第一出口与所述中冷器的入口连通，所述三通阀的第二出口与所述背压阀的入口连通，所述背压阀的出口与所述混排的入口连通；所述电控单元分别与所述空压机、所述三通阀以及所述背压阀电连接，所述电控单元用于控制所述三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过所述空压机压缩排出后的高温空气经过所述三通阀的第二出口进入所述背压阀，加热所述背压阀内的残留水分至蒸发。
优选地，所述冷启动子***还包括：止回阀，所述止回阀的入口与所述三通阀的第二出口连通，所述止回阀的出口与所述背压阀的入口连通，所述止回阀用于防止所述三通阀流入所述背压阀的空气回流。
优选地，所述冷启动子***还包括：泄流截止阀，所述泄流截止阀的入口与所述中冷器的出口连通，所述泄流截止阀的第一出口与所述电堆的入口连通，所述泄流截止阀的第二出口均与所述混排的入口连通，所述泄流截止阀的控制端与所述电控单元电连接，用于在所述电堆内的空气压力超压时对空气进行泄流以降低空气压力。
优选地，所述冷启动子***还包括：增湿器，所述增湿器的第一入口与所述泄流截止阀的出口连通，所述增湿器的第一出口与所述电堆的入口连通，所述电堆的出口与所述增湿器的第二入口连通，所述增湿器的第二出口与所述背压阀的入口连通；所述增湿器用于控制所述电堆排出废气中的水分与所述增湿器的第一入口进入的干空气进行湿度交换。
优选地，所述冷启动子***还包括：第一温压传感器与第二温压传感器，所述第一温压传感器布置于所述电堆的入口，所述第二温压传感器布置于所述电堆的出口，所述第一温压传感器与第二温压传感器均与所述电控单元电连接，分别用于采集进入所述电堆中的空气的温度与压力值以及流出所述电堆的空气的温度与压力值。
优选地，所述冷启动子***还包括：空气流量计，所述空气流量计的入口与所述空气过滤器的出口连通，所述空气流量计的出口与所述空压机的入口连通，所述空气流量计的控制端与所述电控单元电连接。
优选地，所述***还包括：整车控制器，所述整车控制器与所述电控单元连接，用于获取并显示所述电控单元的监测数据示。
第二方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：
一种燃料电池冷启动方法，应用于前述第一方面所述***中的电控单元，所述方法包括：
监测所述冷启动子***的工作状态；若监测到所述冷启动子***的工作状态为停机吹扫完成状态，则控制所述三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过所述空压机压缩排出后的高温空气经过所述三通阀的第二出口进入所述背压阀，加热所述背压阀内的残留水分至蒸发。
优选地，若监测到所述燃料电池冷启动***的工作状态为开启工作状态，则控制所述三通阀的第一出口流通，第二出口截止。
第三方面，本发明通过本发明的一实施例，提供如下技术方案：
一种车辆，包括：车辆本体以及安装在所述车辆本体中的前述第一方面中任一项所述***。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的燃料电池冷启动***、方法及车辆，所述***包括：电控单元与冷启动子***，冷启动子***包括电堆、背压阀、混排、三通阀以及依次连接的空气过滤器、空压机与中冷器，中冷器的第一出口与电堆的入口连通，中冷器的第二出口与电堆的扫气入口连通，电堆的出口与背压阀的入口连通；其中，三通阀设置在空压机与中冷器的连接管路上，三通阀的第一出口与中冷器的入口连通，三通阀的第二出口与背压阀的入口连通，背压阀的出口与混排的入口连通；电控单元与、三通阀以及背压阀电连接。该***通过增设三通阀，将三通阀的入口与空压机的出口连接，三通阀的出口与背压阀的入口连接，使得空压机内的高温空气能直接进入到背压阀内，高温空气流过背压阀，能使其内部附着水分气化，从而更容易将背压阀内部常温下不易吹扫走的水分在气化条件下吹扫出去。这样当燃料电池在冷启动时，由于内部水分已吹扫干净而不易结冰，使得背压阀自身破冰能力足够，能够正常工作，进而保证燃料电池冷启动成功，满足低温环境用车需求。且该改进具有成本低廉，利于大规模使用等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例提供的燃料电池冷启动***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池冷启动***的完整结构示意图；
图3为本发明实施例提供的燃料电池冷启动方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的车辆的结构示意图。
附图标记：
电堆10；电控单元20；冷启动子***30；背压阀301；混排302；空气过滤器303；空压机304；三通阀305；中冷器306；止回阀307；泄流截止阀308；增湿器309；第一温压传感器310；第二温压传感器311；空气流量计312。
具体实施方式
本申请实施例通过提供了一种燃料电池冷启动***、方法及车辆，该***能够有效地减少背压阀中的水分残留，以防止燃料电池***在冷启动时背压阀结冰，使背压阀能够正常调节开度，进而顺利启动空压机，确保燃料电池冷启动成功。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
需要说明的是，本申请提到的停机吹扫是停机后通过空气对电堆进行吹扫带走内部水分，停机吹扫完成指对电堆进行吹扫动作完成后。
第一方面，本发明实施例提供的一种燃料电池冷启动***，具体来讲，如图1所示，所述***包括：电控单元20与冷启动子***30，冷启动子***30包括电堆10、背压阀301、混排302、三通阀305以及依次连接的空气过滤器303、空压机304、中冷器306，中冷器306的第一出口与电堆10的入口连通，中冷器306的第二出口与电堆10的扫气入口连通，电堆10的出口与背压阀301的入口连通。本申请中的电控单元也包括燃料控制单元(Fuel ControlUnit，FCU)。
其中，三通阀305在空压机304与中冷器306的连接管路上，三通阀305的第一出口与中冷器306的入口连通，三通阀305的第二出口与背压阀301的入口连通，背压阀301的出口与混排302的入口连通。FCU分别与空压机304、三通阀305以及背压阀301电连接，用于控制三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过空压机压缩排出后的高温空气经过三通阀的第二出口进入背压阀，加热背压阀内的残留水分至蒸发。混排将对背压阀的出口的废气与废液混合排放。
具体而言，FCU可以控制空压机304的启停以及空压机具体功率大小，使得空压机满足冷启动需求，FCU可以控制背压阀301的开度大小，用于优选燃料电池冷启动***的吹扫过程。具体地，如图1所示，空气过滤器303的出口与空压机304的入口连通，空压机304的第一出口与三通阀305的入口连通，三通阀305的第一出口与中冷器306的入口连通，中冷器306的第一出口与电堆10的入口连通，中冷器的第二出口与电堆的扫气入口连通，其中，空气过滤器303用于过滤空气中杂质以保护电堆，空压机304用于驱动空气进入电堆，中冷器306用于冷却空压机出来的高温空气以满足燃电***工作所需温度。
其中，燃料电池冷启动方法包括：监测冷启动子***的工作状态；若监测到的工作状态为停机吹扫完成状态，则控制三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过空压机压缩排出后的高温空气经过三通阀的第二出口、止回阀进入背压阀，加热背压阀内的残留水分至蒸发。即本申请通过在FCU停机吹扫程序中增加背压阀单独吹扫过程。
具体而言，FCU可以实时监测冷启动子***处于何种工作状态，若监测到冷启动子***的工作状态为停机吹扫完成状态，FCU将控制三通阀的第二出口流通，第一出口截止，进而控制经过空气过滤器进入空压机压缩排出后的高温空气直接经过三通阀第二出口、背压阀进入混排并排到大气中。经空压机压缩排出的高温空气在经过背压阀时将其中正常吹扫不易附着水滴气化并带出背压阀。
由此，利用空压机压缩排出空气后，空气温度会上升，然后调节三通阀使高温空气直接进入背压阀气化附着其中的水滴并一起吹扫带出，大量排出背压阀中经常规吹扫电堆后残留水滴，从而防止燃料电池***冷启动背压阀结冰。
若监测到冷启动子***的工作状态为开启工作状态，则控制三通阀的第一出口流通，第二出口截止。即在开启工作时，FCU将控制三通阀第二出口截止，第一出口流通，空气依次经过空气过滤器、空压机、三通阀、中冷器，进入电堆。
进一步地，为了防止三通阀305流入背压阀301的空气出现回流，如图2所示，冷启动子***还可以包括：止回阀307，所述止回阀307的入口与三通阀306的第二出口连通，止回阀307的出口与背压阀301的入口连通。其中，该止回阀的类型可以是蝶式、升降式或旋启式等等。
在具体实施例中，如图2所示，冷启动子***还可以包括：泄流截止阀308，所述泄流截止阀308的入口与中冷器306的出口连通，泄流截止阀308的出口与电堆10的入口连通，泄流截止阀308的第二出口与混排302的入口连通，泄流截止阀308的控制端与FCU电连接，用于在电堆内的空气压力超压时对空气进行泄流以降低空气压力，从而提升电堆的性能。
另外，为了实现对空压机与泄流截止阀中排出气体的统一管理，空压机304的第二出口与混排302入口连接，从而通过混排将废气排出。
在具体实施例中，如图2所示，冷启动子***还可以包括：增湿器309，所述增湿器309的第一入口与泄流截止阀308的出口连通，增湿器309的第一出口与电堆10的入口连通，电堆10的出口与增湿器309的第二入口连通，增湿器309的第二出口与背压阀301的入口连通。增湿器用于控制电堆排出废气中的水分与增湿器第一入口进入的干空气进行湿度交换，从而加湿空气确保燃料电池冷启动***最佳工作湿度。
具体而言，电堆反应后废气将依次经过增湿器、背压阀最终进过混排后排入大气中，其中，增湿器起到利用废气中所带水分增湿入口干空气作用，背压阀采用调节开度大小确保进入电堆空气压力作用。
需要说明的是，由于电堆内部的电化学反应受压力、温度和湿度等多因素影响，因此控制入堆气体的压力与温度有利于提升电堆的性能。为了能实时监测到电堆出入口的温度与压力变化，如图2所示，冷启动子***还可以包括：第一温压传感器310与第二温压传感器311，第一温压传感器310布置于电堆10入口，第一温压传感器310布置于电堆10出口，第一温压传感器与第二温压传感器均与FCU电连接，分别用于采集进入电堆中的空气的温度与压力值以及流出电堆的空气的温度与压力值，并上传采集信号至FCU。
在具体实施例中，如图2所示，冷启动子***还包括：空气流量计312，所述空气流量计312的入口与空气过滤器303的出口连接，空气流量计312的出口与空压机304的入口连接，空气流量计312的控制端与FCU电连接，用于检测进入冷启动子***中的空气的流量。
具体地，如图2所示，为了实现对燃料电池冷启动***的实时监测与控制，***还包括：整车控制器(Vehicle Controller Unit，VCU)，VCU与FCU连接，用于获取并显示FCU的监测数据。
具体而言，如图2所示，本申请实施例提供的燃料电池冷启动***主要包括电堆、FCU、空气过滤器、空气流量计、空压机、三通阀、中冷器、泄流截止阀、增湿器、温压传感器、止回阀、背压阀、混排。
空气过滤器的出口连通空压机的入口，空气流量计安装在空气过滤器与空压机之间的连接管路上，空压机的第一出口连通混排的入口，空压机的第二出口连通三通阀的入口，三通阀的第一出口连通中冷器的入口，三通阀的第二出口连通止回阀的入口，止回阀的出口连通背压阀的入口，中冷器的第一出口连通泄流截止阀的入口，中冷器的第二出口连通电堆扫气入口，泄流截止阀的第一出口连通混排的入口，泄流截止阀的第二出口连通增湿器的第一入口，增湿器的第一出口连通电堆的入口，增湿器的第二出口连通背压阀的入口，电堆的出口连通增湿器的第二入口，电堆的入口和出口分别布置温压传感器，背压阀的出口连通混排入口。空气流量计、空压机、三通阀、泄流截止阀、背压阀、电堆与FCU互相通信，温压传感器上传采集信号至FCU。
在正常工作时，FCU控制三通阀的第二出口截止，第一出口流通，空气依次经过空气过滤器、空压机、三通阀、中冷器、泄流截止阀、增湿器进入电堆，电堆反应后废气依次经过增湿器、背压阀，最终进过混排。
在冷启动子***正常停机吹扫后，FCU将控制三通阀的第二出口流通，第一出口截止，进而控制经过空压机压缩排出后的高温空气直接经过三通阀第二出口、止回阀、背压阀进入混排并排到大气中。
由此，本发明实施例提供的燃料电池冷启动***，通过增加三通阀连接止回阀支路和优化FCU吹扫程序，利用空压机出口高温气体气化背压阀中水分，更易吹扫干净背压阀中的残留水分，从而达到燃料电池***冷启动时背压阀防结冰目的。这样仅通过增加三通阀连接止回阀的回路，即可利用燃料电池冷启动***本身空压机解决背压阀水分吹扫不充分有残留问题，一方面能够有效防止燃料电池冷启动背压阀结冰问题，确保燃料电池在低温环境下正常启动，有利于燃料电池不同环境地区的推广使用，另一方面增加零件价格便宜，燃电***改变小，使用成本低，利于大规模使用。
综上所述，本发明主要提供的一种燃料电池冷启动***，能够有效解决燃料电池***停机吹扫动作未将背压阀中水分吹扫干净的问题，防止燃料电池***在冷启动时背压阀结冰，使背压阀能够正常调节开度，进而顺利启动空压机以确保燃料电池冷启动成功。
第二方面，基于同一发明构思，本实施例提供了一种燃料电池冷启动方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤S101至步骤S102。
步骤S101，监测所述冷启动子***的工作状态。
步骤S102，当监测到冷启动子***的工作状态为停机吹扫完成状态，则控制所述三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过所述空压机压缩排出后的高温空气经过所述三通阀的第二出口进入所述背压阀，加热所述背压阀内的残留水分至蒸发。
在具体实施例中，所述方法还包括：若监测到所述燃料电池冷启动***的工作状态为开启工作状态，则控制所述三通阀的第一出口流通，第二出口截止。
本发明实施例所提供的一种燃料电池冷启动方法，其实现原理及产生的技术效果和前述***实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述***实施例中相应内容。
第三方面，基于同一发明构思，本实施例提供了一种车辆500，如图4所示，包括车辆本体501以及安装在车辆本体中如前述第一方面中所述的转向控制***400。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷启动***，其特征在于，包括：电控单元与冷启动子***，所述冷启动子***包括电堆、背压阀、混排、三通阀以及依次连接的空气过滤器、空压机与中冷器，所述中冷器的第一出口与所述电堆的入口连通，所述中冷器的第二出口与所述电堆的扫气入口连通，所述电堆的出口与所述背压阀的入口连通；
其中，所述三通阀设置在所述空压机与所述中冷器的连接管路上，所述三通阀的第一出口与所述中冷器的入口连通，所述三通阀的第二出口与所述背压阀的入口连通，所述背压阀的出口与所述混排的入口连通；
所述电控单元分别与所述空压机、所述三通阀以及所述背压阀电连接，所述电控单元用于控制所述三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过所述空压机压缩排出后的高温空气经过所述三通阀的第二出口进入所述背压阀，加热所述背压阀内的残留水分至蒸发，所述混排用于对所述背压阀的出口的废气与废液混合排放。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷启动子***还包括：
止回阀，所述止回阀的入口与所述三通阀的第二出口连通，所述止回阀的出口与所述背压阀的入口连通，所述止回阀用于防止所述三通阀流入所述背压阀的空气回流。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷启动子***还包括：
泄流截止阀，所述泄流截止阀的入口与所述中冷器的出口连通，所述泄流截止阀的第一出口与所述电堆的入口连通，所述泄流截止阀的第二出口与所述混排的入口连通，所述泄流截止阀的控制端与所述电控单元电连接，用于在所述电堆内的空气压力超压时对空气进行泄流以降低空气压力。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述冷启动子***还包括：
增湿器，所述增湿器的第一入口与所述泄流截止阀的出口连通，所述增湿器的第一出口与所述电堆的入口连通，所述电堆的出口与所述增湿器的第二入口连通，所述增湿器的第二出口与所述背压阀的入口连通；
所述增湿器用于控制所述电堆排出废气中的水分与所述增湿器的第一入口进入的干空气进行湿度交换。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷启动子***还包括：
第一温压传感器与第二温压传感器，所述第一温压传感器布置于所述电堆的入口，所述第二温压传感器布置于所述电堆的出口，所述第一温压传感器与第二温压传感器均与所述电控单元电连接，分别用于采集进入所述电堆中的空气的温度与压力值以及流出所述电堆的空气的温度与压力值。
6.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述冷启动子***还包括：
空气流量计，所述空气流量计的入口与所述空气过滤器的出口连通，所述空气流量计的出口与所述空压机的入口连通，所述空气流量计的控制端与所述电控单元电连接。
7.如权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：整车控制器，所述整车控制器与所述电控单元连接，用于获取并显示所述电控单元的监测数据。
8.一种燃料电池冷启动方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述***中的电控单元，所述方法包括：
监测所述冷启动子***的工作状态；
若监测到所述冷启动子***的工作状态为停机吹扫完成状态，则控制所述三通阀的第一出口截止，第二出口流通，以使得经过所述空压机压缩排出后的高温空气经过所述三通阀的第二出口进入所述背压阀，加热所述背压阀内的残留水分至蒸发，对所述背压阀的出口的废气与废液进行混合排放。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
若监测到所述燃料电池冷启动***的工作状态为开启工作状态，则控制所述三通阀的第一出口流通，第二出口截止。
10.一种车辆，其特征在于，包括：车辆本体以及安装在所述车辆本体中的权利要求1-7中任一项所述***。
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