燃料电池系统的热管理方法、系统及燃料电池汽车与流程

本发明涉及燃料电池系统热管理控制领域，尤其是涉及一种燃料电池系统的热管理方法、系统及燃料电池汽车。

背景技术：

1、燃料电池系统进入待机状态后，需要具备两种特性：一是此状态下燃料电池产生的功率较低，甚至为零；二是在能量需求设备需要功率输入时，燃料电池系统能够作为能量发生装置迅速提供能量，即要求燃料电池系统在待机状态下，能够快速启动并且请求相应功率。

2、温度是燃料电池系统的重要调节参数，热管理的过程需要保证燃料电池在需要输出功率过程中，使得燃料电池处于合适的温度范围，减小因为温度对燃料电池功率输出带来的影响。现有技术中的燃料电池系统在进入待机状态时需要对温度进行判断，当温度达到指定温度后进入待机状态，然后使用加热器继续加热冷却水，导致冷却水的温度难以处于合适的工作温度。然而，车辆在正常行驶的过程中，燃料电池系统可能出现进入待机频率高，单次进入待机时间短等情况，而使用加热器加热需要时间，但是能量消耗却在持续进行，增加了能量的消耗，升温效果也不明显。若设置的指定温度较高时，会导致燃料电池系统难以进入待机状态；若设置的指定温度较低时，则进入待机状态后使得加热器需要加热的温度跨度较大，能量消耗更为严重。

3、综上所述，现有技术中的燃料电池系统在待机状态下还存在着频繁加热的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的热管理方法、系统及燃料电池汽车，该方法将能量消耗与热管理控制做了综合考虑，当电堆的入口温度小于第一温度阈值，则认为此时温度较低；为了保证电堆的性能与寿命，利用电堆的运转时间和升温结果确定的第一热管理策略来对燃料电池系统进行调节，此时的电堆输出较低的功率，不仅减少了电堆的电量消耗，还实现了将电堆自身的产热用于冷却液的加热，缓解了现有技术中燃料电池系统在待机状态下存在着频繁加热的问题。

2、第一方面，本发明实施方式提供了一种燃料电池系统的热管理方法，该方法包括：

3、获取燃料电池系统中电堆的入口温度和出口温度；

4、当检测到入口温度低于预设的第一温度阈值时，控制电堆按照预设输出功率进行运转，并计算电堆的运转时间；其中，预设输出功率为最低稳定工作功率；运转时间为电堆在预设输出功率下的持续时间；

5、根据预设输出功率实时计算电堆的升温结果；其中，升温结果为单位时间内电堆在预设输出功率下的出口温度的升温值；

6、利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节。

7、在一种实施方式中，当检测到入口温度高于第一温度阈值时，该方法还包括：

8、根据出口温度与入口温度的温度差值确定燃料电池系统中水泵的转速策略，并利用转速策略更新第一热管理策略；其中，第一热管理策略为：设置节温器的阀门状态使得冷却液直接流经加热器、设置散热器停止工作、设置加热器停止加热；转速策略为：当温度差值小于10摄氏度时，设置水泵的转速为0；当温度差值不小于10摄氏度且小于20摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速的40％；当温度差值不小于20摄氏度且小于30摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速的60％；当温度差值不小于30摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速；

9、根据已更新的第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节。

10、在一种实施方式中，计算电堆的运转时间，通过以下算式实现：

11、

12、其中，tstandby为运转时间；xsoc为与燃料电池系统相连接的动力电池的现有电量；xmax为动力电池的最大充电电量；pout为预设输出功率；v为燃料电池系统的工作电压；ci为动力电池的容量；t为单位时间。

13、在一种实施方式中，根据预设输出功率计算电堆的升温结果，通过以下算式实现：

14、

15、其中，trise为升温结果；pout为预设输出功率；η为电堆的产热结果；m为燃料电池系统中通过水泵、加热器、节温器流入电堆中的冷却液质量；c为冷却液的比热容；tin为电堆的入口温度；t为单位时间。

16、在一种实施方式中，利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节的步骤，包括：

17、当运转时间大于预设第一时间阈值且升温结果低于第一温度阈值时，将第一热管理策略确定为：设置节温器的阀门状态使得冷却液不经过散热器、设置散热器停止工作、设置加热器按照预设加热时长进行加热、设置水泵按照预设转速值进行运转；

18、利用第一热管理策略，控制节温器的阀门状态使得冷却液不经过散热器、控制散热器停止工作、控制加热器按照预设加热时长进行加热、控制水泵按照预设转速值进行运转。

19、在一种实施方式中，利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节的步骤，包括：

20、当运转时间不大于预设第一时间阈值或升温结果不低于第一温度阈值时，将第一热管理策略确定为：设置节温器的阀门状态使得冷却液不经过散热器、设置散热器停止工作、设置加热器停止加热、设置水泵按照预设转速值进行运转；

21、利用第一热管理策略，控制节温器的阀门状态使得冷却液不经过散热器、控制散热器停止工作、控制设置加热器停止加热、控制水泵按照预设转速值进行运转。

22、在一种实施方式中，利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节的步骤，包括：

23、当运转时间不大于预设第二时间阈值时，根据出口温度与入口温度的温度差值确定燃料电池系统中水泵的转速策略，并利用转速策略更新第一热管理策略；其中，第二时间阈值小于第一时间阈值；第一热管理策略为：设置节温器的阀门状态使得冷却液直接流经加热器、设置散热器停止工作、设置加热器停止加热；转速策略为：当温度差值小于10摄氏度时，设置水泵的转速为0；当温度差值不小于10摄氏度且小于20摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速的40％；当温度差值不小于20摄氏度且小于30摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速的60％；当温度差值不小于30摄氏度时，设置水泵的转速为额定转速；

24、利用已更新的第一热管理策略，控制节温器的阀门状态使得冷却液不经过散热器、控制散热器停止工作、控制设置加热器停止加热、控制水泵按照转速策略进行运转。

25、在一种实施方式中，该方法还包括：

26、当检测到出口温度高于预设的第二温度阈值时，确定第二热管理策略为：设置节温器的阀门状态使得冷却液经过散热器、设置散热器开始工作、设置加热器停止加热、设置水泵按照额定转速进行运转；其中，第二温度阈值高于第一温度阈值；

27、利用第二热管理策略，控制节温器的阀门状态使得冷却液经过散热器、控制散热器开始工作、控制设置加热器停止加热、控制水泵按照额定转速进行运转。

28、第二方面，本发明实施方式还提供一种燃料电池系统的热管理系统，该系统包括：

29、温度获取模块，用于获取燃料电池系统中电堆的入口温度和出口温度；

30、电堆参数获取模块，用于当检测到入口温度低于预设的第一温度阈值时，控制电堆按照预设输出功率进行运转，并计算电堆的运转时间；其中，预设输出功率为最低稳定工作功率；运转时间为电堆在预设输出功率下的持续时间；

31、升温结果计算模块，用于根据预设输出功率实时计算电堆的升温结果；其中，升温结果为单位时间内电堆在预设输出功率下的出口温度的升温值；

32、热管理策略生成控制模块，用于利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调节。

33、第三方面，本发明实施方式还提供一种燃料电池汽车，燃料电池汽车至少包括：燃料电池系统和控制单元；其中，控制单元在燃料电池系统进行热管理的控制过程中执行上述第一方面提到的燃料电池系统的热管理方法。

34、第四方面，本发明实施方式还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现第一方面提供的任一项的燃料电池系统的热管理方法。

35、第五方面，本发明实施方式还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现第一方面提供的燃料电池系统的热管理方法。

36、本发明实施方式提供的一种燃料电池系统的热管理方法、系统及燃料电池汽车，该方法在燃料电池系统处于待机状态下进行热管理的过程中，首先获取燃料电池系统中电堆的入口温度和出口温度；当检测到入口温度低于预设的第一温度阈值时，控制电堆按照预设输出功率进行运转，并计算电堆的运转时间；然后根据预设输出功率实时计算电堆的升温结果；最后利用运转时间和升温结果确定第一热管理策略，并根据第一热管理策略对燃料电池系统中包含的节温器、水泵、散热器和加热器的工作参数进行调；其中，预设输出功率为最低稳定工作功率；运转时间为电堆在预设输出功率下的持续时间；升温结果为单位时间内电堆在预设输出功率下的出口温度的升温值。该方法将能量消耗与热管理控制做了综合考虑，当电堆的入口温度小于第一温度阈值，则认为此时温度较低；为了保证电堆的性能与寿命，利用电堆的运转时间和升温结果确定的第一热管理策略来对燃料电池系统进行调节，此时的电堆输出较低的功率，不仅减少了电堆的电量消耗，还实现了将电堆自身的产热用于冷却液的加热，缓解了现有技术中燃料电池系统在待机状态下存在着频繁加热的问题。

37、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

38、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。