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CN104241666A - 在燃料电池车中操作正温度系数加热器的系统和方法 - Google Patents

在燃料电池车中操作正温度系数加热器的系统和方法 Download PDF

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CN104241666A
CN104241666A CN201310455929.9A CN201310455929A CN104241666A CN 104241666 A CN104241666 A CN 104241666A CN 201310455929 A CN201310455929 A CN 201310455929A CN 104241666 A CN104241666 A CN 104241666A
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金应映
张炳武
具俊模
尹海东
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Hyundai Motor Co
Original Assignee
Hyundai Motor Co
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Abstract

本发明提供了一种在燃料电池车中操作正温度系数加热器的系统和方法。所述系统包括：燃料电池组；在被供以电流时产生热量的PTC加热器；以及控制器，其被配置成检查车辆的钥匙启动状态，确定室外温度是否低于参考温度，并且如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组、并且室外温度低于参考温度，则向PTC加热器供应由燃料电池组产生的电能，从而驱动PTC加热器。

Description

在燃料电池车中操作正温度系数加热器的系统和方法
技术领域
本公开涉及一种在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的系统和方法，并且更特别地涉及一种控制PTC加热器以促进燃料电池组的加热、从而改善燃料电池车的冷启动性能和加热效率的系统和方法。
背景技术
通常，配备有燃料电池系统的燃料电池车使用燃料电池组利用氢产生电力，并且通过使用所产生的电力向电动机供电来行驶。
燃料电池车包括：燃料电池组，其触发氢和氧之间的电化学反应以产生电能；燃料馈送系统，其向燃料电池组馈送氢；包括鼓风机和空气阀的氧馈送系统，其向燃料电池组馈送电化学反应所需的氧；以及冷却系统，其冷却从燃料电池组产生的热度以保持恒定温度。
在零度以下的温度，在根据现有技术的燃料电池车中，燃料电池组中的冷却水和燃料会冻结，从而导致燃料电池系统出现工作故障。
当燃料电池组被加热到工作温度时，燃料电池组可以被激活并驱动车辆。在零度以下的温度升高燃料电池组的温度要花费较长的时间。
在冬天，当驾驶者通过操作加热器来试图立即升高车辆的较低内部温度时，很难产生热空气，直到燃料电池组和冷却水被加热到工作温度为止。
因此，需要利用即使在零度以下的温度（例如在冬天）仍能够向车辆的驾乘者立即提供热空气并缩短冷启动时间的技术来改善燃料电池车，从而改善加热性能和冷启动性能。
上述内容仅仅意在帮助理解本发明的背景，并且并非意味着本发明落入本领域技术人员已知的现有技术的范围。
发明内容
本公开提供了在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的系统和方法，即使在零度以下的寒冷条件下（例如在冬天），其也能够改善燃料电池车的冷启动性能并立即提供热空气。
根据本公开的一方面，在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的系统包括：燃料电池组；在被供以电流时产生热量的PTC加热器；以及控制器，其被配置成检查车辆的钥匙启动状态、并确定室外温度是否低于参考温度。如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组、并且室外温度低于参考温度，则控制器向PTC加热器供应由燃料电池组产生的电能，从而驱动PTC加热器。
参考温度可以是负15摄氏度，并且当室外温度下降到负15摄氏度或更低时，控制器可以驱动PTC加热器。
控制器可以使燃料电池组的鼓风机以最大输出工作，以便激活和预热燃料电池组。
当燃料电池组的温度达到工作温度时，控制器可以中断从燃料电池组向PTC加热器的电能供应。
控制器可以确定当操作车辆的加热系统时冷却水的温度是否低于参考温度。如果确定冷却水的温度低于参考温度，则控制器驱动PTC加热器。
根据本公开的另一方面，在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的方法包括：检查车辆的钥匙启动状态，并且如果车辆被利用钥匙启动，则确定是否存在燃料电池组的电压的阶段；以及检查室外温度是否低于参考温度的阶段。当确定车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组、并且室外温度低于参考温度时，向PTC加热器供应由燃料电池组产生的电能以便驱动PTC加热器。激活和预热阶段在PTC加热器被供电时激活和预热燃料电池组。
当燃料电池组的温度达到工作温度或更高时，预热阶段可以中断从燃料电池组向PTC加热器的电能供应。
预热阶段还可以包括：确定车辆的加热系统是否已经被操作的阶段。如果加热系统已经被操作，则预热阶段确定冷却水的温度是否低于参考温度，并且如果确定冷却水的温度低于参考温度，则预热阶段驱动PTC加热器。
根据本公开，利用由燃料电池组产生的电能驱动燃料电池车中的PTC加热器，以便激活燃料电池组中氢和氧之间的电化学反应，从而预热燃料电池组。
而且，由于不管车辆驾乘者的控制如何都操作PTC加热器，所以当驾乘者激活加热系统时能立即提供热空气。
附图说明
根据结合附图给出的以下详细说明，本公开的上述及其它目的、特征和优点将更清楚地得到理解。
图1是示出根据本公开的实施例的用于在燃料电池车中操作PTC加热器的系统的构造的视图。
图2是示出图1的系统的操作的视图。
图3是示出根据本公开的实施例的在燃料电池车中操作PTC加热器的方法的流程图。
具体实施方式
现在将更详细地参考本公开的示例性实施例，其实例在附图中示出。
图1是示出根据本公开的实施例的用于在燃料电池车中操作PTC加热器的系统的构造的视图，并且图2是示出图1的系统的操作的视图。
在描述本公开之前，应注意的是，本公开控制燃料电池车中的正温度系数（PTC）加热器，以便改善冷启动性能和加热效率。图1中示出的散热器、3通阀和水泵没有指派附图标记。构成燃料电池车的燃料电池系统的燃料电池组、燃料馈送系统、氧馈送系统、冷却水系统、和空调器是众所周知的部件，因此将省略其详细描述。
此外，用于加热燃料电池车内部的空调器包括加热器装置，其通过使利用来自燃料电池组的热量加热的冷却水循环经过加热器芯，来加热提供给车辆内部的空气。另一加热器装置使用来自安装在车辆中的电池或燃料电池组的电能工作，从而产生热量。
后一种加热器装置是用于燃料电池车和柴油车的众所周知的正温度系数（PTC）加热器，因此将省略其详细描述。
根据本公开，用于在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的系统包括：燃料电池组100；当被供以电流时产生热量的PTC加热器200；以及控制器300，其被配置成检查车辆的钥匙启动状态、并确定室外温度是否低于参考温度。如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组100、并且室外温度低于参考温度，则控制器300向PTC加热器200供应由燃料电池组100产生的电能，从而驱动PTC加热器200。
如上所述，将不会详细描述燃料电池组100和PTC加热器200，并且控制器300是控制燃料电池车的主要部件的燃料控制单元（FCU）。
参考图2，阶段1（钥匙启动）是驾驶者利用钥匙启动燃料电池车的阶段，并且阶段2（高电压形成）是在钥匙启动后，利用来自电池的电压驱动燃料电池组100的部件（例如鼓风机和水泵）以便驱动燃料电池车的阶段。
阶段3是将氧和氢供应给燃料电池组100以便引起电化学反应，从而形成高电压的阶段。阶段4是在由于燃料电池组100产生电能而已经产生足够量的用于驱动燃料电池车的电力后，利用钥匙启动车辆使得燃料电池车进入能够驾驶的状态的阶段。
上述各阶段在室温下开始。然而，在冬天，当温度下降到零度以下的温度时，燃料电池组100中的冷却水和燃料容易被冻结，从而在燃料电池系统中引起问题。在冬天，在达到平稳驱动燃料电池系统的期望温度之前，要花费较长的时间（例如高达170秒）来完成钥匙启动状态。
而且，在常规燃料电池车的情况下，PTC加热器仅在钥匙启动完成后工作。即使车辆驾乘者驱动加热系统，PTC加热器也不能工作，因此直到完成钥匙启动才会供应热空气。
为了解决该问题，根据本公开，提供了一种方法，其包括：阶段1，即钥匙启动；阶段2，即形成来自电池的高电压以激活燃料电池组；阶段3，即通过激活燃料电池组来形成燃料电池的高电压；以及阶段6，即强制驱动PTC加热器。
具体地，控制器300被配置成检查车辆的钥匙启动状态，并将室外温度与参考温度进行比较。这里，钥匙启动状态（key-start state）是指驾驶者操纵启动钥匙（start key）以便驱动车辆。即，钥匙启动状态是启动车辆使得燃料电池组100可以产生电能的状态。
控制器300将室外温度与参考温度进行比较，其中参考温度被设定为负15摄氏度，因此，控制器检查室外温度是否是负15摄氏度或更低。
在正常室温条件下，燃料电池车可以没有问题地得到启动，这是因为燃料电池组可以在很短时间内达到工作温度。然而，在零度以下的温度条件下，燃料电池车由于燃料和冷却水被冻结而在启动时会有问题。
为了确定室外温度是否下降到零度以下的温度，预先设定参考温度。因此，如果确定室外温度下降到参考温度或更低（即负15摄氏度或更低），则控制器300强制驱动PTC加热器200。
如此，如果车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组100、并且室外温度低于参考温度，则控制器300控制由燃料电池组100产生的电能以便供应给PTC加热器200。
如此，强制驱动PTC加热器会激活燃料电池组100中氧和氢之间的反应以便产生电力，从而预热燃料电池组，这会缩短燃料电池组100达到工作温度的时间。在冬天，当温度较低时，这会显著缩短钥匙启动完成时间。
此外，通过在阶段3在燃料电池中形成高电压后驱动PTC加热器200，钥匙启动性能得到改善，并且在车辆驾乘者在冬天想要预热车辆内部时热空气能够被立即供应。也可以使用除霜器来确保驾驶者的意图。由此，本公开可以提供舒适性和便利性。
控制器300可以使燃料电池组100的鼓风机以最大输出工作，以便激活和预热燃料电池组100的内部。
根据本公开，通过利用燃料电池组100产生的电能驱动PTC加热器200所引起的电能不足，可以通过增加对燃料电池组100的氧和氢的供应而得到补充。
燃料电池组100的鼓风机以最大输出工作，以便增加供应给燃料电池组100的燃料，并且燃料电池组100中氢和氧之间的化学反应被激活。
燃料电池组100的鼓风机以最大输出工作，以便预热燃料电池组100，因此燃料电池组100的温度快速升高到工作温度。燃料电池组100的钥匙启动时间可以得到缩短，从而改善燃料电池车的启动性能。
此外，当燃料电池组100达到工作温度时，控制器300中断从燃料电池组100向PTC加热器200的电能供应。
根据本公开，为了改善燃料电池车的启动性能，当车辆利用钥匙启动时，利用来自燃料电池组100的电能操作PTC加热器，从而激活和预热燃料电池组100。
当燃料电池组100达到工作温度时，中断供应给PTC加热器200的电能，从而防止不必要的电力消耗和燃料电池组100的过热。这里，燃料电池组100的工作温度的范围可以是从60℃到65℃。
即，驱动PTC加热器200会消耗由燃料电池组100产生的很多电力，从而激活燃料电池组100。所述激活会加速燃料电池组的预热，使得燃料电池组100达到工作温度。然后，中断供应给PTC加热器200的电能，使得燃料电池组100的温度不会超过工作温度，并且不必要的发电可以得到防止。
此外，控制器300可以在车辆的加热系统被操作时确定冷却水的温度是否低于参考温度。如果确定冷却水的温度低于参考温度，则控制器300驱动PTC加热器200。
根据本公开，在燃料电池中刚刚形成高电压后，强制向PTC加热器200供应来自燃料电池的电能以便使其被驱动。PTC加热器200的快速加热会向车辆内部提供热空气，即使在产生足够的电能来驱动燃料电池车的电动机之前。
尽管PTC加热器200由于高功耗而可能无法长时间使用，但是PTC加热器可以特别是在冬天当温度在零度以下时被用于快速加热车辆内部。在这种情况下，确定冷却水的温度是否低于参考温度，并且如果确定冷却水的温度低于参考温度，则PTC加热器200保持其驱动状态，以便向车辆内部提供热空气。
然而，如果在燃料电池组100达到工作温度时，冷却水的温带充分地升高使得仅通过冷却水的热交换就能获得热空气，则可以中断PTC加热器200，以便防止过度的电力消耗，并且利用冷却水的热交换来执行加热。
此外，如果室内或室外温度较低，则PTC加热器保持其驱动状态。而且，如果室内或室外温度处于舒适的温度水平时，PTC加热器200防止过度的电力消耗。
图3是示出根据本公开的实施例的在燃料电池车中操作PTC加热器的方法的流程图。该方法包括：阶段（S100），即检查车辆的钥匙启动状态，并且如果车辆被利用钥匙启动，则确定是否存在燃料电池组的电压；阶段（S200），即检查室外温度是否低于参考温度。供应阶段（S300）向PTC加热器供应由燃料电池组产生的电能，以便驱动PTC加热器，如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活燃料电池组（S120）、并且室外温度低于参考温度，则激活和预热阶段（S400）在PTC加热器被供电时激活和预热燃料电池组。
当燃料电池组的温度达到工作温度或更高时，预热阶段（S400）可以中断从燃料电池组向PTC加热器的电能供应。
如此，强制驱动PTC加热器会激活燃料电池组中氧和氢之间的反应以便产生电能，从而预热燃料电池组，这会缩短燃料电池组达到工作温度的时间并立即向车辆内部提供热空气，从而进一步改善驾乘者的便利性。
预热阶段（S400）还可以包括阶段（S500），其包括：阶段（S520），即确定车辆的加热系统是否被操作；阶段（S540），即如果加热系统已经被操作，则确定冷却水的温度是否低于参考温度；以及阶段（S560），即如果确定冷却水的温度低于参考温度，则驱动PTC加热器以执行加热处理。
在阶段（S500）中，即使燃料电池组已经达到工作温度，也不直接中断PTC加热器的操作，而是在阶段（S520）确定加热系统是否被手动开启。这里，如果确定加热系统被开启，则执行阶段（S540）以便检查冷却水的温度是否低于参考温度。如果冷却水的温度低于参考温度，则阶段（S560）保持PTC加热器的驱动阶段，以便向驾乘者连续提供热空气。这里，也可以确定室内或室外温度。
根据本公开，利用由燃料电池组产生的电能来驱动燃料电池车中的PTC加热器，以便激活燃料电池组中氢和氧之间的电化学反应，从而预热燃料电池组。
而且，由于在车辆驾乘者操纵时操作PTC加热器，因此热空气被立即提供，并且借助除霜器改善了性能。
尽管出于例证的目的描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员应理解的是，可以作出各种改型、添加和替换，而不脱离所附权利要求中公开的范围和精神。

Claims (8)

1.一种在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的系统，包括：
燃料电池组；
在被供以电流时产生热量的PTC加热器；以及
控制器，其被配置成检查车辆的钥匙启动状态，确定室外温度是否低于参考温度，并且如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活所述燃料电池组、并且室外温度低于参考温度，则向所述PTC加热器供应由所述燃料电池组产生的电能，从而驱动所述PTC加热器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述参考温度是负15摄氏度，并且当所述室外温度下降到负15摄氏度或更低时，所述控制器驱动所述PTC加热器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器使所述燃料电池组的鼓风机以最大输出工作，以便激活和预热所述燃料电池组。
4.如权利要求1所述的系统，其中当所述燃料电池组的温度达到工作温度时，所述控制器中断从所述燃料电池组向所述PTC加热器的电能供应。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器确定当车辆的加热系统被操作时冷却水的温度是否低于参考温度，并且如果确定冷却水的温度低于所述参考温度，则驱动所述PTC加热器。
6.一种在燃料电池车中操作正温度系数（PTC）加热器的方法，包括：
检查车辆的钥匙启动状态，并且如果车辆被利用钥匙启动，则确定是否存在燃料电池组的电压的阶段；
检查室外温度是否低于参考温度的阶段；
如果确定车辆被利用钥匙启动从而激活所述燃料电池组、并且室外温度低于参考温度，则向所述PTC加热器供应由所述燃料电池组产生的电能以便驱动所述PTC加热器的阶段；以及
在所述PTC加热器被供电时激活并预热所述燃料电池组的阶段。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述预热阶段包括：当所述燃料电池组的温度达到工作温度或更高时，中断从所述燃料电池组向所述PTC加热器的电能供应。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述预热阶段还包括：确定车辆的加热系统是否已经被操作的阶段，如果所述加热系统已经被操作，则确定冷却水的温度是否低于参考温度的阶段，以及如果确定冷却水的温度低于所述参考温度，则驱动所述PTC加热器的阶段。
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