一种燃料电池冷却系统的控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池冷却系统的控制方法。


背景技术：

2.现有常用的燃料电池系统冷却系统通常只有一个循环冷却回路，冷却介质吸收产热部件所产生的热量并直接通过散热器将热量排出系统。
3.现有燃料电池冷却系统中，燃料电池电堆和产热辅助部件在同一个循环内，具体表现在燃料电池电堆和其他产热部件共用冷却介质，而燃料电池电堆对冷却介质绝缘性能的要求比其他产热部件高，不能采用普通的冷却液，需要采用高绝缘性能冷却介质，而绝缘性能满足电堆要求的高绝缘性能冷却介质(如去离子水)使用和维护成本较高，从而导致冷却系统对冷却介质绝缘性能的整体要求较高，冷却介质的使用和维护成本较高。此外，冷却系统某处出现堵塞或漏水等故障会影响整个冷却系统，系统灵活性和可靠性不高。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池冷却系统的控制方法，改善现有技术高绝缘性能冷却介质和去离子器投入成本高、维护周期短的问题，可降低电堆以外高温循环冷却介质绝缘性能的要求，提高燃料电池冷却系统的灵活性和可靠性；能够有效协调各个循环之间的工作状态，使整个冷却系统能够根据实际运行情况达到最优冷却效果，提高冷却效果的同时，能够有效降低生产使用维护成本。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池冷却系统的控制方法，燃料电池冷却系统包括低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元，电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元分别连接在低温循环冷却单元的换热器上，各高温循环冷却单元将热量传递至低温循环冷却单元；
6.该燃料电池冷却系统的控制方法包括步骤：
7.s10,采集电堆温度、低温循环冷却单元温度和辅助高温循环冷却单元温度；采集各个高温循环中循环泵的当前转速；
8.s20,根据电堆温度判断电堆是否过温，若是则开启电堆过温模式；若否则进行下一步；
9.s30,根据辅助高温循环冷却单元温度判断辅助部件是否过温，若是则开启辅助部件过温模式；若否则进行下一步；
10.s40,根据各个高温循环中循环泵的当前转速，查表插值计算各个冷却介质流量；
11.s50,根据各个循环的温差和所述冷却介质流量，计算各个高温循环需求散热量和总散热量；
12.s60,根据各个循环的温差和总散热量，查表插值计算低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的运行参数；
13.s70,将获得的运行参数分别发送至低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和
辅助高温循环冷却单元的控制器，实现冷却系统的实时调节控制，保证系统各个产热部件工作在良好的温度范围内。
14.进一步的是，所述低温循环冷却单元包括散热器、换热器和低温循环泵，换热器出口与低温循环泵入口相连，低温循环泵出口与散热器入口相连，散热器出口与换热器入口相连，在换热器上还并列设置有电堆高温循环冷却单元换热接口和辅助高温循环冷却单元换热接口；所述电堆高温循环冷却单元为燃料电池电堆冷却回路，包括电堆和电堆高温循环泵，电堆和电堆高温循环泵串接后连接至电堆高温循环冷却单元换热接口；所述辅助高温循环冷却单元为燃料电池辅助部件冷却回路，包括辅助部件和辅助高温循环泵，辅助部件和辅助高温循环泵后连接至辅助高温循环冷却单元换热接口；
15.电堆高温循环的冷却介质吸收电堆产生的热量，并通过换热器将热量传递至低温循环；同时，通过电堆高温循环冷却单元的电堆高温循环泵驱动该循环中冷却介质流动加快热交换；
16.辅助高温循环的冷却介质吸收辅助部件产生的热量，并通过换热器将热量传递至低温循环；同时，通过辅助高温循环冷却单元的辅助高温循环泵驱动该循环中冷却介质流动加快热交换；
17.低温循环的冷却介质通过换热器吸收电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的热量，并通过散热器将热量排出燃料电池系统；同时，通过低温循环泵驱动该循环中冷却介质流动加快热交换。
18.进一步的是，在所述电堆过温模式时：燃料电池系统降功输出，低温循环冷却单元和高温循环冷却单元全速运行，直到电堆温度小于电堆过温解除阈值。
19.进一步的是，在所述辅助部件过温模式时：燃料电池系统降功输出，散热器、低温循环泵和辅助高温循环泵全速运行，直到辅助部件温度小于辅助部件过温解除判定阈值，方可进入下一个步骤。
20.进一步的是，在步骤s10中，采集电堆高温循环泵当前转速r
1p
和辅助高温循环冷却单元中辅助高温循环泵当前转速r
2p
；
21.在步骤s40中，根据转速r
1p
和转速r
2p
，从r1—m1对应表和r2—m2对应表插值计算得到电堆高温循环当前冷却介质质量流量m
1p
和辅助高温循环当前冷却介质质量流量m
2p
；
22.在步骤s50中，根据电堆进出口温差、辅助部件进出口温差、电堆高温循环当前冷却介质质量流量m
1p
、辅助高温循环当前冷却介质质量流量m
2p
，计算各高温循环需求散热量及总需求散热量q；
23.在步骤s60中，根据总需求散热量q，从q—r
f
对应表插值得到散热器的风扇目标转速r
ft
；根据散热器进出口温差δt0、电堆进出口温差δt1、辅助部件进出口温差δt2，从δt0—r0对应表、δt1—r1对应表、δt2—r2对应表调取插值得到低温循环泵的目标转速r
0t
、电堆高温循环泵的目标转速r
1t
、辅助高温循环泵的目标转速r
2t
；
24.在步骤s70中，将获得的散热器的风扇目标转速r
ft
、低温循环泵的目标转速r
0t
、电堆高温循环泵的目标转速r
1t
、辅助高温循环泵的目标转速r
2t
分别发送至散热器控制器、低温循环泵控制器、电堆高温循环泵控制器、辅助高温循环泵控制器，实现冷却系统的实时调节控制，保证系统各个产热部件工作在良好的温度范围内。
25.进一步的是，各高温循环需求散热量及总需求散热量q，计算公式为：
26.q1＝(t
12
‑
t
11
)
×
m
1p
×
c
p1 q2＝(t
22
‑
t
21
)
×
m
2p
×
c
p2
；
[0027][0028]
式中：q1为电堆高温循环需求散热量，c
p1
为电堆高温循环冷却介质比热容，q2为辅助高温循环需求散热量，c
p2
为辅助高温循环冷却介质比热容。
[0029]
进一步的是，根据辅助部件散热需求设置相应数量的辅助高温循环冷却单元，各个辅助高温循环冷却单元均并列连接在低温循环冷却单元上，各辅助高温循环冷却单元将热量传递至低温循环冷却单元。
[0030]
进一步的是，在一个所述辅助高温循环冷却单元中设置有多个辅助部件。
[0031]
进一步的是，，所述辅助部件为燃料电池系统中除电堆外其他需要散热的部件，包括中冷器、dc/dc变换器、空气压缩机及其控制器等。
[0032]
进一步的是，所述换热器包括低温换热区和多个高温换热区；低温换热区与低温循环冷却单元链接，多个高温换热区分别与电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元；
[0033]
将多个高温换热区并列贴合在低温换热区上，低温换热区的冷却介质流动吸多个高温换热区的热量；
[0034]
对个高温换热区分别对电堆高温循环和辅助高温循环进行换热，将热量传递给低温换热区。
[0035]
能够保证区域之间发生热量交换而不发生冷却介质交换，实现循环之间只交换热量而不交换冷却介质，可降低电堆以外高温循环冷却介质绝缘性能的要求，提高系统可靠性和灵活性。
[0036]
采用本技术方案的有益效果：
[0037]
本发明通过采集电堆温度、低温循环冷却单元温度和辅助高温循环冷却单元温度；采集各个高温循环中循环泵的当前转速；在根据温度进行过温保护后；再计算温差，计算冷却介质流量，通过冷却介质流量获得总散热量，来获取低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的运行参数；能够有效协调各个循环之间的工作状态，使整个冷却系统能够根据实际运行情况达到最优冷却效果，提高冷却效果的同时，能够有效降低生产使用维护成本。
[0038]
本发明中针对不同循环使用不同绝缘性能的冷却介质，从而减少高绝缘性能冷却介质的投入；且多个高温循环之间不交换冷却介质，即燃料电池电堆冷却介质绝缘性能不受其他高温循环冷却介质的影响，可有效延长燃料电池冷却系统冷却介质和去离子器的更换周期；能够有效降低生产使用维护成本。
[0039]
此外，若所述燃料电池冷却系统某处出现堵塞或漏水等故障，由于有多个相互独立的高温循环，能够尽量减小这些故障对燃料电池工作性能的影响；且多个高温循环可根据实际情况进行灵活设计。因此所述燃料电池冷却系统的可靠性和灵活性相对于现有技术得到有效提升。
附图说明
[0040]
图1为本发明的一种燃料电池冷却系统的控制方法流程示意图；
[0041]
图2为本发明实施例中一种燃料电池冷却系统的结构示意图；
[0042]
图3为本发明实施例中查表插值计算示意图；
[0043]
图4为本发明实施例中换热器的结构原理示意图；
[0044]
其中，1是换热器，2是低温循环泵，3是散热器入口温度传感器，4是散热器，5是散热器出口温度传感器，6是电堆出口温度传感器，7是电堆，8是电堆入口温度传感器，9是电堆高温循环泵，10是辅助部件入口温度传感器，11是辅助部件，12是辅助部件出口温度传感器，13是辅助高温循环泵。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0046]
在本实施例中，参见图1和图2所示，本发明提出了一种燃料电池冷却系统的控制方法，燃料电池冷却系统包括低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元，电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元分别连接在低温循环冷却单元的换热器1上，各高温循环冷却单元将热量传递至低温循环冷却单元；
[0047]
该燃料电池冷却系统的控制方法包括步骤：
[0048]
s10,采集电堆温度、低温循环冷却单元温度和辅助高温循环冷却单元温度；采集各个高温循环中循环泵的当前转速；
[0049]
s20,根据电堆温度判断电堆7是否过温，若是则开启电堆过温模式；若否则进行下一步；
[0050]
s30,根据辅助高温循环冷却单元温度判断辅助部件11是否过温，若是则开启辅助部件11过温模式；若否则进行下一步；
[0051]
s40,根据各个高温循环中循环泵的当前转速，查表插值计算各个冷却介质流量；
[0052]
s50,根据各个循环的温差和所述冷却介质流量，计算各个高温循环需求散热量和总散热量；
[0053]
s60,根据各个循环的温差和总散热量，查表插值计算低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的运行参数；
[0054]
s70,将获得的运行参数分别发送至低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的控制器，实现冷却系统的实时调节控制，保证系统各个产热部件工作在良好的温度范围内。
[0055]
作为上述实施例的优化方案，所述低温循环冷却单元包括散热器4、换热器1和低温循环泵2，换热器1出口与低温循环泵2入口相连，低温循环泵2出口与散热器4入口相连，散热器4出口与换热器1入口相连，在换热器1上还并列设置有电堆高温循环冷却单元换热接口和辅助高温循环冷却单元换热接口；所述电堆高温循环冷却单元为燃料电池电堆冷却回路，包括电堆7和电堆高温循环泵9，电堆7和电堆高温循环泵9串接后连接至电堆高温循环冷却单元换热接口；所述辅助高温循环冷却单元为燃料电池辅助部件11冷却回路，包括辅助部件11和辅助高温循环泵13，辅助部件11和辅助高温循环泵13后连接至辅助高温循环冷却单元换热接口。
[0056]
所述低温循环还包括散热器入口温度传感器3和散热器出口温度传感器5；散热器
入口温度传感器3和散热器出口温度传感器5分别位于散热器4入口和散热器4出口；散热器入口温度传感器3和散热器出口温度传感器5分别测量散热器4入口温度和散热器4出口温度。
[0057]
所述电堆高温循环冷却单元还包括电堆入口温度传感器8和电堆出口温度传感器6；电堆入口温度传感器和电堆出口温度传感器6分别位于电堆7冷却入口和电堆7冷却出口；电堆入口温度传感器和电堆出口温度传感器6分别测量电堆7冷却入口冷却介质温度和电堆7冷却出口冷却介质温度。
[0058]
所述辅助高温循环冷却单元还包括辅助部件入口温度传感器10和辅助部件出口温度传感器12，辅助部件入口温度传感器10和辅助部件出口温度传感器12分别位于辅助部件11入口和辅助部件11出口，辅助部件入口温度传感器10和辅助部件出口温度传感器12分别测量辅助部件11入口冷却介质温度和辅助部件11出口冷却介质温度。
[0059]
电堆高温循环的冷却介质吸收电堆7产生的热量，并通过换热器1将热量传递至低温循环；同时，通过电堆高温循环冷却单元的电堆高温循环泵9驱动该循环中冷却介质流动加快热交换；
[0060]
辅助高温循环的冷却介质吸收辅助部件11产生的热量，并通过换热器1将热量传递至低温循环；同时，通过辅助高温循环冷却单元的辅助高温循环泵13驱动该循环中冷却介质流动加快热交换。
[0061]
该燃料电池冷却系统的控制方法包括步骤：
[0062]
s10,采集散热器入口温度传感器3、散热器出口温度传感器5、电堆入口温度传感器8、电堆出口温度传感器6、辅助部件入口温度传感器10、辅助部件出口温度传感器12分别测得散热器1入口温度t
01
、散热器1出口温度t
02
、电堆7入口温度t
11
、电堆7出口温度t
12
、辅助部件11入口温度t
21
、辅助部件11出口温度t
22
；采集电堆高温循环泵9当前转速r
1p
和辅助高温循环冷却单元中辅助高温循环泵13当前转速r
2p
。
[0063]
s20,根据电堆7入口温度t
11
是否大于电堆过温判定阈值x
11
判断电堆7是否过温，若是则开启电堆过温模式，在所述电堆过温模式时：燃料电池系统降功输出，低温循环冷却单元和高温循环冷却单元全速运行，直到电堆入口温度t
11
小于电堆过温解除判定阈值x
12
，；若否则进行下一步。
[0064]
s30,根据辅助高温循环冷却单元温度判断辅助部件11入口温度t
21
是否大于辅助部件过温判定阈值，若是则开启辅助部件11过温模式，在所述辅助部件11过温模式时：燃料电池系统降功输出，散热器4、低温循环泵2和辅助高温循环泵13全速运行，直到辅助部件11入口温度t
21
小于辅助部件过温解除判定阈值x
22
，方可进入下一个步骤；若否则进行下一步。
[0065]
s40,根据转速r
1p
和转速r
2p
，从r1—m1对应表和r2—m2对应表插值计算得到电堆高温循环当前冷却介质质量流量m
1p
和辅助高温循环当前冷却介质质量流量m
2p
。
[0066]
这些表一般由水泵供应商提供，表征了水泵和冷却介质质量流量的对应关系；如图3所示，以线性插值为例说明查表插值计算过程：已知x—y表，即图中若干点x1，y1、x2，y2、x3，y3，已知x0，求x0在x—y表中的对应值y0，首先判断出x2＜x0＜x3，再利用公式计算。
[0067]
s50,根据电堆7进出口温差、辅助部件11进出口温差、电堆高温循环当前冷却介质质量流量m
1p
、辅助高温循环当前冷却介质质量流量m
2p
，计算各高温循环需求散热量及总需求散热量q。
[0068]
s60,根据总需求散热量q，从q—r
f
对应表插值得到散热器4的风扇目标转速r
ft
，该表一般由散热器4供应商提供，表征了散热量与风扇转速的对应关系；根据散热器4进出口温差δt0、电堆7进出口温差δt1、辅助部件11进出口温差δt2，从δt0—r0对应表、δt1—r1对应表、δt2—r2对应表调取插值得到低温循环泵2的目标转速r
0t
、电堆高温循环泵9的目标转速r
1t
、辅助高温循环泵13的目标转速r
2t
，这些表一般由测试标定得到，表征了不同温差对应的水泵目标转速之间的关系。
[0069]
各高温循环需求散热量及总需求散热量q，计算公式为：
[0070]
q1＝(t
12
‑
t
11
)
×
m
1p
×
c
p1 q2＝(t
22
‑
t
21
)
×
m
2p
×
c
p2
；
[0071][0072]
式中：q1为电堆高温循环需求散热量，c
p1
为电堆高温循环冷却介质比热容，q2为辅助高温循环需求散热量，c
p2
为辅助高温循环冷却介质比热容。
[0073]
s70,将获得的运行参数分别发送至低温循环冷却单元、电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元的控制器，实现冷却系统的实时调节控制，保证系统各个产热部件工作在良好的温度范围内。将获得的散热器4的风扇目标转速r
ft
、低温循环泵2的目标转速r
0t
、电堆高温循环泵9的目标转速r
1t
、辅助高温循环泵13的目标转速r
2t
分别发送至散热器4控制器、低温循环泵2控制器、电堆高温循环泵9控制器、辅助高温循环泵13控制器，实现冷却系统的实时调节控制，保证系统各个产热部件工作在良好的温度范围内。
[0074]
作为上述实施例的优化方案，根据辅助部件11散热需求设置相应数量的辅助高温循环冷却单元，各个辅助高温循环冷却单元均并列连接在低温循环冷却单元上，各辅助高温循环冷却单元将热量传递至低温循环冷却单元。
[0075]
作为上述实施例的优化方案，在一个所述辅助高温循环冷却单元中设置有多个辅助部件11。
[0076]
其中，所述辅助部件11为燃料电池系统中除电堆7外其他需要散热的部件，包括中冷器、dc/dc变换器、空气压缩机及其控制器等。
[0077]
可根据热源的实际情况灵活设计高温循环、控制冷却介质流量，使产热部件能够工作在良好的温度范围内：若有需要，还可将空气压缩机、氢气循环泵、中冷器、dc/dc变换器等需要产热辅助部件11设计在多个高温循环中；若某高温循环需要的散热量小，可以适当降低泵和管道的性能要求，从而可以减小功耗和成本；若某高温循环需要的散热量稳定，则该循环可不安装温度传感器，也不需通过控制系统调节冷却介质流量，在设计时使该高温循环以一恒定冷却介质流量持续运行。
[0078]
作为上述实施例的优化方案，所述换热器1包括低温换热区和多个高温换热区；低温换热区与低温循环冷却单元链接，多个高温换热区分别与电堆高温循环冷却单元和辅助高温循环冷却单元；
[0079]
将多个高温换热区并列贴合在低温换热区上，低温换热区的冷却介质流动吸多个高温换热区的热量；
[0080]
对个高温换热区分别对电堆高温循环和辅助高温循环进行换热，将热量传递给低温换热区。
[0081]
能够保证区域之间发生热量交换而不发生冷却介质交换，提高了换热器1的灵活性，循环之间只通过交换热量而不交换冷却介质，可降低电堆7以外高温循环冷却介质绝缘性能的要求，提高系统可靠性和灵活性。
[0082]
如图4所示的换热器1共有区域1、区域2、区域3三个相互隔开的区域，每个区域均有一个进口和出口。其中，区域1的进口1和出口1与低温循环相连，低温循环的冷却介质流动吸收区域2、区域3的热量；区域2的进口2和出口2与高温循环1相连，高温循环1的冷却介质在区域2中将热量传递至区域1；区域3的进口3和出口3与高温循环2相连，高温循环2的冷却介质在区域3中将热量传递至区域1；可选地，还可设计分为更多区域的换热器1，依此类推。
[0083]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。