一种燃料电池循环冷却装置及温度均衡控制方法与流程

1.本发明涉及交通动力系统用大面积燃料电池热管理技术领域，具体为一种燃料电池循环冷却装置及温度均衡控制方法。


背景技术：

2.由于无污染排放的特性，燃料电池在世界范围内受到越来越多的关注，燃料电池本质上是一种电化学装置，以氢气、氧气作为燃料，通过电化学反应(非燃烧)产生电能。燃料电池商业化仍然面对很多问题，包括成本过高、寿命过低，耐久性较差。随着燃料电池趋于更大的活性面积，燃料电池内部各组分的分布不均，导致燃料电池面内差异性进一步扩大，并且随着燃料电池片数的增加，燃料电池系统的一致性也会受到影响，最终导致燃料电池耐久性和寿命的降低。
3.从热力学角度，燃料电池自产热随电流密度的增加而显著提高，在额定功率点的效率仅为50％左右，其余能量大多变为热量，这导致燃料电池内部温度集聚，并且分布不均。温度分布不均主要表现在两个方面：首先是面内分布不均，由于气流分配等因素，面内燃料分配不均会导致反应强度不同，进而导致温度分布的差异性；其次，由于燃料电池系统有若干片电池串联形成的，并通过冷却系统将热量带出，这意味着沿流道方向的温度会呈现梯次变化。温度的变化与差异会显著影响燃料电池自身的性能与一致性，需要着重考虑燃料电池的温度分布均匀性。
4.现有的燃料电池热管理仅采用单向冷却方式，这导致燃料电池出水口处温度显著高于进水口处温度，并且随着电流密度的升高，温度梯度显著提升。
5.现有的大面积燃料电池大多采用单片一检，甚至多片一检的方式，由于燃料电池内部状态耦合多变，依靠单一变量测量很难对燃料电池内部状态进行有效评估，不适合在大面积燃料电池上应用。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述技术问题，提供一种燃料电池循环冷却装置及温度均衡控制方法，在对燃料电池状态进行评估的前提下，旨在提高燃料电池的温度分布均匀性，保证燃料电池的一致性与寿命。
7.本发明提供一种燃料电池循环冷却装置，包括与燃料电池电堆通过两条管路连通的散热器总成，控制冷却液是否进入散热器总成的开关阀，采集燃料电池电堆冷却液进出口温度、压力的温度传感器和压力传感器，还包括冷却液循环换向机构，所述冷却液循环换向机构连接在燃料电池电堆与散热器总成连通的管路上，为冷却液流动提供动力以及切换冷却液流动方向。
8.优选的，所述冷却液循环换向机构采用可逆泵，所述可逆泵设置在燃料电池电堆与散热器总成连通的一条管路上。
9.优选的，所述冷却液循环换向机构包括单向泵、四个换向阀、第一支路和第二支
路，所述第一支路和第二支路上分别设置一个换向阀，所述第一支路和第二支路交叉接入燃料电池电堆与散热器总成连通的两条管路上；所述单向泵、一个换向阀设置在燃料电池电堆与散热器总成连通的一条管路上；一个换向阀设置在燃料电池电堆与散热器总成连通的另一条管路上。
10.优选的，还包括水箱，所述水箱通过管路接入燃料电池电堆与散热器总成连通的一条管路上。
11.优选的，还包括水箱，所述水箱通过管路接入燃料电池电堆与散热器总成连通的一条管路上。
12.本发明还提供一种采用所述燃料电池循环冷却装置的温度均衡控制方法，所述方法为：采集燃料电池电堆的冷却液进、出堆温度，采集燃料电池电堆每一片单电池的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口四个位置电压，通过燃料电池控制器计算冷却液进出堆温差、电堆温度，计算所述燃料电池电堆的压差、以及电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差，根据计算的冷却液进出堆温差，结合燃料电池工作温度范围，判断燃料电池电堆是否达到散热要求，进一步根据计算的电堆温度与预设电堆温度的差值、冷却液进出堆温差，以及所计算的燃料电池电堆的压差、电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差划分温度均衡控制模式，对于达到散热要求的燃料电池电堆，选择合适的温度均衡控制模式，控制燃料电池循环冷却装置的冷却液循环换向机构驱动冷却液单向流动或者换向流动，控制散热器总成风扇工作在合适速度区间。
13.优选的，所述电堆温度通过冷却液进、出堆温度的平均值表示。
14.优选的，所述燃料电池电堆的压差δv通过公式(1)计算，
15.δv＝max(v1,v2,v3,
…
,vn)-min(v1,v2,v3,
…
,vn)
ꢀꢀ
(1)
16.其中，n为燃料电池电堆中单电池的总片数，v1,v2,v3,
…
,vn为计算的每一片单电池的表征电压。
17.优选的，所述单电池的表征电压通过公式(2)计算：
[0018][0019]
其中，燃料电池电堆的第i片单电池的阳极入口电压为v
i1
、阳极出口电压为v
i2
、阴极入口电压为v
i3
、阴极出口电压为v
i4
，i＝1,2,
…
,n，n为燃料电池电堆中单电池的总片数，k1＝1.5，k2＝0.5，k3＝1.5，k4＝0.5。
[0020]
优选的，所述电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差通过公式(3)计算，
[0021][0022]
其中，为燃料电池电堆的所有单电池的表征电压的平均值。
[0023]
优选的，所述温度均衡控制模式设置为三个模式，模式一即满足条件：|t-t0|≤d1，|t1-t2|≤d2，并且δv≤d3，σv≤d4；
[0024]
模式二即满足条件d1＜|t-t0|≤e1，d2＜|t1-t2|≤e2，并且d3＜δv≤e3，d4＜σv≤e4；
[0025]
模式三即满足条件e1＜|t-t0|≤f1，e2＜|t1-t2|≤f2，并且e3＜δv≤f3，e4＜σv≤f4；
[0026]
其中，t为电堆温度，t0为预设电堆温度，t1为冷却液进堆温度，t2为冷却液出堆温度，δv为燃料电池电堆的压差，σv为电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差。
[0027]
本发明的有益效果为：
[0028]
本发明提出了可逆泵与变流道结构两种结构方案，针对燃料电池电堆的温度场变化，利用可逆泵或者换向阀，适时调整冷却液的流向，可以保证燃料电池电堆进出水口温度的分布均匀性，装置具有灵活度高，散热效果好，适应性强的特点；
[0029]
本发明提出了一种新的燃料电池状态评估方法，基于多点电压数据，判定燃料电池电堆内部状态，并以此作为温度均衡控制策略依据制定了多种工作模式，进而控制燃料电池电堆内部冷却液流向、冷却液流速、散热器转速等，可以极大地提升燃料电池电堆的散热效率，提高燃料电池的温度均匀性与一致性，提高燃料电池性能，保证其寿命；
[0030]
本发明引入模糊pid控制理论，在燃料电池电堆产热较大，冷却液进出口温差过大的情况下实现了燃料电池循环冷却装置全工况下的控制，在各个工况引入模糊pid算法，能够在各工况下输出最佳的热管理性能，既能满足系统局部控制性能，又能达到整体优化的目的，提高了燃料电池电堆的温度一致性。
附图说明
[0031]
图1：实施例一的燃料电池循环冷却装置结构原理图，
[0032]
图2：实施例二的燃料电池循环冷却装置结构原理图，
[0033]
图3：实施例三提供的单电池面内温差随时间变化趋势示意图，
[0034]
图4：实施例三提供的单电池面内温度分布示意图，
[0035]
图5：实施例三提供的电堆长堆、短堆、单电池冷却液温差示意图，
[0036]
图6：实施例三提供的多点电压采集示意图。
[0037]
图中标记：第一管路1、第二管路2、散热器总成3、开关阀4、温度传感器5、压力传感器6、可逆泵7、水箱8、氧化剂供应系统9、燃料供应系统10、单向泵11、第一换向阀12、第二换向阀13、第三换向阀14、第四换向阀15、第一支路16、第二支路17、空气滤清器91、流量计92、空压机93、节气门94、空气加湿器95、背压阀96、空气进出堆温度传感器97、空气进出堆压力传感器98、储氢瓶101、氢喷阀102、氢气加湿器103、排氢阀104、氢气进出堆温度传感器105、氢气进出堆压力传感器106、燃料电池电堆100。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0039]
此外，以下实施方式中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
[0040]
实施例一
[0041]
如图1所示，本具体实施例提供的燃料电池循环冷却装置，包括与燃料电池电堆100通过第一管路1和第二管路2连通的散热器总成3，控制冷却液是否进入散热器总成3的
开关阀4，采集燃料电池电堆100冷却液进出口温度、压力的温度传感器5和压力传感器6，还包括冷却液循环换向机构，本实施例的冷却液循环换向机构采用可逆泵7，可逆泵7可以控制冷却液顺向和逆向流动，所述可逆泵7设置在燃料电池电堆100与散热器总成3连通的第一管路1上，所述可逆泵7为冷却液流动提供动力以及切换冷却液流动方向。本实施例的燃料电池循环冷却装置还包括水箱8，所述水箱8通过管路接入燃料电池电堆100与散热器总成3连通的第二管路2上。
[0042]
本实施例的燃料电池循环冷却装置，还包括氧化剂供应系统9以及燃料供应系统10，所述氧化剂供应系统9包括燃料电池电堆100的氧化剂入口一侧通过管路依次连接的空气滤清器91、流量计92、空压机93、节气门94、空气加湿器95，燃料电池电堆100的氧化剂出口一侧设置的背压阀96，以及检测燃料电池电堆100空气进出堆温度、压力的空气进出堆温度传感器97、空气进出堆压力传感器98。
[0043]
所述燃料供应系统10包括燃料电池电堆100的燃料入口一侧通过管路依次连接的储氢瓶101、氢喷阀102、氢气加湿器103，燃料电池电堆100的燃料出口一侧设置的排氢阀104，以及检测燃料电池电堆100氢气进出堆温度、压力的氢气进出堆温度传感器105、氢气进出堆压力传感器106。
[0044]
实施例二
[0045]
如图2所示，本具体实施例提供的燃料电池循环冷却装置，包括与燃料电池电堆100通过第一管路1和第二管路2连通的散热器总成3，控制冷却液是否进入散热器总成3的开关阀4，采集燃料电池电堆100冷却液进出口温度、压力的温度传感器5和压力传感器6，还包括冷却液循环换向机构，本实施例的冷却液循环换向机构包括单向泵11、四个换向阀(第一换向阀12、第二换向阀13、第三换向阀14、第四换向阀15)、第一支路16和第二支路17，所述第一支路16和第二支路17上分别设置第一换向阀12和第二换向阀13，所述第一支路16和第二支路17交叉接入燃料电池电堆100与散热器总成3连通的第一管路1和第二管路2上；所述单向泵11、第三换向阀14设置在燃料电池电堆100与散热器总成3连通的第一管路1上；所述第四换向阀15设置在燃料电池电堆100与散热器总成3连通的第二管路2上。本实施例的燃料电池循环冷却装置也包括水箱8，且氧化剂供应系统9以及燃料供应系统10的系统结构与实施例一相同，不再赘述。
[0046]
实施例三
[0047]
本实施例主要针对燃料电池电堆冷却液进出口温差过大的问题，提出温度均衡控制方法，通过该方法控制实施例一或者实施例二所述的燃料电池循环冷却装置的冷却液循环换向机构改变冷却液流动方向，通过散热器总成为燃料电池电堆散热，从而实现燃料电池电堆的温度分布均匀。如图3所示为大面积燃料电池单电池温度随时间变化曲线，可以看出随着时间增加(电流密度升高)，单电池面内差异性进一步增加。图4为大面积燃料电池单体面内温度分布情况，从图中可以看出单电池面内温度最高点位于冷却液入口，最低点位于冷却液出口。图5为电堆长堆、短堆、单电池冷却液进出口温度随电流密度的变化曲线，可以看出随着电池片数的增多，电池温度差异性进一步增加。采用本实施例的温度均衡控制方法能够显著的提升燃料电池电堆的温度分布均匀性。
[0048]
燃料电池电堆中有电压巡检模块，用来对每个单电池进行电压检测。实施例一和实施例二的燃料电池循环冷却装置中所有传感器及执行器都和燃料电池控制器相连接，蓄
电池通过电源线束与换向阀、逆向泵或单向泵、散热器总成、燃料电池控制器连接，并为它们供电；燃料电池控制器根据温度传感器、电压巡检模块采集的信息，控制逆向泵或单向泵、散热器总成以及换向阀，用以控制燃料电池电堆的整体温升，增加燃料电池电堆温度一致性，具体的温度均衡控制方法如下。
[0049]
本实施例提供一种采用所述燃料电池循环冷却装置的温度均衡控制方法，所述方法为：
[0050]
通过温度传感器5采集燃料电池电堆100的冷却液进、出堆温度，通过燃料电池电堆100中的电压巡检模块采集燃料电池电堆100每一片单电池的阴极入口、阴极出口、阳极入口、阳极出口四个位置电压(如图6所示的1-4号采样位置)，通过燃料电池控制器计算冷却液进出堆温差、电堆温度，计算所述燃料电池电堆的压差、以及电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差，根据计算的冷却液进出堆温差，结合燃料电池工作温度范围，判断燃料电池电堆是否达到散热要求，进一步根据计算的电堆温度与预设电堆温度的差值、冷却液进出堆温差，以及所计算的燃料电池电堆的压差、电堆的所有单电池的四个位置电压值的方差划分温度均衡控制模式，对于达到散热要求的燃料电池电堆，选择合适的温度均衡控制模式，燃料电池控制器控制冷却液循环换向机构驱动冷却液单向流动或者换向流动，控制散热器总成风扇工作在合适速度区间。
[0051]
具体的，所述电堆温度通过冷却液进、出堆温度的平均值表示，即t＝(t1+t2)/2，t1为冷却液进堆温度，t2为冷却液出堆温度，并以|t1-t2|作为冷却液进出堆温差。
[0052]
具体的，燃料电池电堆的压差、方差计算过程如下：
[0053]
通过燃料电池电堆的电压巡检模块检测每一片单电池的四个位置的电压，定义所述燃料电池电堆的第i(i＝1,2,
…
,n)片单电池的阳极入口电压为v
i1
、阳极出口电压为v
i2
、阴极入口电压为v
i3
、阴极出口电压为v
i4
，所述每一片单电池的四个位置电压的压差通过公式(1)计算：
[0054]
δvi＝max(v
i1
,v
i2
,v
i3
,v
i4
)-min(v
i1
,v
i2
,v
i3
,v
i4
)
ꢀꢀ
(1)
[0055]
所述每一片单电池的四个位置电压的方差通过公式(2)计算：
[0056][0057]
其中，为所述每一片单电池的四个位置电压的平均值，即
[0058][0059]
以δvi≤b，σvi≤c作为单电池面内差异性合理的标志，其中a,b,c是实验标定值，分别为0.55，0.05，0.065。并且在燃料电池电堆中，总计有n片单电池，以单电池面内差异性过大电池个数m作为评价指标，来表征电堆内部出现问题电池的个数。
[0060]
通过公式(4)计算每一片单电池的表征电压，
[0061][0062]
其中，k1＝1.5，k2＝0.5，k3＝1.5，k4＝0.5，i＝1,2,
…
,n。
[0063]
再通过公式(5)计算电堆的压差δv，
[0064]
δv＝max(v1,v2,v3,
……
,vn)-min(v1,v2,v3,
……
,vn)
ꢀꢀ
(5)
[0065]
再通过公式(6)计算电堆的所有单电池四个位置电压值的方差σv，
[0066][0067]
其中，为电堆的所有单电池的表征电压的平均值，如公式(7)所示，
[0068][0069]
然后根据冷却液进堆温差、预设的电堆温度值t0、电堆的压差δv、电堆的所有单电池四个位置电压值的方差σv划分温度均衡控制模式：
[0070]
当同时满足以下条件，记为模式一状态：
[0071]
|t-t0|≤d1，|t1-t2|≤d2，并且δv≤d3，σv≤d4。
[0072]
当同时满足以下条件，记为模式二状态：
[0073]
d1＜|t-t0|≤e1，d2＜|t1-t2|≤e2，并且d3＜δv≤e3，d4＜σv≤e4。
[0074]
当同时满足以下条件，记为模式三状态：
[0075]
e1＜|t-t0|≤f1，e2＜|t1-t2|≤f2，并且e3＜δv≤f3，e4＜σv≤f4。
[0076]
其中，d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4、f1、f2、f3、f4的数值通过实验来获得，根据nedc工况以及实车测试工况，实际标定各个参数的数值，进而确定上述阈值大小。d1、e1、f1的大致范围为0.5℃、1℃、1.5℃；d2、e2、f2的大致范围为4℃、6℃、8℃；d3、e3、f3的大致范围为0.01、0.025、0.05；d4、e4、f4的大致范围为0.005、0.01、0.015。
[0077]
所述燃料电池电堆的工作温度范围为70-80℃，所述冷却液进出堆温差应控制在10℃以内，对于超出工作温度范围以及冷却液进出堆温差范围的燃料电池电堆达到散热要求。
[0078]
在模式一下，燃料电池电堆的温度在工作温度范围内，燃料电池电堆自产热较少，此时采用单向流冷却方式。对于实施例一的燃料电池循环冷却装置，可逆泵采用单向模式，冷却液顺向流动；对于实施例二的燃料电池循环冷却装置，第一换向阀12、第二换向阀13关闭，第三换向阀14、第四换向阀15打开，此时冷却液液是顺向流动，散热器总成风扇工作在20％以下区间。
[0079]
在模式二下，燃料电池电堆自产热较大，冷却液进出堆温差较大，此时需要切换冷却液的方向，并且采用固定频率对冷却液换向进行控制，一般顺向流动5分钟，逆向流动3min。对于实施例一的燃料电池循环冷却装置，可逆泵按照指定顺序切换方向；对于实施例二的燃料电池循环冷却装置，第一换向阀12、第二换向阀13和第三换向阀14、第四换向阀15按照指定顺序切换打开，进而控制冷却液方向。所述散热器总成风扇工作在75％以下区间。
[0080]
在模式三下，燃料电池电堆自产热较大，温度较大，并且冷却液进出堆温差较大，此时需要针对现有工况采用模糊pid算法对冷却液换向以及切换时间进行控制。对于实施例一的燃料电池循环冷却装置，收到切换指令后，可逆泵切换方向；对于实施例二的燃料电池循环冷却装置，收到切换指令后，第一换向阀12、第二换向阀13和第三换向阀14、第四换向阀15按照指令切换打开，进而控制冷却液方向。所述散热器总成风扇工作在95％以下区间。
[0081]
所述模糊pid算法具体原理如下：
[0082]
pid控制器的常用数学表达式显示为：
[0083][0084]
其中u(t)是计算的输出控制信号，e(t)是目标值和测量值之间的误差，
t
是系统的运行时间，k
p
、ki和kd分别是比例增益、积分增益和微分增益。
[0085]
因此，本实施例提出的控制器是一种无导数的pi结构，以保证闭环控制系统的稳定性。明确输入变量：冷却液进出堆温度t1和t2、一致性评价依据是δvi、σvi；输出变量：散热风扇转速(实数域)。然后设定隶属度函数，将输入输出模糊化。用于表示模糊集的语言标签分为七个模糊子集：nb(远小于0)、nm(小于0)、ns(略小于0)、zo(等于0)、ps(略大于0)、pm(大于0)、pb(远大于0)。误差和误差变化的隶属函数为三角形，所有变量的字段在[-6,6]内。类似地，比例增益和积分增益的输出隶属度函数通过高斯分布分配，所有变量的场在[-1,1]内，用于通过重心法计算的结果，如下等式所述：
[0086][0087][0088]
这里e是误差，δe是误差变化，ω是指隶属函数，n是单点集的个数，k
pi
和k
ii
是单点的输出，δk
p
和δki是确定性输出。因此，pi控制器的参数可以通过以下方式获得：
[0089]kp_controller
＝k
p
+δk
p
ꢀꢀ
(11)
[0090]ki_controller
＝ki+δkiꢀꢀ
(12)
[0091]
其中k
p
和ki是之前调试过的固定增益，k
p_controller
和k
i_controller
是pi控制器的输入。
[0092]
模糊规则是根据被控对象和工作经验建立的。对于燃料电池系统的散热风扇控制，主要是对电池温度和性能进行有效控制。基于pi控制器的特性和非线性滞后效应创建的模糊逻辑规则显示在表1中。
[0093]
表1
[0094][0095]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。