CN110828866B - 车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法 - Google Patents

车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法。其中，冷却循环系统包括：控制器以及通过管路串联连接的车载燃料电池、水泵、水暖换热器以及散热器，散热器包括电子风扇，水暖换热器包括电动两通阀以及第一通路和第二通路，第二通路的入口与整车空调系统的供水水路连接，第二通路的出口与电动两通阀的入口连接，电动两通阀的出口通过管路与整车空调系统的回水水路连接，控制器用于在冷却水入口处冷却水的实际温度大于期望温度时，根据实际温度和期望温度控制电动两通阀的开度，还用于在实际温度大于期望温度并且电动两通阀打开至最大允许开度时，根据实际温度和期望温度控制电子风扇的开度，实现了对取暖水路与散热水路的解耦控制。

Description

车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池在工作时除了能够产生电能，还能够产生热量，并且产生的热量功率甚至可与产生的电能功率相当，为了避免这些热量的浪费，与传统燃油汽车类似，可以利用这些热量来取暖，具体地，可以在车载燃料电池系统中增加水暖换热器，来实现对燃料电池汽车的供暖。
在当前的车载燃料电池系统中，水暖换热器所在取暖水路通常与散热器所在散热水路并联，之后，再与燃料电池堆所在冷却水路串联，其中，取暖水路以及散热回路又分别采用阀体来实现流量控制，使得对取暖水路以及散热水路的控制耦合在一起，从而难以实现对燃料电池堆入口温度的稳定、准确控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对取暖水路以及散热水路的控制耦合在一起的缺陷，提供一种车载燃料电池的冷却循环系统及其控制方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种车载燃料电池的冷却循环系统，所述冷却循环系统包括控制器、车载燃料电池、水泵、水暖换热器以及散热器，所述散热器包括电子风扇，所述水暖换热器包括第一通路、第二通路以及电动两通阀，所述第二通路与所述第一通路中的水流对向流动，并且所述第二通路与整车空调系统的冷却回路并联，所述冷却回路包括供水水路和回水水路；其中：
所述车载燃料电池的冷却水出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述水泵的出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述第一通路的出口通过管路与所述散热器的入口连接；
所述散热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述第二通路的入口通过管路与所述供水水路连接；
所述第二通路的出口通过管路与电动两通阀的入口连接；
所述电动两通阀的出口通过管路与所述回水水路连接；
所述控制器用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于期望温度时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电动两通阀的开度；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于所述期望温度并且所述电动两通阀打开至最大允许开度时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电子风扇的开度。
较佳地，所述冷却循环系统还包括电磁阀和中冷器；其中：
所述车载燃料电池的冷却水入口通过管路与所述中冷器的入口连接；
所述中冷器的出口通过管路与所述电磁阀的入口连接；
所述电磁阀的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于第一温度阈值时，打开所述电磁阀；
其中，所述第一温度阈值小于所述期望温度。
较佳地，所述冷却循环系统还包括电动三通阀和电加热器；其中：
所述水泵的出口通过管路与所述电动三通阀的入口连接；
所述电动三通阀的第一出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述电动三通阀的第二出口通过管路与所述电加热器的入口连接；
所述电加热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度小于第二温度阈值时完全打开所述第二出口并打开所述电加热器，在所述冷却水入口处冷却水的实际温度不小于所述第二温度阈值时关闭所述电加热器；
所述控制器还用于在所述电磁阀打开并且所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于第一温度阈值时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述第一温度阈值控制所述电动三通阀的开度；
其中，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值。
较佳地，所述车载燃料电池与所述水泵之间的管路、所述水泵与所述电动三通阀之间的管路、所述电动三通阀与所述电加热器之间的管路、所述电加热器与所述车载燃料电池之间的管路中的至少一个设有保温层。
较佳地，所述控制器还用于根据死区设置指令设置温度控制死区，所述控制器在所述温度控制死区内不执行控制操作。
较佳地，所述冷却循环系统还包括膨胀水箱和离子交换器；其中：
所述散热器的排水气接口通过管路与所述离子交换器的一端连接；
所述离子交换器的另一端通过管路与所述膨胀水箱的入口连接；
所述膨胀水箱的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
和/或，
所述冷却循环系统还包括温度传感器；
所述温度传感器与所述控制器电连接，用于检测所述冷却水入口处冷却水的实际温度；
和/或，
所述车载燃料电池的冷却水入口所在管路上还设有过滤器；
所述过滤器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述过滤器的入口通过管路与所述散热器的出口连接。
一种车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，所述冷却循环系统包括控制器、车载燃料电池、水泵、水暖换热器以及散热器，所述散热器包括电子风扇，所述水暖换热器包括第一通路、第二通路以及电动两通阀，所述第二通路与所述第一通路中的水流对向流动，并且所述第二通路与整车空调系统的冷却回路并联，所述冷却回路包括供水水路和回水水路；其中：
所述车载燃料电池的冷却水出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述水泵的出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述第一通路的出口通过管路与所述散热器的入口连接；
所述散热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述第二通路的入口通过管路与所述供水水路连接；
所述第二通路的出口通过管路与电动两通阀的入口连接；
所述电动两通阀的出口通过管路与所述回水水路连接；
所述控制方法包括：
设置期望温度；
获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度；
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述期望温度；
若大于所述期望温度，则根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电动两通阀的开度；
判断所述电动两通阀的实际开度是否达到所述电动两通阀的最大允许开度；
若达到所述最大允许开度，则再次判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于期望温度，并在判断为是时根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电子风扇的开度。
较佳地，所述冷却循环系统还包括电磁阀和中冷器；其中：
所述车载燃料电池的冷却水入口通过管路与所述中冷器的入口连接；
所述中冷器的出口通过管路与所述电磁阀的入口连接；
所述电磁阀的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置第一温度阈值，所述第一温度阈值小于所述期望温度；
在所述判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述期望温度的步骤之前还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值；
若是，则打开所述电磁阀。
较佳地，所述冷却循环系统还包括电动三通阀和电加热器；其中：
所述水泵的出口通过管路与所述电动三通阀的入口连接；
所述电动三通阀的第一出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述电动三通阀的第二出口通过管路与所述电加热器的入口连接；
所述电加热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置第二温度阈值，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值；
在所述判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值的步骤之前还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否小于所述第二温度阈值；
若是，则完全打开所述第二出口并打开所述电加热器；
若否，则关闭所述电加热器；
在所述打开所述电磁阀的步骤之后还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值；
若是，则根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述第一温度阈值控制所述电动三通阀的开度。
较佳地，在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置温度控制死区，在所述温度控制死区内不执行控制操作。
本发明的积极进步效果在于：本发明中散热器与水暖换热器的第一通路串联在一起，无需分别对水暖换热器以及散热器采用阀体控制，通过分阶段控制电动两通阀的开度及控制电子风扇的开度，实现了对水暖换热器所在取暖水路与散热器所在散热水路的解耦控制。
附图说明
图1为本发明实施例1的车载燃料电池的冷却循环系统的模块连接示意图。
图2为本发明实施例2的车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种车载燃料电池的冷却循环系统，图1示出了本实施例的模块连接示意图。参照图1，本实施例的冷却循环系统包括：车载燃料电池1、水泵2、电动三通阀3、水暖换热器4、散热器5、过滤器6、电加热器7、电磁阀8、中冷器9、电动两通阀10、整车空调系统11、膨胀水箱12、离子交换器13以及控制器14，其中，水暖换热器4包括第一通路和第二通路，并且第一通路与第二通路的中的水流对向流动，电加热器7可以包括PTC(PositiveTemperature Coefficient，正温度系数)水加热器。
具体地，在本实施例中，车载燃料电池1的冷却水出口通过管路与水泵2的入口连接，水泵2的出口通过管路与电动三通阀3的入口连接，电动三通阀3的第二出口通过管路与电加热器7的入口连接，电加热器7的出口通过管路与过滤器6的入口连接，过滤器6的出口通过管路与车载燃料电池1的冷却水入口连接。
在本实施例中，过滤器6的入口通过管路还与中冷器9的入口连接，中冷器9的出口通过管路与电磁阀8的入口连接，电磁阀8的出口通过管路与水泵2的入口连接。
在本实施例中，电动三通阀3的第一出口通过管路与水暖换热器4的第一通路的入口连接，第一通路的出口通过管路与散热器5的入口连接，散热器5的出口通过管路与过滤器6的入口连接。
在本实施例中，水暖换热器4的第二通路与整车空调系统11的冷却回路并联，其中，冷却回路包括供水水路和回水水路，第二通路的入口通过管路与供水水路连接，第二通路的出口通过管路与电动两通阀10的入口连接，电动两通阀10的出口通过管路与回水水路连接。
在本实施例中，散热器5位于最高位置的排水气接口通过管路与离子交换器13的一端连接，离子交换器13的另一端通过管路与膨胀水箱12位于最高位置的入口连接，膨胀水箱12的出口通过管路与水泵2的入口连接，其中，膨胀水箱12的最高位置处还设置有与外界直通的溢流口。
本实施例冷却循环系统中的液体为防冻液，可以由纯水与乙二醇按不同比例配制而成，能够在低温冷冻环境不结冰。
在本实施例中，冷却循环系统还包括温度传感器15，用于检测车载燃料电池1的冷却水入口处冷却水的实际温度。
在本实施例中，控制器14与电动三通阀3、温度传感器15、电加热器7、电磁阀8、电动两通阀10以及散热器5的电子风扇电连接。
燃料电池的正常工作需要维持在一个合适的温度，原因在于，过高温度会导致膜电极失水甚至导致燃料电池损坏，过低温度又会导致燃料电池工作效率下降，通常不同燃料电池的工作温度大多分布在60℃-80℃范围内。
在本实施例中，控制器14基于温度传感器15在冷却水入口处检测到的冷却水的实际温度tn，以及预设的第二温度阈值t2、第一温度阈值t1与期望温度to实现对电动三通阀3、电加热器7、电磁阀8、电动两通阀10以及电子风扇的控制，能够实现对燃料电池中冷却水入口处冷却水的实际温度tn的精准控制，使其最终维持在期望温度to，以提高燃料电池的工作效率并确保其运行安全。
其中，第二温度阈值t2、第一温度阈值t1与期望温度to可以根据实际应用自定义设置，并且有，第二温度阈值t2小于第一温度阈值t1，第一温度阈值t1小于期望温度to，此外，在本实施例中，对实际温度tn的精准控制大体可以涉及冷启动模式、升温模式、取暖模式、散热模式以及关机模式等。
具体地，在本实施例中，控制器14接收到启动指令后，水泵2查表后按标定的转速开始转动，控制器14用于判断实际温度tn是否小于第二温度阈值t2，其中，第二温度阈值t2例如可以取值为0℃，当控制器14判断为是时，进入冷启动模式，判断为否时，进入升温模式。
在冷启动模式下，控制器14控制电动三通阀3完全打开第二出口并打开电加热器7，冷却水经由车载燃料电池1、水泵2、电动三通阀3、电加热器7、过滤器6后流入车载燃料电池1的回路构成小循环回路。
在该模式下，车载燃料电池1在运行中产生的热量以及电加热器7产生的热量共同为车载燃料电池1本体以及小循环回路中的冷却水提供热量，由于小循环回路的水腔非常短小，其所容纳的液体自然也少，一般为8L至10L左右，确保冷却水快速升温，以提升燃料电池电极中催化剂的催化活性，加速氧化还原反应，促使寒冷天气中电池堆冷启动成功。
在本实施例中，小循环回路的管路中的至少一个设有保温层，具体地，车载燃料电池1与水泵2之间的管路、水泵2与电动三通阀3之间的管路、电动三通阀3与电加热器7之间的管路、电加热器7与车载燃料电池1之间的管路中的至少一个设有保温层，以避免加热升温后的冷却水在寒冷天气中通过管路进行散热，进一步确保冷却水快速升温。
此外，在该模式下，电磁阀8保持关闭，以防止中冷器9中未经加热的冷却水进入小循环而加大小循环的水量，进一步确保冷却水快速升温。
当判断冷却水入口处冷却水的实际温度tn不小于第二温度阈值t0时，控制器14关闭电加热器7，利用载燃料电池1在运行中产生的热量为车载燃料电池1本体以及小循环回路中的冷却水提供热量，并进入升温模式。
在升温模式下，控制器14用于判断实际温度tn是否大于第一温度阈值t1，其中，第一温度阈值例如可以取值为60℃。当实际温度tn不大于第一温度阈值t1时，电动三通阀3仍然工作在第二出口。随着实际温度tn的升高，当实际温度tn第一次大于第一温度阈值t1时，控制器14打开电磁阀8，使得中冷器9中储存的未经加热的冷却水可以与流经电加热器7的小循环回路中的冷却水混合，使得实际温度tn再次小于第一温度阈值t1，也即，此时同时存在小循环回路以及中冷器所在中冷器回路。
随着实际温度tn的升高，控制器14还用于在打开电磁阀8后判断实际温度tn大于第一温度阈值t1时，根据实际温度tn和第一温度阈值t1控制电动三通阀3的开度，来控制第一出口与第二出口的流量分配。具体地，当实际温度tn偏高时，控制器14控制电动三通阀3向第一出口旋转，冷却水经电动三通阀3后分为两路，一路流经电加热器7后流入过滤器6，另一路流经水暖换热器4、散热器5再流入过滤器6，使得水暖换热器4以及散热器5所在大循环回路中未经加热的冷却水与小循环回路中经加热升温后的冷却水混合，促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的降低；当实际温度tn偏低时，控制器14控制电动三通阀3向第二出口旋转，促使大循环回路中的冷却水的升温，进而促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的升高。
随着实际温度tn的升高，控制器14控制电动三通阀3完全打开第一出口时，冷却水流经车载燃料电池1、水泵2、电动三通阀3、水暖换热器4、散热器5、过滤器6所在的大循环回路，而不再流经小循环回路。由于此时电动三通阀3已经完全打开第一出口，冷却水入口处冷却水的实际温度tn将继续升高，当控制器14判断实际温度tn大于期望温度to时，进入取暖模式，其中，期望温度to例如可以取值为68℃。
在取暖模式下，控制器14用于根据冷却水入口处冷却水的实际温度tn和期望温度to控制电动两通阀10的开度，其中，电动两通阀10的最大允许开度由整车空调系统11实时计算后发送给控制器14，原因在于，当天气不是特别寒冷时，整车空调系统11不需要过多热量，电动两通阀10将不会被开到极限开度，从而水暖换热器4的第二通路的最大流量受限于整车空调系统11对于热量的需求。
当实际温度tn偏高时，可以在最大允许开度范围内增大电动两通阀10的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的降低；当实际温度tn偏低时，减小电动两通阀10的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn升高。随着车载燃料电池1的运行，当控制器14控制电动两通阀10开至最大允许开度时，冷却水入口处冷却水的实际温度tn将继续升高，当控制器14判断实际温度tn大于期望温度to时，进入散热模式。而若在取暖模式中，当控制器14控制电动两通阀10的开度为0，实际温度tn难以维持在期望温度to时，进入上述升温模式。
在该模式下，在实现车载燃料电池1自身散热的同时还实现了对冷却循环系统中余热的回收利用，减少了整车空调系统11的用电需求，避免了热量的浪费。
在散热模式下，控制器14根据冷却水入口处冷却水的实际温度和期望温度控制散热器5的电子风扇的开度。当实际温度tn偏高时，增大电子风扇的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn降低；当实际温度tn偏低时，减小电子风扇的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn升高。
随着车载燃料电池1的运行，如果在散热模式中实际温度tn下降，并且控制器14控制电子风扇的开度为0，即电子风扇全部停止运行时，实际温度tn难以维持在期望温度to时，进入取暖模式。而若在散热模式中，电动两通阀10最大允许开度发生变化，则以更新后的最大允许开度运作。
在本实施例中，控制器14还用于根据死区设置指令设置温度控制死区，控制器14在温度控制死区内不执行控制操作，其中温度控制死区可以根据实际应用自定义设置，以防止在临界温度来回切换运作模式，影响冷却循环系统的稳定运行。
例如，在本实施例中设置温度控制死区为2℃，在上述示例中期望温度to为68℃时，当控制器14控制电动两通阀10开至最大允许开度并且实际温度tn大于70℃(68+2)时，进入散热模式，当控制器14控制电动两通阀10的开度为0并且实际温度tn不大于66℃(68-2)时，进入升温模式。
在本实施例中，控制器可以利用PID(Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分)闭环控制来获取电动三通阀3、电动两通阀10以及电子风扇的开度，具体公式为：
Figure BDA0002274830200000111
其中，α为控制量，Kp、Ki、Kd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，ΔT为冷却水入口处冷却水的实际温度与第一温度阈值(电动三通阀)或者期望温度(电动两通阀、电子风扇)之间的偏差信号。
在上述模式运作期间控制器14接收到关机指令时，进入关机模式。具体地，在关机模式中，控制器14检测关机时的环境温度，根据环境温度关机模式可以分为正常关机模式与低温关机模式。
正常关机模式为环境温度大于第二温度阈值时的关机，在该模式下，控制器14控制电动三通阀3为第一出口全开，电动两通阀10全关，水泵2按标定转速运行，在燃料电池关机吹扫期间，电子风扇查表控制电子风扇的开度，使冷却水入口处冷却水的实际温度尽可能与环境温度相近，吹扫完成后关闭水泵2与电子风扇，系统中的水自然散热，关机完成。
低温关机模式为环境温度小于第二温度阈值时的关机，在该模式下，控制器14控制电动三通阀3为第一出口全开，电动两通阀10全关，水泵2按标定转速运行，在燃料电池关机吹扫前期，控制器14查表控制电子风扇的开度；在燃料电池关机吹扫后期，控制器14根据第二温度阈值和冷却水入口处冷却水的实际温度采用PID闭环控制计算并控制电子风扇的开度，使燃料电池入口水温快速降温至第二温度阈值为止，带动燃料电池堆也降温，降温的燃料电池堆有利于堆内除水，为冷启动做好准备，吹扫完成后关闭水泵2与电子风扇，关机完成。
在本实施例中，散热器与水暖换热器的第一通路串联在一起，通过分阶段控制电动两通阀的开度及电子风扇的开度，实现了对水暖换热器所在取暖水路与散热器所在散热水路的解耦控制。进一步地，在本实施例中，控制器可以根据一个变量参数来控制冷却循环系统处于不同运作模式之下，实现了冷却水入口处的冷却水实际温度的解耦控制，确保了冷却水入口处的冷却水实际温度的稳定，提升了冷却循环系统的可靠性。
实施例2
本实施例提供一种车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，其中，冷却循环系统包括：车载燃料电池、水泵、电动三通阀、水暖换热器、散热器、过滤器、电加热器、电磁阀、中冷器、电动两通阀以及整车空调系统，其中，水暖换热器包括第一通路和第二通路，并且第一通路与第二通路的中的水流对向流动，电加热器可以包括PTC(Positive TemperatureCoefficient，正温度系数)水加热器。
具体地，在本实施例中，车载燃料电池的冷却水出口通过管路与水泵的入口连接，水泵的出口通过管路与电动三通阀的入口连接，电动三通阀的第二出口通过管路与电加热器的入口连接，电加热器的出口通过管路与过滤器的入口连接，过滤器的出口通过管路与车载燃料电池的冷却水入口连接。
过滤器的入口通过管路还与中冷器的入口连接，中冷器的出口通过管路与电磁阀的入口连接，电磁阀的出口通过管路与水泵的入口连接。
电动三通阀的第一出口通过管路与水暖换热器的第一通路的入口连接，第一通路的出口通过管路与散热器的入口连接，散热器的出口通过管路与过滤器的入口连接。
水暖换热器的第二通路与整车空调系统的冷却回路并联，其中，冷却回路包括供水水路和回水水路，第二通路的入口通过管路与供水水路连接，第二通路的出口通过管路与电动两通阀的入口连接，电动两通阀的出口通过管路与回水水路连接。
燃料电池的正常工作需要维持在一个合适的温度，原因在于，过高温度会导致膜电极失水甚至导致燃料电池损坏，过低温度又会导致燃料电池工作效率下降，通常不同燃料电池的工作温度大多分布在60℃-80℃范围内。
在冷却循环系统启动后，本实施例的控制方法包括：
S101、设置第二温度阈值。
S102、设置第一温度阈值。
S103、设置期望温度。
S104、获取车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度。
其中，第二温度阈值t2、第一温度阈值t1与期望温度to可以根据实际应用自定义设置，并且有，第二温度阈值t2小于第一温度阈值t1，第一温度阈值t1小于期望温度to，此外，在本实施例中，对实际温度tn的精准控制大体可以涉及冷启动模式、升温模式、取暖模式、散热模式以及关机模式等。
参见图2，本实施例的控制方法还包括：
S105、判断冷却水入口处冷却水的实际温度是否小于第二温度阈值；
若是，则执行步骤S106；若否，则执行步骤S107；
S106、完全打开第二出口并打开电加热器后，返回步骤S105；
S107、关闭电加热器。
具体地，在本实施例中，第二温度阈值t2例如可以取值为0℃，当步骤S105判断为是时，进入冷启动模式，判断为否时，进入升温模式。
在冷启动模式下，控制电动三通阀完全打开第二出口并打开电加热器，冷却水经由车载燃料电池、水泵、电动三通阀、电加热器、过滤器后流入车载燃料电池的回路构成小循环回路。
在该模式下，车载燃料电池在运行中产生的热量以及电加热器产生的热量共同为车载燃料电池本体以及小循环回路中的冷却水提供热量，由于小循环回路的水腔非常短小，其所容纳的液体自然也少，一般为8L至10L左右，确保冷却水快速升温，以提升燃料电池电极中催化剂的催化活性，加速氧化还原反应，促使寒冷天气中电池堆冷启动成功。
在本实施例中，小循环回路的管路中的至少一个设有保温层，具体地，车载燃料电池与水泵之间的管路、水泵与电动三通阀之间的管路、电动三通阀与电加热器之间的管路、电加热器与车载燃料电池之间的管路中的至少一个设有保温层，以避免加热升温后的冷却水在寒冷天气中通过管路进行散热，进一步确保冷却水快速升温。
此外，在该模式下，电磁阀保持关闭，以防止中冷器中未经加热的冷却水进入小循环而加大小循环的水量，进一步确保冷却水快速升温。
当步骤S105判断为否时，关闭电加热器，利用载燃料电池在运行中产生的热量为车载燃料电池本体以及小循环回路中的冷却水提供热量，并进入升温模式。
参见图2，本实施例的控制方法在步骤S107之后还包括：
S108、判断冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于第一温度阈值；
若是，则执行步骤S109；若否，则返回步骤S108；
S109、打开电磁阀；
S110、判断冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于第一温度阈值；
若是，则执行步骤S111；若否，则返回步骤S110；
S111、根据冷却水入口处冷却水的实际温度和第一温度阈值控制电动三通阀的开度。
在本实施例中，第一温度阈值例如可以取值为60℃。在升温模式下，当实际温度tn不大于第一温度阈值t1时，电动三通阀仍然工作在第二出口。随着实际温度tn的升高，当实际温度tn第一次大于第一温度阈值t1时，打开电磁阀，使得中冷器中储存的未经加热的冷却水可以与流经电加热器的小循环回路中的冷却水混合，使得实际温度tn再次小于第一温度阈值t1，也即，此时同时存在小循环回路以及中冷器所在中冷器回路。
随着实际温度tn的升高，在步骤S109打开电磁阀的步骤之后判断实际温度tn大于第一温度阈值t1时，根据实际温度tn和第一温度阈值t1控制电动三通阀的开度，来控制第一出口与第二出口的流量分配。具体地，当实际温度tn偏高时，控制电动三通阀向第一出口旋转，冷却水经电动三通阀后分为两路，一路流经电加热器后流入过滤器，另一路流经水暖换热器、散热器再流入过滤器，使得水暖换热器以及散热器所在大循环回路中未经加热的冷却水与小循环回路中经加热升温后的冷却水混合，促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的降低；当实际温度tn偏低时，控制电动三通阀向第二出口旋转，促使大循环回路中的冷却水的升温，进而促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的升高。
随着实际温度tn的升高，控制电动三通阀完全打开第一出口时，冷却水流经车载燃料电池、水泵、电动三通阀、水暖换热器、散热器、过滤器所在的大循环回路，而不再流经小循环回路。由于此时电动三通阀已经完全打开第一出口，冷却水入口处冷却水的实际温度tn将继续升高。
参见图2，本实施例的控制方法在步骤S111之后还包括：
S112、判断冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于期望温度；
若是，则执行步骤S113；若否，则返回步骤S112；
S113、根据冷却水入口处冷却水的实际温度和期望温度控制电动两通阀的开度。
在本实施例中，当判断实际温度tn大于期望温度to时，进入取暖模式，其中，期望温度to例如可以取值为68℃。在取暖模式下，电动两通阀的最大允许开度由整车空调系统实时计算后确定，原因在于，当天气不是特别寒冷时，整车空调系统不需要过多热量，电动两通阀将不会被开到极限开度，从而水暖换热器的第二通路的最大流量受限于整车空调系统对于热量的需求。
当实际温度tn偏高时，可以在最大允许开度范围内增大电动两通阀的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn的降低；当实际温度tn偏低时，减小电动两通阀的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn升高。
参见图2，本实施例的控制方法在步骤S113之后还包括：
S114、判断电动两通阀的实际开度是否达到电动两通阀的最大允许开度；
若是，则执行步骤S115；若否，则返回步骤S114；
S115、判断冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于期望温度；
若是，则执行步骤S116；若否，则返回步骤S114；
S116、根据冷却水入口处冷却水的实际温度和期望温度控制电子风扇的开度。
随着车载燃料电池的运行，当步骤S114以及步骤S115均判断为是时，进入散热模式。而若在取暖模式中，当控制电动两通阀10的开度为0，实际温度tn难以维持在期望温度to时，进入上述升温模式。
在散热模式下，当实际温度tn偏高时，增大电子风扇的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn降低；当实际温度tn偏低时，减小电子风扇的开度，以促使冷却水入口处冷却水实际温度tn升高。
随着车载燃料电池的运行，如果在散热模式中实际温度tn下降，并且控制电子风扇的开度为0，即电子风扇全部停止运行时，实际温度tn难以维持在期望温度to时，进入取暖模式。而若在散热模式中，电动两通阀最大允许开度发生变化，则以更新后的最大允许开度运作。
在步骤S104之前本实施例的控制方法还可以包括设置温度控制死区的步骤，其中，在温度控制死区内不执行控制操作，温度控制死区可以根据实际应用自定义设置，以防止在临界温度来回切换运作模式，影响冷却循环系统的稳定运行。
例如，在本实施例中设置温度控制死区为2℃，在上述示例中期望温度to为68℃时，当电动两通阀开至最大允许开度并且实际温度tn大于70℃(68+2)时，进入散热模式，当电动两通阀的开度为0并且实际温度tn不大于66℃(68-2)时，进入升温模式。
在本实施例中，可以利用PID(Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分)闭环控制来获取电动三通阀3、电动两通阀10以及电子风扇的开度，具体公式为：
Figure BDA0002274830200000161
其中，α为控制量，Kp、Ki、Kd分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，ΔT为冷却水入口处冷却水的实际温度与第一温度阈值(电动三通阀)或者期望温度(电动两通阀、电子风扇)之间的偏差信号。
在上述模式运作期间接收到关机指令时，进入关机模式。具体地，在关机模式中，还包括检测关机时的环境温度的步骤，根据环境温度关机模式可以分为正常关机模式与低温关机模式。
正常关机模式为环境温度大于第二温度阈值时的关机，在该模式下，控制电动三通阀为第一出口全开，电动两通阀全关，水泵按标定转速运行，在燃料电池关机吹扫期间，电子风扇查表控制电子风扇的开度，使冷却水入口处冷却水的实际温度尽可能与环境温度相近，吹扫完成后关闭水泵与电子风扇，系统中的水自然散热，关机完成。
低温关机模式为环境温度小于第二温度阈值时的关机，在该模式下，控制电动三通阀为第一出口全开，电动两通阀全关，水泵按标定转速运行，在燃料电池关机吹扫前期，查表控制电子风扇的开度；在燃料电池关机吹扫后期，根据第二温度阈值和冷却水入口处冷却水的实际温度采用PID闭环控制计算并控制电子风扇的开度，使燃料电池入口水温快速降温至第二温度阈值为止，带动燃料电池堆也降温，降温的燃料电池堆有利于堆内除水，为冷启动做好准备，吹扫完成后关闭水泵与电子风扇，关机完成。
在本实施例中，散热器与水暖换热器的第一通路串联在一起，通过分阶段控制电动两通阀的开度及电子风扇的开度，实现了对水暖换热器所在取暖水路与散热器所在散热水路的解耦控制。进一步地，在本实施例中，可以根据一个变量参数来控制冷却循环系统处于不同运作模式之下，实现了冷却水入口处的冷却水实际温度的解耦控制，确保了冷却水入口处的冷却水实际温度的稳定，提升了冷却循环系统的可靠性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述冷却循环系统包括控制器、车载燃料电池、水泵、水暖换热器以及散热器，所述散热器包括电子风扇，所述水暖换热器包括第一通路、第二通路以及电动两通阀，所述第二通路与所述第一通路中的水流对向流动，并且所述第二通路与整车空调系统的冷却回路并联，所述冷却回路包括供水水路和回水水路；其中：
所述车载燃料电池的冷却水出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述水泵的出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述第一通路的出口通过管路与所述散热器的入口连接；
所述散热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述第二通路的入口通过管路与所述供水水路连接；
所述第二通路的出口通过管路与电动两通阀的入口连接；
所述电动两通阀的出口通过管路与所述回水水路连接；所述冷却循环系统还包括温度传感器：
所述温度传感器与所述控制器电连接，用于检测所述冷却水入口处冷却水的实际温度；
所述控制器用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于期望温度时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电动两通阀的开度；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于所述期望温度并且所述电动两通阀打开至最大允许开度时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电子风扇的开度。
2.如权利要求1所述的车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述冷却循环系统还包括电磁阀和中冷器；其中：
所述车载燃料电池的冷却水入口通过管路与所述中冷器的入口连接；
所述中冷器的出口通过管路与所述电磁阀的入口连接；
所述电磁阀的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于第一温度阈值时，打开所述电磁阀；
其中，所述第一温度阈值小于所述期望温度。
3.如权利要求2所述的车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述冷却循环系统还包括电动三通阀和电加热器；其中：
所述水泵的出口通过管路与所述电动三通阀的入口连接；
所述电动三通阀的第一出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述电动三通阀的第二出口通过管路与所述电加热器的入口连接；
所述电加热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述控制器还用于在所述冷却水入口处冷却水的实际温度小于第二温度阈值时完全打开所述第二出口并打开所述电加热器，在所述冷却水入口处冷却水的实际温度不小于所述第二温度阈值时关闭所述电加热器；
所述控制器还用于在所述电磁阀打开并且所述冷却水入口处冷却水的实际温度大于第一温度阈值时，根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述第一温度阈值控制所述电动三通阀的开度；
其中，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值。
4.如权利要求3所述的车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述车载燃料电池与所述水泵之间的管路、所述水泵与所述电动三通阀之间的管路、所述电动三通阀与所述电加热器之间的管路、所述电加热器与所述车载燃料电池之间的管路中的至少一个设有保温层。
5.如权利要求1所述的车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述控制器还用于根据死区设置指令设置温度控制死区，所述控制器在所述温度控制死区内不执行控制操作。
6.如权利要求1所述的车载燃料电池的冷却循环系统，其特征在于，所述冷却循环系统还包括膨胀水箱和离子交换器；其中：
所述散热器的排水气接口通过管路与所述离子交换器的一端连接；
所述离子交换器的另一端通过管路与所述膨胀水箱的入口连接；
所述膨胀水箱的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
和/或，
所述车载燃料电池的冷却水入口所在管路上还设有过滤器；
所述过滤器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述过滤器的入口通过管路与所述散热器的出口连接。
7.一种车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，其特征在于，所述冷却循环系统包括控制器、车载燃料电池、水泵、水暖换热器以及散热器，所述散热器包括电子风扇，所述水暖换热器包括第一通路、第二通路以及电动两通阀，所述第二通路与所述第一通路中的水流对向流动，并且所述第二通路与整车空调系统的冷却回路并联，所述冷却回路包括供水水路和回水水路；其中：
所述车载燃料电池的冷却水出口通过管路与所述水泵的入口连接；
所述水泵的出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述第一通路的出口通过管路与所述散热器的入口连接；
所述散热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
所述第二通路的入口通过管路与所述供水水路连接；
所述第二通路的出口通过管路与电动两通阀的入口连接；
所述电动两通阀的出口通过管路与所述回水水路连接；
所述冷却循环系统还包括温度传感器：
所述温度传感器与所述控制器电连接；
所述控制方法包括：
设置期望温度；
获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度；
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述期望温度；
若大于所述期望温度，则根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电动两通阀的开度；
判断所述电动两通阀的实际开度是否达到所述电动两通阀的最大允许开度；
若达到所述最大允许开度，则再次判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于期望温度，并在判断为是时根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述期望温度控制所述电子风扇的开度。
8.如权利要求7所述的车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，其特征在于，所述冷却循环系统还包括电磁阀和中冷器；其中：
所述车载燃料电池的冷却水入口通过管路与所述中冷器的入口连接；
所述中冷器的出口通过管路与所述电磁阀的入口连接；
所述电磁阀的出口通过管路与所述水泵的入口连接；
在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置第一温度阈值，所述第一温度阈值小于所述期望温度；
在所述判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述期望温度的步骤之前还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值；
若是，则打开所述电磁阀。
9.如权利要求8所述的车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，其特征在于，所述冷却循环系统还包括电动三通阀和电加热器；其中：
所述水泵的出口通过管路与所述电动三通阀的入口连接；
所述电动三通阀的第一出口通过管路与所述第一通路的入口连接；
所述电动三通阀的第二出口通过管路与所述电加热器的入口连接；
所述电加热器的出口通过管路与所述车载燃料电池的冷却水入口连接；
在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置第二温度阈值，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值；
在所述判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值的步骤之前还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否小于所述第二温度阈值；
若是，则完全打开所述第二出口并打开所述电加热器；
若否，则关闭所述电加热器；
在所述打开所述电磁阀的步骤之后还包括：
判断所述冷却水入口处冷却水的实际温度是否大于所述第一温度阈值；
若是，则根据所述冷却水入口处冷却水的实际温度和所述第一温度阈值控制所述电动三通阀的开度。
10.如权利要求7所述的车载燃料电池的冷却循环系统的控制方法，其特征在于，在所述获取所述车载燃料电池的冷却水入口处冷却水的实际温度的步骤之前还包括：
设置温度控制死区，在所述温度控制死区内不执行控制操作。
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