CN110993987B - 燃料电池汽车冷却系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车冷却系统，它的第一温度传感器和第二温度传感器分别安装在燃料电池堆进出口，第一温度传感器和第二温度传感器的信号输出端分别连接燃料电池控制器，水泵的输入端连接燃料电池堆出口，水泵的输出端连接第一温控阀的输入端，第一温控阀的第一输出端连接燃料电池堆的冷却液进口，第一温控阀的第二输出端连接第二温控阀的输入端，第二温控阀的第一输出端通过散热装置连接燃料电池堆的冷却液进口，第二温控阀的第二输出端通过加热器连接燃料电池堆的冷却液进口；本发明能在不同的外部环境下使得流入电堆的冷却液温度维持在设定的范围内，确保电堆内化学反应正常进行，为整车提供动力能源。

Description

燃料电池汽车冷却系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车冷却系统及其控制方法。
背景技术
我国作为汽车大国，拥有巨大的汽车市场，在带来经济效益的同时，也伴随着巨大的能源消耗与环境污染。随着汽车领域的竞争越来越激烈，各企业、高校纷纷开始从事氢燃料电池汽车的研究。目前，燃料电池汽车的关键技术已经基本突破，但是还需要更进一步对燃料电池产业化技术进行改进、提升，使产业化技术成熟。冷却系统作为整个燃电系统的一部分，使得电堆处于适宜的反应温度，保障反应的正常进行。现有燃料电池冷却系统通常由大小两条回路组成，大回路中包含散热器与散热风机，当温度大于A时，降低冷却液温度；小回路中包含外加热器，当温度小于B时，提高冷却液温度。在目前的冷却系统中，当温度处于A与B之间时，冷却液依然流入小回路，由于小回路里存在外加热器，增大冷却液流阻，降低冷却液流速，电堆散热不及时，工作效率降低。并且当温度处于A与B之间时，外加热器在关断后依然有较高温度，冷却液流经外加热器时造成温度升高，影响电堆反应。(A>B)为了保障燃电系统在不同的外部环境中都能够正常运行，因此对冷却系统提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在燃料电池汽车冷却系统及其控制方法，本发明能在不同的外部环境下使得流入电堆的冷却液温度维持在设定的范围内，确保电堆内化学反应正常进行，为整车提供动力能源。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：它包括第一温度传感器、水泵、第一温控阀、第二温控阀、散热装置、加热器和第二温度传感器，第一温度传感器安装在燃料电池堆的冷却液进口，第二温度传感器安装在燃料电池堆的冷却液出口，第一温度传感器和第二温度传感器的信号输出端分别连接燃料电池控制器的两个对应温度信号输入端，水泵的输入端连接燃料电池堆的冷却液出口，水泵的输出端连接第一温控阀的输入端，第一温控阀的第一输出端连接燃料电池堆的冷却液进口，第一温控阀的第二输出端连接第二温控阀的输入端，第二温控阀的第一输出端通过散热装置连接燃料电池堆的冷却液进口，第二温控阀的第二输出端通过加热器连接燃料电池堆的冷却液进口；
水泵、第一温控阀、第二温控阀、散热装置和加热器的工作状态均由燃料电池控制器进行控制。
本发明中冷却系统分为冷却、加热、常温三条回路。根据以上设定的相关控制策略使冷却液进入不同回路。在回路打开时，回路内散热风扇或加热器进入被控流程，提升效率，降低能耗，确保电堆内化学反应正常进行，为整车提供动力能源。与现有冷却系统相比，由于存在常温回路，在温度处于A与B之间时，冷却液可以快速通过回路，流阻小于其他两路，提升系统效率。并且在常温时不经过外加热器，避免了冷却液温度的升高，保证冷却效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的电控部分结构示意图。
图3为本发明的逻辑框图。
其中，1—第一温度传感器、2—水泵、3—第一温控阀、4—第二温控阀、5—散热装置、6—加热器、7—第二温度传感器、8—燃料电池控制器、9—过滤器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种燃料电池汽车冷却系统，如图1和2所示，它包括第一温度传感器1、水泵2、第一温控阀3、第二温控阀4、散热装置5、加热器6和第二温度传感器7，第一温度传感器1安装在燃料电池堆的冷却液进口，第二温度传感器7安装在燃料电池堆的冷却液出口，第一温度传感器1和第二温度传感器7的信号输出端分别连接燃料电池控制器8的两个对应温度信号输入端，水泵2的输入端连接燃料电池堆的冷却液出口，水泵2的输出端连接第一温控阀3的输入端，第一温控阀3的第一输出端连接燃料电池堆的冷却液进口，第一温控阀3的第二输出端连接第二温控阀4的输入端，第二温控阀4的第一输出端通过散热装置5连接燃料电池堆的冷却液进口，第二温控阀4的第二输出端通过加热器6连接燃料电池堆的冷却液进口；
燃料电池控制器8的水泵控制信号输出端连接水泵2控制端，燃料电池控制器8的第一温控阀控制信号输出端连接第一温控阀3控制端，燃料电池控制器8的第二温控阀控制信号输出端连接第二温控阀4控制端，燃料电池控制器8的散热风扇控制信号输出端连接散热装置5散热风扇控制端，燃料电池控制器8的加热器控制信号输出端连接加热器6控制端，即水泵2、第一温控阀3、第二温控阀4、散热装置5和加热器6的工作状态均由燃料电池控制器8进行控制。
上述技术方案中，所述第一温控阀3、散热装置5和加热器6均通过过滤器9连接燃料电池堆的冷却液进口，该过滤器9为树脂过滤器，能中和冷却液中的阴阳离子。
上述技术方案中，所述燃料电池控制器8用于根据燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动，对水泵2的转速进行控制，使燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动处于对应的预设范围内，该范围根据不同电堆类型，由理论计算得出初始值，通过台架标定得出。温差越高，差值波动越大，转速越高，并设置转速上限值，其值由水泵硬件说明书中查询得到。对冷却液温度进行闭环控制，通过冷却液温度差与差值波动两个控制目标对冷却液温度进行调节，能够更加精确并且及时的对冷却液温度进行控制。
上述技术方案中，所述燃料电池控制器8根据第一温度传感器1传输的燃料电池堆的冷却液进口温度，进行如下控制：当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀4的第一输出端关闭，第二输出端开启，此时冷却液进入加热回路；温度不同的电堆都有区别，主要根据理论值加台架及整车标定值确定。
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀4的第一输出端开启，第二输出端关闭，此时冷却液进入冷却回路；
当燃料电池堆的冷却液进口温度处于设定温度范围内时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端开启，第二输出端关闭，此时冷却液进入常温回路；
所述设定温度范围根据电堆反应所需温度设定。所设定温度范围根据电堆性能数据进行理论计算，然后经过台架及整车标定得出。
上述技术方案中，当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，所述燃料电池控制器8还对散热装置5的散热风扇进行散热风机转速控制，使冷却液进口温度下降到设定温度范围，冷却液温度越高，风机转速越高，并设置转速上限值。
上述技术方案中，当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，所述燃料电池控制器8还对加热器6进行加热器输出功率的控制，使冷却液进口温度回升到设定温度范围。
上述技术方案中，燃料电池控制器8根据第一温度传感器1和第二温度传感器7的工作电压反馈值(传感器有状态反馈，包括电压或布尔值)实时进行故障检测，如果根据工作电压反馈值发行第一温度传感器1和/或第二温度传感器7出现故障，则通过CAN总线发出故障码；若某一传感器发生故障，控制器根据其状态反馈及时调整控制策略，保证冷却系统正常运行。
当第一温度传感器1出现故障时，燃料电池控制器8根据第二温度传感器7传输的燃料电池堆的冷却液出口温度，进行第一温控阀3、第二温控阀4散热装置5和加热器6的控制。
本发明采用温度传感器进行温度的采集，根据电堆进出口冷却液温度控制冷却液流向，使得冷却液温度保持在设定温度范围。优先使用电堆出口冷却液温度进行温控阀的控制，(电堆出口冷却液温度几乎等于电堆温度，针对该温度进行控制更加精确。电堆进口冷却液温度由于经过冷却回路，与电堆内温度有差异，这里做一个冗余)如果电堆出口温度传感器故障，则使用电堆进口冷却液温度进行温控阀的控制，保证电堆内化学反应正常进行。
对散热装置5、水泵2、加热器6等被控对象进行实时故障检测，若出现故障，通过CAN总线发出故障报文，并进入故障模式，使得冷却液温度处于设定范围，保证电堆内反应正常进行。
上述技术方案中，散热装置5根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器8，燃料电池控制器8根据该散热装置的回检信号判断散热装置5的风扇是否出现故障，如果散热装置5的风扇出现故障，则燃料电池控制器8连续三次发送风扇控制命令，若回检信号依旧反馈故障信息，则通过CAN总线发出故障码，并且进入故障模式，燃料电池控制器8控制散热装置5的风扇持续位于设定的最高转速(由风扇类型决定)，直至检测到散热装置故障消除。
上述技术方案中，加热器6根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器8，燃料电池控制器8根据该加热器的回检信号判断加热器6是否出现故障，如果加热器6出现故障，则燃料电池控制器8连续三次发送加热器控制命令，若回检信号依旧反馈故障信息，则通过CAN总线发出故障码，并且进入故障模式，燃料电池控制器8控制加热器6的输出功率持续处于预设的最高值(输出功率由燃料电池系统决定)，直至检测到加热器故障消除。
上述技术方案中，燃料电池控制器8根据策略发出控制命令，水泵2根据控制情况发送回检信号至燃料电池控制器8。若燃料电池控制器8判断水泵2出现故障，则连续三次发送控制命令，若回检信号依旧反馈故障信息。则通过CAN总线发出故障码，并且进入故障模式，控制水泵转速持续位于预设的最高转速(由水泵决定)，直至检测到故障消除(按照这种控制方法，若水泵出现故障，为了保证冷却系统正常工作，控制水泵持续位于最高转速，使冷却液温度不至于过高，影响电堆反应)。
本发明各控制部件的故障诊断根据软件运行周期实时进行。主要通过硬线回检信号与CAN通讯信号进行故障检测与故障信息的发送，故障发生时，根据控制策略进入故障模式。保证冷却液温度维持在一定范围内，确保电堆内化学反应正常进行。
本发明的冷却系统的运行流程主要是从电堆流出的冷却液，经过水泵，利用温控阀控制冷却液流向，该方案分三条回路，根据相关策略控制冷却液进入不同冷却回路，最后冷却液流经过滤器进入电堆。
一种利用上述系统的燃料电池汽车冷却方法，如图3所示，它包括如下步骤：
步骤1：燃料电池控制器8根据燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动，对水泵2的转速进行控制，使燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动处于对应的预设范围内，燃料电池控制器8根据第一温度传感器1和第二温度传感器7的工作电压反馈值实时进行故障检测，如果根据工作电压反馈值发行第一温度传感器1和/或第二温度传感器7出现故障，则通过CAN总线发出故障码；
步骤2：所述燃料电池控制器8根据第一温度传感器1传输的燃料电池堆的冷却液进口温度，进行如下控制：当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀4的第一输出端关闭，第二输出端开启；
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀4的第一输出端开启，第二输出端关闭；
当燃料电池堆的冷却液进口温度处于设定温度范围内时，燃料电池控制器8控制第一温控阀3的第一输出端开启，第二输出端关闭
所述设定温度范围根据电堆反应所需温度设定；
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，所述燃料电池控制器8还对散热装置5的散热风扇进行散热风机转速控制，使冷却液进口温度下降到设定温度范围，散热装置5根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器8，燃料电池控制器8根据该散热装置的回检信号判断散热装置5的风扇是否出现故障，如果散热装置5的风扇出现故障，则燃料电池控制器8控制散热装置5的风扇持续位于设定的最高转速，直至检测到散热装置故障消除；
当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，所述燃料电池控制器8还对加热器6进行加热器输出功率的控制，使冷却液进口温度回升到设定温度范围，加热器6根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器8，燃料电池控制器8根据该加热器的回检信号判断加热器6是否出现故障，如果加热器6出现故障，则燃料电池控制器8控制加热器6的输出功率持续处于预设的最高值，直至检测到加热器故障消除；
步骤3：当第一温度传感器1出现故障时，燃料电池控制器8根据第二温度传感器7传输的燃料电池堆的冷却液出口温度，进行第一温控阀3、第二温控阀4、散热装置5和加热器6的控制；
步骤4：冷却液经过滤后流入燃料电池堆，完成单次循环。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：它包括第一温度传感器(1)、水泵(2)、第一温控阀(3)、第二温控阀(4)、散热装置(5)、加热器(6)和第二温度传感器(7)，第一温度传感器(1)安装在燃料电池堆的冷却液进口，第二温度传感器(7)安装在燃料电池堆的冷却液出口，第一温度传感器(1)和第二温度传感器(7)的信号输出端分别连接燃料电池控制器(8)的两个对应温度信号输入端，水泵(2)的输入端连接燃料电池堆的冷却液出口，水泵(2)的输出端连接第一温控阀(3)的输入端，第一温控阀(3)的第一输出端连接燃料电池堆的冷却液进口，第一温控阀(3)的第二输出端连接第二温控阀(4)的输入端，第二温控阀(4)的第一输出端通过散热装置(5)连接燃料电池堆的冷却液进口，第二温控阀(4)的第二输出端通过加热器(6)连接燃料电池堆的冷却液进口；
水泵(2)、第一温控阀(3)、第二温控阀(4)、散热装置(5)和加热器(6)的工作状态均由燃料电池控制器(8)进行控制；
所述燃料电池控制器(8)根据第一温度传感器(1)传输的燃料电池堆的冷却液进口温度，进行如下控制：当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀(4)的第一输出端关闭，第二输出端开启；
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀(4)的第一输出端开启，第二输出端关闭；
当燃料电池堆的冷却液进口温度处于设定温度范围内时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端开启，第二输出端关闭；
所述设定温度范围根据电堆反应所需温度设定。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：所述第一温控阀(3)、散热装置(5)和加热器(6)均通过过滤器(9)连接燃料电池堆的冷却液进口。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：所述燃料电池控制器(8)用于根据燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动，对水泵(2)的转速进行控制，使燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动处于对应的预设范围内。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，所述燃料电池控制器(8)还对散热装置(5)的散热风扇进行散热风机转速控制，使冷却液进口温度下降到设定温度范围。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，所述燃料电池控制器(8)还对加热器(6)进行加热器输出功率的控制，使冷却液进口温度回升到设定温度范围。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：燃料电池控制器(8)根据第一温度传感器(1)和第二温度传感器(7)的工作电压反馈值实时进行故障检测，如果根据工作电压反馈值发行第一温度传感器(1)和/或第二温度传感器(7)出现故障，则通过CAN总线发出故障码；
当第一温度传感器(1)出现故障时，燃料电池控制器(8)根据第二温度传感器(7)传输的燃料电池堆的冷却液出口温度，进行第一温控阀(3)、第二温控阀(4)散热装置(5)和加热器(6)的控制。
7.根据权利要求4所述的燃料电池汽车冷却系统及其控制方法，其特征在于：散热装置(5)根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器(8)，燃料电池控制器(8)根据该散热装置的回检信号判断散热装置(5)的风扇是否出现故障，如果散热装置(5)的风扇出现故障，则燃料电池控制器(8)控制散热装置(5)的风扇持续位于设定的最高转速，直至检测到散热装置故障消除。
8.根据权利要求5所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于：加热器(6)根据工作状态发送回检信号到燃料电池控制器(8)，燃料电池控制器(8)根据该加热器的回检信号判断加热器(6)是否出现故障，如果加热器(6)出现故障，则燃料电池控制器(8)控制加热器(6)的输出功率持续处于预设的最高值，直至检测到加热器故障消除。
9.一种利用权利要求1所述系统的燃料电池汽车冷却方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：燃料电池控制器(8)根据燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动，对水泵(2)的转速进行控制，使燃料电池堆的进出口冷却液温度差以及差值波动处于对应的预设范围内；
步骤2：所述燃料电池控制器(8)根据第一温度传感器(1)传输的燃料电池堆的冷却液进口温度，进行如下控制：当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀(4)的第一输出端关闭，第二输出端开启；
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端关闭，第二输出端开启，并控制第二温控阀(4)的第一输出端开启，第二输出端关闭；
当燃料电池堆的冷却液进口温度处于设定温度范围内时，燃料电池控制器(8)控制第一温控阀(3)的第一输出端开启，第二输出端关闭；
所述设定温度范围根据电堆反应所需温度设定；
当燃料电池堆的冷却液进口温度高于设定温度范围时，所述燃料电池控制器(8)还对散热装置(5)的散热风扇进行散热风机转速控制，使冷却液进口温度下降到设定温度范围；
当燃料电池堆的冷却液进口温度低于设定温度范围时，所述燃料电池控制器(8)还对加热器(6)进行加热器输出功率的控制，使冷却液进口温度回升到设定温度范围；
步骤3：当第一温度传感器(1)出现故障时，燃料电池控制器(8)根据第二温度传感器(7)传输的燃料电池堆的冷却液出口温度，进行第一温控阀(3)、第二温控阀(4)、散热装置(5)和加热器(6)的控制。
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