CN112550085B - 一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法 - Google Patents

一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法。燃料电池汽车热管理系统包括燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统和后处理子系统。所述控制方法为根据燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量，在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换热管理系统控制方法。所述各个模式下，热管理系统控制器通过控制各子系统所通过的冷却液流量实现动力源效率最优，且在低温环境下考虑动力源的快速响应特性，从而提升燃料电池汽车的经济性和低温环境下的快速响应性能。

Description

一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车领域，具体涉及一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法。
背景技术
燃料电池汽车以燃料电池堆作为主要的能量来源，相较于传统汽车中的内燃机系统和纯电动汽车中的电池系统分别具有节能、环保、能量转化率高、噪音低和燃料加注快、能量密度大等优势。其中由燃料电池、蓄电池和超级电容组成的多能量源燃料电池汽车能够结合三者能量密度大、动态响应快和功率密度大的特点，保证整车的性能。但对于多能量源的燃料电池汽车，热管理控制方法仍是阻碍多能量源燃料电池汽车发展的一大因素。
目前，已有的关于燃料电池汽车热管理控制方法的专利大多仅仅考虑某个部件或系统的冷却问题或冷启动问题，且并未将热管理对动力源部分效率的影响纳入到热管理控制方法的设计过程中。如中国专利公布号为CN109962268B，公布日为2019-07-02，公开了一种燃料电池汽车热管理方法，该方法仅仅考虑了低温下燃料电池快速启动问题和动力电池保温问题，没有考虑热管理系统在高温条件下的运行，也没有涉及到热管理控制方法对动力源部分效率的影响。针对包含燃料电池、蓄电池和超级电容三个能量源的燃料电池汽车，考虑动力源部分效率的热管理控制方法尚未出现。
发明内容
基于此，本发明针对如何保证多能量源的燃料电池汽车在包含低温和高温等极限工况的条件下保证效率最优的技术问题，提供了一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法。
一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法，所述热管理系统包括燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统和后处理子系统，由燃料电池堆、蓄电池、超级电容、主电机、副电机、驾驶舱、主散热器、副散热器、离子检测装置、去离子装置、水箱、流量计、温度传感器、控制阀、三通控制阀、流量调节阀和单向阀组成；所述控制方法包括以下步骤：
检测所述多能量源燃料电池汽车的燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量；和根据燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量，所述燃料电池汽车热管理系统在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换，并改变控制方法。
由此，本发明的燃料电池汽车热管理控制方法通过在极寒模式下利用副电机驱动冷却液将燃料电池堆产生的热量合理分配给蓄电池和超级电容，优化了整个燃料电池电池汽车的快速冷启动性能和在极寒环境下的动力源部分效率；在其他模式下利用通过对每个部件所经过流量的合理分配，优化了燃料电池汽车的动力源部分效率，因此能够满足在多种条件下实现经济性最优和极寒环境下快速响应的目的。另外，本发明的燃料电池汽车热管理控制方法简单有效。
另外，根据本发明的上述实施例还可以具有如下附加技术特征；
根据本发明的一个实施例，当所述燃料电池汽车的燃料电池堆冷却液出口温度T1小于此时燃料电池堆工作的最佳温度Tu1，或蓄电池冷却液出口温度T2小于此时蓄电池工作的最佳温度Tu2，或超级电容冷却液出口温度T3小于此时超级电容工作的最佳温度Tu3时，控制阀一关闭，三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀二关闭，副电机启动，热管理系统切换到极寒模式，冷却液只在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统之间循环，不经过热交换子系统和后处理子系统；当燃料电池堆的需求功率大于或等于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于需求功率；燃料电池堆的需求功率小于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于最小输出功率；
根据式(1)可计算出各能量源在不同冷却液流量下冷却液进出口温度变化量；
Figure GDA0003597781830000021
式中ΔT代表各部件冷却液的进出口温度变化量；P代表各能量源的输出功率；η代表各能量源的效率；S代表所流经的冷却液流量；C代表冷却液的比热容；
根据燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出电流、输出功率和冷却液出口温度查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3以及对于各能量源单位流量的增加所带来的效率的增加Δη1、Δη2、Δη3，通过式(2)可计算出各能量源单位流量的增加对于动力源部分总效率η的提升ηa1、ηa2、ηa3；
Figure GDA0003597781830000022
式中，P1、P2、P3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出功率，η1、η2、η3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的效率；
蓄电池和超级电容所需冷却液流量之间关系如式(3)；
Figure GDA0003597781830000031
式中S2、S3分别为蓄电池、超级电容所需冷却液流量；S2、S3与燃料电池堆所需冷却液流量S1还需满足式(4)；
S1＝S2+S3(4)
S1可遍历0至此时燃料电池子系统的最大流量，寻求使动力源部分总效率η达到最大值的最优流量Su1，结合式(3)与式(4)计算出Su2和Su3；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
根据本发明的一个实施例，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且燃料电池堆达到最优效率值所需要散出的热量Qout1小于驾驶舱所需热量QD时，三通控制阀一下端关闭，左端、右端导通，控制阀一打开、三通控制阀二右端关闭，左端、下端导通，主电机启动，副电机关闭，控制阀二打开，热管理系统切换到小循环模式，冷却液主要在燃料电池子系统、驾驶舱形成的支路一和蓄电池子系统、超级电容子系统和副散热器所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统，冷却液不流经热交换子系统中的主散热器；其中Qout1的计算如式(5)；
Figure GDA0003597781830000032
式中ηu1为燃料电池堆在此输出功率及电流下所能达到的最优效率值；
利用式(6)、(7)和(8)可分别求得燃料电池堆、蓄电池、超级电容所需冷却液流量Su1、Su2和Su3；
Figure GDA0003597781830000033
Figure GDA0003597781830000034
Figure GDA0003597781830000041
式中Δt1、Δt2、Δt3分别为燃料电池堆、蓄电池和超级电容冷却液进出口的温度差，Qout2和Qout3分别为蓄电池和超级电容达到最优效率值所需要散出的热量，可分别由式(9)和式(10)计算得到；
Figure GDA0003597781830000042
Figure GDA0003597781830000043
式中ηu2、ηu3分别为蓄电池和超级电容在此功率下所能达到的最优效率值；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
根据本发明的一个实施例，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD大于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1、蓄电池达到最优效率所需要散出的热量Qout2、超级电容所需要散出的热量Qout3之和时，三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀一打开、三通控制阀二右端关闭，左端、下端导通，主电机启动，副电机关闭，控制阀二打开，热管理系统切换到中循环模式，冷却液主要在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统和驾驶舱、后处理子系统所形成的回路中流动，最终经过后处理子系统，冷却液不流经热交换系统中的主散热器和副散热器；
燃料电池堆、蓄电池、超级电容的最优流量Su1、Su2、Su3分别可由式(11)、(12)、(13)计算得到；
Figure GDA0003597781830000044
Figure GDA0003597781830000045
Figure GDA0003597781830000046
式中Qout1、Qout2、Qout3可由式(5)、(9)、(10)计算得到；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
根据本发明的一个实施例，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(14)时；
Qout1+Qout2+Qout3≤QD+Qs1+Qs2 (14)
式中Qs1和Qs2分别代表主散热器、副散热器所能维持冷却液在散热器进出口处温差的最大散热量；
三通控制阀一下端关闭，左端、右端导通，控制阀一打开、三通控制阀二下端关闭，左端、右端导通，主电机启动，副电机启动，控制阀二关闭，热管理系统切换到大循环模式，冷却液主要在蓄电池子系统、超级电容子系统和副散热器所形成的支路一中，及燃料电池子系统、驾驶舱、主散热器、副散热器所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统；
燃料电池堆、蓄电池、超级电容所需散出的热量的流量S1、S2、S3分别可由式(15)、式(16)和式(17)计算得到；
Figure GDA0003597781830000051
Figure GDA0003597781830000052
Figure GDA0003597781830000053
式中Qout1、Qout2、Qout3可由式(5)、(9)、(10)计算得到；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
根据本发明的一个实施例，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(18)：
Qout1+Qout2+Qout3＞QD+Qs1+Qs2 (18)
三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀一打开、三通控制阀二下端关闭，左端、右端导通，主电机启动、副电机启动，控制阀二关闭，热管理系统切换到极热模式，冷却液主要在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统、后处理子系统所形成的回路中流动；
根据式(19)可求得各能量源的进出口温度差，从而计算出出口温度，结合检测到的各能量源的输出电流和输出功率查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3，通过式(20)可得动力源部分的整体效率η；
Figure GDA0003597781830000061
Figure GDA0003597781830000062
燃料电池堆、蓄电池、超级电容部件经过的流量S1、S2、S3的限制如式(21)、(22)、(23)、(24)所示；
S1≤Smax1 (21)
S2≤Smax2 (22)
S3≤Smax3 (23)
S1+S2+S3＝Smax (24)
式中Smax1、Smax2、Smax3分别代表燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统所能流经的最大流量；式中Smax代表在两个散热器在维持进出口温度差一定的情况下以最大散热量散热时所对应的整个循环系统的总流量。
以燃料电池堆、蓄电池、超级电容部件经过的流量S1、S2、S3为控制变量，动力源部分的整体效率η为目标函数，以式(21)、式(22)、式(23)、式(24)为限制条件，通过遗传算法可求得使动力源部分整体效率η最高的各部分能量源所需冷却液的流量Su1、Su2、Su3
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种燃料电池汽车热管理控制方法能够根据不同的条件实现模式切换，在包含温度极低和极高的极限工况的所有情况下保证了整个系统都能以实时的最优效率工作，保证了各能量源的使用寿命，提高了所述燃料电池汽车整体经济性
2.本发明所述的一种燃料电池汽车热管理控制方法能够实现在低温或冷启动条件下利用燃料电池的废热为蓄电池、超级电容或乘员舱供热，在提高整车经济性的同时，还能实现快速冷启动和保证乘坐舒适性。
3.本发明所述的一种燃料电池汽车热管理控制方法在燃料电池子系统中加入了副电机，在冷启动时加快了冷却液循环速度，保证了冷启动的快速性。同时，副电机可在主电机单独工作无法满足需求时加入循环系统，为主电机减轻了工作负荷。
4.本发明所述的一种燃料电池汽车热管理控制方法在传统的热管理系统上加装了一个副散热器和副电机，能够为主散热器和主电机分担工作载荷。因此，设计成本较为简单且改造成本较低。
附图说明
本发明的上述的优点结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明所述控制方法所控制的多能量源燃料电池汽车热管理系统的结构示意图；图中各标号所代表的部件为；1.燃料电池堆；2.温度传感器一；3.副电机；4.三通控制阀一；5.温度传感器二；6.蓄电池；7.流量调节阀一；8.流量调节阀二；9.超级电容；10.温度传感器三；11.流量调节阀三；12.温度传感器四；13.温度传感器五；14.温度传感器六；15.控制阀一；16.单向阀；17.三通控制阀二；18.驾驶舱；19.温度传感器七；20.主散热器；21.温度传感器八；22.副散热器；23.温度传感器九；24.离子检测装置；25.三通控制阀三；26.去离子装置；27.水箱；28流量计；29.主电机；30.三通控制阀四；31.控制阀二。
图2为本发明所述多能量源燃料电池汽车热管理控制方法逻辑图；
图3为本发明一个实施例中，所述燃料电池汽车热管理系统在极寒模式下冷却液循环路径示意图。
图4为本发明一个实施例中，所述燃料电池汽车热管理系统在小循环模式下冷却液循环路径示意图。
图5为本发明一个实施例中，所述燃料电池汽车热管理系统在中循环模式下冷却液循环路径示意图。
图6为本发明一个实施例中，所述燃料电池汽车热管理系统在大循环模式下冷却液循环路径示意图。
图7为本发明一个实施例中，所述燃料电池汽车热管理系统在极热模式下冷却液循环路径示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
由于燃料电池汽车的基本结构为本领域技术人员所悉知，在此不再一一赘述。
下面参考附图来描述本发明实施例的多能量源的燃料电池汽车热管理控制方法。
请参阅图1，提供一种燃料电池汽车热管理系统。所述燃料电池热管理系统包括；燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c、热交换子系统d和后处理子系统e。
所述燃料电池子系统a包括燃料电池堆1、温度传感器四12、温度传感器一2、流量调节阀三11、控制阀二31和副电机3。燃料电池堆1左右两端分别通过管路连接温度传感器四12、温度传感器一2，分别用于检测燃料电池1进出口端的冷却液温度。流量调节阀三11的右端与温度传感器四12左端通过管路连接，用于对燃料电池子系统a进行流量调节。副电机3的左端与温度传感器一2的右端通过管路连接，用于使冷却液循环流动。控制阀二31的两端通过管路与燃料电池堆1的两端相连，用于在副电机3不工作的情况下通过冷却液。所述燃料电池子系统a用于为整车提供能量和为整车提供热量。
所述蓄电池子系统b包括蓄电池6、温度传感器五13、温度传感器二5、流量调节阀一7。蓄电池6左右两端分别通过管路连接温度传感器五13、温度传感器二5，分别用于检测蓄电池6进出口端的冷却液温度。流量调节阀一7的右端与温度传感器五13左端通过管路连接，用于对蓄电池子系统b进行流量调节。所述蓄电池子系统b用于为整车提供能量。
所述超级电容子系统c包括超级电容9、温度传感器14、温度传感器10、流量调节阀二8。超级电容9左右两端分别通过管路连接温度传感器六14、温度传感器三10，分别用于检测超级电容9进出口端的冷却液温度。流量调节阀二8的右端与温度传感器六14左端通过管路连接，用于对超级电容子系统c进行流量调节。所述超级电容子系统c用于为整车提供能量。
所述热交换子系统d包括三通控制阀一4、单向阀16、控制阀一15、驾驶舱18、温度传感器七19、三通控制阀二17、主散热器20、温度传感器八21、副散热器22、温度传感器九23和主电机29。三通控制阀一4的左端与蓄电池子系统b、超级电容子系统c通过管路连接，右端与单向阀16通过管路连接，下端与副电机3通过管路连接，三通控制阀一4通过改变冷却液流通路径，用于进行各种模式的切换。控制阀一15处在三通控制阀一4下端口和驾驶舱18之间，用于控制冷却液是否经过驾驶舱18及主散热器20。温度传感器七19通过管路连接在驾驶舱18的右端，用于检测驾驶舱18的冷却液出口温度。三通控制阀二17左端、右端、下端分别与温度传感器七19、主散热器20和温度传感器九23相连，用来控制冷却液是否经过主散热器20和副散热器22。温度传感器八21左右端分别与主散热器20与副散热器22通过管路相连，用于检测主散热器20的冷却液出口温度。单向阀16通过管路连接三通控制阀一4和副散热器22右端，用于防止副散热器22中的冷却液回流。温度传感器九23通过管路与副散热器22相连，用于检测副散热器22的冷却液出口温度。主电机29分别通过管路连接后处理子系统e和燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c，用于使冷却液在循环系统中流动。所述热交换子系统d用于为整车散热。
所述后处理子系统e包括离子检测装置24、三通控制阀三25、去离子装置26、流量计28、三通控制阀四30、水箱27。离子检测装置24与热交换子系统d通过管路连接，用于检测冷却液中离子浓度。三通控制阀三25的左端、右端和下端分别通过管路与流量计28、离子检测装置24、去离子装置26连接，用于对冷却液中离子浓度进行监控，当离子浓度超过限定值时，令冷却液通过去离子装置26。去离子装置上端与三通控制阀三25连接，下端与水箱27连接，用于减小冷却液中离子浓度，降低冷却液导电率。三通控制阀四30左端、右端、下端分别与主电机29、流量计28、水箱27通过管路连接，将流量计28所检测的流量值结合工作模式判断是否需要水箱27补充冷却液，水箱27还承担着为热管理系统排气的功能。所述后处理子系统e用于为冷却液去除离子与补充冷却液。
请参阅图2，本发明提出的一种燃料电池汽车热管理控制方法可以根据燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量进行模式的切换，通过控制系统使冷却液在特定路径中以最优的流量循环，从而使所述燃料电池汽车的能量源部分无论是在低温极寒模式下启动或运行，还是在高温极热环境下运行，都能以较高的效率为整车提供能量，从而保证了整车的经济性。
在本发明实施例中，所述燃料电池汽车热管理控制方法包括以下步骤：
首先，检测所述多能量源燃料电池汽车的各能量源的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量。其中，各能量源的输出电流、输出功率可在所述燃料电池汽车的ECU模块中获得，乘员舱所需的热量可通过驾驶员控制面板的驾驶员输入量结合环境温度通过查表获得；各能量源的冷却液出口温度可通过各子系统的温度传感器获得。对各能量源的输出电流、输出功率进行查表可得在此电流及功率下最优效率所对应的温度及达到最优效率所需释放或吸收的热量。
接着，根据测定的各能量源的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量、各能量源最优效率所对应的最佳温度和各部件达到最优效率所需释放或吸收的热量在极寒模式、小循环模式、中循环模式、大循环模式和极热模式之间切换热管理系统的控制方法。
请参阅图2和图3，在本发明的一种实施例中，当测定的当所述燃料电池汽车的燃料电池堆冷却液出口温度T1小于此时燃料电池堆1工作的最佳温度Tu1，或蓄电池6冷却液出口温度T2小于此时蓄电池工作的最佳温度Tu2，或超级电容9冷却液出口温度T3小于此时燃料电池堆工作的最佳温度Tu3时，为充分利用各能量源工作产生的热量使各部件尽快工作在最佳温度处，提升整车经济性和保证各能量源的使用寿命，热管理系统控制器便将模式切换为极寒模式，发出控制指令，令控制阀一15关闭，三通控制阀一4右端关闭，左端、下端导通，副电机3启动，控制阀二31关闭。副电机3驱动冷却液在燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c三者之间循环，不经过热交换子系统d和后处理子系统e；由于燃料电池堆1产生的热量远远大于蓄电池6和超级电容9产生的热量，此时相当于利用燃料电池堆1产生的热量为蓄电池6和超级电容9供热；因此，在极寒模式下，还需要所述燃料电池汽车ECU对燃料电池堆1发出控制信号，当燃料电池堆1的需求功率大于等于燃料电池最小输出功率时，令燃料电池堆1的输出功率P1等于需求功率；燃料电池堆1的需求功率小于燃料电池最小输出功率时，令燃料电池堆1的输出功率P1等于最小输出功率；
热管理系统控制器根据式(1)可计算出各能量源冷却液进出口温度变化量；
Figure GDA0003597781830000101
式中ΔT代表各部件在冷却液不同流量下的进出口温度变化量；P代表各能量源的输出功率；η代表各能量源的实时效率；S代表所流经的冷却液流量；C代表冷却液的比热容；
根据燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9的输出电流和冷却液出口温度查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3以及对于各能量源单位流量ΔS的增加所带来的效率的增加Δη1、Δη2、Δη3，通过式(2)可计算出各能量源单位流量的增加对于动力源部分总效率η的提升ηa1、ηa2、ηa3；
Figure GDA0003597781830000111
式中，P1、P2、P3分别为燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9的输出功率，η1、η2、η3分别为燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9的效率；
蓄电池6和超级电容9所需冷却液流量之间关系如式(3)；
Figure GDA0003597781830000112
式中S2、S3分别为蓄电池6、超级电容9所需冷却液流量；S2、S3与燃料电池堆1所需冷却液流量S1还需满足式(4)；
S1＝S2+S3 (4)
在热管理系统控制器中，对S1遍历0至燃料电池子系统a的最大流量，在每个S1下可求得所对应的S2和S3，进而可通过式(1)求得各能量源的冷却液进出口温度变化量，在认为进口温度不变的情况下，可求得各能量源的出口温度，通过查表可知此时各能量源所对应的效率，通过式(2)可求得使动力源部分总效率η，寻求使η达到最大值的最优流量Su1，从而结合式(3)与式(4)计算出Su2和Su3；
热管理系统控制器对流量调节阀一7、流量调节阀二8、流量调节阀三11发出控制信号，使燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
请参阅图2和图4，在本发明的一种实施例中，当热管理系统控制器测得的各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且由式(5)计算得到的燃料电池堆1达到最优效率值所需要散出的热量Qout1小于驾驶舱所需热量QD时，为充分利用燃料电池堆1产生的热量，为驾驶舱18供热，蓄电池6和超级电容9通过副散热器22进行散热，热管理系统控制器便将模式切换为小循环模式，发出控制指令，令三通控制阀一4下端关闭，左端、右端导通，控制阀一15打开、三通控制阀二17右端关闭，左端、下端导通，主电机29启动，副电机3关闭，控制阀一15打开。主电机29驱动冷却液在燃料电池子系统a、驾驶舱18和后处理子系统e之间循环，蓄电池子系统b、超级电容子系统c、副散热器22、热交换子系统d和后处理子系统e形成另一个循环回路；此时相当于利用燃料电池堆1产生的热量为驾驶舱18供热，蓄电池6和超级电容9由于产生的热量太少并未对其进行废热回收；
Figure GDA0003597781830000121
式中ηu1为燃料电池堆1在此输出功率及电流下所能达到的最优效率值；
热管理系统控制器利用式(6)、(7)和(7)可分别求得燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9所需冷却液流量Su1、Su2和Su3；
Figure GDA0003597781830000122
Figure GDA0003597781830000123
Figure GDA0003597781830000124
式中Δt1、Δt2、Δt3分别为燃料电池堆1、蓄电池6和超级电容9冷却液进出口的温度变化量，Qout2和Qout3分别为蓄电池6和超级电容9达到最优效率值所需要散出的热量，可分别由式(9)和式(10)计算得到:
Figure GDA0003597781830000125
Figure GDA0003597781830000126
式中ηu2、ηu3分别为蓄电池6和超级电容9在此功率或电流下所能达到的最优效率值；
热管理系统控制器对流量调节阀一7、流量调节阀二8、流量调节阀三11发出控制命令，使燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
请参阅图2和图5，在本发明的一种实施例中，当热管理系统控制器测得的各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且由式(5)、(9)、(10)计算得到的驾驶舱所需热量QD大于燃料电池堆1达到最优效率所需要散出的热量Qout1、蓄电池6达到最优效率所需要散出的热量Qout2、超级电容9所需要散出的热量Qout3之和时，为充分利用燃料电池堆1、蓄电池6和超级电容9产生的热量为驾驶舱18供热，从而提升整车经济性，热管理系统控制器便将模式切换为中循环模式，发出控制指令，令三通控制阀一4右端关闭，控制阀一15打开、三通控制阀二17右端关闭，主电机29启动，副电机3关闭，控制阀二31打开。主电机29驱动冷却液在燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c、驾驶舱18和后处理子系统e之间循环，不经过主散热器20和副散热器22、；此时相当于利用燃料电池堆1、蓄电池6和超级电容9产生的热量共同为驾驶舱18供热，实现了整个能量源部分的废热回收；为保证各能量源的充分散热从而达到最优效率和实现最大程度上地废热回收，从而为驾驶舱供暖，需保证各能量源冷却液均以最优流量运行。
热管理系统控制器可分别由式(11)、(12)、(13)计算得到燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9的最优流量Su1、Su2、Su3；
Figure GDA0003597781830000131
Figure GDA0003597781830000132
Figure GDA0003597781830000133
热管理系统控制器利用流量调节阀一7、流量调节阀二8、流量调节阀三11使燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3；当主电机29单独工作无法满足各能量源冷却液均以最优流量工作时，可令副电机3启动并开始工作，令控制阀二31关闭。
请参阅图2和图6，在本发明的一种实施例中，当热管理系统控制器测得的各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且由式(5)、(9)、(10)计算得到的驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆1达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(14)时；
Qout1+Qout2+Qout3≤QD+Qs1+Qs2 (14)
式中Qs1和Qs2分别代表主散热器20、副散热器22所能维持冷却液在散热器进出口处温差的最大散热量；
为充分保证燃料电池堆1、蓄电池6和超级电容9均可工作在最优效率处，从而提升整车经济性，热管理系统控制器便将模式切换为大循环模式，发出控制指令，令三通控制阀一4下端关闭，左端、右端导通，控制阀一15打开、三通控制阀二17下端关闭，左端、右端导通，主电机29启动，副电机3启动，控制阀二31关闭。主电机29驱动冷却液在蓄电池子系统b、超级电容子系统c和和副散热器22所形成的支路一中，及燃料电池子系统a、驾驶舱18、主散热器20所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统e；此时由于燃料电池堆1所产生的热量远大于蓄电池6和超级电容9产生的热量，冷却液进出口温度差别也较大，所以此处令燃料电池子系统a先经过驾驶舱18和主散热器20初次冷却后，再与蓄电池子系统b、超级电容子系统c共同进入副散热器22散热，这既提高了散热效率，也为散热器和散热风扇的设计提供了方便。
热管理系统控制器可通过式(15)、式(16)和式(17)计算得到燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9所需散出的热量的流量S1、S2、S3；
Figure GDA0003597781830000141
Figure GDA0003597781830000142
Figure GDA0003597781830000143
热管理系统控制器利用流量调节阀一7、流量调节阀二8、流量调节阀三11使燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
请参阅图2和图7，在本发明的一种实施例中，当热管理系统控制器测得的各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且由式(5)、(9)、(10)计算得到的驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆1达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(18)时；
Qout1+Qout2+Qout3＞QD+Qs1+Qs2 (18)
由于散热量过大或环境温度过高，此时无法保证燃料电池堆1、蓄电池6和超级电容9均可工作在最优效率处，只能寻求此时整车经济性最优点，热管理系统控制器便将模式切换为极热模式，发出控制指令，令三通控制阀一4右端关闭，左端、下端导通，控制阀一15打开、三通控制阀二17下端关闭，主电机29启动和副电机3启动，控制阀二31关闭。主电机29和副电机3驱动冷却液在蓄电池子系统b、超级电容子系统c和和副散热器22所形成的支路一中，及燃料电池子系统a、驾驶舱18、主散热器20所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统e；此时由于燃料电池堆1所产生的热量远大于蓄电池6和超级电容9产生的热量，冷却液出口温度差别也较大，所以此处令燃料电池子系统a先经过驾驶舱18和主散热器20进行部分冷却后，再与蓄电池子系统b、超级电容子系统c共同进入副散热器22。
热管理系统控制器在不同的燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9部件经过的流量S1、S2、S3的情况下，根据式(19)可求得每种情况下对应的各能量源的进出口温度变化量，从而计算出出口温度，结合检测到的各能量源的输出电流和输出功率查表可知此情况下的各部分能量源效率η1、η2、η3，通过式(20)可得此情况下动力源部分的整体效率η；
Figure GDA0003597781830000151
Figure GDA0003597781830000152
热管理系统控制器可以将燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9部件经过的流量S1、S2、S3作为控制变量，以动力源部分的整体效率η为目标函数，以式(21)、(22)、(23)、(24)为限制条件，通过遗传算法可求得使动力源部分整体效率η最高的各部分能量源所需冷却液的流量Su1、Su2、Su3
燃料电池堆1、蓄电池6、超级电容9部件经过的流量S1、S2、S3的限制如式(21)、(22)、(23)、(24)所示；
S1≤Smax1 (21)
S2≤Smax2 (22)
S3≤Smax3 (23)
S1+S2+S3＝Smax (24)
式中Smax1、Smax2、Smax3分别代表燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c所能流经的最大流量；Smax代表在两个散热器在维持进出口温度变化量一定的情况下以最大散热量散热时所对应的流量。
热管理系统控制器利用流量调节阀一7、流量调节阀二8、流量调节阀三11使燃料电池子系统a、蓄电池子系统b、超级电容子系统c的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”的描述意指结合该实施例的具体特征或特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。
本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法，热管理系统包括燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统和后处理子系统，由燃料电池堆、蓄电池、超级电容、主电机、副电机、驾驶舱、主散热器、副散热器、离子检测装置、去离子装置、水箱、流量计、温度传感器、控制阀、三通控制阀、流量调节阀和单向阀组成；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
检测多能量源燃料电池汽车的燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量；
根据燃料电池、蓄电池和超级电容的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量，燃料电池汽车热管理系统在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换；
在各个模式下计算可使燃料电池、蓄电池和超级电容的实时效率最高的最优冷却液流量，并控制流量调节阀使经过燃料电池、蓄电池和超级电容的冷却液流量为最优冷却液流量；
利用检测得到的燃料电池汽车的各能量源的输出功率和输出电流可得各能量源的最佳工作温度，当燃料电池汽车的燃料电池堆冷却液出口温度T1小于此时燃料电池堆工作的最佳温度Tu1，或蓄电池冷却液出口温度T2小于此时蓄电池工作的最佳温度Tu2，或超级电容冷却液出口温度T3小于此时超级电容工作的最佳温度Tu3时，控制阀一关闭，三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀二关闭，副电机启动，热管理系统切换到极寒模式，冷却液只在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统之间循环，不经过热交换子系统和后处理子系统；当燃料电池堆的需求功率大于或等于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于需求功率；燃料电池堆的需求功率小于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于最小输出功率；
根据式(1)可计算出各能量源不同冷却液流量所导致的冷却液进出口温度变化量；
Figure FDA0003597781820000011
式中ΔT代表各部件冷却液的进出口温度变化量；P代表各能量源的输出功率；η代表各能量源的效率；S代表所流经的冷却液流量；C代表冷却液的比热容；
根据燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出电流、输出功率和冷却液出口温度查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3，结合式(1)可得对于各能量源单位流量的增加所带来的温度的变化及效率的增加Δη1、Δη2、Δη3，通过式(2)可计算出各能量源单位流量的增加对于动力源部分总效率η的提升ηa1、ηa2、ηa3；
Figure FDA0003597781820000021
式中，P1、P2、P3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出功率，η1、η2、η3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的效率；
蓄电池和超级电容所需冷却液流量之间关系如式(3)；
Figure FDA0003597781820000022
式中S2、S3分别为蓄电池、超级电容所需冷却液流量；S2、S3与燃料电池堆所需冷却液流量S1还需满足式(4)；
S1＝S2+S3 (4)
S1可遍历0至此时燃料电池子系统的最大流量，寻求使动力源部分总效率η达到最大值的最优流量Su1，结合式(3)与式(4)可计算出Su2和Su3；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于：利用检测得到的燃料电池汽车的各能量源的输出功率、输出电流和冷却液出口温度可得各能量源的最佳工作温度及达到最佳工作温度所需释放的热量，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且燃料电池堆达到最优效率值所需要散出的热量Qout1小于驾驶舱所需热量QD时，三通控制阀一下端关闭，左端、右端导通，控制阀一打开、三通控制阀二右端关闭，左端、下端导通，主电机启动，副电机关闭，控制阀二打开，热管理系统切换到小循环模式，冷却液主要在燃料电池子系统、驾驶舱形成的支路一和蓄电池子系统、超级电容子系统和副散热器所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统，冷却液不流经热交换子系统中的主散热器；其中Qout1的计算如式(5)；
Figure FDA0003597781820000031
式中ηu1为燃料电池堆在此输出功率及电流下所能达到的最优效率值；
利用式(6)、(7)和(8)可分别求得燃料电池堆、蓄电池、超级电容所需冷却液流量Su1、Su2和Su3；
Figure FDA0003597781820000032
Figure FDA0003597781820000033
Figure FDA0003597781820000034
式中Δt1、Δt2、Δt3分别为燃料电池堆、蓄电池和超级电容冷却液进出口的温度变化量，Qout2和Qout3分别为蓄电池和超级电容达到最优效率值所需要散出的热量，可分别由式(9)和式(10)计算得到；
Figure FDA0003597781820000035
Figure FDA0003597781820000036
式中ηu2、ηu3分别为蓄电池和超级电容在此功率下所能达到的最优效率值；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于：利用检测得到的燃料电池汽车的各能量源的输出功率、输出电流和冷却液出口温度可得各能量源的最优效率及为达到最优效率所需释放的能量，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD大于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1、蓄电池达到最优效率所需要散出的热量Qout2、超级电容所需要散出的热量Qout3之和时，三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀一打开、三通控制阀二右端关闭，左端、下端导通，主电机启动，副电机关闭，控制阀二打开，热管理系统切换到中循环模式，冷却液主要在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统和驾驶舱、后处理子系统所形成的回路中流动，最终经过后处理子系统，冷却液不流经热交换系统中的主散热器和副散热器；
燃料电池堆、蓄电池、超级电容的最优流量Su1、Su2、Su3分别可由式(11)、(12)、(13)计算得到；
Figure FDA0003597781820000041
Figure FDA0003597781820000042
Figure FDA0003597781820000043
式中Qout1、Qout2、Qout3可由式(5)、(9)、(10)计算得到；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于：利用检测得到的燃料电池汽车的各能量源的输出功率、输出电流和冷却液出口温度可得各能量源达到最优效率值所需释放的能量，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(14)时；
Qout1+Qout2+Qout3≤QD+Qs1+Qs2 (14)
式中Qs1和Qs2分别代表主散热器、副散热器所能维持冷却液在散热器进出口处温差的最大散热量；
三通控制阀一下端关闭，左端、右端导通，控制阀一打开、三通控制阀二下端关闭，左端、右端导通，主电机启动，副电机启动，控制阀二关闭，热管理系统切换到大循环模式，冷却液主要在蓄电池子系统、超级电容子系统和副散热器所形成的支路一中，及燃料电池子系统、驾驶舱、主散热器、副散热器所形成的支路二中流动，最终经过后处理子系统；
燃料电池堆、蓄电池、超级电容所需散出的热量的流量S1、S2、S3分别可由式(15)、式(16)和式(17)计算得到；
Figure FDA0003597781820000044
Figure FDA0003597781820000051
Figure FDA0003597781820000052
式中Qout1、Qout2、Qout3可由式(5)、(9)、(10)计算得到；
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于：利用检测得到的燃料电池汽车的各能量源的输出功率、输出电流和冷却液出口温度可得各能量源的效率及所需释放的能量，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度、驾驶舱所需热量QD小于燃料电池堆达到最优效率所需要散出的热量Qout1，且满足式(18)：
Qout1+Qout2+Qout3＞QD+Qs1+Qs2 (18)
三通控制阀一右端关闭，左端、下端导通，控制阀一打开、三通控制阀二下端关闭，左端、右端导通，主电机启动、副电机启动，控制阀二关闭，热管理系统切换到极热模式，冷却液主要在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统、后处理子系统所形成的回路中流动；
根据式(19)可求得各能量源的进出口温度差，从而计算出出口温度，结合检测到的各能量源的输出电流和输出功率查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3，通过式(20)可得动力源部分的整体效率η，
Figure FDA0003597781820000053
Figure FDA0003597781820000054
燃料电池堆、蓄电池、超级电容部件经过的流量S1、S2、S3的限制如式(21)、(22)、(23)、(24)所示：
S1≤Smax1 (21)
S2≤Smax2 (22)
S3≤Smax3 (23)
S1+S2+S3＝Smax (24)
式中Smax1、Smax2、Smax3分别代表燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统所能流经的最大流量；Smax代表在两个散热器在维持进出口温度差一定的情况下以最大散热量散热时所对应的整个循环系统的总流量；
以燃料电池堆、蓄电池、超级电容部件经过的流量S1、S2、S3为控制变量，动力源部分的整体效率η为目标函数，以式(21)、(22)、(23)、(24)为限制条件，通过遗传算法可求得使动力源部分整体效率η最高的燃料电池堆、蓄电池、超级电容所需冷却液的流量Su1、Su2、Su3
利用流量调节阀一、流量调节阀二和流量调节阀三使燃料电池堆、蓄电池、超级电容的冷却液流量分别达到Su1、Su2、Su3。
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