CN112652786A - 燃料电池的冷却控制系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及燃料电池的冷却控制系统和控制方法。冷却控制系统包括：燃料电池堆，形成有冷却流路，氢和氧分别进入燃料电池堆中并且进行反应，并且冷却剂在隔板之间流动；冷却剂循环管路，与燃料电池堆的冷却流路连接，并且具有冷却剂在其中流动；冷却泵，连接至冷却剂循环管路以使冷却剂循环从而冷却燃料电池堆；发热量估计器，用于估计燃料电池堆的发热量；冷却剂估计器，用于基于燃料电池堆的发热量来估计用于冷却燃料电池堆的冷却剂的量；以及驱动控制器，用于基于所估计的冷却剂的量来控制冷却泵的运转。

Description

燃料电池的冷却控制系统和控制方法
技术领域
本公开涉及一种估计燃料电池堆的发热量，并基于燃料电池堆的发热量来控制冷却泵的技术。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
燃料电池通过使用分别从氢供应装置和空气供应装置供应的氢和氧的氧化还原反应将化学能转换成电能，并且包括产生电能的燃料电池堆、冷却燃料电池堆的冷却系统等。
也就是说，将氢供应至燃料电池堆的阳极侧，并且在阳极处进行氢的氧化反应以产生质子和电子，并且此时产生的质子和电子分别通过电解质膜和隔板移动至阴极。在阴极处，通过其中涉及从阳极移动的质子、电子和空气中的氧的电化学反应产生水，并且从电子流中产生电能。
在燃料电池堆中通过化学反应一起产生热能和电能。燃料电池堆包括冷却系统，以防止燃料电池堆因热能而过热和劣化。具体地，主要使用水冷式冷却系统，该水冷式冷却系统通过形成冷却剂在燃料电池堆中所包括的单元电池之间流动而穿过的冷却流路来冷却燃料电池堆。
在这种冷却系统中，由于难以直接测量燃料电池堆的温度，因此可以通过使用通过燃料电池堆排出的冷却剂出口温度来间接地估计。进一步，根据所估计的燃料电池堆或使冷却剂流动的泵的温度，由恒温器控制流过散热器的冷却剂与绕开(bypassed)散热器的冷却剂之间的比率来控制冷却燃料电池堆。
也就是说，通过混合流入恒温器的流经散热器的冷却剂和绕开散热器的冷却剂来冷却燃料电池堆。然而，我们发现当流过散热器的低温冷却剂流入燃料电池堆时，在燃料电池堆中会发生热冲击。
进一步，我们发现，在燃料电池堆中产生的热量相对较少并且所需散热量较低的状态下，散热器不保持散热性能，并且因此，如果燃料电池堆的所需散热量再次增加，则发挥冷却系统的冷却性能所需时间滞后。
作为背景技术解释的上述内容仅旨在帮助理解本公开的背景技术，而并非旨在表示本公开落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
本公开提供了一种基于燃料电池堆的发热量和燃料电池堆的冷却流路的入口和出口的冷却剂温度来控制冷却泵的控制系统和控制方法。
在本公开的一种形式中，燃料电池的冷却控制系统包括：燃料电池堆，形成有冷却流路，氢和氧分别流入冷却流路中并进行反应，并且冷却剂在隔板之间流动。冷却剂循环管路，与燃料电池堆的冷却流路连接，并且具有冷却剂在其中流动；冷却泵，连接至冷却剂循环管路，并且被配置为使冷却剂循环以冷却燃料电池堆；发热量估计器，被配置为估计燃料电池堆的发热量；冷却剂估计器，被配置为基于所估计的燃料电池堆的发热量来估计用于冷却燃料电池堆的冷却剂的量；以及驱动控制器，被配置为基于所估计的冷却剂的量来控制冷却泵的运转。
在一种形式中，冷却控制系统进一步包括：第一温度感测传感器，安装在燃料电池堆的冷却流路的入口处，以及第二温度感测传感器，安装在燃料电池堆的冷却流路的出口处。
发热量估计器可以通过使用燃料电池堆的理论电压与平均电池电压之间的比率以及燃料电池堆的输出来估计燃料电池堆的发热量。
燃料电池堆的发热量可以通过将低发热量状态下的低理论电压与高发热量状态下的高理论电压之间的值可变地应用作为理论电压来估计。理论电压可以由发热量估计器基于燃料电池堆的内部湿度来设定，理论电压可以由发热量估计器基于冷却剂平均温度和燃料电池堆的输出值来设定，理论电压可以由在聚水器中收集的冷凝物的排放周期来设定。
冷却剂估计器基于通过从所估计的燃料电池堆的发热量中减去空气的空气冷却量而计算的发热量来估计用于冷却燃料电池堆的冷却剂的量，并且驱动控制器基于所估计的用于冷却燃料电池堆的冷却剂的量来控制燃料电池堆的运转。
驱动控制器可以基于冷却剂的量、冷却剂比热以及冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差的目标值来估计。
驱动控制器可以用基于冷却剂所需流速而确定的预映射(pre-mapped)的每分钟转数(RPM)来控制冷却泵。预映射RPM可以基于冷却剂所需流速、冷却剂平均温度以及冷却剂循环管路的旁路阀的开度来进行预映射。
驱动控制器可以将目标值设定为冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差，并且当冷却剂温度差大于设定的目标值时增加冷却泵的RPM。冷却剂温度差的目标值可以基于冷却流路的出口处的冷却剂温度和燃料电池堆的发热量来进行预映射。
在本公开的另一种形式中，一种燃料电池堆的冷却方法包括：通过安装在燃料电池堆的冷却流路的入口处的第一温度感测传感器和安装在燃料电池堆的冷却流路的出口处的第二温度感测传感器来测量冷却流路的入口处和出口处的冷却剂温度；由发热量估计器来估计燃料电池堆的发热量；由冷却剂估计器基于燃料电池堆的所估计的发热量来估计用于冷却燃料电池堆的冷却剂的量；以及由驱动控制器基于所估计的冷却剂的量来控制冷却泵的运转。
估计发热量可以包括：基于燃料电池堆的理论电压与平均电池电压之间的比率以及燃料电池堆的输出来估计燃料电池堆的发热量。燃料电池堆的发热量可以通过将低发热量状态下的低理论电压与高发热量状态下的高理论电压之间的值可变地应用作为理论电压来估计。
估计冷却燃料电池堆的冷却剂的量可以包括：从所估计的燃料电池堆的发热量中减去空气中的冷却量。
控制冷却泵的运转可以包括：通过将所估计的冷却剂的量除以冷却剂的冷却剂比热和冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差来估计冷却剂所需流速。
冷却泵的运转的控制可以包括：将目标值设定为冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差，以及当冷却剂温度差大于设定的目标值时，增加冷却泵的RPM。
如上所述，利用本公开的示例性形式，可以基于燃料电池堆的发热量来改善冷却泵的控制，从而减少或最小化临时干燥和高温热冲击状态的暴露。
可以基于燃料电池堆的发热量来控制冷却泵，从而改善冷却响应性并且提高耐久性。
当从突然的输出状态切换到FC STOP模式时，与传统泵相比可以将冷却泵的RPM降低至适当水平。
通过本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和特定实例仅旨在用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图，描述其通过实例的方式给出的各种形式，其中：
图1是根据本公开的一种形式的燃料电池的冷却控制系统的框图；
图2是示出根据本公开的另一种形式的燃料电池的冷却控制方法的流程图；
图3是示出根据本公开的一种形式的根据燃料电池的冷却控制的燃料电池堆的电流、冷却剂循环管路的旁路阀的开度以及冷却泵的RPM的曲线图；
图4是示出根据本公开的一种形式的根据燃料电池的冷却控制的燃料电池堆的电流以及冷却流路的入口和出口的温度的曲线图；以及
图5是示出根据本公开的一种形式的单位发热量根据湿度的变化的曲线图。
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅为示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应该理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
在说明书或申请中公开的本公开的形式的具体结构和功能描述仅用于说明本公开的形式的目的，并且根据本公开的形式可以以各种形式体现，并且不应解释为限于说明书或申请中提出的形式。
根据本公开，可以在形式中进行各种修改和有各种形式，使得在附图中示出具体形式并且在说明书或申请中详细描述具体形式。然而，应当理解，其并不旨在根据本公开的概念限制形式为特定公开的形式，而是包括落入本公开的精神和技术范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
术语“第一”和/或“第二”等可以用于说明各种组件，但是这些组件不应受术语的限制。这些术语用于将一个元素与另一个元素区分开，例如，根据本公开的概念，在不背离权利要求的情况下，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件也可以被称为第一组件。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”至另一个元件时，它可以“直接连接”或“直接耦接”至另一个元件，而且可以在其间插入其他元件的情况下“连接”或“耦接”至另一元件。另一方面，应该理解，在陈述“直接连接”或“直接耦接”至另一个元件时，任何配置元件都没介于其间的其他元件。描述元件之间的关系的其他表达，诸如，“在…之间”和“直接在…之间”或“邻近于”和“直接邻近于”也应类似解释。
说明书中使用的术语仅出于描述特定形式的目的，并不旨在限制本公开。除非上下文中另有明确说明，否则单数形式也旨在包括复数形式。应进一步理解，术语“包括”或“包含”等指定了存在述及的特征、整体(integers)、步骤、操作、元件、组件或其组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或其组合。
在下文中，本公开将通过参考附图描述本公开的示例性形式来详细描述。在每个附图中所示的相同附图标记表示相同的构件。
根据本公开的示例性形式的发热量估计器、冷却剂估计器和驱动控制器可以通过非易失性存储器(未示出)和处理器来实现，该非易失性存储器被配置为存储与被配置为控制车辆的各种组件的操作的算法相关的数据，或用于再现算法的软件指令，处理器(未示出)被配置为通过使用存储在相应存储器中的数据来执行下面描述的操作。在此，存储器和处理器可以实现为单独的芯片。或者，存储器和处理器可以实现为彼此集成的单个芯片。处理器可以采用一个或多个处理器的形式。
图1是根据本公开的一种形式的燃料电池的冷却控制系统的框图，图2是根据本公开的另一种形式的燃料电池的冷却控制方法的流程图，并且图3是根据本公开的一种形式的根据燃料电池的冷却控制的燃料电池堆的电流、冷却剂循环管路的旁通阀的开度以及冷却泵200的RPM的曲线图。曲线图中的CTV表示冷却剂循环管路的旁路阀。图4是根据本公开的一种形式的根据燃料电池的冷却控制的燃料电池堆的电流和冷却流路的入口和出口的温度的曲线图。CT10指由第一温度感测传感器测量的温度，以及CT20指由第二温度感测传感器测量的温度。图5是示出单位发热量根据湿度的变化的曲线图。
参考图1至图5，根据本公开的燃料电池冷却控制系统包括：其中氢和氧分别进入并且进行反应的燃料电池堆100，形成有冷却流路，并且冷却剂在隔板之间流动；冷却剂循环管路60，与燃料电池堆100的冷却流路连接，并且具有冷却剂在其中流动；冷却泵200，连接至冷却剂循环管路60来使冷却剂循环以冷却燃料电池堆100；发热量估计器30，用于估计燃料电池堆100的发热量；冷却剂估计器40，用于基于由发热量估计器30估计的燃料电池堆100的发热量来估计冷却剂必需量(coolant necessary amount)；以及驱动控制器50，用于基于由冷却剂估计器40估计的冷却剂必需量来控制冷却泵200的驱动。
根据本公开的燃料冷却控制系统进一步包括：第一温度感测传感器10，安装在燃料电池堆100的冷却流路的入口处；和第二温度感测传感器20，安装在燃料电池堆100的冷却流路的出口处。
燃料电池堆100、第一温度感测传感器10、第二温度感测传感器20、和冷却泵200由冷却剂循环管路60连接，以及燃料电池堆100、发热量估计器30、冷却剂估计器40、驱动控制器50以及冷却泵200由控制线路连接。驱动控制器50可以控制冷却泵200的RPM。
发热量估计器30可以通过使用燃料电池堆100的理论电压与电池平均电压(average cell voltage)之间的比率以及燃料电池堆100的输出来估计燃料电池堆100的发热量。
理论电压是由发热量估计器30估计的燃料电池堆100的电压，并且燃料电池堆的发热量可以通过计算((理论电压/电池平均电压)—1)*输出/1000来估计。
理论电压可以根据各种因素而变化，并且燃料电池堆100的发热量可以通过可变地应用介于低级(low-grade)发热量状态下的低理论电压与高级(high-grade)发热量状态下的高理论电压之间的值来估计。通常，根据生成的水是否冷凝或是否包含潜热来确定介于低理论电压与高理论电压之间的理论电压。
进一步参考图5，理论电压可以由燃料电池堆100的内部湿度来设定。当根据内部湿度的相对湿度为0％时，作为高理论电压来应用理论电压，并且当相对湿度为100％时，作为低理论电压来应用理论电压。可以通过执行线性化来应用中间值。根据实时相对湿度传感器值或根据预映射图的相对湿度估计的值来确定相对湿度值。
进一步，理论电压可以由冷却剂平均温度和输出值来设定。将低理论电压设定为初始值，并且可以通过基于冷却剂平均温度和燃料电池堆100的输出的预映射图来获得理论电压。
进一步，理论电压可以由收集在聚水器中的冷凝物的排放周期来设定。例如，在将工作温度设定为75摄氏度并且在城市运行时冷凝物排放周期的平均输出设定为参考周期之后，可以将参考周期的电压设定为低理论电压，可以将最大值设定为高理论电压，并且可以根据冷凝物排放周期的增加和减少，通过执行线性化来应用理论电压。
冷却剂估计器40通过从所估计的燃料电池堆100的发热量中减去空气的空气冷却量来估计根据燃料电池堆100的发热量所需冷却量，并且驱动控制器50基于所估计的所需冷却量来控制冷却泵200的驱动。
由于必需冷却量是所需冷却量与空气冷却量的总和，并且燃料电池堆100的发热量是必需冷却量，因此所需冷却量是通过从燃料电池堆100的发热量中减去空气冷却量而获得的值。
可以将空气冷却量公式化或视为常数。例如，当将空气冷却量视为常数时，其可被估计为小于2至3kW。
驱动控制器50可以通过将由冷却剂估计器40计算的所需冷却量与冷却剂的比热和冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差的目标值进行计算来估计冷却剂所需流速。
比热是通过将由温度感测传感器感测到的冷却流路的出口和入口处的冷却剂的温度的平均值乘以0.0052和2.872而获得的值。
可以根据冷却剂所需流速以预映射的RPM来控制冷却泵200。预映射的RPM可以根据冷却剂所需流速、冷却剂平均温度以及冷却剂的循环管路的旁路阀的开度来预映射(预先配置)。
例如，冷却泵200的RPM值可以通过C0+C1*冷却剂循环管路的旁路阀的开度-C2*冷却剂平均温度+C3*冷却剂所需流速来计算，并且可以将C0至C3设定为常数。
可以基于燃料电池堆100的发热量来改善冷却泵200的控制，以减少或最小化临时干燥和高温热冲击状态下的暴露，从而改善冷却响应性并且提高耐久性。
进一步参考图3，可以根据燃料电池堆的电流和冷却剂循环管路的旁路阀的开度来确定冷却泵200的RPM的变化量。
驱动控制器50可以将目标值设定为冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差，并且如果冷却剂温度差大于设定的目标值时，则增加冷却泵的RPM。冷却剂温度差的目标值可以根据冷却流路的出口的冷却剂温度和燃料电池堆100的发热量来预映射。
随着冷却流路的出口的冷却剂温度升高或燃料电池堆100的发热量增加，冷却剂温度差的预映射目标值减小。当冷却流路的出口的冷却剂温度恒定时，将冷却剂温度差的目标值预映射为随着燃料电池堆100的发热量增加而减小；进一步，当燃料电池堆100的发热量恒定时，将冷却剂温度差的目标值预映射为随着冷却流路的出口的冷却剂温度升高而减小。如果冷却流路的出口的冷却剂温度和燃料电池堆100的发热量同时增加，则将冷却剂温度差的目标值预映射为减小。
例如，在燃料电池堆100的城市运行区间或者加热区间，冷却剂必需量相对地减少并且通过应用提高的冷却剂温度差的目标值来降低冷却泵200的RPM，并且在高输出连续区间或高温运行区间，冷却剂必需量相对增加并且通过应用下降的冷却剂温度差的目标值来增加冷却泵200的RPM。
进一步参考图4，可以确定燃料电池堆100的电流与冷却流路的入口和出口的冷却剂温度之间的变化。
进一步参考图2，根据本公开的燃料电池冷却控制方法包括：通过安装在燃料电池100的冷却流路的入口处的第一温度感测传感器10和安装在燃料电池堆100的冷却流路的出口处的第二温度感测传感器20来测量冷却流路的入口和出口的冷却剂温度(操作S10)；估计燃料电池堆100的发热量(操作S12)；基于在发热量的估计中估计的燃料电池堆100的发热量来估计冷却剂的必需量(操作S12)(操作S13)；并且基于在冷却剂的估计中估计的冷却剂的必需量来控制冷却泵200的驱动(操作S14)；
发热量的估计(操作S12)可以通过使用燃料电池堆100的理论电压与平均电池电压之间的比率以及燃料电池堆100的输出来估计燃料电池堆100的发热量。燃料电池堆的发热量可以通过将低发热量状态下的低理论电压与高发热量状态下的高理论电压之间的值可变地应用作为理论电压来估计。
冷却剂的估计(操作S13)通过从所估计的燃料电池堆100的发热量中减去空气的空气冷却量来根据燃料电池堆100的发热量估计所需冷却量，并且驱动的控制(操作S14)可以基于所估计的所需冷却量来控制冷却泵200的驱动。
驱动的控制(操作S14)可以通过将在冷却剂的估计(操作S13)中估计的所需冷却量除以冷却剂的比热和冷却流路的入口和出口之间的冷却剂温度差来估计冷却剂所需流速。驱动的控制(操作S14)可以由根据冷却剂所需流速的预映射RPM来控制冷却泵200。
驱动的控制(操作S14)可以将目标值设定为冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差(操作S15)，并且如果冷却剂温度差大于设定的目标值(操作S20)(操作S21)，则可以增加冷却泵200的RPM。冷却剂温度差的目标值可以根据冷却流路的出口的冷却剂温度和燃料电池堆100的发热量来预映射。
虽然已经关于本公开的具体形式进行了说明和描述，但是本领域技术人员将理解，可以在本公开的技术精神范围内对本公开进行各种改进和改变。

Claims (19)

1.一种燃料电池的冷却控制系统，包括：
燃料电池堆，形成有冷却流路，氢和氧分别进入所述燃料电池堆中并进行反应，并且冷却剂在隔板之间流动；
冷却剂循环管路，与所述燃料电池堆的所述冷却流路连接并且具有所述冷却剂在其中流动；
冷却泵，连接至所述冷却剂循环管路并且被配置为使所述冷却剂循环以冷却所述燃料电池堆；
发热量估计器，被配置为估计所述燃料电池堆的发热量；
冷却剂估计器，被配置为基于所估计的所述燃料电池堆的发热量来估计用于冷却所述燃料电池堆的冷却剂的量；以及
驱动控制器，被配置为基于所估计的冷却剂的量来控制所述冷却泵的运转。
2.根据权利要求1所述的冷却控制系统，还包括：
第一温度感测传感器，安装在所述燃料电池堆的所述冷却流路的入口处；以及
第二温度感测传感器，安装在所述燃料电池堆的所述冷却流路的出口处。
3.根据权利要求1所述的冷却控制系统，
其中，所述发热量估计器被配置为基于所述燃料电池堆的理论电压与平均电池电压之间的比率以及所述燃料电池堆的输出来估计所述燃料电池堆的发热量。
4.根据权利要求3所述的冷却控制系统，
其中，通过可变地应用低发热量状态下的低理论电压与高发热量状态下的高理论电压之间的值作为所述理论电压来估计所述燃料电池堆的发热量。
5.根据权利要求4所述的冷却控制系统，
其中，所述理论电压由所述发热量估计器基于所述燃料电池堆的内部湿度来设定。
6.根据权利要求4所述的冷却控制系统，
其中，所述理论电压由所述发热量估计器基于冷却剂平均温度和所述燃料电池堆的输出值来设定。
7.根据权利要求4所述的冷却控制系统，
其中，所述理论电压由所述发热量估计器基于聚水器中收集的冷凝物的排放周期来设定。
8.根据权利要求1所述的冷却控制系统，
其中，所述冷却剂估计器被配置为基于通过从所估计的所述燃料电池堆的发热量中减去空气的空气冷却量而计算的发热量来估计用于冷却所述燃料电池堆的冷却剂的量，并且
其中，所述驱动控制器被配置为基于所估计的用于冷却所述燃料电池堆的冷却剂的量来控制所述冷却泵的运转。
9.根据权利要求8所述的冷却控制系统，
其中，所述驱动控制器被配置为基于由所述冷却剂估计器所估计的冷却剂的量、冷却剂比热以及所述冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差的目标值来估计冷却剂所需流速。
10.根据权利要求9所述的冷却控制系统，
其中，所述驱动控制器被配置为以基于所述冷却剂所需流速确定的预映射的每分钟转数来控制所述冷却泵。
11.根据权利要求10所述的冷却控制系统，
其中，所述预映射的每分钟转数基于所述冷却剂所需流速、所述冷却剂的平均温度和所述冷却剂循环管路的旁路阀的开度进行预映射。
12.根据权利要求1所述的冷却控制系统，
其中，所述驱动控制器被配置为：
将目标值设定为所述冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差，并且
当所述冷却剂温度差大于设定的目标值时，增加所述冷却泵的每分钟转数。
13.根据权利要求12所述的冷却控制系统，
其中，所述冷却剂温度差的所述目标值基于所述冷却流路的出口处的冷却剂温度和所述燃料电池堆的发热量进行预映射。
14.一种燃料电池的冷却控制方法，所述冷却控制方法包括以下步骤：
通过安装在燃料电池堆的冷却流路的入口处的第一温度感测传感器和安装在所述燃料电池堆的所述冷却流路的出口处的第二温度感测传感器来测量所述冷却流路的入口处的冷却剂温度和出口处的冷却剂温度；
由发热量估计器来估计所述燃料电池堆的发热量；
由冷却剂估计器基于所估计的所述燃料电池堆的发热量来估计用于冷却所述燃料电池堆的冷却剂的量；以及
由驱动控制器基于所估计的冷却剂的量来控制冷却泵的运转。
15.根据权利要求14所述的冷却控制方法，
其中，估计所述发热量包括：
基于所述燃料电池堆的理论电压与平均电池电压之间的比率以及所述燃料电池堆的输出来估计所述燃料电池堆的发热量。
16.根据权利要求15所述的冷却控制方法，
其中，通过可变地应用低发热量状态下的低理论电压与高发热量状态下的高理论电压之间的值作为所述理论电压来估计所述燃料电池堆的发热量。
17.根据权利要求14所述的冷却控制方法，
其中，估计用于冷却所述燃料电池堆的所述冷却剂的量包括：
从所估计的所述燃料电池堆的发热量中减去空气的空气冷却量。
18.根据权利要求17所述的冷却控制方法，
其中，控制所述冷却泵的运转包括：
通过将所估计的冷却剂的量除以所述冷却剂的冷却剂比热和所述冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差来估计冷却剂所需流速。
19.根据权利要求14所述的冷却控制方法，
其中，控制所述冷却泵的运转包括：
将目标值设定为所述冷却流路的入口与出口之间的冷却剂温度差，以及
当所述冷却剂温度差大于设定的目标值时，增加所述冷却泵的每分钟转数。
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