CN112744128B - 一种油电混合动力系统的余热管理装置及管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油电混合动力系统的余热管理装置及管理方法，包括燃料电池冷却液循环系统的燃料电池水箱、燃料电池水箱内的第一温度传感器、燃料电池本体内的第二温度传感器、内燃机冷却液循环系统的冷却液循环支路、内燃机尾气排放系统的尾气能量回收管路和控制器，所述冷却液循环支路的进水口处设有冷却液比例调节阀，所述冷却液循环支路和尾气能量回收管路分别与燃料电池水箱的箱体进行非连通式热交换；所述尾气能量回收管路的进气口设有尾气比例调节阀；控制器根据第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据控制冷却液比例调节阀和尾气比例调节阀的开度。有益效果：本发明能够快速预热，并且精确控制燃料电池冷却液预热温度，同时降低能耗。

Description

一种油电混合动力系统的余热管理装置及管理方法
技术领域
本发明涉及一种动力系统的余热管理装置及管理方法，特别涉及一种油电混合动力系统的余热管理装置及管理方法，属于混合动力技术领域。
背景技术
现有的内燃机与燃料电池均采用独立的冷却水流道，并且依赖于散热器与冷却风扇给冷却介质降温，冷却介质中的热量不能很好的回收利用并且需要依赖额外的电能供风扇工作。内燃机排放的尾气及燃料电池排放的尾气中的能量也并未高效回收利用即排入了大气环境中。
由于燃料电池在零下环境中，其反应生成物水会因低温而冻结，造成燃料电池性能下降，无法启动。目前现有的衡量冷启动能力的指标有最低启动温度、启动过程耗能和启动时间等。现有的策略主要为“停机吹扫+外部预热+内部升温”。现阶段大多采用“停机吹扫+启动升温”，即在停机吹扫的基础上，电池启动时使电堆升温融冰的速度快于电堆结冰的速度，来实现冷启动。冬季车辆停机吹扫大致需要几分钟，启动时加热需要10～15分钟的加热时间，该方法导致燃料电池冷启动时间长冷启动，并且需要消耗额外电能。
因此急需设计一种能够利用内燃机尾气余热及内燃机冷却液余热的水热管理系统，该系统能够保障燃料电池在低温环境中快速启动，同时需要设计一种能精确控制燃料电池冷却水温的方法，而现阶段并没有一种合适的水热管理系统可以满足以上需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的内燃机与燃料电池构成的混合动力系统的余热利用率的问题，提供一种能够快速给燃料电池进行预热并能够对燃料电池的工作温度进行精确控制的油电混合动力系统的余热管理装置及管理方法。
技术方案：一种油电混合动力系统的余热管理装置，包括内燃机总成和燃料电池总成，所述内燃机总成包括内燃机本体、内燃机冷却液循环系统和内燃机尾气排放系统，所述燃料电池总成包括燃料电池本体、燃料电池冷却液循环系统和燃料电池尾气排放系统；所述燃料电池冷却液循环系统包括燃料电池水箱；所述内燃机冷却液循环系统包括内燃机散热器和冷却液循环支路，所述冷却液循环支路并联于内燃机本体的冷却液出水口至内燃机散热器进水口之间的管路上，所述冷却液循环支路的进水口处设有冷却液比例调节阀，所述冷却液循环支路与燃料电池水箱的箱体进行非连通式热交换；所述内燃机尾气排放系统包括尾气能量回收管路，所述尾气能量回收管路与燃料电池水箱的箱体进行非连通式热交换，所述尾气能量回收管路的进气口设有尾气比例调节阀；所述燃料电池冷却液循环系统包括第一温度传感器，所述第一温度传感器位于燃料电池水箱内；所述燃料电池本体内设有第二温度传感器；所述第一温度传感器和第二温度传感器同时将温度数据传输给控制器，所述控制器根据上述温度数据控制冷却液比例调节阀和尾气比例调节阀的开度。
本发明内燃机冷却液循环系统和内燃机尾气排放系统分别与燃料电池冷却液循环系统的燃料电池水箱的箱体进行非连通式热交换，通过内燃机尾气排放系统能够快速提高燃料电池冷却液循环系统内冷却液的温度，通过燃料电池冷却液循环系统内冷却液的循环实现对燃料电池的快速预热，通过内燃机冷却液循环系统流量的控制实现燃料电池冷却液循环系统内冷却液的精确控温；最终实现燃料电池在低温冷启动时的快速精确预热。
优选项，为了进一步实现燃料电池本体的快速预热，所述燃料电池冷却液循环系统包括电加热器，所述电加热器位于燃料电池本体冷却液进水管路上。通过电加热器能够进一步缩短燃料电池冷却液循环系统内冷却液的预热时间。
优选项，为了节省能耗同时进一步利用内燃机尾气的动能，所述燃料电池冷却液循环系统包括循环水泵，所述尾气能量回收管路中设有第一涡轮，所述第一涡轮通过单向离合器与循环水泵的电机连接。通过内燃机的尾气给燃料电池水箱内冷却液进行加热的同时，通过第一涡轮驱动循环水泵工作，将加热后的冷却液送入燃料电池本体实现预热，第一涡轮驱动循环水泵不需要再单独启动循环水泵，降低了系统能耗。
优选项，为了进一步精确控制内燃机尾气与燃料电池水箱的箱体进行热交换的气量，所述尾气能量回收管路包括排气支管和热交换支管，所述排气支管和热交换支管交汇处设有尾气热交换比例调节阀。通过调节尾气热交换比例调节阀的开度可以实现与燃料电池水箱的箱体进行热交换的气量，实现对燃料电池冷却液循环系统内冷却液温度的精确控制。
尾气能量回收管路中的气体可以先通过第一涡轮进行动能回收，然后再与燃料电池水箱的箱体进行热交换；也可以先进行热能的回收，再进行动能的回收。
优选项，为了实现燃料电池尾气动能的回收，同时实现对燃料电池冷却循环系统的辅助散热，所述燃料电池尾气排放系统包括燃料电池尾气排放支管、燃料电池尾气动能回收支管和燃料电池尾气分配阀，所述燃料电池尾气动能回收支管连接有第二涡轮，所述第二涡轮连接有叶轮，所述叶轮的出气口与尾气能量回收管路连通，所述尾气能量回收管路的管道中设有第一单向阀，所述叶轮的出气口与尾气能量回收管路连接处设有第二单向阀。
当燃料电池本体的工作温度达到或者超过其最佳工作温度的最大值时，需要启动燃料电池冷却循环系统，为了降低系统能耗，通过第二涡轮回收燃料电池尾气的动能，进而驱动叶轮将压缩空气送入尾气能量回收管路，此时通过尾气比例调节阀关闭内燃机尾气进入尾气能量回收管路的通道，通过压缩空气驱动第一涡轮与循环水泵共同驱动燃料电池冷却循环系统内冷却液的循环，同时压缩空气与燃料电池水箱的箱体进行热交换带走部分燃料电池冷却循环系统内冷却液的热能，实现对燃料电池冷却循环系统的辅助散热。
一种油电混合动力系统的余热管理装置的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池本体内部温度检测；
步骤二、根据燃料电池本体内部温度选择内燃机与燃料电池的启动方式；当燃料电池内部温度低于最低启动温度时，进入步骤三；当燃料电池内部温度不低于最低启动温度同时不高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤四；当燃料电池内部温度高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤五；
步骤三、启动内燃机，打开尾气比例调节阀，内燃机的尾气经过尾气能量回收管路与燃料电池水箱的箱体进行非连通式热交换；当燃料电池水箱内的第一温度传感器达到燃料电池最低启动温度时，启动燃料电池的散热水循环系统给燃料电池加热；当冷却液循环支路内的水温不低于燃料电池最低启动温度时，打开冷却液比例调节阀，同时关闭尾气比例调节阀，控制器通过冷却液比例调节阀对燃料电池的工作温度进行精确控制；当第二温度传感器的温度值达到燃料电池最低启动温度时，进入步骤四；
步骤四、启动燃料电池，启动电加热器，当第二温度传感器的温度值达到燃料电池最佳工作温度时，关闭电加热器，同时关闭冷却液比例调节阀，通过燃料电池尾气分配阀将燃料电池尾气排放系统切换至燃料电池尾气排放支管；当第二温度传感器的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，进入步骤五；
步骤五、启动燃料电池散热系统，当第二温度传感器的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，燃料电池冷却液循环系统启动，同时通过燃料电池尾气分配阀将燃料电池尾气排放系统切换至燃料电池尾气动能回收支管；第二涡轮驱动叶轮吸入空气经过热交换支管给燃料电池水箱降温。
优选项，为了实现对燃料电池工作温度的精确控制，所述步骤三中通过PID控制算法控制冷却液比例调节阀的开度可以实现预热温度的精确控制；所述精确控制方法为：
第一温度传感器测量实际温度值为Tep℃，目标温度为Taim℃，PID控制输入为温度偏差(可正可负)：e(t)＝Taim-Tep(℃)，当前冷却液比例调节阀开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；输出为冷却液比例调节阀的实时开度增量(可正可负)u(t)，u(t)∈[0,100％]；
并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
Figure GDA0003509154870000031
其中Kp，Ti，Td为待确定的比例、积分、微分系数，通过人工蜂群-模拟退火算法并采用离线优化的方式确定三个系数，将优化好的参数输入控制器内部，根据实时温度需求冷却液比例调节阀开度。
优选项，为了实现对燃料电池工作温度的精确控制，所述人工蜂群-模拟退火算法的具体方法为：
Step1：初始化算法参数，如种群规模SN、蜜源限制开采次数L、最大迭代次数N、模拟退火的初始温度T等；
Step2：蜜源初始化并计算其适应度值；
Step3：雇佣蜂(引领蜂)阶段，按照式(1)进行邻域搜索寻找新食物源并计算适应度值；
Step4：进行模拟退火操作，当引领蜂进行邻域搜索后，利用贪婪选择策略进行蜜源选择，尽管可以较快地找到局部最优的蜜源，但会失去当前适应度不高且更接近于全局最优的蜜源，利用模拟退火的选择概率，比较原始食物源和新食物源的适应度，若新食物源适应度大于原始蜜源的适应度，则接受该食物源，否则以式(2)求出的概率接受新食物源；
Step5：跟随蜂阶段，根据式(3)计算食物源的概率，依照概率选择食物源；
Step6：判断是否有要放弃的蜜源，跟随蜂完成搜寻后判断是否有要放弃的蜜源，当某一蜜源位置经过一个蜜源限制开采次数L循环仍没有探索到更好的，则放弃该蜜源按照式(4)寻找新蜜源并标记，引领蜂转变成侦查蜂；若没有侦查蜂，更新最优蜜源，记录当目前为止最优解；
Step7：判断是否达到循环终止条件，若满足循环结束，输出最优蜜源，否则返回Step3继续搜索；
Figure GDA0003509154870000041
Figure GDA0003509154870000042
Figure GDA0003509154870000043
xxj＝x'min+rand(0,1)(x'max-x'min) (4)
式中x()为蜜源，j∈{1,2,3}，i∈{1,2…SN}，SN为种群规模，
Figure GDA0003509154870000044
为[-1,1]之间的随机数，fiti为第i个蜜源收益率，蜜源越丰富，被跟随蜂选择的概率越大；x′min和x′max分别为第j个参数的上限和下限，T为退火温度，退火温度T决定蜜蜂接受低收益率食物源的概率，温度T越高则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越大，温度T越低则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越小；fit(xi)、fit(xj)为原始蜜源的适应度和邻域搜索后新蜜源的适应度。
有益效果：本发明能够利用内燃机尾气热量与内燃机冷却液的热量快速预热燃料电池冷却液，降低了燃料电池电子加热器的能耗，同时也降低了内燃机电子风扇能耗；能够高效利用内燃机尾气能量驱动废气回收涡轮从而降低同轴的燃料电池水泵能耗；能够利用燃料电池尾气的能量驱动增压涡轮进而通过压缩空气带走燃料电池冷却液的热量，降低了燃料电池冷却风扇能耗；通过高效、简单、实用的PID控制可以快速且精确控制燃料电池冷却液预热温度。
附图说明
图1为本发明第一实施例结构原理图；
图2为本发明第二实施例结构原理图；
图3为本发明第三实施例结构原理图；
图4为本发明人工蜂群-模拟退火算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例一
如图1所示，一种油电混合动力系统的余热管理装置，包括内燃机总成1和燃料电池总成2，所述内燃机总成1包括内燃机本体11、内燃机冷却液循环系统12和内燃机尾气排放系统13，所述燃料电池总成2包括燃料电池本体21、燃料电池冷却液循环系统22和燃料电池尾气排放系统23；所述燃料电池冷却液循环系统22包括燃料电池水箱221；其特征在于：所述内燃机冷却液循环系统12包括内燃机散热器121和冷却液循环支路122，所述冷却液循环支路122并联于内燃机本体11的冷却液出水口至内燃机散热器121进水口之间的管路上，所述冷却液循环支路122的进水口处设有冷却液比例调节阀123，所述冷却液循环支路122与燃料电池水箱221的箱体进行非连通式热交换；所述内燃机尾气排放系统13包括尾气能量回收管路131，所述尾气能量回收管路131与燃料电池水箱221的箱体进行非连通式热交换，所述尾气能量回收管路131的进气口设有尾气比例调节阀132；所述燃料电池冷却液循环系统22包括第一温度传感器222，所述第一温度传感器222位于燃料电池水箱221内；所述燃料电池本体21内设有第二温度传感器211；所述第一温度传感器222和第二温度传感器211同时将温度数据传输给控制器3，所述控制器3根据上述温度数据控制冷却液比例调节阀123和尾气比例调节阀132的开度。
本发明内燃机冷却液循环系统12和内燃机尾气排放系统13分别与燃料电池冷却液循环系统22的燃料电池水箱221的箱体进行非连通式热交换，通过内燃机尾气排放系统13能够快速提高燃料电池冷却液循环系统22内冷却液的温度，通过燃料电池冷却液循环系统22内冷却液的循环实现对燃料电池的快速预热，通过内燃机冷却液循环系统12流量的控制实现燃料电池冷却液循环系统22内冷却液的精确控温；最终实现燃料电池在低温冷启动时的快速精确预热。
为了进一步实现燃料电池本体21的快速预热，所述燃料电池冷却液循环系统22包括电加热器24，所述电加热器24位于燃料电池本体21冷却液进水管路上。通过电加热器24能够进一步缩短燃料电池冷却液循环系统22内冷却液的预热时间。
实施例二
如图2所示，为了节省能耗同时进一步利用内燃机尾气的动能，所述燃料电池冷却液循环系统22包括循环水泵25，所述尾气能量回收管路131中设有第一涡轮14，所述第一涡轮14通过单向离合器15与循环水泵25的电机连接。通过内燃机的尾气给燃料电池水箱221内冷却液进行加热的同时，通过第一涡轮14驱动循环水泵25工作，将加热后的冷却液送入燃料电池本体21实现预热，第一涡轮14驱动循环水泵25不需要再单独启动循环水泵25，降低了系统能耗。
实施例三
如图3所示，为了进一步精确控制内燃机尾气与燃料电池水箱221的箱体进行热交换的气量，所述尾气能量回收管路131包括排气支管133和热交换支管134，所述排气支管133和热交换支管134交汇处设有尾气热交换比例调节阀135。通过调节尾气热交换比例调节阀135的开度可以实现与燃料电池水箱221的箱体进行热交换的气量，实现对燃料电池冷却液循环系统内冷却液温度的精确控制。
尾气能量回收管路131中的气体可以先通过第一涡轮14进行动能回收，然后再与燃料电池水箱221的箱体进行热交换；也可以先进行热能的回收，再进行动能的回收。
为了实现燃料电池尾气动能的回收，同时实现对燃料电池冷却循环系统22的辅助散热，所述燃料电池尾气排放系统23包括燃料电池尾气排放支管231、燃料电池尾气动能回收支管232和燃料电池尾气分配阀233，所述燃料电池尾气动能回收支管232连接有第二涡轮26，所述第二涡轮26连接有叶轮27，所述叶轮27的出气口与尾气能量回收管路131连通，所述尾气能量回收管路131的管道中设有第一单向阀28，所述叶轮27的出气口与尾气能量回收管路131连接处设有第二单向阀29。
当燃料电池本体21的工作温度达到或者超过其最佳工作温度的最大值时，需要启动燃料电池冷却循环系统22，为了降低系统能耗，通过第二涡轮26回收燃料电池尾气的动能，进而驱动叶轮27将压缩空气送入尾气能量回收管路，此时通过尾气比例调节阀131关闭内燃机尾气进入尾气能量回收管路131的通道，通过压缩空气驱动第一涡轮14与循环水泵25共同驱动燃料电池冷却循环系统22内冷却液的循环，同时压缩空气与燃料电池水箱221的箱体进行热交换带走部分燃料电池冷却循环系统22内冷却液的热能，实现对燃料电池冷却循环系统22的辅助散热。
一种油电混合动力系统的余热管理装置的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池本体21内部温度检测；
步骤二、根据燃料电池本体21内部温度选择内燃机与燃料电池的启动方式；当燃料电池内部温度低于最低启动温度时，进入步骤三；当燃料电池内部温度不低于最低启动温度同时不高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤四；当燃料电池内部温度高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤五；
步骤三、启动内燃机，打开尾气比例调节阀132，内燃机的尾气经过尾气能量回收管路131与燃料电池水箱221的箱体进行非连通式热交换；当燃料电池水箱221内的第一温度传感器222达到燃料电池最低启动温度时，启动燃料电池的散热水循环系统22给燃料电池加热；当冷却液循环支路122内的水温不低于燃料电池最低启动温度时，打开冷却液比例调节阀123，同时关闭尾气比例调节阀132，控制器3通过冷却液比例调节阀123对燃料电池的工作温度进行精确控制；当第二温度传感器211的温度值达到燃料电池最低启动温度时，进入步骤四；
步骤四、启动燃料电池，启动电加热器24，当第二温度传感器211的温度值达到燃料电池最佳工作温度时，关闭电加热器24，同时关闭冷却液比例调节阀123，通过燃料电池尾气分配阀233将燃料电池尾气排放系统23切换至燃料电池尾气排放支管231；当第二温度传感器211的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，进入步骤五；
步骤五、启动燃料电池散热系统，当第二温度传感器211的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，燃料电池冷却液循环系统22启动，同时通过燃料电池尾气分配阀233将燃料电池尾气排放系统23切换至燃料电池尾气动能回收支管232；第二涡轮26驱动叶轮27吸入空气经过热交换支管13给燃料电池水箱221降温。
所述步骤三中通过PID控制算法控制冷却液比例调节阀123的开度可以实现预热温度的精确控制；所述精确控制方法为：
燃料电池正常预热温度为60℃，内燃机尾气温度远高于内燃机冷却液温度，预热时，内燃机尾气通过管道壁与燃料电池水箱交换热量，内燃机冷却液通过管道壁与燃料电池交换热量，内燃机尾气使燃料电池升温速度快于内燃机冷却液；
温度传感器24检测到燃料电池冷却液温度未到达50℃时，尾气热交换比例调节阀135关闭内燃机通过第一涡轮14排入大气环境通道，打开内燃机尾气进入燃料电池水箱221的通道，冷却液比例调节阀123关闭内燃机冷却水直接进入内燃机散热器121通道，打开内燃机冷却液进入燃料电池水箱221的通道；
温度传感器24检测到燃料电池冷却液温度到达50℃时，尾气热交换比例调节阀135打开内燃机通过第一涡轮14排入大气环境通道，关闭内燃机尾气进入燃料电池水箱221的通道，冷却液比例调节阀123调整并分配内燃机冷却水直接进入内燃机散热器121通道的流量以及内燃机冷却液进入燃料电池水箱221通道的流量，使燃料电池水箱内的冷却液快速、稳定升温并保持60℃。
第一温度传感器222测量实际温度值为Tep℃，目标温度为60℃，PID控制输入为温度偏差(可正可负)：e(t)＝60-Tep(℃)，当前冷却液比例调节阀123开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；输出为冷却液比例调节阀(123)的实时开度增量(可正可负)u(t)，u(t)∈[0,100％]；
并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
Figure GDA0003509154870000081
其中Kp，Ti，Td为待确定的比例、积分、微分系数，通过人工蜂群-模拟退火算法并采用离线优化的方式确定三个系数，将优化好的参数输入控制器内部，根据实时温度需求冷却液比例调节阀123开度。
如图4所示，所述人工蜂群-模拟退火算法的具体方法为：
Step1：初始化算法参数，如种群规模SN、蜜源限制开采次数L、最大迭代次数N、模拟退火的初始温度T等；
Step2：蜜源初始化并计算其适应度值；
Step3：雇佣蜂(引领蜂)阶段，按照式(1)进行邻域搜索寻找新食物源并计算适应度值；
Step4：进行模拟退火操作，当引领蜂进行邻域搜索后，利用贪婪选择策略进行蜜源选择，尽管可以较快地找到局部最优的蜜源，但会失去当前适应度不高且更接近于全局最优的蜜源，利用模拟退火的选择概率，比较原始食物源和新食物源的适应度，若新食物源适应度大于原始蜜源的适应度，则接受该食物源，否则以式(2)求出的概率接受新食物源；
Step5：跟随蜂阶段，根据式(3)计算食物源的概率，依照概率选择食物源；
Step6：判断是否有要放弃的蜜源，跟随蜂完成搜寻后判断是否有要放弃的蜜源，当某一蜜源位置经过一个蜜源限制开采次数L循环仍没有探索到更好的，则放弃该蜜源按照式(4)寻找新蜜源并标记，引领蜂转变成侦查蜂；若没有侦查蜂，更新最优蜜源，记录当目前为止最优解；
Step7：判断是否达到循环终止条件，若满足循环结束，输出最优蜜源，否则返回Step3继续搜索；
Figure GDA0003509154870000091
Figure GDA0003509154870000092
Figure GDA0003509154870000093
xxj＝x'min+rand(0,1)(x'max-x'min) (4)
式中x()为蜜源，j∈{1,2,3}，i∈{1,2…SN}，SN为种群规模，
Figure GDA0003509154870000094
为[-1,1]之间的随机数，fiti为第i个蜜源收益率，蜜源越丰富，被跟随蜂选择的概率越大；x′min和x′max分别为第j个参数的上限和下限，T为退火温度，退火温度T决定蜜蜂接受低收益率食物源的概率，温度T越高则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越大，温度T越低则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越小；fit(xi)、fit(xj)为原始蜜源的适应度和邻域搜索后新蜜源的适应度。
内燃机工作，燃料电池不工作时，控制器3控制打开内燃机尾气进入第一涡轮14的通道；尾气比例调节阀132关闭内燃机尾气排入大气环境通道，打开进入第一涡轮14的通道，第一涡轮14驱动同轴带动循环水泵25旋转进行是燃料电池冷却液在管道内循环；尾气热交换比例调节阀135可以调整并分配内燃机尾气通过第一涡轮14排入大气环境的流量以及内燃机尾气进入燃料电池水箱221通道的流量；控制器3控制冷却液比例调节阀123调整并分配内燃机冷却水直接进入内燃机散热器121通道以及进入燃料电池水箱221通道的流量；此时燃料电池本体21将会一直得到预热，便于燃料电池本体21的直接启动，且循环水泵25无需启动；
内燃机工作，燃料电池工作时，若燃料电池未预热，打开电加热器24，通过电加热的方式预热燃料电池冷却水，同时控制器3控制尾气比例调节阀132关闭内燃机尾气排入大气环境通道，打开进入第一涡轮14的通道，第一涡轮14驱动同轴带动循环水泵25旋转进行是燃料电池冷却液在管道内循环；燃料电池尾气分配阀233关闭燃料电池废气进入第二涡轮26的通道，打开燃料电池废气排入大气环境的通道；尾气比例调节阀132关闭增压空气进入第一涡轮14的通道，打开内燃机尾气进入第一涡轮14的通道；尾气热交换比例调节阀135可以调整并分配压缩空气通过第一涡轮14排入大气环境通道的流量以及压缩空气进入燃料电池水箱221通道的流量；控制器3控制冷却液比例调节阀123调整并分配内燃机冷却水直接进入内燃机散热器121通道以及进入燃料电池水箱221通道的流量；通过电加热、流体-流体、流体-气体热交换的方式达到燃料电池快速预热的目的，同时减少了电加热的能耗；
预热结束后关闭电加热器24，燃料电池开始正常工作；燃料电池正常工作时需要散热，控制器3控制燃料电池尾气分配阀233关闭废气进入第二涡轮26的通道，打开燃料电池废气排入大气环境的通道，尾气比例调节阀132关闭增压空气进入第一涡轮14的通道，打开内燃机尾气进入第一涡轮14的通道；尾气热交换比例调节阀135打开压缩空气通过第一涡轮14排入大气环境通道，关闭压缩空气进入燃料电池水箱221的通道；内燃机尾气驱动第一涡轮14通过单向离合器15同轴带动循环水泵25旋转，降低燃料电池循环水泵25工作时的能耗；控制器3控制冷却液比例调节阀123打开内燃机冷却水直接进入内燃机散热器121通道，关闭内燃机冷却液进入燃料电池水箱221的通道；同时电子风扇工作降低燃料电池冷却液的温度；
内燃机不工作，燃料电池工作时，若燃料电池未预热，控制器3控制尾气比例调节阀132打开内燃机尾气排入大气环境通道，关闭进入第一涡轮14的通道；尾气比例调节阀132打开增压空气进入第一涡轮14的通道，关闭内燃机尾气进入第一涡轮14的通道；尾气热交换比例调节阀135打开压缩空气通过第一涡轮14排入大气环境通道，关闭压缩空气进入燃料电池水箱221的通道，排气回收涡轮回收废弃能量减少循环水泵25能耗；打开电加热器24，通过电加热的方式预热燃料电池冷却水；
预热结束后关闭电加热器24，燃料电池开始正常工作；燃料电池正常工作时需要散热，尾气热交换比例调节阀135关闭压缩空气通过第一涡轮14排入大气环境通道，打开压缩空气进入燃料电池水箱221的通道；燃料电池冷却液通过管道将热量传递给压缩空气并排入大气环境；同时电子风扇14工作降低燃料电池冷却液的温度；
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种油电混合动力系统的余热管理装置的管理方法，
余热管理装置包括内燃机总成(1)和燃料电池总成(2)，所述内燃机总成(1)包括内燃机本体(11)、内燃机冷却液循环系统(12)和内燃机尾气排放系统(13)，所述燃料电池总成(2)包括燃料电池本体(21)、燃料电池冷却液循环系统(22)和燃料电池尾气排放系统(23)；所述燃料电池冷却液循环系统(22)包括燃料电池水箱(221)；其特征在于：所述内燃机冷却液循环系统(12)包括内燃机散热器(121)和冷却液循环支路(122)，所述冷却液循环支路(122)并联于内燃机本体(11)的冷却液出水口至内燃机散热器(121)进水口之间的管路上，所述冷却液循环支路(122)的进水口处设有冷却液比例调节阀(123)，所述冷却液循环支路(122)与燃料电池水箱(221)的箱体进行非连通式热交换；所述内燃机尾气排放系统(13)包括尾气能量回收管路(131)，所述尾气能量回收管路(131)与燃料电池水箱(221)的箱体进行非连通式热交换，所述尾气能量回收管路(131)的进气口设有尾气比例调节阀(132)；所述燃料电池冷却液循环系统(22)包括第一温度传感器(222)，所述第一温度传感器(222)位于燃料电池水箱(221)内；所述燃料电池本体(21)内设有第二温度传感器(211)；所述第一温度传感器(222)和第二温度传感器(211)同时将温度数据传输给控制器(3)，所述控制器(3)根据上述温度数据控制冷却液比例调节阀(123)和尾气比例调节阀(132)的开度；
所述燃料电池冷却液循环系统(22)包括电加热器(24)，所述电加热器(24)位于燃料电池本体(21)冷却液进水管路上；
所述燃料电池冷却液循环系统(22)包括循环水泵(25)，所述尾气能量回收管路(131)中设有第一涡轮(14)，所述第一涡轮(14)通过单向离合器(15)与循环水泵(25)的电机连接；
所述尾气能量回收管路(131)包括排气支管(133)和热交换支管(134)，所述排气支管(133)和热交换支管(134)交汇处设有尾气热交换比例调节阀(135)；
所述燃料电池尾气排放系统(23)包括燃料电池尾气排放支管(231)、燃料电池尾气动能回收支管(232)和燃料电池尾气分配阀(233)，所述燃料电池尾气动能回收支管(232)连接有第二涡轮(26)，所述第二涡轮(26)连接有叶轮(27)，所述叶轮(27)的出气口与尾气能量回收管路(131)连通，所述尾气能量回收管路(131)的管道中设有第一单向阀(28)，所述叶轮(27)的出气口与尾气能量回收管路(131)连接处设有第二单向阀(29)；
余热管理装置的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、燃料电池本体(21)内部温度检测；
步骤二、根据燃料电池本体(21)内部温度选择内燃机与燃料电池的启动方式；当燃料电池内部温度低于最低启动温度时，进入步骤三；当燃料电池内部温度不低于最低启动温度同时不高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤四；当燃料电池内部温度高于燃料电池最佳温度范围的最高值时，进入步骤五；
步骤三、启动内燃机，打开尾气比例调节阀(132)，内燃机的尾气经过尾气能量回收管路(131)与燃料电池水箱(221)的箱体进行非连通式热交换；当燃料电池水箱(221)内的第一温度传感器(222)达到燃料电池最低启动温度时，启动燃料电池冷却液循环系统 (22)给燃料电池加热；当冷却液循环支路(122)内的水温不低于燃料电池最低启动温度时，打开冷却液比例调节阀(123)，同时关闭尾气比例调节阀(132)，控制器(3)通过冷却液比例调节阀(123)对燃料电池的工作温度进行精确控制；当第二温度传感器(211)的温度值达到燃料电池最低启动温度时，进入步骤四；
步骤四、启动燃料电池，启动电加热器(24)，当第二温度传感器(211)的温度值达到燃料电池最佳工作温度时，关闭电加热器(24)，同时关闭冷却液比例调节阀(123)，通过燃料电池尾气分配阀(233)将燃料电池尾气排放系统(23)切换至燃料电池尾气排放支管(231)；当第二温度传感器(211)的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，进入步骤五；
步骤五、启动燃料电池散热系统，当第二温度传感器(211)的温度值高于燃料电池最佳工作温度时，燃料电池冷却液循环系统(22)启动，同时通过燃料电池尾气分配阀(233)将燃料电池尾气排放系统(23)切换至燃料电池尾气动能回收支管(232)；第二涡轮(26)驱动叶轮(27)吸入空气经过热交换支管(134)给燃料电池水箱(221)降温；
所述步骤三中通过PID控制算法控制冷却液比例调节阀(123)的开度可以实现预热温度的精确控制；所述精确控制方法为：
第一温度传感器(222)测量实际温度值为Tep℃，目标温度为Taim℃，PID控制输入为温度偏差：e(t)＝Taim-Tep(℃)，当前冷却液比例调节阀(123)开度为K(λ)，K(λ)∈[0,100％]；输出为冷却液比例调节阀(123)的实时开度增量u(t)，u(t)∈[0,100％]；
并且满足约束：100％≥K(λ)+u(t)≥0；u(t)具体为：
Figure RE-FDA0003516191600000021
其中Kp，Ti，Td为待确定的比例、积分、微分系数，通过人工蜂群-模拟退火算法并采用离线优化的方式确定三个系数，将优化好的参数输入控制器内部，根据实时温度需求冷却液比例调节阀(123)开度。
2.根据权利要求1所述的油电混合动力系统的余热管理装置的管理方法，其特征在于，所述人工蜂群-模拟退火算法的具体方法为：
Step1：初始化算法参数，包括种群规模SN、蜜源限制开采次数L、最大迭代次数N、模拟退火的初始温度T；
Step2：蜜源初始化并计算其适应度值；
Step3：引领蜂阶段，按照式(1)进行邻域搜索寻找新食物源并计算适应度值；
Step4：进行模拟退火操作，当引领蜂进行邻域搜索后，利用贪婪选择策略进行蜜源选择，尽管可以较快地找到局部最优的蜜源，但会失去当前适应度不高且更接近于全局最优的蜜源，利用模拟退火的选择概率，比较原始食物源和新食物源的适应度，若新食物源适应度大于原始蜜源的适应度，则接受该食物源，否则以式(2)求出的概率接受新食物源；
Step5：跟随蜂阶段，根据式(3)计算食物源的概率，依照概率选择食物源；
Step6：判断是否有要放弃的蜜源，跟随蜂完成搜寻后判断是否有要放弃的蜜源，当某一蜜源位置经过一个蜜源限制开采次数L循环仍没有探索到更好的，则放弃该蜜源按照式(4)寻找新蜜源并标记，引领蜂转变成侦查蜂；若没有侦查蜂，更新最优蜜源，记录当目前为止最优解；
Step7：判断是否达到循环终止条件，若满足循环结束，输出最优蜜源，否则返回Step3继续搜索；
Figure RE-FDA0003516191600000031
Figure RE-FDA0003516191600000032
Figure RE-FDA0003516191600000033
xij＝x'min+rand(0,1)(x'max-x'min) (4)
式中xij，xkj，xi，xj为蜜源，j∈{1,2,3}，i∈{1,2…SN}，k∈{1,2…SN}，SN为种群规模，φij为[-1,1]之间的随机数，fiti为第i个蜜源收益率，蜜源越丰富，被跟随蜂选择的概率越大；x′min和x′max分别为第j个参数的上限和下限，T为退火温度，退火温度T决定蜜蜂接受低收益率食物源的概率，温度T越高则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越大，温度T越低则蜜蜂接受低收益率食物源的概率越小；fit(xi)、fit(xj)为原始蜜源的适应度和邻域搜索后新蜜源的适应度。
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