CN113013441B - 燃料电池系统温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池系统温度控制方法，包括以下步骤：判断燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段；确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值；计算节温器的需求反馈值和风扇的需求反馈值；计算节温器的需求前馈值和风扇的需求前馈值；根据节温器的需求反馈值和节温器的需求前馈值获得节温器的输出值，以及根据风扇的需求反馈值和风扇的需求前馈值获得风扇的输出值。本方法对节温器开度和风扇转速分别进行PI控制，并将节温器和风扇解耦，实现热管理系统能耗优化并降低软件计算复杂度，引用节温器和风扇的需求前馈值，提高热管理系统控制响应性，降低瞬态温度超调，易在产品控制器中运用。

Description

燃料电池系统温度控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统温度控制方法。

背景技术

燃料电池系统因能量密度较高，燃料加注时间短，生成产物对环境没有污染，因此成为未来动力系统的发展方向之一。典型的燃料电池系统包括燃料电池堆、燃料供给系统，空气供给系统以及热管理系统四个部分。通过向燃料电池堆中供给氢气及含有氧气的空气，在燃料电池堆内部发生电化学反应，产生电力，并且排出反应副产物热和水。

为了保证燃料电池系统的效率、安全及耐久，需要燃料电池系统温度保持在最佳水平。因此有必要提供一种热管理系统以实现对燃料电池系统温度的控制。

图1示出一种燃料电池系统的热管理系统。包含散热器1、风扇2、冷却管路3、节温器4、水泵5和燃料电池堆6。如图1所示，冷却水通过流经燃料电池堆6中双极板的冷却水流道从而带走燃料电池堆6电化学反应过程中所产生的热量，节温器4选择冷却液是否经过散热器1，流经散热器1的冷却液可以通过风扇2带走热量，从而实现对燃料电池系统温度的控制。

但是，该系统针对燃料电池系统温度控制存在以下困难：

一、通过风扇2和节温器4同时控制燃料电池系统温度，两个执行器存在耦合关系，因此需要协调两者的控制关系，优化冷却系统的功耗。

二、需要保证燃料电池系统温度控制的响应性，尽可能消除实际温度和目标温度值的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统温度控制方法，以解决节温器和风扇的控制存在耦合关系，系统功耗较大的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池系统温度控制方法，包括以下步骤：

判断燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段；

确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值；

计算节温器的需求反馈值和风扇的需求反馈值；

计算节温器的需求前馈值和风扇的需求前馈值；

根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段包括：

升温阶段，燃料电池堆入口冷却液温度t从目标温度值T以下上升到目标温度值T与温度偏差值TΔ之和以上的过程；和

降温阶段，燃料电池堆入口冷却液温度t从目标温度值T与温度偏差值TΔ之和下降到目标温度值T以下的过程。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值的步骤包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器PI控制目标温度值为所述目标温度值T，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之和；当燃料电池堆入口冷却液温度t＞目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之差，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值的步骤包括：

在所述降温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之和；当燃料电池堆入口冷却液温度t＞目标温度值T时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之差，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述节温器的需求反馈值和所述风扇的需求反馈值均由PI控制器计算获得。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述节温器的需求前馈值为节温器前馈开度值基础值和节温器前馈开度值修正值的乘积，所述风扇的需求前馈值为风扇前馈开度值基础值和风扇前馈开度值修正值的乘积。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器的输出值和所述风扇的输出值均为0。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤还包括：

在所述升温阶段，当目标温度值T＜燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，若判断所述节温器带走热量储备能力不足时，则控制所述风扇以最小运行转速运行。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤还包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＞目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，若判断所述风扇带走热量储备能力不足时，发出预警提示。

作为上述燃料电池系统温度控制方法的优选方案，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤包括：

在所述降温阶段，当目标温度值T＜燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器的输出值调至最大，所述风扇的输出值为所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值之和；

当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器的输出值逐渐降为0，所述风扇的输出值逐渐降为0。

本发明的有益效果：根据燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段分别对节温器开度和风扇转速进行PI控制，并将节温器和风扇解耦，实现热管理系统能耗优化并降低软件计算复杂度，引用节温器和风扇的需求前馈值，提高热管理系统控制响应性，降低瞬态温度超调，能够实现燃料电池系统温度快速稳定控制，操作方法简单，易于在产品控制器中运用。

附图说明

图1是本发明的燃料电池系统的热管理系统的示意图；

图2是本发明的燃料电池系统温度控制方法的流程图；

图3是本发明的燃料电池系统温度控制系统的示意图。

图中：

1-散热器；2-风扇；3冷却管路；4-节温器；5-水泵；6-燃料电池堆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提供一种燃料电池系统温度控制方法，该控制方法如图2所示，并应用在图1所示的燃料电池系统的热管理系统，能够以简单实现燃料电池系统的快速稳定控制并降低热管理系统功耗。具体的说，通过燃料电池堆入口冷却液温度使用PI控制来确定节温器4的节温器开度和风扇2的风扇转速。

图1示出一种燃料电池系统的热管理系统，包含散热器1、风扇2、冷却管路3、节温器4、水泵5和燃料电池堆6。

需要说明的是，本方法利用燃料电池系统温度控制系统进行控制，燃料电池系统温度控制系统的示意图如图3所示，燃料电池系统温度控制系统包括目标设定模块、需求前馈值计算模块、需求值闭环控制模块和需求输出值模块。

目标设定模块用于确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值。

具体地，在燃料电池堆入口冷却液温度上升阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t低于目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，目标设定模块设定目标温度值T为节温器PI控制目标温度值，设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之和为风扇PI控制目标温度值。

当燃料电池堆入口冷却液温度高于目标温度值加温度偏差值时，目标设定模块设定目标温度值减温度偏差值为节温器PI控制目标温度值，设定目标温度值为风扇PI控制目标温度值。

在燃料电池堆入口冷却液温度下降过程中，当燃料电池堆入口冷却液温度t低于目标温度T时，目标设定模块设定目标温度值T为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之和为风扇PI控制目标温度。

当燃料电池堆入口冷却液温度高于目标温度T时，目标设定模块设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之差为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T为风扇PI控制目标温度。

需求值闭环控制模块通过使用PI控制器，计算节温器的需求反馈值和风扇的需求反馈值。

需求前馈值计算模块能够利用根据燃料电池系统负载查节温器前馈开度值基础值表获得节温器前馈开度值基础值。计算燃料电池堆入口冷却液温度变化率，查节温器前馈开度值修正值表获得节温器前馈开度值修正值，节温器前馈开度值基础值乘以节温器前馈开度值修正值，便得到节温器前馈开度值。

需求前馈值计算模块还能够根据燃料电池系统负载查风扇前馈开度值基础值表获得风扇前馈开度值基础值。计算燃料电池堆入口冷却液温度变化率，查风扇前馈开度值修正值表获得风扇前馈开度值修正值，通过计算风扇前馈开度值基础值和风扇前馈开度值修正值的乘积便得到风扇前馈开度值。

需求输出值模块：能够将节温器的需求前馈值加上节温器的需求反馈值，得到节温器的需求值；以及将风扇的需求前馈值加上风扇的需求反馈值，得到风扇的需求值，经过限值处理，分别输出给执行器。

在燃料电池堆入口冷却液温度上升阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t低于目标温度值T时，目标设定模块设定目标温度值T为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T加温度偏差值TΔ为风扇PI控制目标温度，需求前馈值计算模块设定节温器、风扇的前馈值均为0。

此时，由于燃料电池堆入口冷却液温度t均低于节温器PI控制目标温度和风扇PI控制目标温度，此时节温器4关闭，风扇2的风扇转速为0。从而确保冷却液温度快速升温。

在燃料电池堆入口冷却液温度上升阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t大于目标温度T而小于目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，目标设定模块设定目标温度值T为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之和为风扇PI控制目标温度。

需求前馈值计算模块根据燃料电池系统负载查节温器前馈开度值基础值表获得节温器前馈开度值基础值。计算燃料电池堆入口冷却液温度变化率，查节温器前馈开度值修正值表获得节温器前馈开度值修正值。节温器前馈开度值基础值乘以节温器前馈开度值修正值，从而计算得到节温器前馈开度值。

此时，由于燃料电池堆入口冷却液温度t高于节温器PI控制目标温度，但低于风扇PI控制目标温度。节温器输出为实时计算得到的节温器前馈开度值与节温器需求反馈值之和，而风扇需求转速为零。冷却液部分流经散热器1，确保冷却液温度稳定在目标温度T，且此时风扇2未驱动，实现能耗优化。

需要说明的是，该系统还同时监测节温器开度及燃料电池堆入口冷却液温度变化率。当节温器开度超过节温器基准开度，且燃料电池堆入口冷却液温度变化率＞冷却液温度基准变化率时，判断节温器带走热量储备能力不足。此时，需求输出值模块设定风扇2开启，并以最小运行转速运行，防止燃料电池堆入口冷却液温度出现较大超调，提高响应性。

在燃料电池堆入口冷却液温度上升阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t高于目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，目标设定模块设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之差为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T为风扇PI控制目标温度。

需求前馈值计算模块根据燃料电池系统负载查风扇前馈开度值基础值表获得风扇前馈开度值基础值。计算燃料电池堆入口冷却液温度变化率，查风扇前馈开度值修正值表获得风扇前馈开度值修正值。通过计算风扇前馈开度值基础值和风扇前馈开度值修正值的乘积便得到风扇前馈开度值。

此时，由于燃料电池堆入口冷却液温度t高于节温器PI控制目标温度和风扇PI控制目标温度。由于节温器4控制偏差大，节温器4快速输出为全开。风扇输出转速为实时计算得到的风扇转速前馈值与风扇需求反馈值之和。冷却液以最大通过量流经散热器1，且此时风扇2驱动，确保冷却液温度降至目标温度。

需要说明的是，该系统还同时监测风扇转速及燃料电池堆入口冷却液温度变化率，当风扇转速超过风扇基准转速，且燃料电池堆入口冷却液温度变化率＞冷却液温度基准变化率时，判断风扇带走热量储备能力不足。此时燃料电池系统可能出现过热，为防止损伤燃料电池系统，可发出预警提示。

需要说明的是，预警提示可设置为声音提示，声音可进行自定义，例如“嘟嘟嘟”、“嘀嘀嘀”或语音提示，语音提示不限于中文、英文、日文等语言。当然，预警提示也可设置为出现在中控显示屏的图案或文字提示，例如：“燃料电池过热”或“燃料电池需要降温”等提示，当然该文字提示也不限于中文、英文、日文等语言。

在降温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t高于目标温度值T且低于目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，目标设定模块设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之差为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T为风扇PI控制目标温度。此时，由于燃料电池堆入口冷却液温度t高于节温器PI控制目标温度和风扇PI控制目标温度。节温器输出为全开。风扇输出转速为实时计算得到的转速前馈值与风扇的需求反馈值之和。冷却液以最大通过量流经散热器1，仍然依靠风扇2驱动。确保冷却液温度降至目标温度。

在降温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t下降至低于目标温度值T时，目标设定模块设定目标温度值T为节温器PI控制目标温度，设定目标温度值T与温度偏差值TΔ之和为风扇PI控制目标温度。此时，由于燃料电池堆入口冷却液温度t均低于节温器PI控制目标温度和风扇PI控制目标温度，风扇2控制偏差大，风扇2快速退出燃料电池堆入口冷却液温度控制，风扇2的转速归0，节温器4控制偏差小，节温器4慢速退出燃料电池堆入口冷却液温度控制，最终节温器4的开度归0。

本发明的燃料电池系统温度控制方法根据燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段分别对节温器4的节温器开度和风扇2的风扇转速进行PI控制，并将节温器4和风扇2解耦，实现热管理系统能耗优化并降低软件计算复杂度，引用节温器4和风扇2的需求前馈值，提高热管理系统控制响应性，降低瞬态温度超调，能够实现燃料电池系统温度快速稳定控制，操作方法简单，易于在产品控制器中运用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

判断燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段，其中所述温度变化阶段包括：升温阶段，燃料电池堆入口冷却液温度t从目标温度值T以下上升到目标温度值T与温度偏差值TΔ之和以上的过程；

确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值；

计算节温器的需求反馈值和风扇的需求反馈值；

计算节温器的需求前馈值和风扇的需求前馈值；

其中，所述节温器的需求反馈值和所述风扇的需求反馈值均由PI控制器计算获得；所述节温器的需求前馈值为节温器前馈开度值基础值和节温器前馈开度值修正值的乘积，所述风扇的需求前馈值为风扇前馈开度值基础值和风扇前馈开度值修正值的乘积；

根据燃料电池系统负载查节温器前馈开度值基础值表获得节温器前馈开度值基础值；

根据燃料电池系统负载查风扇前馈开度值基础值表获得风扇前馈开度值基础值；

根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值，其中，所述确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值的步骤包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值时TΔ之和时，所述节温器PI控制目标温度值为所述目标温度值T，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之和；当燃料电池堆入口冷却液温度t＞目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之差，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述燃料电池堆入口冷却液的温度变化阶段还包括：

降温阶段，燃料电池堆入口冷却液温度t从目标温度值T与温度偏差值TΔ之和下降到目标温度值T以下的过程。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述确定节温器PI控制目标温度值和风扇PI控制目标温度值的步骤包括：

在所述降温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之和；当燃料电池堆入口冷却液温度t高于目标温度值T且小于目标文档中T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器PI控制目标温度值为目标温度值T与温度偏差值TΔ之差，所述风扇PI控制目标温度值为目标温度值T。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器的输出值和所述风扇的输出值均为0。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤还包括：

在所述升温阶段，当目标温度值T＜燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，若判断所述节温器带走热量储备能力不足时，则控制所述风扇以最小运行转速运行。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤还包括：

在所述升温阶段，当燃料电池堆入口冷却液温度t＞目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，若判断所述风扇带走热量储备能力不足时，发出预警提示。

7.根据权利要求3所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述根据所述节温器的需求反馈值和所述节温器的需求前馈值获得所述节温器的输出值，以及根据所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值获得所述风扇的输出值的步骤包括：

在所述降温阶段，当目标温度值T＜燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T与温度偏差值TΔ之和时，所述节温器的输出值调至最大，所述风扇的输出值为所述风扇的需求反馈值和所述风扇的需求前馈值之和；

当燃料电池堆入口冷却液温度t＜目标温度值T时，所述节温器的输出值逐渐降为0，所述风扇的输出值逐渐降为0。

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