CN113130936B - 一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池热管理系统，包括燃料电池堆,所述燃料电池堆的出水口管道上安装有第一温度传感器以及第二压力传感器，所述燃料电池堆的出水口管道端口上安装有电控三通阀，所述电控三通阀其中一个接口安装有第一水管，所述第一水管一端安装有水过滤器，所述水过滤器一端通过排水管安装有水泵，所述水泵上安装有与燃料电池堆相连接进水管。本发明的有益效果是，本发明所述一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法，能够满足燃料电池堆高温散热及低温加热启动需求，通过控制策略，调节水泵、电控三通阀，有效且合理的分配流量，通过散热器及加热器调节，使系统温度始终处于合理温度范围内。

Description

一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及领域，特别是一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法。
背景技术
随着新能源行业的兴起，低碳化、信息化、智能化成了发展趋势，氢燃料电池汽车得到越来越广泛的应用，燃料电池发动机系统作为燃料电池汽车核心，对燃料电池性能的保护尤为关键，燃料电池需要在一定的个温度范围内才具有最佳性能，温度过低影响性能输出，温度过高会造成燃料电池内部材料失效，因此合理的设计热管理系统对于燃料电池的可靠、高效运行尤为重要。
目前燃料电池热管理系统一般具有低温加热、高温散热及去离子等功能，而低温加热只在低温条件下使用，离子过滤器去除回路中离子，一般作为支路使用，但由于加热器及离子过滤器结构及流阻特性，设计不合理会严重影响主循环水路流量，同时也会影响加热及去离子效果，因此，合理设计热管理系统才能保证各项功能的实现效果，同时最大限度发挥出功能部件的效能。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种车用燃料电池热管理系统，包括燃料电池堆，所述燃料电池堆的出水口管道上安装有第一温度传感器以及第一压力传感器，所述燃料电池堆的出水口管道端口上安装有电控三通阀，所述电控三通阀其中一个接口安装有第一水管，所述第一水管一端安装有水过滤器，所述水过滤器一端通过排水管安装有水泵，所述水泵上安装有与燃料电池堆相连接进水管，所述进水管上安装有第二温度传感器以及第二压力传感器。
所述电控三通阀另一个接口安装有第一连接管，所述第一连接管上安装有散热器，所述散热器出水口上安装有与第一水管相连接的第二连接管，所述第二连接管上安装有第三温度传感器。
所述第一水管上安装有第三连接管，所述第三连接管上安装有离子过滤器，所述离子过滤器出水口上安装有与排水管相连接的第四连接管。
所述燃料电池堆的出水口管道上安装有第五连接管，所述第五连接管上安装有两通水阀，所述两通水阀上安装有第六连接管，所述第六连接管上安装有加热器，所述加热器上安装有与第一连接管相连接的第七连接管。
所述散热器上连接有补水箱，所述补水箱上安装有与第一连接管相搭接的第八连接管。
一种车用燃料电池热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
首先，系统工作，水泵开始工作，水泵按照电流调整目标转速，若燃料电池堆进出口温差小于设定温度时，水泵保持不变，若燃料电池堆进出口温差大于等于设定温度时，水泵转速按策略调整。
对比燃料电池堆入口温度与设定值，当燃料电池堆入口温度小于设定值时，开启两通水阀，两通水阀打开时目标开度为全开，之后打开加热器，打开加热器时设定目标温度，再次对比燃料电池堆入口温度与设定值，若还小于设定值，将液体运输回两通水阀，从而再次通过加热器加热，若是达到设定值，依次关闭加热器和两通水阀。
再次对比燃料电池堆入口温度设定值，温度小于设定值时，关闭散热器，若大于还需要使用散热器，之后安装电流跟随控制策略调整目标转速，再次对比散热器出口温度与设定值，若小于设定值散热器转速保持不变，若高于设定值按策略调整散热器转速增加，之后再次对比若低于设定值按策略调整散热器转速降速。
利用本发明的技术方案制作的一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法：
1、能够满足燃料电池堆高温散热及低温加热启动需求，通过控制策略，调节水泵、电控三通阀，有效且合理的分配流量，通过散热器及加热器调节，使系统温度始终处于合理温度范围内；
2、本发明采用燃料电池堆电流跟随调节策略，合理切换冷却模式，在一定程度上降低了系统的功耗；
3、本发明将水过滤器与离子过滤器并联布置，通过流阻特性及合理选型匹配，保证各支路流量合理分配，均满足各自流量需求，在一定程度上降低了对水泵的功耗需求，同时简化了系统复杂程度，有利于提高系统集成度，且过滤器为周期性更换部件，双过滤器并联布置，便于维护；
4、本发明将加热器、两通水阀与电控三通阀并联布置，通过流阻特性及合理选型匹配，保证各支路流量合理分配，均满足各自流量需求，保证了加热效果，且两通水阀可在不需要加热时关闭支路，在一定程度上降低了对水泵的功耗需求，同时简化了系统复杂程度，有利于提高系统集成度。
附图说明
图1是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的结构示意图；
图2是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的小循环散热结构示意图；
图3是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的大、小循环散热结构示意图；
图4是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的大循环散热结构示意图；
图5是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的加热循环结构示意图；
图6是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的系统控制结构示意图；
图7是本发明所述一种车用燃料电池热管理系统的控制方法的控制流程图；
图中，1、燃料电池堆；2、第一温度传感器；3、第二压力传感器；4、两通水阀；5、加热器；6、电控三通阀；7、散热器；8、第三温度传感器；9、补水箱；10、水过滤器；11、离子过滤器；12、水泵；13、第二温度传感器；14、第二压力传感器；15、第一水管；16、排水管；17、进水管；18、第一连接管；19、第二连接管；20、第三连接管；21、第四连接管；22、第五连接管；23、第六连接管；24、第八连接管；25、第七连接管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-图7所示，一种车用燃料电池热管理系统，包括燃料电池堆1,燃料电池堆1的出水口管道上安装有第一温度传感器2以及第一压力传感器3，燃料电池堆1的出水口管道端口上安装有电控三通阀6，电控三通阀6其中一个接口安装有第一水管15，第一水管15一端安装有水过滤器10，水过滤器10一端通过排水管16安装有水泵12，水泵12上安装有与燃料电池堆1相连接进水管17，进水管17上安装有第二温度传感器13以及第二压力传感器14；电控三通阀6另一个接口安装有第一连接管18，第一连接管18上安装有散热器7，散热器7出水口上安装有与第一水管15相连接的第二连接管19，第二连接管19上安装有第三温度传感器8；第一水管15上安装有第三连接管20，第三连接管20上安装有离子过滤器11，离子过滤器11出水口上安装有与排水管16相连接的第四连接管21；燃料电池堆1的出水口管道上安装有第五连接管22，第五连接管22上安装有两通水阀4，两通水阀4上安装有第六连接管23，第六连接管23上安装有加热器5，加热器5上安装有与第一连接管18相连接的第七连接管25；散热器7上连接有补水箱9，补水箱9上安装有与第一连接管18相搭接的第八连接管24。
一种车用燃料电池热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
首先，系统工作，水泵12开始工作，水泵12按照电流调整目标转速，若燃料电池堆1进出口温差小于设定温度时，水泵12保持不变，若燃料电池堆1进出口温差大于等于设定温度时，水泵12转速按策略调整。
对比燃料电池堆1入口温度与设定值，当燃料电池堆1入口温度小于设定值时，开启两通水阀4，两通水阀4打开时目标开度为全开，之后打开加热器5，打开加热器5时设定目标温度，再次对比燃料电池堆1入口温度与设定值，若还小于设定值，将液体运输回两通水阀4，从而再次通过加热器5加热，若是达到设定值，依次关闭加热器5和两通水阀4。
再次对比燃料电池堆1入口温度设定值，温度小于设定值时，关闭散热器，若大于还需要使用散热器7，之后安装电流跟随控制策略调整目标转速，再次对比散热器出口温度与设定值，若小于设定值散热器7转速保持不变，若高于设定值按策略调整散热器7转速增加，之后再次对比若低于设定值按策略调整散热器7转速降速。
本实施方案的特点为，包括燃料电池堆1，燃料电池堆1的出水口管道上安装有第一温度传感器2以及第二压力传感器3，燃料电池堆1的出水口管道端口上安装有电控三通阀6，电控三通阀6其中一个接口安装有第一水管15，第一水管15一端安装有水过滤器10，水过滤器10一端通过排水管16安装有水泵12，水泵12上安装有与燃料电池堆1相连接进水管17，进水管17上安装有第二温度传感器13以及第二压力传感器14。1、能够满足燃料电池堆高温散热及低温加热启动需求，通过控制策略，调节水泵、电控三通阀，有效且合理的分配流量，通过散热器及加热器调节，使系统温度始终处于合理温度范围内；2、本发明采用燃料电池堆电流跟随调节策略，合理切换冷却模式，在一定程度上降低了系统的功耗；3、本发明将水过滤器与离子过滤器并联布置，通过流阻特性及合理选型匹配，保证各支路流量合理分配，均满足各自流量需求，在一定程度上降低了对水泵的功耗需求，同时简化了系统复杂程度，有利于提高系统集成度，且过滤器为周期性更换部件，双过滤器并联布置，便于维护；4、本发明将加热器、两通水阀与电控三通阀并联布置，通过流阻特性及合理选型匹配，保证各支路流量合理分配，均满足各自流量需求，保证了加热效果，且两通水阀可在不需要加热时关闭支路，在一定程度上降低了对水泵的功耗需求，同时简化了系统复杂程度，有利于提高系统集成度。
在本实施方案中，基于燃料电池堆1不同工作条件热管理需求，同时降低散热系统能耗，燃料电池堆1冷却设计为大、小循环两个循环回路，回路切换由电控三通阀6实现：
(1)小循环散热
请参阅图2，当燃料电池堆1入水口温度≤T1时，冷却水由燃料电池堆1出水口流经电控三通阀6、水过滤器10、离子过滤器11、水泵12，最后回到燃料电池堆1进水口，此时系统工作状态为小循环。需要说明的是：图2中实线所示循环。
(2)大、小循环散热
请参阅图3，当燃料电池堆1入水口温度>T1且<T2时，依据控制策略调节电控三通阀6开度，直至完全打开，此时为大循环小循环共同工作状态。需要说明的是：图3中实线所示循环。
(3)大循环散热
请参阅图4，当燃料电池堆1出水口温度≥T2时，冷却水由燃料电池堆1出水口流经电控三通阀6、散热器7、水过滤器10、离子过滤器11、水泵12，最后回到燃料电池堆1进水口，此时系统工作状态为大循环。需要说明的是：图4中实线所示循环。
(4)加热循环
请参阅图5，当燃料电池堆1处于低温环境时，打开加热小循环两通水阀4及加热器5，水泵12运转后，加热小循环与燃料电池堆1散热小循环混水后进入燃料电池堆1，给燃料电池堆1进行加热。需要说明的是：图5中实线所示循环。
系统控制方法：
请参阅图6-图7，当系统上电开机后，开启水泵12，水泵12的转速调节策略为跟随燃料电池堆1电流变化，同时根据第二压力传感器13、第二温度传感器14、第一温度传感器2采集的压力及温度，保证转速调节过程压力及温差不超过设定范围，水泵12控制方式采用PID调节方式。
根据第二温度传感器14检测温度值，设定电控三通阀6开度，使系统处于不同散热循环状态，满足散热需求，电控三通阀6开度采用PID控制方式。当温度达到设定值时，电控三通阀6开启大循环，散热器7开启散热器7，使系统处于大循环冷却模式，散热器7的转速调节策略为跟随燃料电池堆1电流变化、温度变化及水泵12转速变化，采用PID控制方式，使系统温度快速下降，处于合理温度范围内。
当系统启动时检测温度低于设定值时，进入到低温加热状态，打开加热小循环两通水阀4及加热器5，水泵12运转后，加热小循环与燃料电池堆1散热小循环混水后进入燃料电池堆1，给燃料电池堆1进行加热，当温度达到设定值时启动系统并关闭两通水阀4及加热器5。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车用燃料电池热管理系统，其特征在于，包括燃料电池堆（1）,所述燃料电池堆（1）的出水口管道上安装有第一温度传感器（2）以及第一压力传感器（3），所述燃料电池堆（1）的出水口管道端口上安装有电控三通阀（6），所述电控三通阀（6）其中一个接口安装有第一水管（15），所述第一水管（15）一端安装有水过滤器（10），所述水过滤器（10）一端通过排水管（16）安装有水泵（12），所述水泵（12）上安装有与燃料电池堆（1）相连接进水管（17），所述进水管（17）上安装有第二温度传感器（13）以及第二压力传感器（14）；
所述第一水管（15）上安装有第三连接管（20），所述第三连接管（20）上安装有离子过滤器（11），所述离子过滤器（11）出水口上安装有与排水管（16）相连接的第四连接管（21）；
所述燃料电池堆（1）的出水口管道上安装有第五连接管（22），所述第五连接管（22）上安装有两通水阀（4），所述两通水阀（4）上安装有第六连接管（23），所述第六连接管（23）上安装有加热器（5），所述加热器（5）上安装有与第一水管（15）相连接的第七连接管（25）；
并联布置的水过滤器（10）与离子过滤器（11），通过流阻特性及选型匹配，保证各支路流量合理分配；
并联布置的加热器（5）、两通水阀（4）与电控三通阀（6），通过流阻特性及选型匹配，保证各支路流量合理分配。
2.根据权利要求1所述的一种车用燃料电池热管理系统，其特征在于，所述电控三通阀（6）另一个接口安装有第一连接管（18），所述第一连接管（18）上安装有散热器（7），所述散热器（7）出水口上安装有与第一水管（15）相连接的第二连接管（19），所述第二连接管（19）上安装有第三温度传感器（8）。
3.根据权利要求2所述的一种车用燃料电池热管理系统，其特征在于，所述散热器（7）上连接有补水箱（9），所述补水箱（9）上安装有与第一连接管（18）相搭接的第八连接管（24）。
4.一种如权利要求3所述的车用燃料电池热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
首先，系统工作，水泵（12）开始工作，水泵（12）按照电流调整目标转速，若燃料电池堆（1）进出口温差小于设定温度时，水泵（12）保持不变，若燃料电池堆（1）进出口温差大于等于设定温度时，水泵（12）转速按策略调整；
对比燃料电池堆（1）入口温度与设定值，当燃料电池堆（1）入口温度小于设定值时，开启两通水阀（4），两通水阀（4）打开时目标开度为全开，之后打开加热器（5），打开加热器（5）时设定目标温度，再次对比燃料电池堆（1）入口温度与设定值，若还小于设定值，将液体运输回两通水阀（4），从而再次通过加热器（5）加热，若是达到设定值，依次关闭加热器（5）和两通水阀（4）；
燃料电池堆（1）入口温度小于设定值时，关闭散热器（7）；
燃料电池堆（1）入口温度大于设定值时，开启散热器（7），再次对比燃料电池堆（1）入口温度设定值，温度小于设定值时，关闭散热器，若大于还需要使用散热器（7），之后安装电流跟随控制策略调整目标转速，再次对比散热器出口温度与设定值，若小于设定值散热器（7）转速保持不变，若高于设定值按策略调整散热器（7）转速增加，之后再次对比若低于设定值按策略调整散热器（7）转速降速。
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