CN113394428B - 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池余热管理系统及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113394428B
CN113394428B CN202010167224.7A CN202010167224A CN113394428B CN 113394428 B CN113394428 B CN 113394428B CN 202010167224 A CN202010167224 A CN 202010167224A CN 113394428 B CN113394428 B CN 113394428B
Authority
CN
China
Prior art keywords
water heating
fuel cell
heat
temperature difference
pipeline
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010167224.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113394428A (zh
Inventor
柴结实
蒋尚峰
张龙海
张少丕
赵梦沙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yutong Bus Co Ltd
Original Assignee
Yutong Bus Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yutong Bus Co Ltd filed Critical Yutong Bus Co Ltd
Priority to CN202010167224.7A priority Critical patent/CN113394428B/zh
Publication of CN113394428A publication Critical patent/CN113394428A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113394428B publication Critical patent/CN113394428B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)

Abstract

本发明涉及一种燃料电池余热管理系统及其控制方法，属于氢燃料电池汽车技术领域，根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3，根据Q3——△Ttar函数关系式，计算目标温差△Ttar，判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节，解决了现有技术中燃料电池自身热管理波动幅度大、不稳定的问题。

Description

一种燃料电池余热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池余热管理系统及其控制方法，属于氢燃料电池汽车技术领域。
背景技术
现有燃料电池汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。
而在运行过程中，燃料电池在通过电化学反应发电的过程中会产生大量的热，即余热或废热，该部分热量如不利用将直接通过散热器传递到大气中，会造成能源的浪费和环境的污染。因而，通常在冬季将燃料电池余热传递给乘客舱使用，这种方式简称燃料电池余热利用。
在燃料电池商用车领域，常用的燃料电池余热利用方式为：通过液-液换热器，将燃料电池冷却液中的热量传递给乘客舱水暖循环冷却液，在通过水暖循环的散热器热量传递到乘客舱，从而维持燃料电池电堆出口水温或入口水温满足电堆需求。如图1所示，除了换热器，燃料电池热管理系统的核心部件还包括水泵、节温器、散热器(含电子风扇)等。其工作原理是，在燃料电池发动机运行时，在检测到换热器出口(水暖散热器进口)温度T2达到目标温度，或者是空调制热开启时，控制器控制继电器开启从而打开n个水暖散热器。
但是，现有技术中通常是通过继电器控制该n个散热器同时开启和关闭，使得水暖散热器的散热量无法控制，即通过换热器对燃料电池的余热利用量无法控制，会对燃料电池自身温度控制产生冲击，环境温度越低，冲击幅度越大，从而使得电池自身热管理波动大、不稳定，不利于汽车的安全运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池余热管理系统及其控制方法，以解决现有技术中燃料电池自身热管理波动幅度大、不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种燃料电池余热管理系统的控制方法，包括如下步骤：
1)根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3，所述燃料电池余热管理系统包括电堆换热装置和水暖换热装置，所述电堆换热装置包括燃料电池冷却液管路，所述水暖换热装置包括水暖管路，所述燃料电池冷却液管路通过换热器将热量传到水暖管路上；
2)根据Q3——△Ttar函数关系式，计算目标温差△Ttar，所述Q3——△Ttar函数关系式为：
Figure BDA0002407877460000021
其中，C为水暖管路中的冷却液的比热容；V1为水暖管路冷却液流量；η为换热效率；
所述换热效率η通过换热器冷侧吸收热量q1与热侧损失热量q2的比值计算得到，计算公式为：η＝q1/q2；q1＝C1×V1×(t2-t3)；q2＝C2×V2×(t1-t4)；
其中，t1为换热器中燃料电池冷却液管路进口温度；t2为换热器中水暖管路出口温度；t3为换热器中水暖管路进口温度；t4为换热器中燃料电池冷却液管路出口温度；C1为水暖管路中冷却液比热容；C2为燃料电池冷却液管路中冷却液比热容；V1为水暖管路冷却液流量；V2为燃料电池冷却液管路冷却液流量；
3)判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；所述实际温差△T为水暖管路在换热器中的出口与进口的温差t2-t3。
本发明通过计算燃料电池电堆余热量与目标温差的对应关系，根据实时测得的实际温差与目标温差的大小关系，进行水暖管路的散热功率调节，从而在燃料电池处于运行状态时，进行合理、高效的散热功率分配，从而对燃料电池余热进行合理管理，减小了余热利用过程对燃料电池自身热管理的影响，有效提高了燃料电池运行过程中的安全性和稳定性。
进一步的，所述步骤3)中调节水暖换热装置的散热功率为对水暖换热装置中水暖水泵的调节和/或对水暖散热器散热功率的调节。
进一步的，所述步骤3)中水暖换热装置的散热功率根据所述实际温差△T与目标温差△Ttar的差值进行PID调节。
进一步的，对水暖水泵的调节包括对水泵转速的调节；所述对水暖散热器散热功率的调节包括对水暖散热器开启数量的控制和/或对水暖散热器中散热风扇转速的调节。
进一步的，当水暖管路在换热器出口温度达到设定阈值时，对水暖水泵进行调节；当水暖水泵的转速达到设定转速时，开始对水暖散热器散热功率的调节。
进一步的，所述步骤1)中根据燃料电池电堆的电压、电流计算所述燃料电池电堆的发热量，减去电堆换热装置的自然散热量，计算所述燃料电池余热利用量Q3。
本发明还提供了一种燃料电池余热管理系统，包括：
电堆换热装置，包括燃料电池冷却液管路，用于维持燃料电池温度；
水暖换热装置，包括水暖管路，用于供暖；
以及换热器，所述换热器中具有分别穿过所述燃料电池冷却液管路和所述水暖管路的通道，用于将燃料电池冷却液中的热量传递到所水暖管路中；
还包括：
温度传感器，所述温度传感器设置在所述换热器中各通道的进、出口处，包括设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器进口的第一传感器，设置在水暖管路中位于换热器出口的第二传感器，设置在水暖管路中位于换热器进口的第三传感器，设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器出口的第四传感器，用于检测各管路中流经换热器进、出口的冷却液的温度t1-t4；
以及控制器，所述控制器采样连接所述第一至第四温度传感器，所述控制器控制连接所述水暖换热装置中的功率部件，控制器用于调节功率部件的功率从而调节水暖换热装置的散热功率，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如下燃料电池余热管理系统的控制方法：
1)根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3，所述电堆换热装置包括燃料电池冷却液管路，所述水暖换热装置包括水暖管路，所述燃料电池冷却液管路通过换热器将热量传到水暖管路上；
2)根据Q3——△Ttar函数关系式，计算目标温差△Ttar，所述Q3——△Ttar函数关系式为：
Figure BDA0002407877460000031
其中，C为水暖管路中的冷却液的比热容；V1为水暖管路冷却液流量；η为换热效率；
所述换热效率η通过换热器冷侧吸收热量q1与热侧损失热量q2的比值计算得到，计算公式为：η＝q1/q2；q1＝C1×V1×(t2-t3)；q2＝C2×V2×(t1-t4)；
其中，t1为换热器中燃料电池冷却液管路进口温度；t2为换热器中水暖管路出口温度；t3为换热器中水暖管路进口温度；t4为换热器中燃料电池冷却液管路出口温度；C1为水暖管路中冷却液比热容；C2为燃料电池冷却液管路中冷却液比热容；V1为水暖管路冷却液流量；V2为燃料电池冷却液管路冷却液流量；
3)判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；所述实际温差△T为水暖管路在换热器中的出口与进口的温差t2-t3。
本发明的燃料电池余热管理系统，通过计算燃料电池电堆余热量与目标温差的对应关系，根据实时测得的实际温差与目标温差的大小关系，进行水暖管路的散热功率调节，从而在燃料电池处于运行状态时，进行合理、高效的散热功率分配，从而对燃料电池余热进行合理管理，减小了余热利用过程对燃料电池自身热管理的影响，有效提高了燃料电池运行过程中的安全性和稳定性。
进一步的，所述步骤3)中调节水暖换热装置的散热功率为对水暖换热装置中水暖水泵的调节和/或对水暖散热器散热功率的调节。
进一步的，所述步骤3)中水暖换热装置的散热功率根据所述实际温差△T与目标温差△Ttar的差值进行PID调节。
进一步的，所述对水暖水泵的调节包括对水泵转速的调节；所述对水暖散热器散热功率的调节包括对水暖散热器开启数量的控制和/或对水暖散热器中散热风扇转速的调节。
进一步的，当水暖管路在换热器出口温度达到设定阈值时，对水暖水泵进行调节；当水暖水泵的转速达到设定转速时，开始对水暖散热器散热功率的调节。
进一步的，所述步骤1)中根据燃料电池电堆的电压、电流计算所述燃料电池电堆的发热量，减去电堆换热装置的自然散热量，计算所述燃料电池余热利用量Q3。
进一步的，所述水暖换热装置还包括水暖水泵和n个水暖散热器，所述n个水暖散热器串联设置，或并联设置，或串并联组合设置。
进一步的，还包括n个控制开关，对应安装在n个水暖散热器中，所述控制器控制连接所述n个控制开关，用于控制设定数量的散热风扇开启或关闭。
进一步的，所述控制开关为继电器，继电器包括继电器线圈和触点，控制器连接该继电器线圈，继电器的触点连接水暖散热器的散热风扇。
附图说明
图1是现有燃料电池余热管理系统结构示意图；
图2是本发明燃料电池余热管理系统实施例中的系统结构示意图；
图3是本发明燃料电池余热管理系统实施例中的控制方法流程图；
图4是本发明燃料电池余热管理系统实施例中的目标温差计算原理图；
图5是本发明燃料电池余热管理系统实施例中的水暖散热器并联设置结构图；
图6是本发明燃料电池余热管理系统实施例中的水暖散热器串并联组合设置结构图；
其中，1-燃料电池发动机，2-燃料电池散热器，3-液液换热器，4-温度传感器，5-水暖散热器，6-水暖水泵，7-控制器，8-水泵继电器，9、10、11-水暖散热器继电器。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
燃料电池余热管理系统实施例1：
本实施例以燃料电池余热用于空调供热为例，对本发明的方案进行详细说明。
本实施例中，如图2所示，燃料电池余热管理系统主要包括两个换热装置及各装置中的管路，即电堆换热装置中包括燃料电池冷却液管路，水暖换热装置中包括水暖管路。电堆换热装置中，还包括燃料电池散热器(2)，燃料电池冷却液管路连接有燃料电池发动机(1)、燃料电池散热器(2)；水暖换热装置中，还包括水暖水泵(6)，水暖散热器1、水暖散热器2、···、水暖散热器n，n≥2。其中水暖水泵(6)、水暖散热器1、水暖散热器2、···、水暖散热器n分别连接在该水暖管路中，燃料电池冷却液管路和水暖管路通过一个换热器进行换热，本实施例中，采用液液换热器(3)进行换热。换热器中具有分别穿过燃料电池冷却液管路和水暖管路的通道；
还设置有四个温度传感器(4)，温度传感器(4)设置在所述换热器中各通道的进、出口处，包括设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器进口的第一传感器(T-1)，设置在水暖管路中位于换热器出口的第二传感器(T-2)，设置在水暖管路中位于换热器进口的第三传感器(T-3)，设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器出口的第四传感器(T-4)，用于检测各管路中流经换热器进、出口的冷却液的温度t1-t4；
通过上述燃料电池余热管理系统进行燃料电池余热控制的方法，如图3所示，主要包括以下几个步骤：
1)燃料电池余热量的计算：根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3。
燃料电池电堆根据单片电压(电堆输出电压/单电池数)和电流得到其发热量Q1；根据燃料电池散热器(2)气液温差(入口冷却液温度T4-环境温度T0)和燃料电池冷却液流量Q2，可以通过查表(散热器测试数据)得到散热器自然散热量Q2；Q1减Q2可得到燃料电池余热利用量Q3，即余热利用量边界条件。
2)获取余热利用量Q3与目标温差的关系：
本实施例中，换热器可建立仿真模型，并使用测试数据对模型进行优化，可得到Q3——△Ttar函数关系。从而获得△Ttar，计算过程如图4所示：
基于Fluent或AMESim等软件建立换热器仿真模型，在模型中输入结构参数、材质参数及测试参数等，并结合换热器实测数据对仿真模型相关参数进行标定使其更为准确。在特定燃料电池和水暖冷却液流量下，可获得以换热器对数温差△Tm为横坐标和以换热效率η为纵坐标的关系曲线。其中对数温差△Tm根据换热器四个进出水口温度t1、t2、t3、t4计算得到，计算公式为：
Figure BDA0002407877460000061
其中△T1＝t1-t2，△T2＝t4-t3。其中，t1为换热器中燃料电池冷却液管路进口温度；t2为换热器中水暖管路出口温度；t3为换热器中水暖管路进口温度；t4为换热器中燃料电池冷却液管路出口温度；。
而换热效率η为冷侧吸收热量q1与热侧损失热量q2的比值，计算公式如下：
η＝q1/q2
q1＝C1×V1×(t2-t3)
q2＝C2×V2×(t1-t4)
其中：C1为水暖管路中冷却液比热容；C2为燃料电池冷却液管路中冷却液比热容；V1为水暖管路冷却液流量；V2为燃料电池冷却液管路冷却液流量；
因此，基于不同V1和V2下的换热器实际测试数据(流量V和四个温度t)可以绘制出ΔTm-η关系曲线。
为保证取值准确，可基于实际情况，多测几组燃料电池和水暖冷却液流量下的△Tm——η关系曲线，以供计算时进行查表。
此时，Q3——△Ttar函数关系为：
Figure BDA0002407877460000062
其中C为水暖散热器中流通的冷却液的比热容，V1为实际水暖散热器冷却液流量。
3)根据实际温差△T与目标温差△Ttar的关系，对系统散热功率进行调节：
判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；所述实际温差△T为水暖管路在换热器中的出口与进口的温差t2-t3。
本实施例中，调节水暖换热装置的散热功率为对水暖换热装置中水暖水泵(6)的调节和/或对水暖散热器散热功率的调节。作为对该实施方式的进一步改进，本实施例中，对水暖水泵(6)的调节包括对水泵转速的调节；对水暖散热器散热功率的调节包括对水暖散热器开启数量的控制和/或对水暖散热器中散热风扇转速的调节。
以对水暖散热器开启的数量为例，对水暖换热装置的散热功率进行调整：
该水暖管路中连接的n个水暖散热器，水暖散热器的散热功率主要通过散热风扇实现，每个水暖扇热器中都设置有用于控制散热器风扇开启或关闭的控制开关。本实施例中，还对该水暖水泵(6)设置了控制开启或关闭的控制开关。本实施例中的控制开关采用继电器，继电器包括继电器线圈和触点，控制器(7)连接该继电器线圈，继电器的触点连接散热器的散热风扇，从而控制散热风扇的开启或关闭，也可以采用其他电子开关，只要能根据控制器(7)的控制信号进行开启或关闭即可。
该燃料电池余热管理系统中还设置有控制器(7)，该控制器(7)采样连接温度传感器，以采集换热器各进出口的温度信息，该控制器(7)控制连接上述n个水暖散热器的散热风扇对应的n个控制开关，从而根据检测到的温度信息控制对应数量的水暖散热器风扇开启或关闭。
本实施例中，该燃料电池热管理系统的工作原理是：
在燃料电池发动机(1)运行时，如果空调没有开启制热，且第二温度传感器(T-2)的温度值达到设定值之前，控制器(7)控制关闭该水暖水泵(6)不开启，由燃料电池冷却液管路中的燃料电池散热器(2)进行散热；或者仅开启水暖水泵(6)，同时关闭所有散热器的散热风扇的控制开关。燃料电池冷却液管路中散热器散热的过程为现有技术，故不再详细介绍。
如果空调开启制热时，且第二温度传感器(T-2)的温度值达到设定值，控制器(7)控制水暖水泵(6)开启，并实时采集四个温度传感器的温度信息，判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，即增加水暖散热器开启的数量，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，即减少水暖散热器开启的数量，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节。本实施例中，水暖换热装置的散热功率，也即水暖散热器开启的数量，根据实际温差△T与目标温差△Ttar的差值进行PID调节。
作为对本实施方式的改进，本实施例中的水暖水泵(6)还可以采用可调速水泵，水暖散热器通过调节散热风扇的转速实现散热功率调节。此时控制器(7)通过调整相应驱动电机的转速即可实现。PID控制是基于目标值(△Ttar)和实际值(△T)对水泵进行调节，将两者之间的差别转化为对水泵转速和散热风扇转速的调节。
作为对本实施方式的进一步改进，如图5、6所示，本实施例中的n个水暖散热器(5)可以采用串联、并联或串并联组合的方式设置。
燃料电池余热管理系统的控制方法实施例：
本实施例中还提供了一种燃料电池余热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
1)根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3，所述电堆换热装置包括燃料电池冷却液管路，所述水暖换热装置包括水暖管路，所述燃料电池冷却液管路通过换热器将热量传到水暖管路上；
2)根据Q3——△Ttar函数关系式，计算目标温差△Ttar，所述Q3——△Ttar函数关系式为：
Figure BDA0002407877460000081
其中，C为水暖管路中的冷却液的比热容；V1为水暖管路冷却液流量；η为换热效率；
所述换热效率η通过换热器冷侧吸收热量q1与热侧损失热量q2的比值计算得到，计算公式为：η＝q1/q2；q1＝C1×V1×(t2-t3)；q2＝C2×V2×(t1-t4)；
其中，t1为换热器中燃料电池冷却液管路进口温度；t2为换热器中水暖管路出口温度；t3为换热器中水暖管路进口温度；t4为换热器中燃料电池冷却液管路出口温度；C1为水暖管路中冷却液比热容；C2为燃料电池冷却液管路中冷却液比热容；V1为水暖管路冷却液流量；V2为燃料电池冷却液管路冷却液流量；
3)判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；所述实际温差△T为水暖管路在换热器中的出口与进口的温差t2-t3。
具体的，该燃料电池余热管理系统的控制方法的具体原理已在上述燃料电池余热管理系统实施例中详细说明，故此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据燃料电池电堆的发热量和电堆换热装置的散热量，计算燃料电池余热利用量Q3，所述燃料电池余热管理系统包括电堆换热装置和水暖换热装置，所述电堆换热装置包括燃料电池冷却液管路，所述水暖换热装置包括水暖管路，所述燃料电池冷却液管路通过换热器将热量传到水暖管路上；
2)根据Q3——△Ttar函数关系式，计算目标温差△Ttar，所述Q3——△Ttar函数关系式为：
Figure FDA0002407877450000011
其中，C为水暖管路中的冷却液的比热容；V1为水暖管路冷却液流量；η为换热效率；
所述换热效率η通过换热器冷侧吸收热量q1与热侧损失热量q2的比值计算得到，计算公式为：η＝q1/q2；q1＝C1×V1×(t2-t3)；q2＝C2×V2×(t1-t4)；
其中，t1为换热器中燃料电池冷却液管路进口温度；t2为换热器中水暖管路出口温度；t3为换热器中水暖管路进口温度；t4为换热器中燃料电池冷却液管路出口温度；C1为水暖管路中冷却液比热容；C2为燃料电池冷却液管路中冷却液比热容；V1为水暖管路冷却液流量；V2为燃料电池冷却液管路冷却液流量；
3)判断实际温差△T与目标温差△Ttar的大小关系，若实际温差△T小于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以增大水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；若实际温差△T大于目标温差△Ttar，调节水暖换热装置中的功率部件以降低水暖换热装置的的散热功率，直至实际温差△T与目标温差△Ttar的差值小于设定值时停止调节；所述实际温差△T为水暖管路在换热器中的出口与进口的温差t2-t3。
2.根据权利要求1所述的燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中调节水暖换热装置的散热功率为对水暖换热装置中水暖水泵的调节和/或对水暖散热器散热功率的调节。
3.根据权利要求2所述的燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中水暖换热装置的散热功率根据所述实际温差△T与目标温差△Ttar的差值进行PID调节。
4.根据权利要求2所述的燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，对水暖水泵的调节包括对水泵转速的调节；所述对水暖散热器散热功率的调节包括对水暖散热器开启数量的控制和/或对水暖散热器中散热风扇转速的调节。
5.根据权利要求4所述的燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，当水暖管路在换热器出口温度达到设定阈值时，对水暖水泵进行调节；当水暖水泵的转速达到设定转速时，开始对水暖散热器散热功率的调节。
6.根据权利要求1所述的燃料电池余热管理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1)中根据燃料电池电堆的电压、电流计算所述燃料电池电堆的发热量，减去电堆换热装置的自然散热量，计算所述燃料电池余热利用量Q3。
7.一种燃料电池余热管理系统，包括：
电堆换热装置，包括燃料电池冷却液管路，用于维持燃料电池温度；
水暖换热装置，包括水暖管路，用于供暖；
以及换热器，所述换热器中具有分别穿过所述燃料电池冷却液管路和所述水暖管路的通道，用于将燃料电池冷却液中的热量传递到所水暖管路中；
其特征在于，还包括：
温度传感器，所述温度传感器设置在所述换热器中各通道的进、出口处，包括设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器进口的第一传感器，设置在水暖管路中位于换热器出口的第二传感器，设置在水暖管路中位于换热器进口的第三传感器，设置在燃料电池冷却液管路中位于换热器出口的第四传感器，用于检测各管路中流经换热器进、出口的冷却液的温度t1-t4；
以及控制器，所述控制器采样连接所述第一至第四温度传感器，所述控制器控制连接所述水暖换热装置中的功率部件，控制器用于调节功率部件的功率从而调节水暖换热装置的散热功率，控制器包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如权利要求1-6中任一项所述燃料电池余热管理系统的控制方法。
8.根据权利要求7所述的燃料电池余热管理系统，其特征在于，所述水暖换热装置还包括水暖水泵和n个水暖散热器，所述n个水暖散热器串联设置，或并联设置，或串并联组合设置。
9.根据权利要求8所述的燃料电池余热管理系统，其特征在于，还包括n个控制开关，对应安装在n个水暖散热器中，所述控制器控制连接所述n个控制开关，用于控制设定数量的散热风扇开启或关闭。
10.根据权利要求9所述的燃料电池余热管理系统，其特征在于，所述控制开关为继电器，继电器包括继电器线圈和触点，控制器连接该继电器线圈，继电器的触点连接水暖散热器的散热风扇。
CN202010167224.7A 2020-03-11 2020-03-11 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法 Active CN113394428B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010167224.7A CN113394428B (zh) 2020-03-11 2020-03-11 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010167224.7A CN113394428B (zh) 2020-03-11 2020-03-11 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113394428A CN113394428A (zh) 2021-09-14
CN113394428B true CN113394428B (zh) 2022-05-10

Family

ID=77615372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010167224.7A Active CN113394428B (zh) 2020-03-11 2020-03-11 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113394428B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115343966B (zh) * 2022-10-17 2023-01-10 中国汽车技术研究中心有限公司 燃料电池水热管理系统仿真方法
CN115441020B (zh) * 2022-11-09 2023-01-31 北京亿华通科技股份有限公司 基于液氢的燃料电池冷能利用系统及燃料电池发动机

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002025590A (ja) * 2000-07-07 2002-01-25 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置とその制御方法
KR100725253B1 (ko) * 2006-08-02 2007-06-04 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 시스템 및 그 냉각 제어방법
CN101318455A (zh) * 2008-05-30 2008-12-10 清华大学 燃料电池车余热供暖系统
WO2010005165A2 (en) * 2008-07-09 2010-01-14 Gs Fuelcell Co., Ltd. Fuel processor of fuel cell system
JP2010257835A (ja) * 2009-04-27 2010-11-11 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池システム
KR20120051238A (ko) * 2010-11-12 2012-05-22 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 유도 가열장치
CN104934619A (zh) * 2015-04-30 2015-09-23 西南交通大学 一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法
CN106945537A (zh) * 2017-01-23 2017-07-14 清华大学 燃料电池汽车热管理系统
CN110395143A (zh) * 2018-04-25 2019-11-01 天津银隆新能源有限公司 具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030096147A1 (en) * 2001-11-21 2003-05-22 Badding Michael E. Solid oxide fuel cell stack and packet designs
WO2011037553A1 (en) * 2009-09-24 2011-03-31 Utc Power Corporation Pressure-based liquid level detection and control for a fuel cell stack assembly

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002025590A (ja) * 2000-07-07 2002-01-25 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置とその制御方法
KR100725253B1 (ko) * 2006-08-02 2007-06-04 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 시스템 및 그 냉각 제어방법
CN101318455A (zh) * 2008-05-30 2008-12-10 清华大学 燃料电池车余热供暖系统
WO2010005165A2 (en) * 2008-07-09 2010-01-14 Gs Fuelcell Co., Ltd. Fuel processor of fuel cell system
JP2010257835A (ja) * 2009-04-27 2010-11-11 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池システム
KR20120051238A (ko) * 2010-11-12 2012-05-22 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 유도 가열장치
CN104934619A (zh) * 2015-04-30 2015-09-23 西南交通大学 一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法
CN106945537A (zh) * 2017-01-23 2017-07-14 清华大学 燃料电池汽车热管理系统
CN110395143A (zh) * 2018-04-25 2019-11-01 天津银隆新能源有限公司 具有冷启动功能的车载燃料电池热管理系统及控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hybrid direct carbon fuel cell-thermoradiative systems for high-efficiency waste-heat recovery;Xin Zhang，et al.;《Energy conversion and management》;20190718;全文 *
燃料电池热管理系统设计及研究;浦剂，等;《氢燃料电池技术专辑》;20190405;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113394428A (zh) 2021-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111016737B (zh) 一种电动汽车热管理系统、控制方法和电动汽车
CN108376808B (zh) 一种汽车电池温度调节方法
CN109572486B (zh) 一种混合动力汽车动力电池热管理系统及控制方法
CN111055727B (zh) 车辆的热管理系统的控制方法、装置及车辆
WO2015162855A1 (ja) 車両用空調装置
CN106299411B (zh) 燃料电池热管理系统和具有其的车辆
CN212230530U (zh) 热管理控制系统及燃料电池车辆
CN109980246A (zh) 燃料电池汽车热管理系统
US11904728B2 (en) Thermal management system for battery pack and thermal management system for electric vehicle
CN113394428B (zh) 一种燃料电池余热管理系统及其控制方法
KR20210138200A (ko) 친환경 차량의 회생제동 제어 시스템
CN206532827U (zh) 一种燃料电池汽车整车温度管理系统
CN109962268A (zh) 燃料电池汽车热管理方法
CN113276629B (zh) 一种电动汽车电机余热利用系统及其控制方法
Han et al. Ram air compensation analysis of fuel cell vehicle cooling system under driving modes
CN112976999A (zh) 针对多热源直流储能装置的集成式热管理系统及控制方法
CN211524942U (zh) 一种温度调节装置及混合动力系统
CN108859661A (zh) 一种氢燃料电池客车暖风系统及控制方法
CN116512990A (zh) 一种纯电动汽车中高温环境下的电池热管理系统及其控制方法
CN113517454B (zh) 燃料电池发电系统热管理控制方法及系统
CN113193260A (zh) 车辆热管理方法及装置、系统
CN208530220U (zh) 一种氢燃料电池客车暖风系统
JP2011178365A (ja) 空調装置および空調制御方法
CN216659651U (zh) 一种燃料电池汽车热管理系统及燃料电池汽车
CN112467254B (zh) 高压电池加热系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 450061 Yudao Road, Guancheng District, Zhengzhou City, Henan Province

Applicant after: Yutong Bus Co.,Ltd.

Address before: No.1, Shibali Heyu Road, Guancheng Hui District, Zhengzhou City, Henan Province

Applicant before: ZHENGZHOU YUTONG BUS Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant