CN113437330B - 一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了提供一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法，通过增加换热器和需热系统，可以在燃料电池系统整体温度还偏低时，反向利用外部需热系统进行辅助升温，减少了启动预热功耗；在燃料电池系统进入较高温度但还未到达适宜工作温度时，热管理系统可以主动控制三向阀，优先保证自身温升，避免热量通过换热器被外部需热系统带走，保证了燃料电池系统能在较短时间内达到适宜温度；在燃料电池系统工作在高温度，且需要散热时，热管理系统通过换热器可以将燃料电池系统多余的废热交换给外部需热系统，同时减轻散热器工作压力，减少功耗，增加燃料电池系统的净输出。

Description

一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法。
背景技术
燃料电池系统是一种将燃料(还原剂)和氧气(氧化剂)通过电化学的方式将化学能转换为电能的装置，其中氢燃料电池的基本原理2H2+O2→2H2O+电能+热能。燃料电池在不断的工作下，其热能会不断地积累，引起整个系统温度上升，此时就需要热管理系统对燃料电池系统进行热管理，保证燃料电池能够在一个适宜的温度下工作。
现有的技术方案，基本方案为两个温度采样点(T1/T2)，一个水泵，一个散热器，一个加热器，一个水箱，一个三向阀，其中温度采样点为热管理控制系统提供了状态输入，水泵用于调节冷却液的流量，加热器为快速提升热管理冷却液温度，散热器降低冷却液温度，三向阀调节加热器支路的流量，水箱存储冷却液；然而现有技术存在以下不足：燃料电池系统所产生的热量都通过热管理系统散发到了外界环境之中，无法对该热量有效利用。
为了提高燃料电池系统的效率，可以通过降低热管理工作时的功耗和通过利用燃料电池系统工作所成产生的热量。本专利主要通过迎风及冷却液流量控制是去实现降低热管理功耗，通过换热方式利用燃料电池系统产生的热量为其他需要热量的部件提供热量，同时通过一系列控制方法保证整个系统的温度保持稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法，通过换热器与需热系统换热方式利用燃料电池系统产生的热量为其他需要热量的部件提供热量，对燃料电池系统热量进行有效利用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、控制单元接收预先设定的上限温度与下限温度，获取冷却液管路出口处的温度值T1、冷却液管路的进口处的温度值T2、换热器进口处的温度值T3和换热器出口处的温度值T4，计算流经换热器的换热功率P1，判断温度值T2是否小于下限温度；
S2、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S21、通过控制单元命令加热器停止工作，同时控制三向阀关闭连接加热器的进口阀门，使得第一支路流量为0，再判断温度值T2是否大于上限温度；
S22、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元增加散热器的风扇工作转速进行散热；
S23、若温度值T2小于等于上限温度，通过控制单元降低散热器的风扇工作转速进行散热；
S3、若温度值T2小于下限温度，则热管理系统需要进行辅助升温工作，具体包含如下子步骤：
S31、通过控制单元命令加热器工作，同时判断换热功率P1是否小于0以及
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
的值是否大于1；
S32、若换热功率P1小于0或
Figure 596050DEST_PATH_IMAGE001
的值大于1，则通过控制单元关闭三向阀的阀门开度，使得第二支路流量为0；
S33、若换热功率P1大于等于0且
Figure 372245DEST_PATH_IMAGE001
的值小于等于1，则通过控制单元控制三向阀的阀门开度，使得第二支路与第一支路的流量比为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
。
作为优选，所述步骤S1中，控制单元获取流经换热器的换热功率P1的具体操作如下：
S11、控制单元获取水泵转速，通过理论公式或标定数据进行推算出热管理系统主流量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
；
S12、控制单元获取三向阀的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算出第二支路与第一支路的流量比
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，即
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
；
S13、控制单元获取换热器进口处的温度值T3和换热器出口处的温度值T4，计算出流经换热器的换热功率值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
表示密度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
表示比热容。
作为优选，所述步骤S13中，所述换热器进口处的温度值T3与冷却液管路出口处的温度值T1数值相同。
本申请还公开了一种具备热能回收的燃料电池热管理系统，包括燃料电池模块和热管理系统，所述燃料电池模块内设有冷却液循环管路与冷却液管路进、出口，所述热管理系统与燃料电池模块之间通过冷却液管路进、出口连接，其特征在于：还包括需热系统和控制单元，所述热管理系统包括水箱、水泵、加热器、换热器、散热器和三向阀，所述冷却液管路出口处设有用于测量温度值T1的第一温度监控点，冷却液管路向前连接水泵，所述水泵出口处并联有第一支路和第二支路，所述第一支路上设有加热器，所述第一支路的末端与三向阀的其中一个进口阀门连接，所述第二支路上依次串联有换热器和散热器，所述换热器与所述需热系统相互连接，所述换热器的出口端设有用于测量温度值T4的第四温度监控点，所述第二支路的末端与三向阀的另一进口阀门连接，所述三向阀的出口阀门处设有第三支路和第四支路，所述第三支路的末端与冷却液管路进口相连接，所述冷却液管路进口处设有用于测量温度值T2的第二温度监控点，所述第四支路连接水箱，所述水箱的出口端与水泵连接，所述热管理系统与控制单元连接。
作为优选，所述换热器的进口端设有用于测量温度值T3的第三温度监控点。
作为优选，所述需热系统包括但不限于供暖系统、暖风系统。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本申请一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及其控制方法，通过增加换热器和需热系统，可以在燃料电池系统整体温度还偏低时，反向利用外部需热系统进行辅助升温，减少了启动预热功耗；在燃料电池系统进入较高温度但还未到达适宜工作温度时，热管理系统可以主动控制三向阀，优先保证自身温升，避免热量通过换热器被外部需热系统带走，保证了燃料电池系统能在较短时间内达到适宜温度；在燃料电池系统工作在高温度，且需要散热时，热管理系统通过换热器可以将燃料电池系统多余的废热交换给外部需热系统，同时减轻散热器工作压力，减少功耗，增加燃料电池系统的净输出。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的控制方法的操作流程图；
图2是本发明一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的结构示意图；
图中：1-燃料电池模块、11-第一温度监控点、12-第二温度监控点、2-热管理系统、3-需热系统、4-水泵、5-加热器、6-换热器、61-第三温度监控点、62-第四温度监控点、7-散热器、8-三向阀、9-水箱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，本申请一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、控制单元接收预先设定的上限温度与下限温度，获取冷却液管路出口处的温度值T1、冷却液管路的进口处的温度值T2、换热器6进口处的温度值T3和换热器6出口处的温度值T4，计算流经换热器6的换热功率P1，判断温度值T2是否小于下限温度；
S11、控制单元获取水泵转速，通过理论公式或标定数据进行推算出热管理系统主流量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
S12、控制单元获取三向阀8的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算出第二支路与第一支路的流量比
Figure 43660DEST_PATH_IMAGE004
，即
Figure 297924DEST_PATH_IMAGE005
；
S13、控制单元获取换热器6进口处的温度值T3和换热器6出口处的温度值T4，计算出流经换热器的换热功率值
Figure 581138DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 138021DEST_PATH_IMAGE008
表示密度，
Figure 499995DEST_PATH_IMAGE009
表示比热容；所述换热器6进口处的温度值T3与冷却液管路出口处的温度值T1数值相同；
S2、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S21、通过控制单元命令加热器5停止工作，同时控制三向阀8关闭连接加热器5的进口阀门，使得第一支路流量为0，再判断温度值T2是否大于上限温度；
S22、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元增加散热器7的风扇工作转速进行散热；
S23、若温度值T2小于等于上限温度，通过控制单元降低散热器7的风扇工作转速进行散热；
在燃料电池系统工作在高温度，且需要散热时，热管理系统通过换热器可以将燃料电池系统多余的废热交换给外部需热系统，同时减轻散热器工作压力，减少功耗，增加燃料电池系统的净输出。
S3、若温度值T2小于下限温度，则热管理系统需要进行辅助升温工作，具体包含如下子步骤：
S31、通过控制单元命令加热器5工作，同时判断换热功率P1是否小于0以及
Figure 167737DEST_PATH_IMAGE001
的值是否大于1；
S32、若换热功率P1小于0或
Figure 430091DEST_PATH_IMAGE001
的值大于1，则通过控制单元关闭三向阀8的阀门开度，使得第二支路流量为0；在燃料电池系统进入较高温度但还未到达适宜工作温度时，热管理系统2可以主动控制三向阀8，优先保证自身温升，避免热量通过换热器6被外部需热系统3带走；
S33、若换热功率P1大于等于0且
Figure 157875DEST_PATH_IMAGE001
的值小于等于1，则通过控制单元控制三向阀8的阀门开度，使得第二支路与第一支路的流量比为
Figure 505680DEST_PATH_IMAGE002
；可以在燃料电池系统整体温度还偏低时，反向利用外部需热系统3进行辅助升温，减少了启动预热功耗。
参阅图2，本申请一种具备热能回收的燃料电池热管理系统，包括燃料电池模块1和热管理系统2，所述燃料电池模块1内设有冷却液循环管路与冷却液管路进、出口，所述热管理系统2与燃料电池模块1之间通过冷却液管路进、出口连接，其特征在于：还包括需热系统3和控制单元，所述热管理系统2包括水箱9、水泵4、加热器5、换热器6、散热器7和三向阀8，所述冷却液管路出口处设有用于测量温度值T1的第一温度监控点11，冷却液管路向前连接水泵4，所述水泵4出口处并联有第一支路和第二支路，所述第一支路上设有加热器5，所述第一支路的末端与三向阀8的其中一个进口阀门连接，所述第二支路上依次串联有换热器6和散热器7，所述换热器6与所述需热系统3相互连接，所述换热器6的出口端设有用于测量温度值T4的第四温度监控点62，所述第二支路的末端与三向阀8的另一进口阀门连接，所述三向阀8的出口阀门处设有第三支路和第四支路，所述第三支路的末端与冷却液管路进口相连接，所述冷却液管路进口处设有用于测量温度值T2的第二温度监控点12，所述第四支路连接水箱9，所述水箱9的出口端与水泵4连接，所述热管理系统2与控制单元连接。
所述换热器6的进口端设有用于测量温度值T3的第三温度监控点61。所述需热系统包括但不限于供暖系统或暖风系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、控制单元接收预先设定的上限温度与下限温度，获取冷却液管路出口处的温度值T1、冷却液管路的进口处的温度值T2、换热器（6）进口处的温度值T3和换热器（6）出口处的温度值T4，计算流经换热器（6）的换热功率P1，判断温度值T2是否小于下限温度；
控制单元计算流经换热器（6）的换热功率P1的具体操作如下：
S11、控制单元获取水泵转速，通过理论公式或标定数据进行推算出热管理系统主流量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
S12、控制单元获取三向阀（8）的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算出第二支路与第一支路的流量比
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S13、控制单元获取换热器（6）进口处的温度值T3和换热器（6）出口处的温度值T4，计算出流经换热器的换热功率值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示比热容；
S2、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S21、通过控制单元命令加热器（5）停止工作，同时控制三向阀（8）关闭连接加热器（5）的进口阀门，使得第一支路流量为0，再判断温度值T2是否大于上限温度；
S22、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元增加散热器（7）的风扇工作转速进行散热；
S23、若温度值T2小于等于上限温度，通过控制单元降低散热器（7）的风扇工作转速进行散热；
S3、若温度值T2小于下限温度，则热管理系统需要进行辅助升温工作，具体包含如下子步骤：
S31、通过控制单元命令加热器（5）工作，同时判断换热功率P1是否小于0以及
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的值是否大于1；
S32、若换热功率P1小于0或
Figure 239239DEST_PATH_IMAGE008
的值大于1，则通过控制单元关闭三向阀（8）的阀门开度，使得第二支路流量为0；
S33、若换热功率P1大于等于0且
Figure 15434DEST_PATH_IMAGE008
的值小于等于1，则通过控制单元控制三向阀（8）的阀门开度，使得第二支路与第一支路的流量比为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
2.如权利要求1所述的一种具备热能回收的燃料电池热管理系统的控制方法：其特征在于：所述步骤S13中，所述换热器（6）进口处的温度值T3与冷却液管路出口处的温度值T1数值相同。
3.一种具备热能回收的燃料电池热管理系统，包括燃料电池模块（1）和热管理系统（2），所述燃料电池模块（1）内设有冷却液循环管路与冷却液管路进、出口，所述热管理系统（2）与燃料电池模块（1）之间通过冷却液管路进、出口连接，其特征在于：还包括需热系统（3）和控制单元，所述热管理系统（2）包括水箱（9）、水泵（4）、加热器（5）、换热器（6）、散热器（7）和三向阀（8），所述冷却液管路出口处设有用于测量温度值T1的第一温度监控点（11），冷却液管路向前连接水泵（4），所述水泵（4）出口处并联有第一支路和第二支路，所述第一支路上设有加热器（5），所述第一支路的末端与三向阀（8）的其中一个进口阀门连接，所述第二支路上依次串联有换热器（6）和散热器（7），所述换热器（6）与所述需热系统（3）相互连接，所述换热器（6）的出口端设有用于测量温度值T4的第四温度监控点（62），所述第二支路的末端与三向阀（8）的另一进口阀门连接，所述三向阀（8）的出口阀门处设有第三支路和第四支路，所述第三支路的末端与冷却液管路进口相连接，所述冷却液管路进口处设有用于测量温度值T2的第二温度监控点（12），所述第四支路连接水箱（9），所述水箱（9）的出口端与水泵（4）连接，所述热管理系统（2）与控制单元连接。
4.如权利要求3所述的一种具备热能回收的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述换热器（6）的进口端设有用于测量温度值T3的第三温度监控点（61）。
5.如权利要求3所述的一种具备热能回收的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述需热系统（3）包括但不限于供暖系统或暖风系统。
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