CN113437331B - 一种换热量可调节的燃料电池热管理系统及控制方法 - Google Patents

一种换热量可调节的燃料电池热管理系统及控制方法 Download PDF

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CN113437331B CN202110702627.1A CN202110702627A CN113437331B CN 113437331 B CN113437331 B CN 113437331B CN 202110702627 A CN202110702627 A CN 202110702627A CN 113437331 B CN113437331 B CN 113437331B
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Abstract

本发明提出了一种具备热能回收的燃料电池热管理系统及控制方法，通过换热器与蓄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；增加第三三向阀，热管理系统能够实时主动地调节换热器的换热量，保证了自身温度的稳定性，设计了在温度值T2大于等于下限温度的同时，判断换热器的换热功率P1是否大于燃料电池模块的产热功率P2的方案，保证了换热器换热量不会大于燃料电池系统产生的废热量，同时也保证了热管理能够快速进入燃料电池系统需求的下限温度，使得燃料电池系统能够更快地进入合适的工作温度。

Description

一种换热量可调节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，特别涉及一种换热量可调节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：1、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；2、燃料电池系统在冷机升温状态下或进入适宜温度后但还未能产出较多废热的情况，热管理系统冷却液流经散热器时就产生了一定的散热，严重情况下迎风下的散热器会给热管理系统产生过多的降温，造成更加不可控的散热量，导致燃料电池系统整体温度难以上升；3、采用换热方式时，热管理系统由于只在结构上通过换热器与外部需热系统在进行热量交换，但是无法控制也无法得知外部需热系统的需热量，就可能造成由于外部需热系统自身温度过低，通过换热系统换走了大量的热量，导致热管理系统的温度快速下降，引起燃料电池系统工作不稳定。
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换热量可调节的燃料电池热管理系统及控制方法，通过换热器与蓄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；通过迎风下的散热器冷却液流量控制是去实现降低热管理功耗并保持燃料电池系统温度的稳定；热管理系统自动控制所允许换热量的大小，减少利用散热器进行散热，减少功耗，同时也保持燃料电池系统有稳定的冷却液温度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种换热量可调节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和燃料电池模块的产热功率P2，判断换热器的换热功率P1是否大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2是否大于下限温度；
S2、若换热器的换热功率P1大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2大于下限温度，则控制第三三向阀减小流经换热器的流量；
S3、若换热器的换热功率P1小于等于燃料电池模块的产热功率P2或温度值T2小于等于下限温度，则控制第三三向阀增大流经换热器的流量；
S4、判断温度值T2是否小于等于下限温度；
S5、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S51、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；
S52、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元关闭第二三向阀的通往散热器出口的支路，同时增加散热器的风扇工作转速进行散热；
S53、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；当散热器风扇工作转速降到0时，判断温度值T2是否小于温度值T4与管路热耗散diff的差值；
S531、若温度值T2小于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀减小流经散热器的流量；
S532、若温度值T2大于等于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀增加流经散热器的流量；
S6、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：
S61、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 847302DEST_PATH_IMAGE001
的值是否大于1；
S62、若换热功率P1小于0或
Figure 92338DEST_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；
S63、若换热功率P1大于等于0且
Figure 606496DEST_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 DEST_PATH_IMAGE002
，同时控制第二三向阀，使得第二三向阀流经散热器的流量为0。
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 860760DEST_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 206291DEST_PATH_IMAGE005
，即
Figure 61376DEST_PATH_IMAGE007
；
S13、控制单元获取第三三向阀的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算流经换热器支路与略过换热器支路的流量比：
Figure 859568DEST_PATH_IMAGE009
，从而得出流经换热器支路的流量
Figure 324048DEST_PATH_IMAGE011
。
S14、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 DEST_PATH_IMAGE012
，燃料电池模块的产热功率
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示比热容。
作为优选，所述步骤S14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。
作为优选，所述管路热耗散diff的值为1~5℃。
本申请还公开了一种换热量可调节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、三向阀、第二三向阀和第三三向阀，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，所述第二支路进口与换热器之间设有第三三向阀，所述第三三向阀的进口阀门与第二支路进口连接，所述第三三向阀的两个出口阀门分别与换热器的进、出口相连接，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，所述换热器与散热器之间设有第二三向阀，所述第二三向阀的进口阀门与换热器的出口连接，所述第二三向阀的两个出口阀门分别与散热器的进、出口相连接，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：
1、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。
2、通过增加第二三向阀，热管理系统通过调整第二三向阀的工作角度，就能控制流经散热器的流量了，当温度处于下限温度与上限温度之间时，且散热器的风扇降转速直至0后，热管理系统控制单元判断到温度值T2要比温度值T4点的温度要低太多，则可以判断出当前散热器处于迎风状态且在不断地散热中，为了避免过多的热量耗散出去，控制单元控制第二三向阀，对散热器进行节流来避免过多的热量耗散。
3、增加第三三向阀，热管理系统能够实时主动地调节换热器的换热量，保证了自身温度的稳定性，设计了在温度值T2大于等于下限温度的同时，判断换热器的换热功率P1是否大于燃料电池模块的产热功率P2的方案，保证了换热器换热量不会大于燃料电池系统产生的废热量，同时也保证了热管理能够快速进入燃料电池系统需求的下限温度，使得燃料电池系统能够更快地进入合适的工作温度。
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是本发明一种换热量可调节的燃料电池热管理系统的控制方法的操作流程图；
图2是本发明的一种换热量可调节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、81-第二三向阀、82-第三三向阀、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，本申请一种换热量可调节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和燃料电池模块的产热功率P2，判断换热器6的换热功率P1是否大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2是否大于下限温度；
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 648719DEST_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 686424DEST_PATH_IMAGE005
，即
Figure 971912DEST_PATH_IMAGE007
；
S13、控制单元获取第三三向阀的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算流经换热器支路与略过换热器支路的流量比：
Figure 240083DEST_PATH_IMAGE009
，从而得出流经换热器支路的流量
Figure 91364DEST_PATH_IMAGE011
。
S14、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 255629DEST_PATH_IMAGE012
，燃料电池模块的产热功率
Figure 28413DEST_PATH_IMAGE013
，其中
Figure 631433DEST_PATH_IMAGE014
表示密度，
Figure 307527DEST_PATH_IMAGE015
表示比热容。
S2、若换热器6的换热功率P1大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2大于下限温度，则控制第三三向阀82减小流经换热器的流量；
S3、若换热器6的换热功率P1小于等于燃料电池模块的产热功率P2或温度值T2小于等于下限温度，则控制第三三向阀82增大流经换热器的流量；
S4、判断温度值T2是否小于等于下限温度；
S5、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S51、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；
S52、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元关闭第二三向阀81的通往散热器7出口的支路，同时增加散热器7的风扇工作转速进行散热；
S53、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；当散热器风扇工作转速降到0时，判断温度值T2是否小于温度值T4与管路热耗散diff的差值；
S531、若温度值T2小于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀81减小流经散热器7的流量；
S532、若温度值T2大于等于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀81增加流经散热器7的流量；
S6、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：
S61、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 173852DEST_PATH_IMAGE001
的值是否大于1；
S62、若换热功率P1小于0或
Figure 433932DEST_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； S63、若换热功率P1大于等于0且
Figure 43905DEST_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 73040DEST_PATH_IMAGE002
，同时控制第二三向阀81，使得第二三向阀81流经散热器7的流量为0。
参阅图2，本申请一种换热量可调节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、三向阀8、第二三向阀81和第三三向阀82，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，所述第二支路进口与换热器6之间设有第三三向阀82，所述第三三向阀82的进口阀门与第二支路进口连接，所述第三三向阀82的两个出口阀门分别与换热器6的进、出口相连接，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，所述换热器6与散热器7之间设有第二三向阀81，所述第二三向阀81的进口阀门与换热器6的出口连接，所述第二三向阀81的两个出口阀门分别与散热器7的进、出口相连接，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 (6)

1.一种换热量可调节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和燃料电池模块的产热功率P2，判断换热器（6）的换热功率P1是否大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2是否大于下限温度；
控制单元获取流经换热器（6）的换热功率P1和燃料电池模块的产热功率P2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 878521DEST_PATH_IMAGE002
；
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 998924DEST_PATH_IMAGE004
，即
Figure 309820DEST_PATH_IMAGE006
；
S13、控制单元获取第三三向阀（82）的阀门开度，通过理论公式或标定数据进行推算流经换热器（6）支路与略过换热器（6）支路的流量比：
Figure 111553DEST_PATH_IMAGE008
，从而得出流经换热器（6）支路的流量
Figure 457084DEST_PATH_IMAGE010
；
S14、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 184606DEST_PATH_IMAGE012
，燃料电池模块的产热功率
Figure 717219DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 119381DEST_PATH_IMAGE016
表示密度，
Figure 194785DEST_PATH_IMAGE018
表示比热容；
S2、若换热器（6）的换热功率P1大于燃料电池模块的产热功率P2且温度值T2大于下限温度，则控制第三三向阀（82）减小流经换热器的流量；
S3、若换热器（6）的换热功率P1小于等于燃料电池模块的产热功率P2或温度值T2小于等于下限温度，则控制第三三向阀（82）增大流经换热器的流量；
S4、判断温度值T2是否小于等于下限温度；
S5、若温度值T2大于等于下限温度，则包含如下子步骤：
S51、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；
S52、若温度值T2大于上限温度，通过控制单元关闭第二三向阀（81）的通往散热器（7）出口的支路，同时增加散热器（7）的风扇工作转速进行散热；
S53、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；当散热器风扇工作转速降到0时，判断温度值T2是否小于温度值T4与管路热耗散diff的差值；
S531、若温度值T2小于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀（81）减小流经散热器（7）的流量；
S532、若温度值T2大于等于温度值T4与管路热耗散diff的差值，则控制第二三向阀（81）增加流经散热器（7）的流量；
S6、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：
S61、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 453728DEST_PATH_IMAGE020
的值是否大于1；
S62、若换热功率P1小于0或
Figure 411320DEST_PATH_IMAGE020
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；
S63、若换热功率P1大于等于0且
Figure 56321DEST_PATH_IMAGE020
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_IMAGE022
，同时控制第二三向阀（81），使得第二三向阀（81）流经散热器（7）的流量为0。
2.如权利要求1所述的一种换热量可调节的燃料电池热管理系统的控制方法：其特征在于：所述步骤S14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.如权利要求1所述的一种换热量可调节的燃料电池热管理系统的控制方法：其特征在于：所述管路热耗散diff的值为1~5℃。
4.一种换热量可调节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）、三向阀（8）、第二三向阀（81）和第三三向阀（82），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），所述第二支路进口与换热器（6）之间设有第三三向阀（82），所述第三三向阀（82）的进口阀门与第二支路进口连接，所述第三三向阀（82）的两个出口阀门分别与换热器（6）的进、出口相连接，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），所述换热器（6）与散热器（7）之间设有第二三向阀（81），所述第二三向阀（81）的进口阀门与换热器（6）的出口连接，所述第二三向阀（81）的两个出口阀门分别与散热器（7）的进、出口相连接，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。
5.如权利要求4所述的一种换热量可调节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）。
6.如权利要求4所述的一种换热量可调节的燃料电池热管理系统，其特征在于：所述需热系统包括但不限于供暖系统或暖风系统。
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