CN113471477B - 一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法，属于燃料电池测试系统技术领域，系统包括温度测量传感器、压力测量传感器、冷却液、管路、燃料电池电堆、水泵、水箱、控制器和由n个换热器串联或并联组成的换热器组；各换热器的最大散热功率之和大于燃料电池电堆最大输出热功率；在各换热器的散热功率相同或不同的情况下，控制器根据入堆温度、当前燃料电池电堆的输出热功率和各换热器的最大散热功率，控制各换热器的工作状态，实现温度控制系统的散热等级可调，以满足燃料电池在不同功率等级下的测试需求。相比传统单独大功率换热器，可降低系统的自然散热能力和不同输出功率的最小散热功率，避免不同功率温度调节相差过大。

Description

一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池测试系统技术领域，具体涉及一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法。
背景技术
在全球日益增长的能源需求、愈演愈烈的环境危机等背景下，清洁能源的新型利用方式越来越受到人们的重视。其中，燃料电池因高效率、零污染、低噪音、启动快等优势走入大众的视线。不同于常规意义上的电池，燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应转化为电能，因工作时需连续地向其供给燃料和氧化剂，而得名燃料电池。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种功率密度高、工作温度低、响应快、无污染的清洁电化学能源，被广泛认为是下一代清洁能源汽车最具潜力的动力源候选。温度作为影响PEMFC性能的关键因素之一，直接影响燃料电池内部水成分的运输，同时也影响质子交换膜的气体渗透性。除此之外，温度也对催化剂的活性、燃料气体的扩散以及“水淹”现象产生显著影响。为此，在进行燃料电池性能或寿命测试时，需要将燃料电池保持在最优工作温度。
现有技术常见于一种传统的燃料电池热管理系统，如图1所示，主要包括燃料电池堆、冷却水箱、循环水泵、散热风扇、温度传感器、压力传感器和控制器。该系统通过测定燃料电池堆的进堆/出堆温度值，将其与控制器设定温度值比较，如果冷却水温度低于设定的循环水温度，通过电堆自身的产热进行升温，当冷却水温度达到设定温度后，通过控制器来控制风扇对系统进行散热，将温度稳定在设定温度附近。但现有技术中，对于一个特定功率等级的测试系统，其冷却系统中换热器的最大散热负荷一定大于或等于被测电堆的最大输出热功率，而实际过程中，换热器的散热风扇都具有最小启动转速，即换热器存在最小散热功率，如图2所示的换热器最小启动转速为15％，而且管路以及换热器本身都有自然散热能力。因此在电堆的测试过程中，如果只使用一个大功率换热器对系统进行散热，由于系统本身存在的延迟加上温度本身的滞后特性，可能会因换热器的散热能力过强而导致温度出现较大波动。特别对于低功率点的测试，往往会出现系统产热功率小于散热风扇的最小散热功率，在此情况下散热风扇的控制情况为频繁启停，因此导致冷却水的温度无法稳定，在设定的循环水温度65℃附近来回波动，如图3所示。
因此寻求一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法，在满足燃料电池温度控制稳定的前提下，适用于更广泛的温度控制范围。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法，采用多个小功率等级的换热器，通过控制其处于不同工作状态，实现散热等级可调的温度控制系统，以满足燃料电池在不同功率等级下的测试需求。
本发明具体技术方案如下：
一种燃料电池冷却水回路温度控制系统，包括温度测量传感器，压力测量传感器，冷却液，及依次通过管路连接的燃料电池电堆、水泵和水箱，温度测量传感器和压力测量传感器位于燃料电池电堆的入堆口和出堆口处，冷却液在管路中流动；其特征在于，所述温度控制系统还包括换热器组和控制器；
所述换热器组位于水箱的出口和燃料电池电堆的入堆口之间，由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的换热器串联或并联组成，各换热器的最大散热功率相同或不同，并且各换热器的最大散热功率之和大于所述燃料电池电堆的最大输出热功率；所述测试平台最大测试功率为测试平台所能测试的电堆的最大输出热功率；
所述控制器连接温度测量传感器、燃料电池电堆、水泵和换热器组中的各换热器，根据温度测量传感器采集的燃料电池电堆的入堆温度、当前燃料电池电堆的输出热功率和预存储的各换热器的最大散热功率，控制各换热器的工作状态，具体控制方法如下：
当各换热器的散热功率相同时，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；之后控制m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆的入堆温度与燃料电池电堆的最佳工作温度的差值，采用PID(比例积分微分)控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；其中，0<m≤n；
当各换热器的散热功率不同时，控制器控制步骤如下：
步骤1：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，则控制换热器A开启，再转至步骤4；否则，转至步骤2；
步骤2：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤3：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤4；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤2，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤4；
步骤4：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
进一步地，当所述换热器组由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的换热器并联组成时，在水箱的出口设置n-1个串联的、并与前n-1个换热器一一对应的电磁三通阀，各电磁三通阀的出口b连接对应换热器，出口b连接后一个电磁三通阀的入口a，第1个电磁三通阀的入口a连接水箱的出口，第n-1个电磁三通阀的出口c连接第n个换热器；当换热器工作时，控制器控制与该换热器连接的电磁三通阀的出口导通。
进一步地，所述控制器还连接压力测量传感器，用于测量电堆进出口压力，防止压力过高引起管路泄露。
本发明提出了当换热器组由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的换热器串联组成时，燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器根据当前燃料电池电堆的输出热功率和各换热器的最大散热功率，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆的入堆温度与预设定的最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。
当换热器组由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的换热器并联组成时，燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行排列和编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器根据当前燃料电池电堆的输出热功率和各换热器的最大散热功率，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器调节与各换热器对应的电磁三通阀的入口a、出口b和出口c的开启或关闭，使得冷却液流经前m个换热器，并控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：控制器调节与各换热器对应的电磁三通阀的入口a、出口b和出口c的开启或关闭，使得冷却液流经所有已开启的换热器，并根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种燃料电池冷却水回路温度控制系统及其控制方法，采用多个小功率等级的换热器代替传统单独的大功率换热器，降低系统的自然散热能力以及不同输出功率下系统的最小散热功率，解决了燃料电池在不同功率点实验时温度调节特性相差过大的问题，避免了换热器的频繁启停；
2、本发明通过控制各小功率等级的换热器处于不同工作状态，实现温度控制系统的散热等级可调，以满足燃料电池在不同功率等级下的测试需求，并确保不会出现低功率点时因换热器散热能力过强而导致的温度波动问题；
3、优选的，当换热器组由n个小功率等级的换热器并联组成时，未处于工作状态的换热器中不会有冷却液流过，因此这些换热器的自然散热能力并不会对系统产生影响，使系统控制更为精确。
附图说明
图1为传统燃料电池热管理系统的结构示意图；
图2为传统燃料电池热管理系统中换热器风扇的转速仿真图；
图3为传统燃料电池热管理系统的温度波动仿真图；
图4为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的结构示意图；
图5为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统示例的结构示意图；
图6为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的流程框图；
图7为本发明实施例2提出的换热器并联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的结构示意图；
图8为本发明实施例2提出的换热器并联的燃料电池冷却水回路温度控制系统示例的结构示意图；
图9为本发明实施例2提出的换热器并联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的流程框图；
图10为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的温度仿真图；
图11为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的风扇转速仿真图；
附图标记如下：
101：燃料电池电堆
102：水泵
103：水箱
104：换热器组
105：进堆温度测量传感器
106：进堆压力测量传感器
107：出堆温度测量传感器
108：出堆压力测量传感器
109：控制器
110：电磁三通阀组
1,2,…,n：各换热器的编号
1’,2’,…,n-1’：各电磁三通阀的编号
O：第一换热器
P：第二换热器
Q：第三换热器
O’：第一电磁三通阀
P’：第二电磁三通阀
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本方明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统，如图4所示，包括燃料电池电堆101、水泵102、水箱103、换热器组104、进堆温度测量传感器105、进堆压力测量传感器106、出堆温度测量传感器107、出堆压力测量传感器108、控制器109、管道和在管道中流动的冷却液；所示管道用于依次连接燃料电池电堆101、水泵102、水箱103和换热器组104，进堆温度测量传感器105和进堆压力测量传感器106设置于燃料电池电堆101的入堆口，出堆温度测量传感器107和出堆压力测量传感器108设置于燃料电池电堆101的出堆口；
所述换热器组104由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的的换热器(编号分别为1,2,…,n)串联组成，各换热器的最大散热功率相同或不同，并且各换热器的最大散热功率之和大于所述燃料电池电堆101的最大输出热功率；
所述控制器109连接进堆温度测量传感器105、进堆压力测量传感器106、出堆温度测量传感器107、出堆压力测量传感器108、燃料电池电堆101、水泵102和换热器组104中的各换热器，根据进堆温度测量传感器105采集的燃料电池电堆101的入堆温度、当前燃料电池电堆101的输出热功率和预存储的各换热器的最大散热功率，控制各换热器的工作状态，具体控制方法如下：
当各换热器的散热功率相同时，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆101的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆101的输出热功率；之后控制m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆101的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；其中，0<m≤n；
示例如下：
假定换热器的自然散热能力为最大散热功率的3％，最小散热功率为最大散热功率的15％，当前测试平台需求的散热能力为12kw，如图1所示的传统测试平台热管理结构下，系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为1.8kw，测试功率范围为2.16kw～12kw；
如图5所示，在本实施例中，所述换热器组104由3个最大散热功率为4kW的换热器(分别为第一换热器O、第二换热器P和第三换热器Q)串联组成，燃料电池电堆101的最大输出热功率为12kw，此时系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为0.6kw，测试功率范围为0.96kw～12kw；
1、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以下，此时第一换热器O处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
2、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以上，8kW以下，此时第一换热器O与第二换热器P处于工作状态，第三换热器Q处于关闭状态，设定第一换热器O为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
3、当燃料电池电堆101的输出热功率在8kw以上，12kW以下，此时第一换热器O与第二换热器P、第三换热器Q均处于工作状态，设定第一换热器O和第二换热器P为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第三换热器Q的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
当各换热器的散热功率不同时，控制器控制步骤如下：
步骤1：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，则控制换热器A开启，再转至步骤4；否则，转至步骤2；
步骤2：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤3：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤4；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤2，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤4；
步骤4：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
示例如下：
假定换热器的自然散热能力为最大散热功率的3％，最小散热功率为最大散热功率的15％，当前测试平台需求的散热能力为12kw，如图1所示的传统测试平台热管理结构下，系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为1.8kw，测试功率范围为2.16kw～12kw；
如图5所示，在本实施例中，所述换热器组104由最大散热功率为2kW的第一换热器O、最大散热功率为4kW的第二换热器P和最大散热功率为6kW的第三换热器Q串联组成，燃料电池电堆101的最大输出热功率为12kw，此时系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为0.6kw，测试功率范围为0.66kw～12kw；
1、当燃料电池电堆101的输出热功率在2kw以下，此时第一换热器O处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
2、当燃料电池电堆101的输出热功率在2kw以上，4kW以下，此时第二换热器P处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
3、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以上，6kW以下，此时第三换热器Q处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第三换热器Q的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
4、当燃料电池电堆101的输出热功率在6kw以上，8kW以下，此时第一换热器O与第三换热器Q处于工作状态，第二换热器P处于关闭状态，设定第三换热器Q为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
5、当燃料电池电堆101的输出热功率在8kw以上，10kW以下，此时第二换热器P与第三换热器Q处于工作状态，第一换热器O处于关闭状态，设定第三换热器Q为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
6、当燃料电池电堆101的输出热功率在10kw以上，12kW以下，此时第一换热器O与第二换热器P、第三换热器Q均处于工作状态，设定第三换热器Q和第二换热器P为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
图10为本实施例提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的温度仿真图，相比于图3所示传统燃料电池热管理系统的温度仿真图，在燃料电池电堆启动一定时间后，入堆温度稳定在设定的65℃的最佳工作温度，完全避免因传统换热器散热能力过强而导致的温度波动问题。
图11为本发明实施例1提出的换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的风扇转速仿真图，相比于图2所示传统燃料电池热管理系统的风扇转速仿真图，在燃料电池电堆启动一定时间后，通过设置各换热器的工作状态，控制系统的风扇转速稳定在38％左右。
本实施例还提出了换热器串联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，流程框图如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器根据当前燃料电池电堆的输出热功率和各换热器的最大散热功率，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆的入堆温度与预设定的最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。
实施例2
本实施例提供了一种换热器并联的燃料电池冷却水回路温度控制系统，如图7所示，包括燃料电池电堆101、水泵102、水箱103、换热器组104、进堆温度测量传感器105、进堆压力测量传感器106、出堆温度测量传感器107、出堆压力测量传感器108、控制器109、电磁三通阀组110、管道和在管道中流动的冷却液；所示管道用于依次连接燃料电池电堆101、水泵102、水箱103和换热器组104，进堆温度测量传感器105和进堆压力测量传感器106设置于燃料电池电堆101的入堆口，出堆温度测量传感器107和出堆压力测量传感器108设置于燃料电池电堆101的出堆口；
所述换热器组104由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的的换热器(编号分别为1,2,…,n)并联组成，各换热器的最大散热功率相同或不同，并且各换热器的最大散热功率之和大于所述燃料电池电堆101的最大输出热功率；在水箱的出口设置n-1个串联的、并与前n-1个换热器一一对应的电磁三通阀(编号分别为1’,2’,…,n-1’)，各电磁三通阀的出口b连接对应换热器，出口B连接后一个电磁三通阀的入口a，第1个电磁三通阀的入口a连接水箱的出口，第n-1个电磁三通阀的出口B连接第n个换热器；当换热器工作时，控制器控制与该换热器连接的电磁三通阀的出口导通；
所述控制器109连接进堆温度测量传感器105、进堆压力测量传感器106、出堆温度测量传感器107、出堆压力测量传感器108、燃料电池电堆101、水泵102、换热器组104中的各换热器和电磁三通阀组110中的各电磁阀，根据进堆温度测量传感器105采集的燃料电池电堆101的入堆温度、当前燃料电池电堆101的输出热功率和预存储的各换热器的最大散热功率，控制各换热器的工作状态以及各电磁阀的开关状态，具体控制方法如下：
当各换热器的散热功率相同时，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆101的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆101的输出热功率；之后控制m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆101的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；其中，0<m≤n；
示例如下：
假定换热器的自然散热能力为最大散热功率的3％，最小散热功率为最大散热功率的15％，当前测试平台需求的散热能力为12kw，如图1所示的传统测试平台热管理结构下，系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为1.8kw，测试功率范围为2.16kw～12kw；
如图8所示，在本实施例中，所述换热器组104由3个最大散热功率为4kW的换热器(分别为第一换热器O、第二换热器P和第三换热器Q)并联组成，对应设置第一电磁三通阀O’和第二电磁三通阀P’；燃料电池电堆101的最大输出热功率为12kw，此时系统的自然散热功率随工作的换热器个数增加而增加，最小时为0.12kw，最小散热功率为0.6kw，测试功率范围为0.72kw～12kw；
1、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a和出口b开启，第一换热器O处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
2、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以上，8kW以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a、出口b和出口c开启，第二电磁三通阀P’的入口a和出口b开启，第一换热器O与第二换热器P处于工作状态，第三换热器Q处于关闭状态，设定第一换热器O为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
3、当燃料电池电堆101的输出热功率在8kw以上，12kW以下，此时第一电磁三通阀O’和第二电磁三通阀P’的入口a、出口b和出口c均开启，第一换热器O与第二换热器P、第三换热器Q均处于工作状态，设定第一换热器O和第二换热器P为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第三换热器Q的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
当各换热器的散热功率不同时，控制器控制步骤如下：
步骤1：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，则控制换热器A开启，再转至步骤4；否则，转至步骤2；
步骤2：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤3：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤4；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤2，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤4；
步骤4：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
示例如下：
假定换热器的自然散热能力为最大散热功率的3％，最小散热功率为最大散热功率的15％，当前测试平台需求的散热能力为12kw，如图1所示的传统测试平台热管理结构下，系统的自然散热功率为0.36kw，最小散热功率为1.8kw，测试功率范围为2.16kw～12kw；
如图8所示，在本实施例中，所述换热器组104由最大散热功率为2kW的第一换热器O、最大散热功率为4kW的第二换热器P和最大散热功率为6kW的第三换热器Q依次并联组成，对应设置第一电磁三通阀O’和第二电磁三通阀P’；燃料电池电堆101的最大输出热功率为12kw，此时系统的自然散热功率为0.06kw，最小散热功率为0.3kw，测试功率范围为0.36kw～12kw；
1、当燃料电池电堆101的输出热功率在2kw以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a和出口b开启，第一换热器O处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
2、当燃料电池电堆101的输出热功率在2kw以上，4kW以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a和出口c开启，第二电磁三通阀P’的入口a和出口b开启，第二换热器P处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
3、当燃料电池电堆101的输出热功率在4kw以上，6kW以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a和出口c开启，第二电磁三通阀P’的入口a和出口c开启，第三换热器Q处于工作状态，其余换热器处于关闭状态，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第三换热器Q的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
4、当燃料电池电堆101的输出热功率在6kw以上，8kW以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a、出口b和出口c开启，第二电磁三通阀P’的入口a和出口c开启，第一换热器O与第三换热器Q处于工作状态，第二换热器P处于关闭状态，设定第三换热器Q为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
5、当燃料电池电堆101的输出热功率在8kw以上，10kW以下，此时第一电磁三通阀O’的入口a、出口b和出口c开启，第二电磁三通阀P’的入口a和出口b开启，第二换热器P与第三换热器Q处于工作状态，第一换热器O处于关闭状态，设定第三换热器Q为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第二换热器P的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；
6、当燃料电池电堆101的输出热功率在10kw以上，12kW以下，此时第一电磁三通阀O’和第二电磁三通阀P’的入口a、出口b和出口c均开启，第一换热器O与第二换热器P、第三换热器Q均处于工作状态，设定第三换热器Q和第二换热器P为最大散热功率，根据进堆温度测量传感器105测量的燃料电池电堆101的入堆温度T1与最佳工作温度T之间的差值，采用PID控制算法实时控制第一换热器O的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
本实施例还提出了换热器并联的燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，流程框图如图9所示，包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行排列和编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器根据当前燃料电池电堆的输出热功率和各换热器的最大散热功率，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，个数m应满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器控制前m-1个电磁三通阀的入口a、出口b和出口c同时开启，若m<n，控制器还控制第m个电磁三通阀的入口a和出口b同时开启，出口c关闭，使得冷却液仅流经前m个换热器，并控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：若已开启的换热器中最大的编号不为n，控制器控制已开启的换热器中编号最大的换热器对应的电磁三通阀的入口a和出口b同时开启，其余已开启的换热器对应的电磁三通阀的入口a和出口c同时开启；否则，控制器控制所有电磁三通阀的入口a和出口B同时开启，除编号最大的换热器外，其余已开启的换热器对应的电磁三通阀的出口b开启；并根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。

Claims (7)

1.一种燃料电池冷却水回路温度控制系统，包括温度测量传感器、压力测量传感器、冷却液、管路、燃料电池电堆、水泵和水箱；其特征在于，所述温度控制系统还包括换热器组和控制器；
所述换热器组位于水箱的出口和燃料电池电堆的入堆口之间，由n个散热功率小于等于测试平台最大测试功率的1/3的换热器串联或并联组成，各换热器的最大散热功率之和大于燃料电池电堆的最大输出热功率；
所述控制器连接温度测量传感器、燃料电池电堆、水泵和各换热器，根据温度测量传感器采集的燃料电池电堆的入堆温度、当前燃料电池电堆的输出热功率和预存储的各换热器的最大散热功率，控制各换热器的工作状态，具体控制方法如下：
当各换热器的散热功率相同时，计算所需处于工作状态的换热器的个数m，满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；之后控制m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；其中，0<m≤n；
当各换热器的散热功率不同时，控制步骤如下：
步骤1：将各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，根据当前散热需求和各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，则控制换热器A开启，再转至步骤4；否则，转至步骤2；
步骤2：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤3：控制器根据剩余散热需求和当前未处于工作状态的各换热器的最大散热功率，判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤4；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤2，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤4；
步骤4：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
2.根据权利要求1所述燃料电池冷却水回路温度控制系统，其特征在于，当所述换热器组由n个换热器并联组成时，在水箱的出口设置n-1个串联并与前n-1个换热器一一对应的电磁三通阀，各电磁三通阀的出口b连接对应换热器，出口c连接后一个电磁三通阀的入口a，第1个电磁三通阀的入口a连接水箱的出口，第n-1个电磁三通阀的出口c连接第n个换热器；当换热器工作时，控制器控制与该换热器连接的电磁三通阀的出口导通。
3.根据权利要求1所述燃料电池冷却水回路温度控制系统，其特征在于，根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，或已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度。
4.一种如权利要求1所述燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，其特征在于，当所述换热器组由n个换热器串联组成时，控制方法包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器计算所需处于工作状态的换热器的个数m，满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，并根据燃料电池电堆的入堆温度与预设定的最佳工作温度的差值，调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。
5.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，步骤4中采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，步骤8中采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率。
6.一种如权利要求2所述燃料电池冷却水回路温度控制系统的控制方法，其特征在于，当所述换热器组由n个换热器并联组成时，控制方法包括以下步骤：
步骤1：控制系统的控制开始，启动燃料电池电堆和水泵；
步骤2：将换热器组中各换热器按照最大散热功率由小到大的顺序进行排列和编号，依次为1,2,…,n，控制器判断预存储的各换热器的最大散热功率是否相同，若是，转至步骤3；否则，转至步骤5；
步骤3：控制器计算所需处于工作状态的换热器的个数m，满足：m个换热器的最大散热功率之和大于等于当前燃料电池电堆的输出热功率，且m-1个换热器的最大散热功率之和小于当前燃料电池电堆的输出热功率；
步骤4：控制器调节与各换热器对应的电磁三通阀的入口a、出口b和出口c的开启或关闭，使得冷却液流经前m个换热器，并控制前m-1个换热器工作于最大散热功率，根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，调节第m个换热器的散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤5：以当前燃料电池电堆的输出热功率为当前散热需求，控制器判断是否存在换热器A满足：换热器A的最大散热功率大于等于当前散热需求，且小于换热器A的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于当前散热需求；若存在换热器A，控制器控制换热器A开启，再转至步骤8；否则，转至步骤6；
步骤6：控制器控制当前未处于工作状态的编号最大的换热器工作于最大散热功率，并计算得到当前散热需求减去当前未处于工作状态的编号最大的换热器的最大散热功率后的剩余散热需求；
步骤7：控制器判断是否存在换热器B满足：换热器B的最大散热功率大于等于剩余散热需求，且小于换热器B的最大散热功率的所有换热器的最大散热功率均小于剩余散热需求；若存在换热器B，控制器控制换热器B开启，再转至步骤8；否则，以剩余散热需求为当前散热需求，转回步骤6，直至开启满足当前散热需求的换热器，再转至步骤8；
步骤8：控制器调节与各换热器对应的电磁三通阀的入口a、出口b和出口c的开启或关闭，使得冷却液流经所有已开启的换热器，并根据燃料电池电堆的入堆温度与最佳工作温度的差值，调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率，并将其余已开启的换热器设置为最大散热功率，以控制入堆温度稳定在最佳工作温度；之后，转至步骤9；
步骤9：控制器判断是否收到停机指令，若是，将燃料电池电堆的入堆温度设定为室温，并控制所有换热器工作于最大散热功率以快速降温，控制系统的控制结束；否则，转回步骤2。
7.根据权利要求6所述控制方法，其特征在于，步骤4中采用PID控制算法调节第m个换热器的散热功率，步骤8中采用PID控制算法调节已开启的换热器中最后一个开启的换热器的散热功率。
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