CN113903946B - 一种车载燃料电池的散热控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载燃料电池的散热控制方法及装置，属于燃料电池温度控制技术领域，解决了现有技术散热控制难度较大且无法兼容的问题。该方法包括如下步骤：获取当前时刻电堆冷却液出口处的实时水温；将实时水温与目标温度的差值，输入温度控制模型，得到散热风扇的初始转速，控制散热风扇启动，并以初始转速运行；监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；根据实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以原来的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以新转速运行。实现了能自动适应环境温度、车速、海拔等因素。

Description

一种车载燃料电池的散热控制方法及装置

技术领域

本发明涉及燃料电池温度控制技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池的散热控制方法及装置。

背景技术

燃料电池在运行时，电池温度需要控制在一定范围内。并且，要求该范围尽可能小，精确高，因此，对燃料电池的温度控制难度较大。如果超过一定范围，会对燃料电池的健康状态造成影响，严重时会出现故障，导致其无法正常运行。

散热器的启动速度均较慢，需要使用前馈解决超温问题，但现有技术中的前馈受环境温度、车速、风速、迎风面积、海拔等综合因素影响，导致散热系统为高延迟系统。参数不适宜时，燃料电池的温度无法快速稳定，造成温度震荡，波动大，并且，标定工作量也大，短时间内无法完成。

增加前馈时，如果前馈较小，则对温度的作用较小，如果前馈大，则引起扰动，导致燃料电池的温度出现波动。整车散热器布置、管路阻力均存在差异，不同车型的调节参数不一致，甚至同一批次车辆在不同的运行环境也会有不同，导致控制难度大，难以兼容。

发明内容

本发明实施例旨在提供一种车载燃料电池的散热控制方法及装置，用以解决现有技术散热控制难度较大且无法兼容的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池的散热控制方法，包括如下步骤：

获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温；

将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；

监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；

根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行。

上述技术方案的有益效果如下：燃料电池不同功率运行情况下，逐步修正前馈，使得前馈转速始终满足所需的散热量，燃料电池的温度可以快速平稳，并且，能够快速解决超调问题，稳定温度，保证每次开机均能快速进入稳定状态。

基于上述方法的进一步改进，通过如下步骤获得所述目标温度：

获取当前时刻的环境温度、车速、风速和海拔；

确定所述环境温度、车速、风速、海拔下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的冷却液出口处的水温范围；

获取上述水温范围的均值，作为目标温度。

上述进一步改进方案的有益效果是：对目标温度的获取方法进行了限定，通过上述步骤能够获取当前时刻环境温度、车速、风速、海拔下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的冷却液出口处的水温有效值作为目标温度，为进一步精准调控散热风扇的转速奠定了基础。

进一步，所述将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速的步骤，进一步包括：

获取当前时刻电堆冷却液出口处的实时水温与目标温度的差值e(t)；

将所述差值e(t)输入下面公式中的预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速v(t)

式中，F_f为可调前馈参数，初始值为预先存储的avg₀，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

上述进一步改进方案的有益效果是：对预设温度控制模型进行了限定。该模型中，F_f的初始值是散热风扇上一次启动运行过程中所用的avg₀，因为停车后的工况大多数情况下是与停车之前相同的。F_f的后续值根据实时水温变化进行调整。

进一步，所述前馈更新要求包括：

电堆冷却液出口处的实时水温高于预设的最低散热目标温度；

所述判断的时刻距散热风扇启动时刻的时间time满足

式中，m为散热风扇的延迟特性参数，s为标定的延迟特性参数m的倍数。

上述进一步改进方案的有益效果是：对是否变更F_f的前馈更新要求进行了限定。通过上述前馈更新要求结合前馈更新方法，对电池的温度稳定速度快，解决了由于散热前馈过小及过大导致温度出现波动的技术问题。

进一步，所述按预设规则更新前馈参数的步骤，包括：

通过下面公式计算散热风扇从启动时刻到所述判断的时刻的平均转速avg₁

式中，t为时间；

将所述avg₁作为新的前馈参数F_f，代入预设温度控制模型中。

上述进一步改进方案的有益效果是：对前馈更新方法进行了限定。通过上述前馈更新方法结合前馈更新要求，可以快速稳定电池的温度，解决了由于散热前馈过小及过大导致温度出现波动的技术问题。

进一步，该散热控制方法还包括：

获取启动时刻起电堆冷却液出口处的水温降低指定值所耗费的时间，作为延迟特性参数m；

获取所述延迟特性参数对应的电堆冷却液出口处的水温变化量k；

根据上述延迟特性参数m、水温变化量k，以及电堆冷却液出口处的实时水温T(t)，判断是否停止前馈，并根据判断结果实时调整预设温度控制模型的前馈参数F_f。

上述进一步改进方案的有益效果是：根据当前风扇控制状态下电堆冷却液出口处的实时水温T(t)，预测是否需要引入前馈控制，如果不需要则将预设温度控制模型中的F_f值置于0，如果需要则将预设温度控制模型中引入前馈F_f，则温度在前馈的作用下快速稳定，适应性强，可自动适应环境、车速、海拔等综合因素。

进一步，所述根据上述延迟特性参数m、水温变化量k，以及当前时刻电堆冷却液出口处的水温T(t)判断是否停止前馈，并根据判断结果实时调整预设温度控制模型的前馈参数F_f的步骤，进一步包括：

将延迟特性参数m、水温变化量k，以及当前时刻电堆冷却液出口处的水温T(t)输入下面的评估公式，判断未来预设时间段内所述水温是否会超过目标温度

T(t)+k×m-s

式中，s为标定的延迟特性参数m的倍数；

如果T(t)+k×m-s≥0，则判定未来预设时间段内所述水温会超过目标温度，不停止前馈；

如果

则判定未来预设时间段内所述水温不会超过目标温度，停止前馈，并将下一时刻预设温度控制模型中的F_f设置为0。

上述进一步改进方案的有益效果是：对是否需要引入前馈控制的评估公式进行了限定，上述公式是发明人经过大量试验总结出的有效评估公式。在有些情况下，引入前馈会引起触扰动，导致出现温度波动。直接应用上述方案，能够缩短标定工作量，降低成本。

进一步，该散热控制方法还包括如下步骤：

关闭散热风扇后，存储预设温度控制模型中的F_f，作为avg₀，供再次启动散热风扇使用。

上述进一步改进方案的有益效果是：整车开关机时，需要打开或关闭散热风扇。由于每次开关机整车运行的环境大多数情况下近似，将每次关闭时刻的F_f作为下一次开启的F_f初始值，有利于快速稳定电池温度。

另一方面，本发明实施例提供了一种车载燃料电池的散热控制装置，包括：

数据采集设备，用于获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温，发送至风扇控制器；

风扇控制器，用于获取接收到的所述实时水温与目标温度的差值；以及，将所述差值输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速；以及，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行；

散热风扇，设置于燃料电池电堆冷却液出口处，用于根据控制器的控制启动并运行，对燃料电池电堆内的冷却液降温。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：燃料电池在不同功率运行情况下，逐步修正前馈，使得前馈转速始终满足所需的散热量，燃料电池的温度可以快速平稳，并且，能够快速解决超调问题，稳定温度，保证每次开机燃料电池均能快速进入稳定状态。

基于上述装置的进一步改进，所述数据采集设备进一步包括：

多个温度传感器，分别设置于燃料电池电堆冷却液出口处的管道内壁上，用于监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化。

上述进一步改进方案的有益效果是：对数据采集设备的种类进行了限定，只需要测量电堆冷却液出口处的实时水温变化的温度传感器，即可精准地对散热风扇启用和运行速度进行控制，极大缩减了使用成本。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1车载燃料电池的散热控制方法步骤示意图；

图2示出了实施例2车载燃料电池的散热控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，如图1所示，包括如下步骤：

S1.获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温；

S2.将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；

S3.监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；

S4.根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行。

具体地，上述温度控制模型的输入包括实时水温与目标温度的差值，输出为散热风扇的转速，经训练后可直接使用。

可选地，上述温度控制模型可采用实施例2中的模型或者深度学习网络模型，前馈更新要求可根据整车需求不同而设置不同，此处不进行限定，本领域技术人员能够理解。

与现有技术相比，本实施例提供的方法在燃料电池不同功率运行情况下，逐步修正前馈，使得前馈转速始终满足所需的散热量，燃料电池的温度可以快速平稳，并且，能够快速解决超调问题，稳定温度，保证每次开机均能快速进入稳定状态。

实施例2

在实施例1的基础上进行优化，该方法还包括设定目标温度的步骤S0，所述步骤S0可进一步细化为：

S01.获取当前时刻的环境温度、车速、风速和海拔；

S02.确定所述环境温度、车速、风速、海拔下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的冷却液出口处的水温范围；

S03获取上述水温范围的均值，作为目标温度。

优选地，步骤S2中，所述将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速的步骤，进一步包括：

S21.获取当前时刻电堆冷却液出口处的实时水温与目标温度的差值e(t)；

S22.将所述差值e(t)输入下面公式中的预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速v(t)

式中，F_f为可调前馈参数，初始值为预先存储的avg₀，K_p为比例系数，K_i为积分系数，T_i为运算周期，用户根据需求设置。K_p、K_i经事先标定燃料电池运行工况(环境温度、车速、风速、海拔)获得。

优选地，步骤S4中的所述前馈更新要求包括：

1)电堆冷却液出口处的实时水温高于预设的最低散热目标温度；

2)所述判断的时刻距散热风扇启动时刻的时间time满足

式中，m为散热风扇的延迟特性参数，s为标定的延迟特性参数m的倍数。m、s也经事先标定获得。

优选地，步骤S4中，所述按预设规则更新前馈参数的子步骤，进一步包括：

S41.通过下面公式计算散热风扇从启动时刻到所述判断的时刻的平均转速avg₁

式中，t为时间；

S42.将所述avg₁作为新的前馈参数F_f，代入预设温度控制模型中。

优选地，该散热控制方法还包括如下步骤：

S5.获取启动时刻起电堆冷却液出口处的水温降低指定值所耗费的时间，作为延迟特性参数m；示例性地，该指定值可以设置为一个温度单位，例如1℃；

S6.获取所述延迟特性参数对应的电堆冷却液出口处的水温变化量k；

S7.根据上述延迟特性参数m、水温变化量k，以及电堆冷却液出口处的实时水温T(t)，判断是否停止前馈，并根据判断结果实时调整预设温度控制模型的前馈参数F_f。

优选地，上述步骤S5～S7也可以设置步骤S41之前，使得温度稳定速度更快。

优选地，步骤S7进一步包括：

S71.将延迟特性参数m、水温变化量k，以及当前时刻电堆冷却液出口处的水温T(t)输入下面的评估公式，判断未来预设时间段内所述水温是否会超过目标温度

T(t)+k×m-s

式中，s为标定的延迟特性参数m的倍数；

S72.如果T(t)+k×m-s≥0，则判定未来预设时间段内所述水温会超过目标温度，不停止前馈；

S73.如果

则判定未来预设时间段内所述水温不会超过目标温度，停止前馈，并将下一时刻预设温度控制模型中的F_f设置为0。

优选地，该散热控制方法还包括如下步骤：

S8.关闭散热风扇后，存储预设温度控制模型中的F_f，作为avg₀，供再次启动散热风扇使用。

实施时，控制温度最大不超过2℃，辅助避免出现PI超调现象。

与实施例1相比，本实施例提供的方法进一步细化了目标温度以及前馈参数的实时控制方法，因此，燃料电池的稳定速度更快，解决由于散热前馈过小及过大导致的温度波动问题，并且，适应性更强，可自动适应环境、车速、海拔等综合因素，缩短了标定工作量，降低了成本。

实施例3

本发明还公开了一种与实施例1、2方法对应的车载燃料电池的散热控制装置，包括依次连接或者无线数据传输的数据采集设备、风扇控制器、散热风扇，如图2所示。

数据采集设备，用于获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温，发送至风扇控制器。

风扇控制器，用于获取接收到的所述实时水温与目标温度的差值；以及，将所述差值输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速；以及，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行。

散热风扇，设置于燃料电池电堆冷却液出口处，用于根据控制器的控制启动并运行，对燃料电池电堆外的冷却液降温。所述散热风扇可设置于散热系统中。

优选地，所述数据采集设备进一步包括多个温度传感器。

每一温度传感器，分别设置于燃料电池电堆冷却液出口处的管道内壁上，用于监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化。

实施时，风扇控制器接收到每一温度传感器传输的数据后，先进行数据处理，过滤掉无效值(明显偏大或者偏小值)，将剩余数据的均值作为燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温，进而进行散热风扇的启动、运行控制。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (9)

1.一种车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温；

将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；

监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；

根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行；其中，

上述前馈更新要求包括：电堆冷却液出口处的实时水温高于预设的最低散热目标温度；所述判断的时刻距散热风扇启动时刻的时间time满足

time＞m×s

式中，m为散热风扇的延迟特性参数，s为标定的延迟特性参数m的倍数。

2.根据权利要求1所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，通过如下步骤获得所述目标温度：

获取当前时刻的环境温度、车速、风速和海拔；

确定所述环境温度、车速、风速、海拔下燃料电池的额定寿命到最高寿命对应的冷却液出口处的水温范围；

获取上述水温范围的均值，作为目标温度。

3.根据权利要求1或2所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，所述将所述实时水温与目标温度的差值，输入预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速的步骤，进一步包括：

获取当前时刻电堆冷却液出口处的实时水温与目标温度的差值e(t)；

将所述差值e(t)输入下面公式中的预设温度控制模型，得到散热风扇的初始转速v(t)

式中，F_f为可调前馈参数，初始值为预先存储的avg₀，K_p为比例系数，K_i为积分系数。

4.根据权利要求3所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，所述按预设规则更新前馈参数的步骤，进一步包括：

通过下面公式计算散热风扇从启动时刻到所述判断的时刻的平均转速avg₁

式中，t为时间；

将所述avg₁作为新的前馈参数F_f，代入预设温度控制模型中。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

获取启动时刻起电堆冷却液出口处的水温降低指定值所耗费的时间，作为延迟特性参数m；

获取所述延迟特性参数对应的电堆冷却液出口处的水温变化量k；

根据上述延迟特性参数m、水温变化量k，以及电堆冷却液出口处的实时水温T(t)，判断是否停止前馈，并根据判断结果实时调整预设温度控制模型的前馈参数F_f。

6.根据权利要求5所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，所述根据上述延迟特性参数m、水温变化量k，以及当前时刻电堆冷却液出口处的水温T(t)判断是否停止前馈，并根据判断结果实时调整预设温度控制模型的前馈参数F_f的步骤，进一步包括：

将延迟特性参数m、水温变化量k，以及当前时刻电堆冷却液出口处的水温T(t)输入下面的评估公式，判断未来预设时间段内所述水温是否会超过目标温度

T(t)+k×m-s

式中，s为标定的延迟特性参数m的倍数；

如果T(t)+k×m-s≥0，则判定未来预设时间段内所述水温会超过目标温度，不停止前馈；

如果T(t)+k×m-s＜0，则判定未来预设时间段内所述水温不会超过目标温度，停止前馈，并将下一时刻预设温度控制模型中的F_f设置为0。

7.根据权利要求1、2、4、6任一项所述的车载燃料电池的散热控制方法，其特征在于，还包括：

关闭散热风扇后，存储预设温度控制模型中的F_f，作为avg₀，供再次启动散热风扇使用。

8.一种车载燃料电池的散热控制装置，其特征在于，包括：

数据采集设备，用于获取当前时刻燃料电池电堆冷却液出口处的实时水温，发送至风扇控制器；

风扇控制器，用于获取接收到的所述实时水温与目标温度的差值；以及，将所述差值输入预设的温度控制模型，得到散热风扇的初始转速；以及，控制电堆冷却液出口处的散热风扇启动，并以所述初始转速运行；监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化；根据所述实时水温变化判断当前工况是否满足前馈更新要求，如果不满足，则维持上述预设温度控制模型中的前馈参数不变，控制散热风扇以上一时刻的转速运行，如果满足，则按预设规则更新前馈参数，得出散热风扇的新转速，控制散热风扇以所述新转速运行；

散热风扇，设置于燃料电池电堆冷却液出口处，用于根据控制器的控制启动并运行，对燃料电池电堆内的冷却液降温；并且，

风扇控制器的上述前馈更新要求包括：电堆冷却液出口处的实时水温高于预设的最低散热目标温度；所述判断的时刻距散热风扇启动时刻的时间time满足

time＞m×s

式中，m为散热风扇的延迟特性参数，s为标定的延迟特性参数m的倍数。

9.根据权利要求8所述的车载燃料电池的散热控制装置，其特征在于，所述数据采集设备进一步包括：

多个温度传感器，分别设置于燃料电池电堆冷却液出口处的管道内壁上，用于监测散热风扇运行后电堆冷却液出口处的实时水温变化。

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