CN113937325A - 一种燃料电池发动机热管理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机热管理技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机热管理控制方法，系统包括：主散热回路、PTC加热回路、空气中冷回路、以及控制模块；主散热回路包括：依次连接的电堆、第二合流阀、水泵、节温器、散热器、第一合流阀、以及第二分流阀；PTC加热回路中的PTC加热器与散热器并联；空气中冷回路中的中冷器与电堆并联；方法包括：发动机低温启动阶段，控制模块控制水泵的运行，以驱动PTC加热回路中的冷却液流经PTC加热器，并控制PTC加热器对冷却液进行加热；发动机运行阶段，控制模块分别对水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器进行控制，以对燃料电池发动机进行热管理，本发明能够提高热管理系统响应速度、增强热管理系统可靠性。

Description

一种燃料电池发动机热管理控制方法

技术领域

本发明涉及发动机热管理技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机热管理控制方法。

背景技术

燃料电池汽车在运行过程中，其核心部件，电堆会产生大量的热量，通常是传统内燃机汽车的两倍，而考虑到电堆的性能以及寿命，需要使电堆温度保持在合适的范围(75-90℃)，因此对燃料电池的热管理系统提出了更高的要求。在启动、拉载、减载等复杂工况下，受水泵、散热风扇等零部件因素影响，会导致系统对冷却液温度的控制有一定的滞后性，增大电堆进出口冷却液温度的波动幅度，进而影响燃料电池发动机系统的动态响应性能及电堆的使用寿命。因此，快速精确的热管理系统控制策略对于燃料电池发动机系统及整车的高效、安全运行具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供一种燃料电池发动机热管理控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种燃料电池发动机热管理控制方法，应用于燃料电池发动机热管理控制系统，所述燃料电池发动机热管理控制系统包括：主散热回路、PTC加热回路、空气中冷回路、以及控制模块；

其中，所述主散热回路包括：依次连接的电堆、第二合流阀、水泵、节温器、散热器、第一合流阀、以及第二分流阀；

所述PTC加热回路包括：PTC加热器，所述PTC加热器与散热器并联；

所述空气中冷回路包括：中冷器，所述中冷器与电堆并联；

所述控制模块分别与水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器信号连接；

所述燃料电池发动机热管理控制方法包括：发动机低温启动阶段的控制方法和发动机运行阶段的控制方法；

所述发动机低温启动阶段的控制方法包括：

控制模块控制水泵的运行，以驱动所述PTC加热回路中的冷却液流经PTC加热器，并控制PTC加热器对冷却液进行加热，通过加热后的冷却液对电堆进行加热；

所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块基于多信号协同控制策略，分别对水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器进行控制，以对所述燃料电池发动机进行热管理。

进一步，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆电流、电堆进出口冷却液的温度确定所述水泵的目标转速；

控制模块通过PID控制器控制水泵按所述目标转速运行，以减小电堆进出口冷却液的温差；

其中，所述电堆入口冷却液的温度通过设置于所述电堆入口的第一温度传感器检测得到，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

进一步，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆功率以及电堆出口的冷却液的温度确定节温器的目标开口大小；

控制模块根据所述目标开口大小调节节温器的开口，以控制所述主散热回路中流经散热器的冷却液的流量，调节散热器温度。

进一步，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据根据电堆出口的冷却液的温度、水泵出口的冷却液的流量、环境温度、车速确定散热风扇的目标转速；

控制模块根据所述目标转速调节散热风扇的转速，通过所述散热风扇对散热器进行散热；

其中，所述电堆出口的冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到，所述水泵出口的冷却液的流量通过设置于所述水泵出口的流量传感器检测得到，所述环境温度通过设置于所述第一合流阀出口的第四温度传感器检测得到。

进一步，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆出口冷却液的温度以及电堆功率确定PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率；

控制模块根据所述PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率对所述PTC加热器进行控制，以调节冷却液的热量；

其中，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

进一步，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆的功率、空气流量和空气温度确定所述限流孔的目标孔大小；

控制模块根据所述目标孔大小调节限流孔的大小，以控制经过中冷器冷却液的流量。

本发明的有益效果是：本发明公开一种燃料电池发动机热管理控制方法，本发明采用基于多信号协同控制策略，能有效降低燃料电池电堆进出口温差、减小燃料电池电堆温度波动、提高热管理系统响应速度、增强热管理系统可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中燃料电池发动机热管理控制系统的连接示意图。

附图1标记：1-电堆；2-水泵；3-节温器；4-散热器；5-散热风扇；6-PTC加热器；7-中冷器；8-第一温度传感器；9-第二温度传感器；10-PID控制器；11-流量传感器；13-第四温度传感器；14-限流孔；15-第一合流阀；16-第二分流阀；17-第二合流阀。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本申请的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，本申请实施例提供的一种燃料电池发动机热管理控制方法，应用于燃料电池发动机热管理控制系统，其特征在于，所述燃料电池发动机热管理控制系统包括：主散热回路、PTC加热回路、空气中冷回路、以及控制模块；

其中，所述主散热回路包括：依次连接的电堆、第二合流阀、水泵、节温器、散热器、第一合流阀、以及第二分流阀；

所述PTC加热回路包括：PTC加热器，所述PTC加热器与散热器并联；

具体地，所述PTC加热器的两端分别与节温器的出口、第一合流阀的入口连接；

所述空气中冷回路包括：中冷器，所述中冷器与电堆并联；

具体地，所述中冷器的两端分别与第二分流阀的出口、所述第二合流阀的入口连接；所述中冷器的后端和所述第二合流阀之间的中冷管路设置有限流孔；

所述控制模块分别与水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器信号连接；

所述燃料电池发动机热管理控制方法包括：发动机低温启动阶段的控制方法和发动机运行阶段的控制方法；

所述发动机低温启动阶段的控制方法包括：

控制模块控制水泵的运行，以驱动所述PTC加热回路中的冷却液流经PTC加热器，并控制PTC加热器对冷却液进行加热，通过加热后的冷却液对电堆进行加热；

具体地，所述PTC加热回路中的冷却液在水泵的驱动下，经过节温器，再流经PTC加热器进行加热，之后依次经过第一合流阀、第二分流阀、以及电堆，对电堆进行加热。

所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块基于多信号协同控制策略，分别对水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器进行控制，以对所述燃料电池发动机进行热管理。

本发明提供的实施例中，所述水泵的出口与所述节温器的入口连接，所述节温器的出口分别连接有散热管路、加热管路，所述散热管路经过所述散热器后与所述第一合流阀的入口连接，所述加热管路经过所述PTC加热器后与所述第一合流阀的入口连接，所述第一合流阀的出口与第二分流阀的入口连接，所述第二分流阀的出口分别连接有电堆管路、中冷管路，所述电堆管路经过所述电堆后与所述第二合流阀的入口连接，所述中冷管路经过所述中冷器后与所述第二合流阀的入口连接。

所述的控制回路利用多种传感器反馈信号，根据反馈的信号对各部件进行合理、有序的控制。所述各回路协同工作，使得整个系统处于一个安全、高效运行的工况。

发明人通过对目前燃料电池热管理系统进行分析，确定热管理系统控制策略的主要关键点在于以下几个方面：

1，电堆1冷却问题，电堆1的温度必须控制在一定的范围内，这对大功率工况下散热提出了高要求。

2，电堆1温度波动的问题，在变载时，电堆1温度的波动应尽量的小，维持电堆1内部温度的均匀性，使电堆1处于一个高效、安全的工作状态。

3，热管理系统响应速度的问题，在实际工作中，由于温度的滞后性等一系列原因，往往热管理系统的响应速度会变慢，提高热管理系统的响应速度显得十分重要。

4，中冷器7流量分配问题，使用中冷器7冷却高温高压的空气时，往往因为冷却液流量分配的不当而降低热管理系统的效率，精准的中冷器7冷却液流量分配对热管理系统的高效运行显得十分重要。

发明人针对上述问题提供了以下解决方案：

在一个改进的实施例中，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆电流、电堆进出口冷却液的温度确定所述水泵的目标转速；

控制模块通过PID控制器控制水泵按所述目标转速运行，以减小电堆进出口冷却液的温差；

其中，所述电堆入口冷却液的温度通过设置于所述电堆入口的第一温度传感器检测得到，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

需要说明的是，对于水泵转速的控制，由电堆的电流、电堆的进出口冷却液温度协同PID控制器共同控制水泵的转速，能够减小电堆的进出口冷却液温差，在变载的情况下温差波动更小，避免了电堆温度剧烈波动对燃料电池发动机系统工作性能和寿命的影响。

在一个改进的实施例中，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆功率以及电堆出口的冷却液的温度确定节温器的目标开口大小；

控制模块根据所述目标开口大小调节节温器的开口，以控制所述主散热回路中流经散热器的冷却液的流量，调节散热器温度。

需要说明的是，所述节温器用于控制流经散热器的冷却液流量，散热器后端与第一合流阀相连，流经PTC加热器、散热回路冷却液在第一合流阀汇合。水泵位于主回路上，水泵为冷却液的流动提供动力；电堆工作时，冷却液温度升高，所述散热管路打开，冷却液经节温器流向散热器，之后与流经节温器下端口的冷却液在第一合流阀合流，流向电堆及中冷器。

对于节温器开口的控制，由电堆功率以及电堆出口的冷却液的温度来控制节温器的开口，在电堆的负载改变时，及时的调节节温器的开口，避免由于温度迟滞性带来的响应速度慢的问题，增强了热管路系统的整体性能。

在一个改进的实施例中，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据根据电堆出口的冷却液的温度、水泵出口的冷却液的流量、环境温度、车速确定散热风扇的目标转速；

控制模块根据所述目标转速调节散热风扇的转速，通过所述散热风扇对散热器进行散热；

其中，所述电堆出口的冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到，所述水泵出口的冷却液的流量通过设置于所述水泵出口的流量传感器检测得到，所述环境温度通过设置于所述第一合流阀出口的第四温度传感器检测得到。

需要说明的是，对于散热风扇的控制，由电堆出口冷却液温度、水泵出口冷却液流量、环境温度、车速协同控制散热风扇的转速，在电堆散热需求提升的情况下，迅速的增大散热器的散热功率，使热管理系统的响应速度快、调节时间更短和精确度更高，在拉载、最大功率工况下都能够实现稳定高效的维持电堆进出口正常工作温度。

在一个改进的实施例中，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆出口冷却液的温度以及电堆功率确定PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率；

控制模块根据所述PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率对所述PTC加热器进行控制，以调节冷却液的热量；

其中，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

需要说明的是，对于PTC加热器的控制，由电堆出口冷却液温度以及电堆功率协同确定PTC加热器的开关以及加热功率，能够更精准的给冷却液提供热量，避免热量提供过多产生的能量浪费。

在一个改进的实施例中，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆的功率、空气流量和空气温度确定所述限流孔的目标孔大小；

控制模块根据所述目标孔大小调节限流孔的大小，以控制经过中冷器冷却液的流量。

需要说明的是，经节温器分流的冷却液在第一合流阀合流，再经过第二分流阀分流，一部分冷却液流向中冷器，在中冷器中的冷却液对空气进行冷却，从而将发动机的进气温度进行合理的调节。

对于中冷器的控制，由电堆功率、空气流量和空气温度来改变限流孔的大小，从而控制经过中冷器冷却液的流量，能够更精准的控制流经中冷器和电堆冷却液的流量，最大化利用冷却液冷却效果，提高电堆的散热效果。

需要说明的是，车辆管理系统实时监测车辆的车速、电堆电流、电堆功率、电堆温度、空气温度和空气流量等，所述车辆管理系统通过信号线(例如，CAN总线)与控制模块连接，所述车速通过车辆管理系统通过CAN总线发送给控制模块。

相较于现有的燃料电池发动机热管理控制的技术方案，本申请公开的技术方案具有下述的优点或优势：

1)本发明的燃料电池热管理系统，采用新型的基于多信号协同控制策略，能有效降低燃料电池电堆进出口温差、减小燃料电池电堆温度波动、提高热管理系统响应速度、增强热管理系统可靠性。

2)本发明的散热风扇控制模块，根据电堆出口冷却液温度、水泵出口冷却液流量、环境温度、车速协同控制散热风扇的转速，在电堆散热需求提升的情况下，迅速的增大散热器的散热功率，使热管理系统的响应速度快、调节时间更短和精确度更高，在拉载、最大功率工况下都能够实现稳定高效的维持电堆进出口正常工作温度。

3)本发明的水泵转速控制模块，根据电堆电流、电堆进出口冷却液温度协同PID控制器共同控制水泵的转速，能够减小电堆进出口冷却液温差，在变载的情况下温差波动更小，避免了电堆温度剧烈波动对燃料电池发动机系统工作性能和寿命的影响。

4)本发明的中冷器流量控制模块，根据电堆功率、空气流量和温度来改变空气中冷回路中的限流孔的大小，从而控制经过中冷器冷却液的流量，能够更精准的控制流经中冷器和电堆冷却液的流量，最大化利用冷却液冷却效果，提高电堆的散热效果。

5)本发明的PTC加热器控制模块，根据电堆出口冷却液温度以及电堆功率协同控制PT C加热器的开关以及加热功率，能够更精准的给冷却液提供热量，避免热量提供过多产生的能力浪费。

6)本发明的节温器开口控制模块，根据电堆功率以及电堆出口的温度来控制节温器的开口，在电堆的负载改变时，及时的调节节温器的开口，避免由于温度迟滞性带来的响应速度慢的问题，增强了热管路系统的整体性能。

尽管本申请的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本申请的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本申请进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本申请的非实质性改动仍可代表本申请的等效改动。

Claims (6)

1.一种燃料电池发动机热管理控制方法，应用于燃料电池发动机热管理控制系统，其特征在于，所述燃料电池发动机热管理控制系统包括：主散热回路、PTC加热回路、空气中冷回路、以及控制模块；

其中，所述主散热回路包括：依次连接的电堆、第二合流阀、水泵、节温器、散热器、第一合流阀、以及第二分流阀；

所述PTC加热回路包括：PTC加热器，所述PTC加热器与散热器并联；

所述空气中冷回路包括：中冷器，所述中冷器与电堆并联；

所述控制模块分别与水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器信号连接；

所述燃料电池发动机热管理控制方法包括：发动机低温启动阶段的控制方法和发动机运行阶段的控制方法；

所述发动机低温启动阶段的控制方法包括：

控制模块控制水泵的运行，以驱动所述PTC加热回路中的冷却液流经PTC加热器，并控制PTC加热器对冷却液进行加热，通过加热后的冷却液对电堆进行加热；

所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块基于多信号协同控制策略，分别对水泵、节温器、散热风扇、PTC加热器、以及中冷器进行控制，以对所述燃料电池发动机进行热管理。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机热管理控制方法，其特征在于，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆电流、电堆进出口冷却液的温度确定所述水泵的目标转速；

控制模块通过PID控制器控制水泵按所述目标转速运行，以减小电堆进出口冷却液的温差；

其中，所述电堆入口冷却液的温度通过设置于所述电堆入口的第一温度传感器检测得到，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机热管理控制方法，其特征在于，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆功率以及电堆出口的冷却液的温度确定节温器的目标开口大小；

控制模块根据所述目标开口大小调节节温器的开口，以控制所述主散热回路中流经散热器的冷却液的流量，调节散热器温度。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机热管理控制方法，其特征在于，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据根据电堆出口的冷却液的温度、水泵出口的冷却液的流量、环境温度、车速确定散热风扇的目标转速；

控制模块根据所述目标转速调节散热风扇的转速，通过所述散热风扇对散热器进行散热；

其中，所述电堆出口的冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到，所述水泵出口的冷却液的流量通过设置于所述水泵出口的流量传感器检测得到，所述环境温度通过设置于所述第一合流阀出口的第四温度传感器检测得到。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机热管理控制方法，其特征在于，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆出口冷却液的温度以及电堆功率确定PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率；

控制模块根据所述PTC加热器的目标开关状态以及目标加热功率对所述PTC加热器进行控制，以调节冷却液的热量；

其中，所述电堆出口冷却液的温度通过设置于所述电堆出口的第二温度传感器检测得到。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机热管理控制方法，其特征在于，所述发动机运行阶段控制方法包括：

控制模块根据电堆的功率、空气流量和空气温度确定所述限流孔的目标孔大小；

控制模块根据所述目标孔大小调节限流孔的大小，以控制经过中冷器冷却液的流量。

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