CN114447379A - 一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器 - Google Patents

一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器，其中温度控制方法包括：采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值等数据，根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；判断冷却液出口目标温度值与实时温度值之差是否小于温差设定值，若是，则启动风扇控制策略，计算风扇占空比，再判断风扇占空比是否大于等于最小设定占空比，且小于等于最大设定占空比，若是，则直接输出风扇占空比控制风扇转速；若小于最小设定占空比，则减少风扇个数，计算风扇占空比用于控制风扇转速；若大于最大设定占空比，则增加风扇个数，并考虑风扇启动延时，计算风扇占空比用于控制风扇转速。本发明可满足燃料电池效率及寿命。

Description

一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器。
背景技术
针对不同膜电极，燃料电池需在不同电流调度点选择合适的温度操作点，通过精细化的水热管理提升燃料电池的性能、稳定性及寿命。现有燃料电池控制技术主要针对燃料电池温度进行闭环控制，通过环境温度对控制输出进行修正，其缺点是反应速度慢，风扇启动响应速度慢，温度控制反应时间长，温度闭环控制容易产生震荡等现象；部分控制技术采用环境温度、产热功率计算出散热风量，从而进行温度控制，该方法响应速度快，但是理论计算出来的结果和实际有一定偏差，且受使用工况影响较大，导致相同目标温度有控制偏差；综上所述温度震荡、偏差等情况都会影响燃料电池内部的水热平衡，从而影响燃料电池的性能、稳定性及寿命。
发明内容
为了更加快速、精准的控制燃料电池冷却液温度，本发明提出一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器，可满足燃料电池效率及寿命。
本发明采用的技术方案如下：
一种燃料电池冷却液温度控制方法，包括以下步骤：
S1.采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
S2.判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若是，则启动风扇控制策略，根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S3；否则，执行步骤S1；
S3.判断风扇占空比是否小于最小设定占空比，若是，则减少风扇个数，执行步骤S6；否则，再判断风扇占空比是否大于最大设定占空比，若是，则增加风扇个数，执行步骤S4，否则执行步骤S6；
S4.判断是否达到风扇启动延时，若是，则执行步骤S6；否则，执行步骤S5；
S5.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化前个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S6.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化后个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S7.输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
进一步地，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
一种燃料电池冷却液温度控制器，包括：
采集模块，用于采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
判断模块，用于判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若大于或等于温差设定值，则转至采集模块；若小于温差设定值，则启动风扇控制策略，转至计算模块；
计算模块，用于根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比；
选择模块，用于判断计算模块得到的风扇占空比是否大于等于最小设定占空比，且小于等于最大设定占空比，若是，则直接输出风扇占空比控制风扇转速；若小于最小设定占空比，则减少风扇个数，重新计算风扇占空比并用于控制风扇转速；若大于最大设定占空比，则增加风扇个数，并考虑风扇启动延时，在达到风扇启动延时之前，风扇个数按变化前计算风扇占空比，达到风扇启动延时之后，风扇个数按变化后计算风扇占空比，再输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
进一步地，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
一种燃料电池冷却液温度控制系统，包括上述控制器，还包括燃料电池、水泵、补水箱、m个散热器、m·n个风扇、环境温度传感器、冷却液温度传感器、电流传感器和电压传感器，其中m,n≥2，燃料电池通过管路连接散热器，散热器通过并列方式进行散热，每个散热器上面有n组风扇，散热器通过管路与水泵相连，水泵出口与燃料电池入口相连，形成整个散热回路；环境温度传感器安装在风扇进风口附近，冷却液温度传感器安装在燃料电池冷却液出口，电流传感器和电压传感器分别安装在燃料电池的输出端，控制器分别与风扇、环境温度传感器、冷却液温度传感器、电流传感器、电压传感器连接。
进一步地，燃料电池发电产生热量通过冷却液吸收，水泵将冷却液吸收的热量传送到散热器，风扇将冷却液降温，再通过水泵将降温后的冷却液传输到燃料电池的入口。
进一步地，环境温度传感器用于检测风扇入口的环境温度T1并传至控制器，冷却液温度传感器用于检测燃料电池冷却液出口温度T并传至控制器，电流传感器用于检测燃料电池的输出电流I并传至控制器，电压传感器用于检测燃料电池的输出电压V并传至控制器。
进一步地，控制器根据输出电流I、输出电压V、环境温度T1、冷却液出口温度T、目标温度Ts、风扇个数计算风扇占空比，控制器将风扇占空比传送至相应的风扇，相应风扇根据风扇占空比调整风扇转速控制散热，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
本发明的有益效果在于：
1、通过环境温度、燃料电池产热、风扇特性曲线计算风扇初始占空比，在初始占空比的基础上采用闭环控制得到风扇占空比，可缩短闭环控制时间，减小控制偏差；
2、根据风扇占空比大小切换风扇个数，使风扇工作在最优效率区间内，可减少风扇损耗，避免风扇大占空比产生的噪音；
3、切换过程中考虑风扇启动延时，风扇启动前按原风扇个数计算占空比，启动延时后按新风扇个数重新计算风扇占空比，可避免温度过冲。
附图说明
图1是本发明实施例1的燃料电池冷却液温度控制方法流程图。
图2是本发明实施例3的燃料电池冷却液温度控制系统原理图。
附图标记：1-燃料电池，2-水泵，3-补水箱，4-散热器，5-风扇，6-控制器，7-环境温度传感器，8-冷却液温度传感器，9-电流传感器，10-电压传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种燃料电池冷却液温度控制方法，根据不同调度电流设定相应的温差设定值，启动风扇控制策略；通过环境温度、燃料电池产热、风扇特性曲线(即风扇风量曲线)计算风扇初始占空比，在风扇初始占空比的基础上采用闭环控制得到风扇占空比，缩短闭环控制时间，减小控制偏差；再根据风扇占空比大小切换风扇个数，使风扇工作在最大效率区间内，减少风扇损耗，避免风扇大占空比产生的噪音；风扇切换过程中，考虑风扇启动延时，在达到风扇延时之前按原风扇个数计算占空比，在达到风扇延时后按新风扇个数计算占空比，防止风扇启动延时引起温度过冲。
如图1所示，该燃料电池冷却液温度控制方法，包括以下步骤：
S1.采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
S2.判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若是，则启动风扇控制策略，根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S3；否则，执行步骤S1；
S3.判断风扇占空比是否小于最小设定占空比，若是，则表明风扇个数太多，风扇没有工作在最高效率工作区间，此时相应减少风扇个数，执行步骤S6；否则，再判断风扇占空比是否大于最大设定占空比，若是，则表明风扇个数太少，风扇没有工作在最高效率工作区间，风扇占空比越大产生的噪音越大，对环境造成影响，此时相应增加风扇个数，执行步骤S4，否则执行步骤S6；
S4.增加风扇需要考虑风扇启动延时，在达到风扇启动延时之前，风扇个数按变化前计算占空比，达到风扇启动延时之后，风扇个数按变化后计算占空比。因此先判断是否达到风扇启动延时，若是，则执行步骤S6；否则，执行步骤S5；
S5.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化前个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S6.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化后个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S7.输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
优选地，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
实施例2
本实施例提供了一种燃料电池冷却液温度控制器，包括：
采集模块，用于采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
判断模块，用于判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若大于或等于温差设定值，则转至采集模块；若小于温差设定值，则启动风扇控制策略，转至计算模块；
计算模块，用于根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比；
选择模块，用于判断计算模块得到的风扇占空比是否大于等于最小设定占空比，且小于等于最大设定占空比，若是，则直接输出风扇占空比控制风扇转速；若小于最小设定占空比，则表明风扇个数太多，风扇没有工作在最高效率工作区间，此时相应减少风扇个数，重新计算风扇占空比并用于控制风扇转速；若大于最大设定占空比，则表明风扇个数太少，风扇没有工作在最高效率工作区间，风扇占空比越大产生的噪音越大，对环境造成影响，此时相应增加风扇个数，并考虑风扇启动延时，在达到风扇启动延时之前，风扇个数按变化前计算风扇占空比，达到风扇启动延时之后，风扇个数按变化后计算风扇占空比，再输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
优选地，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
本实施例的控制器能够根据不同调度电流设定相应的温差设定值，启动风扇控制策略；通过环境温度、燃料电池产热、风扇特性曲线(即风扇风量曲线)计算风扇初始占空比，在风扇初始占空比的基础上采用闭环控制得到风扇占空比，缩短闭环控制时间，减小控制偏差；再根据风扇占空比大小切换风扇个数，使风扇工作在最大效率区间内，减少风扇损耗，避免风扇大占空比产生的噪音；风扇切换过程中，考虑风扇启动延时，在达到风扇延时之前按原风扇个数计算占空比，在达到风扇延时后按新风扇个数计算占空比，防止风扇启动延时引起温度过冲。
实施例3
本实施例在实施例2提供的控制器的基础上：
本实施例提供了一种燃料电池冷却液温度控制系统，如图2所示，包括燃料电池1、水泵2、补水箱3、m个散热器4、m·n个风扇5、控制器6、环境温度传感器7、冷却液温度传感器8、电流传感器9和电压传感器10，其中m,n≥2，燃料电池1通过管路连接散热器4，散热器4通过并列方式进行散热，每个散热器4上面有n组风扇5，散热器4通过管路与水泵2相连，水泵2出口与燃料电池1入口相连，形成整个散热回路；环境温度传感器7安装在风扇5进风口附近，冷却液温度传感器8安装在燃料电池1冷却液出口，电流传感器9和电压传感器10分别安装在燃料电池1的输出端，控制器分别与风扇5、环境温度传感器7、冷却液温度传感器8、电流传感器9、电压传感器10连接。其中：
燃料电池1发电产生热量通过冷却液吸收，水泵2将冷却液吸收的热量传送到散热器4，风扇5将冷却液降温，再通过水泵2将降温后的冷却液传输到燃料电池1的入口。
环境温度传感器7用于检测风扇5入口的环境温度T1并传至控制器，冷却液温度传感器8用于检测燃料电池1冷却液出口温度T并传至控制器，电流传感器9用于检测燃料电池1的输出电流I并传至控制器，电压传感器10用于检测燃料电池1的输出电压V并传至控制器。
控制器根据输出电流I、输出电压V、环境温度T1、冷却液出口温度T、目标温度Ts、风扇5个数计算风扇占空比，控制器将风扇占空比传送至相应的风扇5，相应风扇5根据风扇占空比调整风扇5转速控制散热，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
优选地，如图2所示，散热器4可设置为两个，这两个散热器4通过并列方式进行散热，每个散热器4设置两组风扇5来进行散热。
需要说明的是，对于前述方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

Claims (8)

1.一种燃料电池冷却液温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
S2.判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若是，则启动风扇控制策略，根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S3；否则，执行步骤S1；
S3.判断风扇占空比是否小于最小设定占空比，若是，则减少风扇个数，执行步骤S6；否则，再判断风扇占空比是否大于最大设定占空比，若是，则增加风扇个数，执行步骤S4，否则执行步骤S6；
S4.判断是否达到风扇启动延时，若是，则执行步骤S6；否则，执行步骤S5；
S5.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化前个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S6.根据环境温度、电堆产热功率、风扇优化后个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比，再执行步骤S7；
S7.输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池冷却液温度控制方法，其特征在于，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
3.一种燃料电池冷却液温度控制器，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集燃料电池电堆冷却液出口实时温度值、电堆输出电流及输出电压，并采集环境温度；根据调度电流查找冷却液出口目标值温度、温差设定值和初始风扇个数；
判断模块，用于判断冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值之差是否小于温差设定值，若大于或等于温差设定值，则转至采集模块；若小于温差设定值，则启动风扇控制策略，转至计算模块；
计算模块，用于根据采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，再根据电堆产热功率、环境温度和初始风扇个数计算风扇初始占空比；根据冷却液出口目标温度值与冷却液出口实时温度值的差值，通过PI控制算法得到风扇调节占空比；由风扇初始占空比和风扇调节占空比之和得到风扇占空比；
选择模块，用于判断计算模块得到的风扇占空比是否大于等于最小设定占空比，且小于等于最大设定占空比，若是，则直接输出风扇占空比控制风扇转速；若小于最小设定占空比，则减少风扇个数，重新计算风扇占空比并用于控制风扇转速；若大于最大设定占空比，则增加风扇个数，并考虑风扇启动延时，在达到风扇启动延时之前，风扇个数按变化前计算风扇占空比，达到风扇启动延时之后，风扇个数按变化后计算风扇占空比，再输出风扇占空比控制风扇转速，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池冷却液温度控制器，其特征在于，计算风扇初始占空比的方法为：通过采集的电堆输出电流及输出电压计算电堆产热功率，根据电堆产热功率和风扇入口的环境温度得到电堆所需的散热风量，再根据散热风量、风扇个数和风扇风量曲线计算出风扇初始占空比。
5.一种燃料电池冷却液温度控制系统，包括如权利要求3或4所述的控制器，其特征在于，还包括燃料电池(1)、水泵(2)、补水箱(3)、m个散热器(4)、m·n个风扇(5)、环境温度传感器(7)、冷却液温度传感器(8)、电流传感器(9)和电压传感器(10)，其中m,n≥2，燃料电池(1)通过管路连接散热器(4)，散热器(4)通过并列方式进行散热，每个散热器(4)上面有n组风扇(5)，散热器(4)通过管路与水泵(2)相连，水泵(2)出口与燃料电池(1)入口相连，形成整个散热回路；环境温度传感器(7)安装在风扇(5)进风口附近，冷却液温度传感器(8)安装在燃料电池(1)冷却液出口，电流传感器(9)和电压传感器(10)分别安装在燃料电池(1)的输出端，控制器分别与风扇(5)、环境温度传感器(7)、冷却液温度传感器(8)、电流传感器(9)、电压传感器(10)连接。
6.根据权利要求5所述的燃料电池冷却液温度控制系统，其特征在于，燃料电池(1)发电产生热量通过冷却液吸收，水泵(2)将冷却液吸收的热量传送到散热器(4)，风扇(5)将冷却液降温，再通过水泵(2)将降温后的冷却液传输到燃料电池(1)的入口。
7.根据权利要求5所述的燃料电池冷却液温度控制系统，其特征在于，环境温度传感器(7)用于检测风扇(5)入口的环境温度T1并传至控制器，冷却液温度传感器(8)用于检测燃料电池(1)冷却液出口温度T并传至控制器，电流传感器(9)用于检测燃料电池(1)的输出电流I并传至控制器，电压传感器(10)用于检测燃料电池(1)的输出电压V并传至控制器。
8.根据权利要求6所述的燃料电池冷却液温度控制系统，其特征在于，控制器根据输出电流I、输出电压V、环境温度T1、冷却液出口温度T、目标温度Ts、风扇(5)个数计算风扇占空比，控制器将风扇占空比传送至相应的风扇(5)，相应风扇(5)根据风扇占空比调整风扇(5)转速控制散热，使产热与散热达到平衡，从而稳定冷却液温度。
CN202111624810.0A 2021-12-28 2021-12-28 一种燃料电池冷却液温度控制方法、系统及其控制器 Pending CN114447379A (zh)

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