CN114695915A - 用于热管理的燃料电池系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：传感器装置，其测量燃料电池的入口处的冷却剂温度和外部空气温度；冷却风扇，其冷却冷却剂；以及冷却风扇控制器，其与传感器装置和冷却风扇连接。冷却风扇控制器，基于外部空气温度和燃料电池的输出值来确定冷却风扇的RPM，并基于燃料电池的入口处的冷却剂温度来校正冷却风扇的RPM。

Description

用于热管理的燃料电池系统及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年12月30日提交至韩国知识产权局的申请号为10-2020-0188353的韩国专利申请的优先权的利益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于燃料电池系统中的热管理的技术。
背景技术
燃料电池系统可以使用燃料电池组产生电能。例如，当使用氢作为用于燃料电池组的燃料时，它可能是解决全球环境问题的一种可选方案，因此，燃料电池系统的研究和研发一直在进行。燃料电池系统可以包括：燃料电池组，其产生电能；燃料供应装置，其向燃料电池组供应燃料(氢)；空气供应装置，其向燃料电池组供应空气中的氧气，该空气是电化学反应需要的氧化剂；和热管理系统(thermal management system,TMS)，其将燃料电池组的反应热释放到系统外，控制燃料电池组的操作温度，并执行水管理功能。
热管理系统可以是一种冷却装置，其使防冻剂(作为冷却剂)循环通过燃料电池组，以将燃料电池组维持在适当的温度(例如，60℃至70℃)。热管理系统可包括：TMS管线，通过其冷却剂循环；储液器，冷却剂储存在其中；泵，其使冷却剂循环；离子过滤器，其移除冷却剂中包含的离子；和散热器，其将冷却剂的热量辐射到外部。此外，热管理系统可以包括：加热器，其加热冷却剂；和HAVC单元(例如，用于加热的加热器)，其通过使用冷却剂冷却和加热包括燃料电池系统的装置(例如，车辆)的内部。热管理系统可以使车辆的功率电子部件以及燃料电池组维持适当的温度。
发明内容
提供本发明内容以介绍在下面具体实施方式中进一步描述的简化形式的概念的选择。本发明内容无意于确定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也无意于用作确定要求保护的主题的范围上的辅助。
在一个总体方面，一种燃料电池系统，包括：传感器装置，其被配置为测量燃料电池的入口处的冷却剂温度和测量外部空气温度；冷却风扇，其被配置为冷却冷却剂；以及冷却风扇控制器，其与传感器装置和冷却风扇连接。冷却风扇控制器被配置为，基于外部空气温度和燃料电池的输出值，确定冷却风扇的每分钟转数(Revolutions Per Minute,RPM)，并且基于燃料电池的入口处的冷却剂温度，校正冷却风扇的RPM。
传感器装置可以包括：冷却剂温度传感器，其被配置为测量燃料电池的入口处的冷却剂温度；以及外部空气温度传感器，其被配置为测量外部空气温度。
冷却风扇控制器可被配置为：基于燃料电池的输出值，计算燃料电池的加热值；基于燃料电池的加热值和燃料电池的入口处的冷却剂温度，计算燃料电池的出口处的冷却剂温度；基于燃料电池的出口处的冷却剂温度和外部空气温度，计算对于燃料电池的入口处的目标冷却剂温度下的空气流率或风速；以及基于空气流率或风速，确定冷却风扇的RPM。
冷却风扇控制器可被配置为：确定燃料电池的输出值是否处于低输出段；在燃料电池的输出值处于低输出段的情况下，确定燃料电池的入口处的冷却剂温度是否高于或等于第一阈值；当燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于第一阈值时，校正冷却风扇的RPM；以及在燃料电池的入口处的冷却剂温度低于第一阈值的情况下，执行控制以关闭冷却风扇。
冷却风扇控制器可被配置为，在燃料电池的输出值小于第二阈值或确定冷却风扇的RPM为0的情况下，确定燃料电池的输出值处于低输出段。
冷却风扇控制器可被配置为，在燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于第一阈值的情况下，将冷却风扇的RPM从0校正到最小RPM。
燃料电池系统可包括：第一冷却管线，其被配置为使第一冷却剂循环，第一冷却管线被配置为穿过燃料电池；第一散热器，其设置在第一冷却管线上，并被配置为冷却第一冷却剂；第二冷却管线，其被配置为使第二冷却剂循环，第二冷却管线被配置为穿过功率电子部件；和第二散热器，其设置在第二冷却管线上，并被配置为冷却第二冷却剂。冷却风扇可以被配置为冷却第一散热器，或者可以被配置为同时冷却第一散热器和第二散热器。
在另一个总体方面，一种用于操作燃料电池系统的方法包括：测量燃料电池的入口处的冷却剂温度；测量外部空气温度；基于外部空气温度和燃料电池的输出值，确定冷却风扇的每分钟转数(RPM)；以及基于燃料电池的入口处的冷却剂温度，校正冷却风扇的RPM。
确定冷却风扇的RPM可以包括：基于燃料电池的输出值，计算燃料电池的加热值；基于燃料电池的加热值和燃料电池的入口处的冷却剂温度，计算燃料电池的出口处的冷却剂温度；基于燃料电池的出口处的冷却剂温度和外部空气温度，计算对于燃料电池的入口处的目标冷却剂温度下的空气流率或风速；以及基于空气流率或风速，确定冷却风扇的RPM。
该方法可以包括：确定燃料电池的输出值是否处于低输出段；确定燃料电池的入口处的冷却剂温度是否高于或等于第一阈值；以及在燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于第一阈值的情况下，将冷却风扇的RPM从0校正到最小RPM，或者在燃料电池的入口处的冷却剂温度低于第一阈值的情况下，执行控制以关闭冷却风扇。
其他特征和方面将从以下具体实施方式、附图和权利要求书中显而易见。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，本公开的上述及其他目的、特征和优点将更加明显。
图1示出了根据各种实施例的燃料电池系统；
图2示出了根据各种实施例的燃料电池系统；
图3示出了根据各种实施例的燃料电池系统的另一示例；
图4示出了根据各种实施例的燃料电池系统的另一示例；
图5是根据各种实施例的燃料电池系统控制冷却风扇的方框图；
图6是根据各种实施例的用于控制冷却风扇的操作流程图；
图7是根据各种实施例的用于确定冷却风扇的RPM的操作流程图；以及
图8是根据各种实施例的用于校正冷却风扇的RPM的操作流程图。
关于附图的描述，相同或相似的参考数字可以用来指代相同或相似的组件。
具体实施方式
下面，参照附图可以描述本公开的各种实施例。因此，本领域的普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以以各种方式对本文描述的各种实施例进行修改、等同和/或替代。
应理解，本公开的各种实施例和其中使用的术语并不旨在将本文阐述的技术特征限制到特定实施例，而是包括相应实施例的各种变化、等同物或替代物。关于附图的描述，类似的参考数字可用于指代类似或相关的元件。应理解，对应于一个项目的名词的单数形式可以包括一个或多个事物，除非相关的上下文另外明确指出。如本文使用的，如“A或B”、“A和B中的至少一个”、“A或B中的至少一个”、“A、B或C”、“A、B和C中的至少一个”以及“A、B或C中的至少一个”这样的短语中的每一个都可以包括在相应短语之一中一起列举的项目中的任何一个或所有可能的组合。如本文使用的，如“第一”和“第二”或“第一的”和“第二的”这样的术语可以用来简单地区分对应的组件与另一组件，并且不在其他方面(例如，重要性或顺序)限制组件。应理解，如果一个元件(例如，第一元件)被称为“与另一元件(例如，第二元件)耦合”、“耦合到另一元件(例如，第二元件)”、“与另一元件(例如，第二元件)连接”，或“连接到另一元件(例如，第二元件)”，无论是否有“操作地”或“通信地”术语，这意味着该元件可以直接地(例如，有线地)、无线地或经由第三元件与其他元件耦合。
如本文使用的，术语“模块”可包括以硬件、软件或固件实现的单元，并可与其他术语(例如“逻辑”、“逻辑块”、“部件”或“电路”)互换使用。模块可以是适于执行一个或多个功能的单一整体组件、或其最小单元或部件。例如，根据一个实施例，模块可以以专用集成电路(application-specific integrated circuit,ASIC)的形式实施。
本文阐述的各种实施例可以实施为软件(例如，程序)，其包括一个或多个指令，这些指令储存在由机器可读取的存储介质(例如，内部存储器或外部存储器)中。例如，机器可以调用储存在存储介质中的一个或多个指令中的至少一个，并在处理器控制下使用或不使用一个或多个其他组件来执行它。这允许机器被操作为根据调用的至少一个指令来执行至少一个功能。一个或多个指令可包括由编译器生成的代码或由解释器可执行的代码。机器可读存储介质可以以非暂时性存储介质的形式提供。其中，术语“非暂时性”仅意味着存储介质是一种有形装置，并且不包括信号(例如，电磁波)，但这个术语并不区分数据半永久存储在存储介质中的位置和数据临时存储在存储介质中的位置。
根据一个实施例，根据本公开的各种实施例的方法可以被包括并提供在计算机程序产品中。该计算机程序产品可以作为产品在卖方和买方之间进行交易。该计算机程序产品可以以机器可读存储介质(例如，光盘只读存储器(compact disc read only memory,CD-ROM))的形式分发，或经由应用商店在线分发(例如，下载或上传)，或在两个用户装置之间直接分发。如果在线分发，计算机程序产品的至少一部分可以临时生成或至少临时存储在机器可读存储介质(例如制造商服务器的存储器、应用商店的服务器，或中继服务器)中。
根据各种实施例，上述组件中的每个组件(例如，模块或程序)可以包括单个实体或多个实体，并且多个实体中的一些可以分别设置在不同的组件中。根据各种实施例，可以省略上述组件中的一个或多个，或者可以添加一个或多个其他组件。可选地或附加地，多个组件(例如，模块或程序)可以被集成为单一组件。在这种情况下，根据各种实施例，集成组件仍然可以以与在集成之前它们通过多个组件中的对应组件所执行的那样，以相同或类似的方式执行多个组件中每一个的一个或多个功能。根据各种实施例，由模块、程序或另一组件执行的操作可以顺序地、平行地、重复地或启发式地进行，或者操作中的一个或多个可以以不同的顺序执行或省略，或者可以添加一个或多个其他操作。
图1和图2示出了根据各种实施例的燃料电池系统。
参照图1，用于车辆的燃料电池系统可包括：第一冷却管线110，其穿过车辆的燃料电池组10，并且第一冷却剂循环通过该第一冷却管线110；第二冷却管线120，其穿过车辆的功率电子部件200，并且第二冷却剂循环通过该第二冷却管线120；以及热交换器300，其允许第一冷却剂和第二冷却剂彼此交换热量。第一冷却管线110和第二冷却管线120可构成热管理系统(thermal management system,TMS)管线，第一冷却剂和第二冷却剂流动通过该热管理系统管线，同时彼此交换热量。在这种情况下，第一冷却剂或第二冷却剂可用作TMS管线中的冷却介质或加热介质。
燃料电池系统可包括：第一连接管线130，其与第一冷却管线110形成加热回路(热循环路径)；第二连接管线150，其与第一冷却管线110形成冷却/加热回路；和第三连接管线140，其与第一冷却管线110形成冷却回路以冷却第一冷却剂。例如，如图2示出的，第一冷却剂在循环通过第一连接管线130、第二连接管线150或第三连接管线140时可以被冷却或加热。
第一冷却管线110可被配置为根据车辆的状态形成用于冷却第一冷却剂的冷却回路或用于加热第一冷却剂(提高第一冷却剂的温度)的加热回路。例如，第一冷却管线110可以形成加热回路，以确保车辆最初启动时的冷启动能力，并且可以形成冷却回路，以在车辆行驶期间将从燃料电池组10产生的热量辐射到外部。燃料电池组10、第一阀20、第一泵30、第二阀40和第一散热器60可以设置在第一冷却管线110上，第一冷却剂循环通过该第一冷却管线110。
燃料电池组10(或称为“燃料电池”)可以形成这样一种结构：其能够通过燃料(例如，氢气)和氧化剂(例如，空气)的氧化-还原反应来产生电。例如，燃料电池组10可以包括：膜电极组件(membrane electrode assembly,MEA)，其中催化剂电极层(发生电化学反应的地方)附接到电解质膜的两侧，氢离子移动通过该电解质膜；气体扩散层(gas diffusionlayer,GDL)，其均匀地分布反应物气体并输送产生的电能；垫圈和紧固机构，用于维持反应物气体和第一冷却剂的气密性和适当的紧固压力；以及双极板，其使反应物气体和第一冷却剂移动。
在燃料电池组10中，作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气(氧气)可以通过双极板的流体通道分别供应给膜电极组件的负极和正极。氢气可以被供应到负极，而空气可以被供应到正极。供应到负极的氢气可以被在电解质膜的两侧上形成的电极层的催化剂分解为氢离子(质子)和电子。只有氢离子可以通过电解质膜(其是阳离子交换膜)来选择性地输送到正极，而电子可以通过都为导体的气体扩散层和双极板来输送到正极。在正极，通过电解质膜提供的氢离子和通过双极板输送的电子可以与由空气供应装置供应到正极的空气中的氧气反应以产生水。由于氢离子的运动，可以产生通过外部导体的电子流，并且通过该电子流可以产生电流。
第一阀20可以将第一冷却管线110中的第一冷却剂的流动路径切换到设置有加热器50的第一连接管线130，或燃料电池组10。例如，在第一冷却管线110上，第一阀20可以与第一泵30的一端、第一连接管线130的一端和燃料电池组10的一端连接。第一阀20可以包括能够选择性地切换第一冷却剂的流动路径的各种阀装置。例如，第一阀20可以是三通阀。在这种情况下，第一阀20可以包括：第一端口21，其与第一冷却管线110连接，以允许由第一泵30泵送的第一冷却剂流入第一阀20；第二端口22，其与第一冷却管线110连接，以允许通过第一阀20的第一冷却剂流入燃料电池组10；以及第三端口23，其与第一连接管线130的一端连接。随着第一阀20的第二端口22或第三端口23打开或关闭，第一冷却剂的流动路径可以切换到第一连接管线130的加热器50或燃料电池组10。也就是说，当第二端口22打开且第三端口23关闭时，第一冷却剂可流入燃料电池组10。相反，当第三端口23打开且第二端口22关闭时，第一冷却剂可通过第一连接管线130流入加热器50。
为了加热第一冷却剂，第一连接管线30可以与第一冷却管线110形成加热回路(热循环路径)。例如，沿第一连接管线130流动的第一冷却剂可以在通过安装在第一连接管线130上的加热器50的同时被加热。第一连接管线130的一端可以在第一点处与第一冷却管线110连接，且第一连接管线130的另一端可以在第二点处与第一连接管线110连接，其中该第一点位于第一泵30的出口和燃料电池组10之间，该第二点位于第一泵30的入口和燃料电池组10之间。在此，第一泵30的入口可以被定义为是这样的入口：第一冷却剂通过该入口流入第一泵30。第一泵30的出口可以被定义为是这样的出口：流过第一泵30的第一冷却剂通过该出口被释放。第一泵30的出口和燃料电池组10之间的段可被定义为是这样的段：从第一泵30释放的第一冷却剂通过该段流向燃料电池组10的冷却剂入口(未示出)。第一泵30的入口和燃料电池组10之间的段可被定义为是这样的段：从燃料电池组10的冷却剂出口(未示出)释放的第一冷却剂通过该段流入第一泵30的入口。
第一泵30可被配置为迫使第一冷却剂流动。第一泵30可以包括能够泵送第一冷却剂的各种手段，并且在本公开中，对第一泵30的类型和第一泵30的数量没有施加特别的限制。
第二阀40可以将第一冷却管线110中的第一冷却剂的流动路径切换到第一散热器60或燃料电池组10。例如，第二阀40可以被提供在第一冷却管线110上，以使该第二阀40位于第一泵30和第一散热器60之间，并且可以与第三连接管线140的一端和第二连接管线150的一端连接。第二阀40可以包括能够将第一冷却剂的流动路径选择性地切换到第一散热器60或燃料电池组10的各种阀装置。例如，第二阀40可以是四通阀。在这种情况下，第二阀40可以包括：第一端口41，其与第三连接管线140连接；第二端口42，其与第一冷却管线110连接，以使通过第一散热器60的第一冷却剂流入第二阀40；第三端口43，其与第二连接管线150的一端连接；以及第四端口44，其与第一冷却管线110连接，以使第一冷却剂流入第一泵30。随着第二阀40的第一端口41和第二端口42打开或关闭，第一冷却剂的流动路径可以切换到第一散热器60或燃料电池组10。也就是说，当第一端口41打开且第二端口42关闭时，第一冷却剂可流入燃料电池组10而不经过第一散热器60。相反，当第二端口42打开且第一端口41关闭时，第一冷却剂可以在通过第一散热器60之后流入燃料电池组10。
第二连接管线150可与第一冷却管线110形成冷却/加热回路，以冷却/加热HAVC单元90。例如，第二连接管线150可以形成用于加热HAVC单元90的加热器(未示出)的回路。第二连接管线150的一端可以连接至第一点(第一连接管线130的一端与第一冷却管线110连接的点)和燃料电池组10的入口之间的第一冷却管线110，并且第一冷却剂的一部分可以循环通过第二连接管线150。第二连接管线150的另一端可以连接至第一泵30和第二点(第一连接管线130的另一端与第一冷却管线110连接的点)之间的第一冷却管线110。
可以在第二连接管线150上设置离子过滤器95，该离子过滤器95可以过滤通过HAVC单元90的第一冷却剂的离子。当第一冷却剂的电导率由于系统的腐蚀或渗出而增加时，电可能流入第一冷却剂中，因此燃料电池组10可能短路或电流可能流向第一冷却剂。因此，第一冷却剂必须能够维持低导电性。为了将第一冷却剂的电导率维持在预先确定水平以下，离子过滤器95可以被配置为去除第一冷却剂中包含的离子。在停止向燃料电池组10供应第一冷却剂(或者，第一阀20的第二端口22关闭)的冷启动操作期间，第一冷却剂可在通过第一连接管线130的加热器50(加热回路)的同时循环，并可沿第二连接管线150循环。因此，即使在冷启动操作期间，也能够由设置在第二连接管线150上的离子过滤器95执行过滤(去除第一冷却剂中包含的离子)。因此，在紧接着冷启动操作之后流入燃料电池组10的第一冷却剂的电导率可以维持在预先确定水平以下。
为了冷却第一冷却剂，第三连接管线140可以与第一冷却管线110形成冷却回路。例如，第三连接管线140的一端可以连接至第一泵30和第一散热器160之间的第一冷却管线110，并且第三连接管线140的另一端可以连接至燃料电池组10的冷却剂出口和第一散热器60之间的第一冷却管线110。
第一散热器60可被配置为冷却第一冷却剂。第一散热器60可以以能够冷却第一冷却剂的各种结构形成，而且本公开不受第一散热器60的类型和结构的限制。第一散热器60可与第一储液器62连接，第一冷却剂储存在该储液器62中。
燃料电池系统可以包括：第一温度传感器112，其测量燃料电池组10和第一点(第一阀20)之间的第一冷却剂的温度；第二温度传感器114，其测量第一连接管线130的另一端和第一泵30之间的第一冷却剂的温度；以及第三温度传感器116，其测量加热器50中的第一冷却剂的温度。基于由第一温度传感器112、第二温度传感器114和第三温度传感器116测量的温度，燃料电池系统可以控制流入燃料电池组10的第一冷却剂的流入率。例如，当沿第一冷却管线110循环的第一冷却剂的测量温度低于预设目标温度时，可以将第一冷却剂的流入率控制为低于预设流率。当第一冷却剂的测量温度低于预设目标温度时，通过将流入燃料电池组10的第一冷却剂的流入速率控制为低于预设流率，可以使由停滞在燃料电池组10中的第一冷却剂的温度与流入燃料电池组10的第一冷却剂的温度之间的差值引起的热冲击和性能劣化最小化。
第二冷却管线120可被配置为穿过车辆的功率电子部件200，并且第二冷却剂可沿第二冷却管线120循环。此处，车辆的功率电子部件200可以理解为使用车辆的电力作为能源的部件，并且本公开不受车辆的功率电子部件200的类型和数量的限制。例如，功率电子部件200可以包括以下中的至少一个：第二泵205，其用于泵送第二冷却剂；双向高压DC-DC转换器(bi-directional high voltage DC-DC converter,BHDC)210，其被提供在燃料电池组10和车辆的高压电池(未示出)之间；鼓风机泵控制单元(blower pump control unit,BPCU)220，其控制为驱动燃料电池组10供应外部空气的鼓风机(未示出)；低压DC-DC转换器(low-voltage DC-DC converter,LDC)230，其将从高压电池供应的直流高压转换为直流低压；空气压缩机(air compressor,ACP)240，其将要供应到燃料电池组10中的空气压缩；或空气冷却器250。
用于迫使第二冷却剂流动的第二泵(未示出)可以设置在第二冷却管线120上。第二泵可以包括能够泵送第二冷却剂的泵送装置，而且对第二泵的类型和特征没有施加特别的限制。
用于冷却第二冷却剂的第二散热器70可以设置在第二冷却管线120上。第二散热器70可以以能够冷却第二冷却剂的各种结构形成，并且对第二散热器70的类型和结构没有施加特别的限制。第二散热器70可以与第二储液器72连接，第二冷却剂储存在该第二储液器72中。
在一个实施例中，第一散热器60和第二散热器70可被配置为同时被一个冷却风扇80冷却。例如，第一散热器60和第二散热器70可以并排设置，并且冷却风扇80可以被配置为将外部空气吹向第一散热器60和第二散热器70。通过用一个冷却风扇80同时冷却第一散热器60和第二散热器70，可以简化燃料电池系统的结构，可以提高设计的自由度和空间利用，可以使用于冷却第一散热器60和第二散热器70的功率消耗最小化。
热交换器300可被配置为使第一冷却剂和第二冷却剂彼此交换热量。将用于冷却功率电子部件200的第二冷却剂的温度设定为低于用于冷却燃料电池组10的第一冷却剂的温度。因此，通过允许第一冷却剂和第二冷却剂彼此交换热量，燃料电池系统可以实现第一冷却剂温度的降低、燃料电池组10冷却效率的提高、以及安全和可靠性的提高，甚至不用增加第一散热器60和冷却风扇80的容量。此外，燃料电池系统可在不能使用车辆诱导风的车辆(例如，施工机械)的停止状态下降低第一冷却剂的温度。因此，燃料电池系统可确保燃料电池组10的大功率运行，并可提高安全性和持久性。
在一个实施例中，热交换器300可以连接至第一散热器60的出口和燃料电池组10之间的第一冷却管线110，并且第二冷却管线120可以穿过热交换器300并且可以连接第二散热器70的出口和功率电子部件200。例如，第一冷却剂可沿连接到第一冷却管线110的热交换器300流动，并且第二冷却管线120可穿过热交换器300的内部，以暴露于第一冷却剂(例如，以允许第一冷却剂围绕第二冷却管线120流动)。如以上描述的，通过第一冷却剂和第二冷却剂之间的热交换，可以降低流入燃料电池组10的第一冷却剂的温度。穿过第一散热器60的第一冷却剂的第一温度可以高于穿过第二散热器70的第二冷却剂的第二温度，并且穿过热交换器300的第一冷却剂的第三温度可以低于第一温度。例如，第一冷却剂的第一温度可以比第二冷却剂的第二温度高约10℃，并且穿过热交换器300(或，与第二冷却剂交换热量)的第一冷却剂的第三温度可以比第一温度低1℃。
当配备有燃料电池系统的车辆行驶时，流入燃料电池组10的第一冷却剂可以不仅被冷却风扇80冷却，还可以被根据车辆速度产生的车辆诱导风冷却。当车辆处于停止状态时，可能不会产生车辆诱导风，因此，第一冷却剂可由冷却风扇80冷却。然而，在例如甚至在停止状态下执行平整或装载的任务的车辆(例如施工机械)中，通过冷却风扇80的冷却能力可能是不够的。根据本实施例的燃料电池系统可以考虑到燃料电池组10的输出值来确定冷却风扇80的RPM，从而即使在没有车辆诱导风的情况下也能有效地冷却燃料电池组10。此外，即使在燃料电池组10的低输出段，根据本实施例的燃料电池系统也可以根据冷却剂温度来校正冷却风扇80的RPM，从而更精确地调节冷却能力。
图3和图4示出了根据各种实施例的燃料电池系统的其他示例。
图1和图2中的热交换器300与第一散热器60分开设置，而图3中的热交换器300'可以与第一散热器60直接连接。热交换器300'可以以能够与第一散热器60连接的各种结构形成，而且对热交换器300'的结构和连接结构没有施加特殊的限制。例如，热交换器300'可以连接到第一散热器60的指定位置(左上部)。然而，热交换器300'连接到的第一散热器60的指定位置可以变化。
参照图4，用于冷却第一散热器60的第一风扇80和用于冷却第二散热器70的第二冷却风扇90可以分开设置。在这种情况下，燃料电池系统在控制第一冷却风扇80的RPM时可以排除与功率电子部件200的热负荷有关的参数。
图5是根据各种实施例的控制冷却风扇的燃料电池系统的方框图。参照图5，燃料电池系统可以包括传感器装置510、冷却风扇控制器520和冷却风扇530。
冷却风扇530可被配置为冷却穿过燃料电池组10的第一冷却剂。冷却风扇530可以对应于例如图1或图4的冷却风扇80。
传感器装置510可以包括能够测量温度的至少一个传感器512或514。例如，外部空气温度传感器512可以测量燃料电池系统(或车辆)外部的空气温度。外部空气温度传感器512可以设置在第一散热器60或第二散热器70的前表面上。冷却剂温度传感器514可以测量对应于燃料电池组10的入口的点(例如，对应于图1的第一温度传感器112的位置)的冷却剂温度。根据一个实施例，外部空气温度传感器512和冷却剂温度传感器514可以用一个集成模块实施，也可以用单独的组件实施。
冷却风扇控制器520可以是用于控制燃料电池系统中的冷却风扇530的硬件或软件模块。冷却风扇控制器520可与传感器装置510和冷却风扇530电连接，并可执行控制冷却风扇530的RPM的燃料电池系统的整体操作。例如，冷却风扇控制器520可以考虑到由传感器装置510测量的外部空气温度和燃料电池组10的输出值来确定冷却风扇530的RPM。燃料电池组10的输出值(或燃料电池的输出值)可由燃料电池组10的控制器(例如，燃料电池控制单元(fuel-cell control unit,FCU))来确定。基于由传感器装置510测量的燃料电池组10的入口处的冷却剂温度，冷却风扇控制器520可以校正冷却风扇530的确定的RPM。具体地，冷却风扇控制器520可以校正低输出段(其中燃料电池的输出值小于阈值)中的冷却风扇530的RPM，从而确保在车辆处于停止状态下，可能发生燃料电池组10或功率电子部件200的热负荷的情况下的冷却性能。
图6是根据各种实施例的用于控制冷却风扇的操作流程图。包括在图6至图8的操作流程图中的操作可以由燃料电池系统实施，或者可以由包括在燃料电池系统中的组件(例如，冷却风扇控制器520)实施。
参照图6，在操作610中，燃料电池系统可以通过传感器装置510测量外部空气温度和在燃料电池的入口处的冷却剂温度。燃料电池系统可以在每一特定时期或每次特定事件(例如，车辆的启动、行进、停止或作业)发生时测量外部空气温度和冷却剂温度。
在操作620中，燃料电池系统可以通过冷却风扇控制器520确定冷却风扇530的RPM。基于外部空气温度和燃料电池(或燃料电池组10)的输出值，冷却风扇控制器520可以确定冷却风扇530的RPM。
在操作630中，燃料电池系统可以通过冷却风扇控制器520来校正冷却风扇530的RPM。基于燃料电池入口处的冷却剂温度，冷却风扇控制器520可以校正冷却风扇530的RPM。
图7是根据各种实施例的用于确定冷却风扇的RPM的操作流程图。例如，图7的操作可以表示为图6的操作620的一个示例。
参照图7，在操作710中，基于燃料电池的输出值，燃料电池系统可以计算燃料电池的加热值。加热值可对应于燃料电池的内部损失，并且冷却风扇控制器520可将加热值计算为输出值/输出效率和输出值之间的差值。
在操作720中，基于燃料电池的加热值和燃料电池入口处的冷却剂温度，燃料电池系统可以计算燃料电池的出口处的冷却剂温度。在这种情况下，通过应用维持燃料电池合适温度所要求的燃料电池的入口处的目标冷却剂温度，而不使用由传感器装置510测量的燃料电池的入口处的冷却剂温度，冷却风扇控制器520可以计算燃料电池的出口处的冷却剂温度。燃料电池的出口处的冷却剂温度可以对应于散热器(例如，图1的第一散热器60)的入口处的冷却剂温度。根据一个实施例，进一步基于泵送冷却剂的泵(例如，图1的第一泵30)的RPM，冷却风扇控制器520可以计算燃料电池的出口处的冷却剂温度。
在操作730中，基于燃料电池的出口处的冷却剂温度和外部空气温度，燃料电池系统可以计算对于燃料电池的入口处的目标冷却剂温度而言的冷却风扇530的空气流率或风速。
在操作740中，基于计算出的空气流率或风速，燃料电池系统可以确定冷却风扇530的RPM。根据实施例，冷却风扇控制器520可以在数据库中存储表示外部空气温度、燃料电池的输出值和冷却风扇530的RPM之间的关系的表信息(例如，查找表)。例如，该表信息可以如以下表1中表示的。
[表1]
Figure BDA0003157203850000141
在表1中，燃料电池的输出值可以具有0＜A＜B＜C＜D＜E的关系。虽然冷却风扇530的RPM随着燃料电池的输出值或外部空气温度增加而增加，但冷却风扇530的RPM不一定直接与燃料电池的输出值或外部空气温度成比例。冷却风扇530的性能可能是有限的，并且冷却风扇控制器520可以将预先确定水平或更高水平的冷却风扇RPM设置为最大RPM。例如，W40E、W50D和W50E可以是最大RPM，并且可以都是相同的。相反，当冷却风扇530以低于预先确定水平的RPM旋转时，可能对冷却性能没有影响，因此，冷却风扇控制器520可以将预先确定水平或更低水平的冷却风扇RPM设置为最小RPM。
表示外部空气温度、燃料电池的输出值，和冷却风扇530的RPM的值可以是离散的，因此可以通过插值来处理表信息中表示的值之间的值。例如，当外部空气温度为0并且燃料电池的输出值在A和B之间时，冷却风扇控制器520可以将冷却风扇530的RPM设置为WOA。如在车辆(例如，施工机械)停止的情况下，当燃料电池的输出值小于A时，冷却风扇控制器520可以将冷却风扇530的RPM设置为0。在这种情况下，由于功率电子部件200的热负荷或空气流动路径上的通风阻力增加或减少，冷却性能可能明显下降。为了确保冷却性能，基于燃料电池的入口处的冷却剂温度，根据本实施例的燃料电池系统可以校正确定的RPM。
图8是根据各种实施例的用于校正冷却风扇的RPM的操作流程图。
参照图8，在操作810中，燃料电池系统可以通过冷却风扇控制器520来确定燃料电池的输出值是否处于低输出段。低输出段可以表示，例如，燃料电池的输出值小于指定阈值(例如，表1中的“A”)或冷却风扇530的确定的RPM为0的情况。当燃料电池的输出值不处于低输出段时，燃料电池系统可以重复操作810。
当燃料电池的输出值处于低输出段时，在操作820中，燃料电池系统可以通过冷却风扇控制器520来确定燃料电池的入口处的冷却剂温度是否高于或等于阈值。
当燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于阈值时，燃料电池系统可在操作830中通过冷却风扇控制器520来校正冷却风扇530的RPM。在这种情况下，冷却风扇控制器520可将设置为0的冷却风扇530的RPM设置到最小RPM，从而在确保冷却性能的同时减少不必要的功率消耗。
当燃料电池的入口处的冷却剂温度低于阈值时，燃料电池系统可通过冷却风扇控制器520来执行控制以关闭冷却风扇530。
根据本公开的实施例，燃料电池系统可以提高燃料电池的安全性和持久性，同时确保燃料电池组的高功率。
根据本公开的实施例，燃料电池系统可以甚至在车辆的停止状态下改善冷却性能，从而提高燃料电池的安全性和耐久性。
根据本公开的实施例，燃料电池系统可以防止因功率电子部件的热负荷而导致的冷却性能劣化。
此外，本公开可提供直接或间接确认的各种效果。
在上文中，尽管本公开已参照示例性实施例和附图进行了描述，但本公开不限于此，而是在不脱离以下权利要求中要求保护的本公开的精神和范围的情况下，可以由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和变更。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统，包括：
传感器装置，其被配置为测量燃料电池的入口处的冷却剂温度和测量外部空气温度；
冷却风扇，其被配置为冷却冷却剂；以及
冷却风扇控制器，其与所述传感器装置和所述冷却风扇连接；
其中，所述冷却风扇控制器被配置为：
基于所述外部空气温度和所述燃料电池的输出值，确定所述冷却风扇的每分钟转数(RPM)；并且
基于所述燃料电池的入口处的冷却剂温度，校正所述冷却风扇的RPM。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述传感器装置包括：
冷却剂温度传感器，其被配置为测量所述燃料电池的入口处的冷却剂温度；以及
外部空气温度传感器，其被配置为测量所述外部空气温度。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却风扇控制器被配置为：
基于所述燃料电池的输出值，计算所述燃料电池的加热值；
基于所述燃料电池的加热值和所述燃料电池的入口处的冷却剂温度，计算所述燃料电池的出口处的冷却剂温度；
基于所述燃料电池的出口处的冷却剂温度和所述外部空气温度，计算对于所述燃料电池的入口处的目标冷却剂温度下的空气流率或风速；以及
基于所述空气流率或风速，确定所述冷却风扇的RPM。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述冷却风扇控制器被配置为：
确定所述燃料电池的输出值是否处于低输出段；
在所述燃料电池的输出值处于低输出段的情况下，确定所述燃料电池的入口处的冷却剂温度是否高于或等于第一阈值；
当所述燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于所述第一阈值时，校正所述冷却风扇的RPM；以及
在所述燃料电池的入口处的冷却剂温度低于所述第一阈值的情况下，执行控制以关闭所述冷却风扇。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述冷却风扇控制器被配置为，在所述燃料电池的输出值小于第二阈值或确定所述冷却风扇的RPM为0的情况下，确定所述燃料电池的输出值处于低输出段。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述冷却风扇控制器被配置为，在所述燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于所述第一阈值的情况下，将所述冷却风扇的RPM从0校正到最小RPM。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
第一冷却管线，其被配置为使第一冷却剂循环，所述第一冷却管线被配置为穿过所述燃料电池；
第一散热器，其设置在所述第一冷却管线上，并被配置为冷却所述第一冷却剂；
第二冷却管线，其被配置为使第二冷却剂循环，所述第二冷却管线被配置为穿过功率电子部件；和
第二散热器，其设置在所述第二冷却管线上，并被配置为冷却所述第二冷却剂；
其中，所述冷却风扇被配置为同时冷却所述第一散热器和所述第二散热器。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
第一冷却管线，其被配置为使第一冷却剂循环，所述第一冷却管线被配置为穿过所述燃料电池；
第一散热器，其设置在所述第一冷却管线上，并被配置为冷却所述第一冷却剂；
第二冷却管线，其被配置为使第二冷却剂循环，所述第二冷却管线被配置为穿过功率电子部件；和
第二散热器，其设置在所述第二冷却管线上，并被配置为冷却所述第二冷却剂；
其中，所述冷却风扇被配置为冷却所述第一散热器。
9.一种用于操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：
测量燃料电池的入口处的冷却剂温度；
测量外部空气温度；
基于所述外部空气温度和所述燃料电池的输出值，确定所述冷却风扇的每分钟转数(RPM)；以及
基于所述燃料电池的入口处的冷却剂温度，校正所述冷却风扇的RPM。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定所述冷却风扇的RPM包括：
基于所述燃料电池的输出值，计算所述燃料电池的加热值；
基于所述燃料电池的加热值和所述燃料电池的入口处的冷却剂温度，计算所述燃料电池的出口处的冷却剂温度；
基于所述燃料电池的出口处的冷却剂温度和所述外部空气温度，计算对于所述燃料电池的入口处的目标冷却剂温度下的空气流率或风速；以及
基于所述空气流率或风速，确定所述冷却风扇的RPM。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定所述燃料电池的输出值是否处于低输出段；
确定所述燃料电池的入口处的冷却剂温度是否高于或等于第一阈值；以及
在所述燃料电池的入口处的冷却剂温度高于或等于所述第一阈值的情况下，将所述冷却风扇的RPM从0校正到最小RPM，或者在所述燃料电池的入口处的冷却剂温度低于所述第一阈值的情况下，执行控制以关闭所述冷却风扇。
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