CN114695929A - 电堆温度估算方法、调节方法以及存储介质、电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池的电堆温度估算方法、调节方法以及存储介质、电子设备，所述估算方法包括以下步骤：基于麦克斯韦‑玻尔兹曼分布构造燃料电池电堆中各单体电池的温度与燃料电池的冷却液温度之间的温差函数；采集燃料电池的空气进气温度和冷却液出口温度，并获取单体电池的冷却液流道面积；根据空气进气温度、冷却液出口温度和温差函数估算各单体电池的温度。该燃料电池的电堆温度估算方法，无需在电堆中设置温度传感器，也能实现电堆温度的估算，成本低且易实现。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种电堆温度估算方法、调节方法以及存储介质、电子设备。
背景技术
燃料电池的电堆由上百片单体电池(cell)组成，越接近端板处的单片电池散热情况越好，越接近电堆中间的单片电池散热条件越差，由此导致了电堆温度的不一致性。电堆温度的不一致性是诱发单体电池性能衰减的主要因素，率先衰减的单体电池一般为温度最高的那个，过高的温度会损伤质子交换膜，引起膜穿孔，降低膜的疲劳耐久性；而过低的温度，同样会使电池发电效率下降，且有缺气风险，腐蚀气体扩散电极的碳层。电堆温度的不一致性无法消除，且电堆温度的不一致性程度会随着其他工况条件的变化而变化，包括电堆发电密度、空气进气温度、电堆内部水蒸气含量、冷却液流量温度及进出口温差等。
为此，相关技术中提出了通过在电堆中布置传感器检测电堆温度的不一致性，进而根据检测结果对电堆温度进行调整。然而，因为市场对电堆的体积功率密度要求极高，故在电堆内部布置传感器会降低电堆的体积功率密度，极大削弱产品的市场竞争力；且布置传感器，会产生很大的电磁干扰，故对传感器的抗干扰能力要求极为严苛，目前市场上暂无满足该要求的传感器产品。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池的电堆温度估算方法，以在电堆中未设置温度传感器的情况下也能估算得到电堆温度，成本低且易实现。
本发明的第二个目的在于提出一种燃料电池的电堆温度调节方法。
本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
本发明的第四个目的在于提出一种电子设备。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种燃料电池的电堆温度估算方法，包括以下步骤：基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布构造所述燃料电池电堆中各单体电池的温度与所述燃料电池的冷却液温度之间的温差函数；采集所述燃料电池的空气进气温度和冷却液出口温度，并获取单体电池的冷却液流道面积；根据所述空气进气温度、所述冷却液出口温度和所述温差函数估算各单体电池的温度。
本发明实施例的燃料电池的电堆温度估算方法，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布进行电堆温度的估算，由此无需在电堆中设置温度传感器，也能实现电堆温度的估算，成本低且易实现。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种燃料电池的电堆温度调节方法，包括以下步骤：利用上述第一方面实施例所述的燃料电池的电堆温度估算方法，估算燃料电池电堆的最高温度和最低温度；计算所述最高温度与所述最低温度之间的温差；采集所述燃料电池的中冷器中冷却液温度；根据所述温差和所述冷却液温度调节所述中冷器的冷却液流量。
本发明实施例的燃料电池的电堆温度调节方法，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布进行电堆温度的估算，并基于估算结果对中冷器的冷却液流量进行调节，由此可增强电堆温度的一致性，且该方法简单易实现。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现上述的燃料电池的电堆温度调节方法。
为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现上述的燃料电池的电堆温度调节方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的燃料电池的电堆温度估算方法的流程图；
图2是本发明实施例的燃料电池的电堆温度调节方法的流程图；
图3是本发明一个具体实施例的燃料电池的电堆温度调节方法的流程图。
具体实施方式
鉴于电堆温度在线检测方案的不可行性，本发明基于大量实验数据，总结出电堆温度总是呈中间温度最高，两边温度低的恒定分布规律。并且，电堆处于稳态时，有恒等式：耗氢量×氢气热值+输出电压×电流-冷却液带走热量＝电堆自由散热量。
考虑到若自由散热量为0，则电堆内部的温升曲线与冷却液的温升曲线重合。然而实际上，自由散热量一定存在，电堆内部的温升曲线一定会与冷却液分开，故电堆温度与冷却液温度会存在差值。由于电堆的放热反应仅发生在阴极，阴极通入的是空气，故电堆的自由散热可视为阴极空气的自由散热过程，阳极和膜电极仅仅起到热传递的作用。
根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布理论，(宏观)物理系统的温度都是组成该系统的分子和原子的运动的结果(除电离层、空间等离子体等非弹性碰撞系统)。阴极空气显然为弹性碰撞系统，故可认为电堆的自由散热量基本符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布规律，同理可推得电堆各单电池与冷却液的温差基本符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布规律。
基于此，本发明提出了一种燃料电池的电堆温度估算方法、调节方法以及存储介质、电子设备。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的燃料电池的电堆温度估算方法、调节方法以及存储介质、电子设备。
图1是本发明实施例的燃料电池的电堆温度估算方法的流程图。
如图1所示，该燃料电池的电堆温度估算方法包括以下步骤：
S101，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布构造燃料电池电堆中单体电池的温度与燃料电池的冷却液温度之间的温差函数。
具体地，温差函数可通过下式(1)表示：
其中，ΔT(x)为第x片单体电池与冷却液温度之间的温差，x＝1时，第1片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最近的单体电池，以此类推，x＝n时，第n片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最远的单体电池。Q为稳态下电堆的自由散热量，n为电堆内部的单体电池片数，1≤x≤n，c2为空气比热容，m为空气相对分子质量，k为玻尔兹曼常数，T为空气进气温度。
具体而言，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布的电堆内部各片单体电池温度，在工况稳定的条件下，单体电池温度与冷却液温度之间的温差ΔT(x)的基本表达式为下式(2)：
其中，a为ΔT(x)的峰值，x＝1时，第1片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最近的单体电池，以此类推，x＝n时，第n片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最远的单体电池，c为麦克斯韦-玻尔兹曼分布的标准差。
根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布定理，可得到麦克斯韦-玻尔兹曼分布的标准差c如下式(3)：
其中，m为空气摩尔质量，k为玻尔兹曼常数，T为空气进气温度。
根据能量守恒，可得电堆自由散热量Q为下式(4)：
Q＝∫LΔHdt-∫UIdt-c1Δt∫fdt (4)
其中，L为电堆的氢气消耗量，ΔH为氢气的低热值，U和I分别为电堆的输出电压和电流，c1为冷却液比热容，Δt为冷却液进出口温度差值，f为冷却液单位时间内的流量。
因此，ΔT(x)的峰值a计算如下式(5)-(6)：
其中，c2为空气比热容。
由此，基于上式(2)、(3)和(6)可得到上式(1)。
S102，采集燃料电池的空气进气温度和冷却液出口温度，并获取单体电池的冷却液流道面积。
S103，根据空气进气温度、冷却液出口温度和温差函数估算各单体电池的温度。
具体地，可通过如下公式(7)估算各单体电池的温度：
其中，Tstack(x)为第x片单体电池的温度，h为冷却液与单体电池的热对流换热系数，A为单体电池的冷却液流道面积，c1为电堆冷却液比热容，t(n)为冷却液出口温度。
具体而言，假设x＝1时，第1片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最近的单体电池，以此类推，x＝n时，第n片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最远的单体电池。则电堆温度分布函数Tstack(x)的推导过程如下：
堆内堆叠的单体电池与冷却液之间存在如下两组热对流热交换的动态平衡方程组：
方程组一：
和方程组二：
其中，h为冷却液与电堆之间的换热系数，φn为第n片单体电池与冷却液的热交换量，t(x)为冷却液的温升函数。
方程组一做累加可得式：
再根据方程组二，换算可得：
基于式(9)可得：
基于式(10)可得到上式(7)。
综上，本发明实施例的燃料电池的电堆温度估算方法，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布对燃料电池电堆温度进行估算，无需在电堆中设置温度传感器即可得到电堆温度，成本低且易实现。
图2是本发明实施例的燃料电池的电堆温度调节方法的流程图。
如图2所示，燃料电池的电堆温度调节方法包括以下步骤：
S201，利用上述实施例的燃料电池的电堆温度估算方法，估算燃料电池电堆的最高温度和最低温度。
具体地，可通过如下公式(11)估算电堆的最高温度和最低温度：
其中，Tmax为最高温度，Tmin为最低温度，Tstack(1)、Tstack(n)分别是位于中间的单体电池温度、位于最外侧的单体电池温度。
S202，计算最高温度与最低温度之间的温差。
具体地，温差为Tmax-Tmin。
S203，采集燃料电池的中冷器中冷却液温度。
S204，根据温差和冷却液温度调节中冷器的冷却液流量。
具体地，根据温差和冷却液温度调节中冷器的冷却液流量，可包括：判断温差是否大于预设温差阈值；如果温差大于预设温差阈值，则根据冷却液温度计算流量调节幅值；将中冷器的冷却液流量减小流量调节幅值，并返回估算燃料电池电堆的最高温度和最低温度的步骤。
其中，可通过如下公式计算流量调节幅值：
其中，ΔS为流量调节幅值，c2为空气比热容，c3为中冷器中冷却液比热容，Δt为预设温度幅值，t为冷却液温度。其中，预设温度幅值的取值范围可为3～8℃，如为5℃，即以提高5℃温度提升梯度，增加空气进气温度，降低中冷器冷却液流量ΔS。
在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，首先构造电堆内部温度与冷却液温度的温差函数，同时考虑电堆能量守恒方程，可得到式(7)中的电堆温度函数。然后设定电堆内部最大允许温差，即预设温差阈值T1，采集空气进气温度T，基于式(7)估算得到电堆的最高温度Tmax和最低温度Tmin，并计算得到两温度的温差Tmax-Tmin。最后计算判断该温差Tmax-Tmin是否大于温差阈值T1，如果Tmax-Tmin＞T1，则说明燃料电池电堆的温度一致性不强，此时可将中冷器冷却液流量降低
以增强燃料电池电堆的温度一致性，调节结束后，可返回电堆最高温度和最低温度的估算；如果Tmax-Tmin≤T1，则说明燃料电池电堆的温度一致性较强，燃料电池性能较好，可不对电堆温度进行调节。
综上，本发明实施例的燃料电池的电堆温度调节方法，基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布进行电堆温度的估算，并基于估算结果对中冷器的冷却液流量进行调节，由此可增强电堆温度的一致性，且该方法简单易实现。
进一步地，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现上述实施例的燃料电池的电堆温度调节方法。
该计算机可读存储介质，在其上存储的与上述的燃料电池的电堆温度估算方法对应的计算机程序被处理器执行时，可无需在电堆设置传感器也能实现电堆温度的估算，成本低且易实现；或者，在其上存储的与上述实施例的燃料电池的电堆温度调节方法对应的计算机程序被处理器执行时，可无需在电堆设置传感器也能实现电堆最高温度和最低温度的估算，进而基于两温度的温差对中冷器的冷却液流量进行调节，可增强电堆温度的一致性，成本低且易实现。
本发明还提出了一种电子设备。
在该实施例中，电子设备包括存储器、处理器和存储在存储器上的计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现上述实施例的燃料电池的电堆温度调节方法。
该电子设备，在其存储器上存储的与上述的燃料电池的电堆温度估算方法对应的计算机程序被处理器执行时，可无需在电堆设置传感器也能实现电堆温度的估算，成本低且易实现；或者，在其上存储的与上述实施例的燃料电池的电堆温度调节方法对应的计算机程序被处理器执行时，可无需在电堆设置传感器也能实现电堆最高温度和最低温度的估算，进而基于两温度的温差对中冷器的冷却液流量进行调节，可增强电堆温度的一致性，成本低且易实现。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种燃料电池的电堆温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于麦克斯韦-玻尔兹曼分布构造所述燃料电池电堆中各单体电池的温度与所述燃料电池的冷却液温度之间的温差函数；
采集所述燃料电池的空气进气温度和冷却液出口温度，并获取单体电池的冷却液流道面积；
根据所述空气进气温度、所述冷却液出口温度和所述温差函数估算各单体电池的温度。
2.如权利要求1所述的燃料电池的电堆温度估算方法，其特征在于，所述温差函数通过下式表示：
其中，n为所述电堆内部的单体电池片数，ΔT(x)为第x片(1≤x≤n)单体电池与冷却液温度之间的温差函数，x＝1时，第1片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最近的单体电池，x＝n时，第n片单体电池指的是电堆内部距离冷却液主流道进水口最远的单体电池，Q为稳态下电堆的自由散热量，c2为空气比热容，m为空气相对分子质量，k为玻尔兹曼常数，T为空气进气温度。
3.如权利要求2所述的燃料电池的电堆温度估算方法，其特征在于，通过如下公式估算各单体电池的温度：
其中，Tstack(x)为第x片单体电池的温度，h为冷却液与单体电池的热对流换热系数，A为所述单体电池的冷却液流道面积，c1为电堆冷却液比热容，t(n)为所述冷却液出口温度。
4.一种燃料电池的电堆温度调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用如权利要求1-3中任一项所述的燃料电池的电堆温度估算方法，估算燃料电池电堆的最高温度和最低温度；
计算所述最高温度与所述最低温度之间的温差；
采集所述燃料电池的中冷器中冷却液温度；
根据所述温差和所述冷却液温度调节所述中冷器的冷却液流量。
5.如权利要求4所述的燃料电池的电堆温度调节方法，其特征在于，通过如下公式估算所述电堆的最高温度和最低温度：
其中，Tmax为所述最高温度，Tmin为所述最低温度。
6.如权利要求4所述的燃料电池的电堆温度调节方法，其特征在于，所述根据所述温差和所述冷却液温度调节所述中冷器的冷却液流量，包括：
判断所述温差是否大于预设温差阈值；
如果所述温差大于所述预设温差阈值，则根据所述冷却液温度计算流量调节幅值；
将所述中冷器的冷却液流量减小所述流量调节幅值，并返回估算所述燃料电池电堆的最高温度和最低温度的步骤。
7.如权利要求6所述的燃料电池的电堆温度调节方法，其特征在于，通过如下公式计算所述流量调节幅值：
其中，ΔS为所述流量调节幅值，c2为空气比热容，c3为所述中冷器中冷却液比热容，Δt为预设温度幅值，t为所述冷却液温度。
8.如权利要求7所述的燃料电池的电堆温度调节方法，其特征在于，预设温度幅值的取值范围为3～8℃。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现如权利要求5-8中任一项所述的燃料电池的电堆温度调节方法。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池的电堆温度估算方法，或者，实现如权利要求5-8中任一项所述的燃料电池的电堆温度调节方法。
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