CN114864997A - 一种燃料电池的冷却系统及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池的冷却系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种燃料电池的冷却系统及控制方法，系统包括：燃料电池控制器、第一循环冷却模块、第二循环冷却模块和换热器模块；燃料电池控制器用于控制各模块的工作；第一循环冷却模块用于低温工作模式下的循环冷却；第二循环冷却模块用于高温工作模式下的循环冷却；换热器模块用于高温工作模式下的第一循环冷却模块和第二循环冷却模块之间的热交换。本申请可以实现在不同的工作环境温度下，采用不同的工作模式，通过大小循环系统和内外循环系统相结合的方式来实现对电堆的温度控制，可根据环境温度的变化设定不同的电堆冷却系统工作模式，降低冷却系统整体运行功率。

Description

一种燃料电池的冷却系统及其控制方法
技术领域
本申请涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的冷却系统及其控制方法。
背景技术
21世纪以来，随着经济的发展，全球能源需求不断增加，导致世界面临着全球变暖、环境污染以及能源危机等一列问题。世界各国纷纷开始寻求一种可再生的清洁能源。其中，氢燃料电池电堆因具有单位体积能量密度高，零排放，电转换效率高等优点，成为目前各国主要研究的新能源发展方向之一。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell，PEMFC)电堆较其它燃料电池电堆相比，因其工作温度低、启动快、高效率、膜的耐腐蚀性强、使用寿命长以及易于推广的优点被广泛应用于便携式电源、交通运输以及固定式发电站等方面。目前，PEMFC电堆主要应用公交和物流领域。
PEMFC电堆是一种低温燃料电池电堆，其工作环境温度对其的输出性能影响很大。通常在燃料电池电堆的外部设置两条并联的回路，其中一条冷却回路作为冷却小循环满足燃料电池电堆的快速暖机需求，另一条冷却回路作为冷却大循环满足燃料电池电堆的散热需求，大小循环的切换是通过蜡式节温器来实现切换的。虽然可以满足电堆的冷却需求，但是未考虑环境温度的变化，使得冷却系统的整体能耗较高，大小循环切换时会造成温度的波动。另外，冷却系统中的水泵是通过检测电堆冷却水出入口温差的方式来实现控制，散热风扇通过检测电堆入口冷却液温度的方式来实现控制。此种方法存在风扇和水泵的控制耦合关系，造成温度控制超调量大，调节时间长的问题。
发明内容
本申请公开了一种燃料电池的冷却系统及控制方法，为了适应电堆周围运行环境温度的变化，从而设定不同的电堆冷却系统工作模式，将大小循环和内外循环冷却方式结合，完成对燃料电池电堆的冷却。
为实现上述目的，本申请提供了以下技术方案
一种燃料电池的冷却系统，包括：燃料电池控制器、第一循环冷却模块、第二循环冷却模块和换热器模块；
所述燃料电池控制器分别与所述第一循环冷却模块、所述第二循环冷却模块和所述换热器模块连接，所述燃料电池控制器用于控制所述燃料电池的冷却系统中各模块的工作；
所述第一循环冷却模块还分别与所述第二循环冷却模块和所述换热器模块连接，所述第一循环冷却模块用于所述燃料电池低温工作模式下的循环冷却；
所述第二循环冷却模块还与所述换热器模块连接，所述第二循环冷却模块用于所述燃料电池高温工作模式下的循环冷却；
所述换热器模块用于所述燃料电池高温工作模式下的第一循环冷却模块和第二循环冷却模块之间的热交换。
优选的，所述第一循环冷却模块包括：第一储水装置、第一循环水泵、第一热交换装置、循环选择装置、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述第一储水装置与所述第一循环水泵连接，所述第一储水装置用于向所述第一循环冷却模块提供冷却水；
所述第一循环水泵还与所述第一热交换装置和所述换热器模块连接，所述第一循环水泵用于所述第一循环冷却模块内的冷却水的循环；
所述第一热交换装置还与所述循环选择装置连接，所述第一热交换装置用于对所述冷却水进行热交换；
所述循环选择装置还与燃料电池电堆和所述换热器模块连接，所述循环选择装置用于基于所述燃料电池电堆工作温度调整所述燃料电池的冷却系统的循环模式；
所述第一温度传感器与所述燃料电池电堆连接，所述第一温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的入口温度，得到第一温度；
所述第二温度传感器与所述燃料电池电堆连接，所述第二温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的出口温度，得到第二温度。
优选的，所述第一热交换装置为PTC加热器；所述循环选择装置为电子节温器。
优选的，当第一温度大于第一预设温度，或第二温度与第一温度的差值绝对值大于第一预设温度阈值且持续时间超过预设时间阈值时，燃料电池控制器发出警报。
优选的，所述第二循环冷却模块包括：第二储水装置、第二循环水泵、第一电子阀门、第二电子阀门和手动阀门；
所述第二储水装置分别与所述第一循环冷却模块、所述第二循环水泵、所述第一电子阀门、所述第二电子阀门和所述手动阀门连接，用于向所述第一循环冷却模块和所述第二循环冷却模块提供冷却水；
所述第二循环水泵还与所述换热器模块连接，所述第二循环水泵用于所述第二循环冷却模块内的冷却水的循环；
所述第一电子阀门还与所述换热器模块连接，所述第一电子阀门用于调节所述第二循环冷却模块内冷却水的流量；
所述第二电子阀门还与所述换热器模块连接，所述第二电子阀门用于调节所述第二循环冷却模块内冷却水的流量；
所述手动阀门与所述第二储水装置连接，所述手动阀门用于回收所述燃料电池的冷却系统所产生的废水。
优选的，所述换热器模块包括：散热装置、第二热交换装置和第三热交换装置；
所述散热装置与所述第二热交换装置连接，所述散热装置用于所述换热器模块与外界进行热交换；
所述第二热交换装置还分别与所述第一循环冷却模块和所述第三热交换装置连接，所述第二热交换装置用于对所述第一循环冷却模块内的冷却水进行冷却；
所述第三热交换装置还与所述第二循环冷却模块连接，所述第三热交换装置用于对所述第二循环冷却模块内的冷却水进行冷却。
优选的，所述散热装置为散热风扇；所述第二热交换装置为内循环管路；所述第三热交换装置为外循环管路。
本申请还提供了一种燃料电池的冷却系统的控制方法，包括以下步骤：
S1.检测当前环境温度，得到第三温度；
S2.基于所述第三温度，当所述第三温度小于第二预设温度阈值时，所述冷却系统进入低温工作模式；当所述第三温度大于第二预设温度阈值时，所述冷却系统进入中高温工作模式。
优选的，所述进入低温工作模式包括以下步骤：
S2.1.获取第一温度，当第一温度低于第三预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第一热交换装置开启，循环选择装置保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度高于第三预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第一热交换装置关闭，循环选择装置仍处于关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；
S2.2.当第一温度高于第四预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置以及换热器模块开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S2.3.当第一温度低于第五预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
优选的，所述进入中高温工作模式包括以下步骤：
S3.1.获取第一温度，当第一温度低于第四预设温度阈值时，循环选择装置保持关闭状态，第一热交换装置保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度高于第四预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置开启，并控制热交换模块开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S3.2.当第一温度高于第六预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第二循环水泵开启，第三热交换装置参与散热；当第一温度低于第六预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第二循环水泵关闭，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S3.3.当第一温度低于第五预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
本申请的有益效果有：
(1)考虑了电堆周围运行环境温度的变化，从而设定不同的电堆冷却系统工作模式，降低冷却系统整体运行功率；
(2)将大小循环和内外循环冷却方式结合，实现冷却系统的集成化；
(3)对节温器、水泵和散热器的控制策略进行改进，减小温度控制的波动。
附图说明
图1为本申请提供的PEMFC电堆冷却系统结构示意图；
图2为本申请提供的电控部分结构示意图；
图3为本申请低温工作模式逻辑框图；
图4为本申请中高温工作模式逻辑框图；
图5为本申请温度控制策略示意图。
附图标记说明
10、第一循环冷却系统；20、第二循环冷却系统；30、换热器模块；101、燃料电池电堆；102、第一储水装置；103、第一循环水泵；104、第一热交换装置；105、循环选择装置；106、第一温度传感器；107、第二温度传感器；108、燃料电池控制器；201、第二循环水泵；202、第一电子阀门；203、第二储水装置；204、第二电子阀门；205、手动阀门；301、散热装置；302、第二热交换装置；303、第三热交换装置；1、小循环回路；2、大循环回路；3、外循环回路；4、废水回收回路。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
在本实施例一中，如图1所示，一种燃料电池的冷却系统，包括：第一循环冷却系统10、第二循环冷却系统20、换热器模块30、燃料电池电堆101、第一储水装置102、第一循环水泵103、第一热交换装置104、循环选择装置105、第一温度传感器106、第二温度传感器107、第二循环水泵201、第一电子阀门202、第二储水装置203、第二电子阀门204、手动阀门205、散热装置301、第二热交换装置302、第三热交换装置303。
第一热交换装置104可选用PTC加热器，循环选择装置105可选用电子节温器，散热装置301可选用散热风扇，第二热交换装置302可选用内循环管路，第三热交换装置303可选用外循环管路。
燃料电池电堆101的出口与第一循环水泵103的输入端连接，第一循环水泵103的输出端与第一热交换装置104的入口端连接，第一热交换装置104的输出端与循环选择装置105的第一入口端连接，循环选择装置105的出口端与燃料电池电堆的冷却液入口连接；燃料电池电堆、第一循环水泵103、第一热交换装置104以及循环选择装置105组成小循环回路1。
第二热交换装置302出口端与循环选择装置105第二入口端连接；燃料电池电堆、第一循环水泵103、散热装置301、第二热交换装置302以及循环选择装置105组成大循环回路2。
第二循环水泵201出口端与第三热交换装置303入口端连接，第三热交换装置303出口端与第一电子阀门202入口端连接，第一电子阀门202出口端与第二储水装置203第一入口端连接，第二储水装置203第一出口端与第二循环水泵201入口端连接；第二循环水泵201、第三热交换装置303、第一电子阀门202、第二电子阀门204以及第二储水装置203组成外循环回路3。
燃料电池电堆101废水排放口与第二储水装置203第二入口端连接，第二储水装置203第二出口端与手动阀门205入口端连接；燃料电池电堆101、第二储水装置203、手动阀门205组成废水回收回路4。
如图2所示，第一温度传感器106、第二温度传感器107、第一循环水泵103、第一热交换装置104、第二循环水泵201、散热装置301、循环选择装置105、第一电子阀门202和所述第二电子阀门204均由燃料电池控制器108进行控制。
第一温度传感器106检测燃料电池电堆101入口温度，第二温度传感器107检测燃料电池电堆101出口温度，当第一温度传感器106检测的温度大于80℃或第二温度传感器107检测的温度与第一温度传感器106检测的温度的差值绝对值大于10℃，且持续时间超过60s时，燃料电池控制器108向行车电脑发送报警信息，提示“电堆冷却系统异常”，并发出提示音。
实施例二
基于实施例一，在本实施例二中，一种燃料电池的冷却系统的控制方法，检测当前环境温度，得到第三温度T；基于所述第三温度T，当所述第三温度T小于第二预设温度阈值时，燃料电池冷却系统进入低温工作模式；
如图3所示，所述低温工作模式包括：
获取第一温度T1，当第一温度T1低于第三预设温度阈值a＝25℃(该温度是低温环境下，电堆自加热缓慢时的较高温度，通过电堆台架实验标定)，燃料电池控制器108控制PTC加热器104开启，电子节温器105保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度T1高于第三温度设定阈值a＝25℃时，燃料电池控制器108控制PTC加热器104关闭，电子节温器105仍处于关闭状态，此时电堆冷却系统仍处于小循环状态。
当第一温度T1高于第四预设温度阈值b＝57℃(该温度接近燃料电池的最佳工作温度范围60-80℃，所以提前开启大循环以消减电堆温度控制的滞后性)，燃料电池控制器108控制电子节温器105开启，并控制散热风扇301开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
当第一温度T1低于第五预设温度阈值c＝55℃(该温度设置阈值比大循环开启温度设定阈值低2℃，旨在通过延迟环节降低温度控制时的波动)，燃料电池控制器108控制电子节温器105和散热风扇301关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
实施例三
基于实施例一，在本实施例三中，一种燃料电池的冷却系统的控制方法，检测当前环境温度，得到第三温度T，基于所述第三温度T，当所述第三温度T大于第二预设温度阈值时，燃料电池冷却系统进入中高温工作模式；
如图4所示，中高温工作模式包括：
获取第一温度T1，当第一温度T1低于第四预设温度阈值b＝57℃时，电子节温器105保持关闭状态，PTC加热器104保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度T1高于第四温度设定阈值b＝57℃时，燃料电池控制器108控制电子节温器105开启，并控制散热风扇301开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态。
当第一温度T1高于第六预设温度阈值d＝65℃(该温度接近电堆的目标控制温度Tf＝70℃，所以提前开启外循环以消减电堆温度控制的滞后性)，燃料电池控制器108控制第二循环水泵201开启，外循环管路303参与散热；当第一温度T1低于第六预设温度阈值d＝65℃，燃料电池控制器108控制第二循环水泵201关闭，此时电堆冷却系统处于大循环状态。
当第一温度T1低于第五预设温度阈值c＝55℃时，燃料电池控制器108控制电子节温器105和散热风扇301关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
实施例四
基于实施例一，在本实施例四中，如图5所示，第一循环水泵103转速Np进行前馈控制结合反馈控制，前馈控制通过流量跟随负载电流的方式实现，转速Np和负载电流I的关系式可表示为：Np＝12.01×I+1597(通过实验获得在电堆在目标温度稳定时，不同负载电流下的转速)。反馈控制通过检测电堆入口温度与目标温度的差值，利用MPC算法对前馈得到的第一循环水泵103转速Np进行调整；散热风扇301转速进行反馈控制，通过检测电堆入口温度与目标温度的差值，利用PID算法得到散热风扇301的转速控制信号，控制所述燃料电池电堆温度达到燃料电池目标温度Tf＝70℃。
第二循环水泵201采用恒功率工作模式，第一电子阀门202开度和第二电子阀门204开度进行反馈控制，通过检测电堆入口温度与目标温度的差值，利用PID算法得到第一电子阀门202和第二电子阀门204的开度信号，控制燃料电池电堆101温度达到燃料电池目标温度Tf＝70℃。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，包括：燃料电池控制器、第一循环冷却模块、第二循环冷却模块和换热器模块；
所述燃料电池控制器分别与所述第一循环冷却模块、所述第二循环冷却模块和所述换热器模块连接，所述燃料电池控制器用于控制所述燃料电池的冷却系统中各模块的工作；
所述第一循环冷却模块还分别与所述第二循环冷却模块和所述换热器模块连接，所述第一循环冷却模块用于所述燃料电池低温工作模式下的循环冷却；
所述第二循环冷却模块还与所述换热器模块连接，所述第二循环冷却模块用于所述燃料电池高温工作模式下的循环冷却；
所述换热器模块用于所述燃料电池高温工作模式下的第一循环冷却模块和第二循环冷却模块之间的热交换。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述第一循环冷却模块包括：第一储水装置、第一循环水泵、第一热交换装置、循环选择装置、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述第一储水装置与所述第一循环水泵连接，所述第一储水装置用于向所述第一循环冷却模块提供冷却水；
所述第一循环水泵还与所述第一热交换装置和所述换热器模块连接，所述第一循环水泵用于所述第一循环冷却模块内的冷却水的循环；
所述第一热交换装置还与所述循环选择装置连接，所述第一热交换装置用于对所述冷却水进行热交换；
所述循环选择装置还与燃料电池电堆和所述换热器模块连接，所述循环选择装置用于基于所述燃料电池电堆工作温度调整所述燃料电池的冷却系统的循环模式；
所述第一温度传感器与所述燃料电池电堆连接，所述第一温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的入口温度，得到第一温度；
所述第二温度传感器与所述燃料电池电堆连接，所述第二温度传感器用于检测所述燃料电池电堆的出口温度，得到第二温度。
3.根据权利要求2所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述第一热交换装置为PTC加热器；所述循环选择装置为电子节温器。
4.根据权利要求2所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，当第一温度大于第一预设温度，或第二温度与第一温度的差值绝对值大于第一预设温度阈值且持续时间超过预设时间阈值时，燃料电池控制器发出警报。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述第二循环冷却模块包括：第二储水装置、第二循环水泵、第一电子阀门、第二电子阀门和手动阀门；
所述第二储水装置分别与所述第一循环冷却模块、所述第二循环水泵、所述第一电子阀门、所述第二电子阀门和所述手动阀门连接，用于向所述第一循环冷却模块和所述第二循环冷却模块提供冷却水；
所述第二循环水泵还与所述换热器模块连接，所述第二循环水泵用于所述第二循环冷却模块内的冷却水的循环；
所述第一电子阀门还与所述换热器模块连接，所述第一电子阀门用于调节所述第二循环冷却模块内冷却水的流量；
所述第二电子阀门还与所述换热器模块连接，所述第二电子阀门用于调节所述第二循环冷却模块内冷却水的流量；
所述手动阀门与所述第二储水装置连接，所述手动阀门用于回收所述燃料电池的冷却系统所产生的废水。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述换热器模块包括：散热装置、第二热交换装置和第三热交换装置；
所述散热装置与所述第二热交换装置连接，所述散热装置用于所述换热器模块与外界进行热交换；
所述第二热交换装置还分别与所述第一循环冷却模块和所述第三热交换装置连接，所述第二热交换装置用于对所述第一循环冷却模块内的冷却水进行冷却；
所述第三热交换装置还与所述第二循环冷却模块连接，所述第三热交换装置用于对所述第二循环冷却模块内的冷却水进行冷却。
7.根据权利要求6所述一种燃料电池的冷却系统，其特征在于，所述散热装置为散热风扇；所述第二热交换装置为内循环管路；所述第三热交换装置为外循环管路。
8.一种燃料电池的冷却系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.检测当前环境温度，得到第三温度；
S2.基于所述第三温度，当所述第三温度小于第二预设温度阈值时，所述冷却系统进入低温工作模式；当所述第三温度大于第二预设温度阈值时，所述冷却系统进入中高温工作模式。
9.根据权利要求8所述一种燃料电池的冷却系统的控制方法，其特征在于，所述进入低温工作模式包括以下步骤：
S2.1.获取第一温度，当第一温度低于第三预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第一热交换装置开启，循环选择装置保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度高于第三预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第一热交换装置关闭，循环选择装置仍处于关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；
S2.2.当第一温度高于第四预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置以及换热器模块开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S2.3.当第一温度低于第五预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
10.根据权利要求8所述一种燃料电池的冷却系统的控制方法，其特征在于，所述进入中高温工作模式包括以下步骤：
S3.1.获取第一温度，当第一温度低于第四预设温度阈值时，循环选择装置保持关闭状态，第一热交换装置保持关闭状态，此时电堆冷却系统处于小循环状态；当第一温度高于第四预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置开启，并控制热交换模块开启，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S3.2.当第一温度高于第六预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第二循环水泵开启，第三热交换装置参与散热；当第一温度低于第六预设温度阈值时，燃料电池控制器控制第二循环水泵关闭，此时电堆冷却系统处于大循环状态；
S3.3.当第一温度低于第五预设温度阈值时，燃料电池控制器控制循环选择装置关闭，此时电堆冷却系统处于小循环状态。
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