CN115036542A - 燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机 - Google Patents

燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发动机技术领域，公开了一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机。该方法包括：检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；根据检测结果控制水泵转速，以调整电堆的冷却液进液口与出液口温差；若模组的冷却液进液口温度未达到预设温度值，通过PID控制水泵转速，以使得电堆的冷却液进液口与出液口温差等于当前允许温差限值减去第一预设值；若模组的冷却液进液口温度稳定于预设温度值，取模组内当前时刻的电堆出液口的第一温度传感器数据和相隔第一间隔时刻之前电堆出液口的第二温度传感器数据；计算温度变化的P，根据P大小分类计算。该方法可以提供一种准确可行的燃料电池发动机冷却液温度控制方法。

Description

燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机
本申请要求在2021年08月09日提交中国专利局、申请号为202110906357.6、申请名称为“燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机。
背景技术
燃料电池发动机在动态拉载和全功率跟随时，其功率变化剧烈，从而产生的热相对也不是稳定的，而燃料电池发动机需要保持进出水口的温度差，从而保证良好的性能和寿命，所以，需要对水泵设计良好的控制策略，实现进出水温差的稳定控制。
现有产品中进出水口的温差按照电堆进出水口温度传感器反馈数值计算得出，由此作为水泵的控制输入。但是，温度传感器存在响应慢的问题，对于全功率跟随的燃料电池发动机，电堆冷却液出液口温度变化较快，仅通过温度传感器的反馈数值不能准确反映电堆出液口水温。
因此，如何提供一种准确可行的燃料电池发动机冷却液温度控制方法是亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法及燃料电池发动机，用以提供一种准确可行的燃料电池发动机冷却液温度控制方法。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法，包括：
检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵转速，以调整所述燃料电池发动机模组内电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差；
所述根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵转速的方法包括：
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度未达到预设温度值，根据工作电流查表得出当前电流下电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差；通过PID控制所述水泵转速，以使得电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差等于当前允许温差限值减去第一预设值；
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度稳定于预设温度值，取燃料电池发动机模组内当前时刻t1的电堆出液口的第一温度传感器数据T1和相隔第一间隔△t1时刻之前电堆出液口的第二温度传感器数据T2；计算温度变化的斜率P，根据P的大小进行分类计算，所述P满足公式：P＝(T1-T2)/△t1；所述根据P的大小进行分类计算的方法包括：
当P小于斜率预设值时，预测当前时刻t1相隔第二间隔△t2时刻之后的电堆出液口的第三温度传感器读数T3，以T3作为当前温度，所述T3＝P*△t2+T1；
当P大于等于斜率预设值时，预测当前时刻t1相隔第三间隔△t3时刻之后的电堆出液口的第四温度传感器数据T4，以T4作为当前温度，所述T4＝P*△t3+T1，且所述△t3大于所述△t2，所述△t3上限值为第一时间限值。
优选地，在通过PID控制所述模组中水泵转速时，针对所述PID中的比例系数Kp设计算法如下：
当前温差≤(当前允许温差限值减去第二预设值)时，通过线性斜坡的方法，以第一速度间隔△V的步长降低水泵转速，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值，且所述第二预设值大于所述第一预设值；
当前温差＞(当前允许温差限值减去第二预设值)时，判断当前温差是否大于当前允许温差限值加上第三预设值；
当前温差≤(当前允许温差限值加上第三预设值)时，将调小Kp至系数预设值，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值；
当前温差＞(当前允许温差限值加上第三预设值)时，增加Kp，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值。
优选地，所述当前温差＞(当前允许温差限值加上第三预设值)时，增加Kp的方法包括：
以设定值为步长提高Kp数值，使得Kp＝(当前温差-当前允许温差限值)*设定值。
优选地，在所述检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值之前还包括：
检测所述检测燃料电池发动机模组是否处于开关机过程，当处于开关机过程时，控制水泵以固定转速工作；当未处于开关机过程时，判断所述燃料电池发动机模组的工作电流是否发生变化，根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度。
优选地，所述根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度的方法包括：
当所述燃料电池发动机模组的工作电流出现变化时，根据当前电流值查表得出水泵转速，之后检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；
当所述燃料电池发动机模组的工作电流未出现变化时，直接检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值。
第二方面，本申请提供一种燃料电池发动机，包括燃料电池发动机模组，所述燃料电池发动机模组包括电堆和冷却系统；所述冷却系统包括水泵，所述水泵的出液口与所述电堆的进液口连接，所述水泵的输出端与所述电堆的输入端连接；
所述燃料电池发动机模组还包括控制模块，所述控制模块采用如上述第一方面提供的任意一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法控制所述燃料电池发动机模组的冷却液温度。
优选地，所述水泵的进液口与所述电堆的出液口之间的管路上设有膨胀水箱。
优选地，所述水泵的输出端与所述电堆的输入端连接管路上设有PTC加热器、散热器以及转向阀组，所述电堆的输入端与所述PTC加热器和所述散热器连接；所述转向阀组用于控制所述水泵的输出端可选择地与所述PTC加热器或者所述散热器连通。
优选地，所述水泵的输入端的出液口处设有颗粒过滤器。
优选地，所述电堆的进液口与所述电堆的出液口处设有离子过滤器。
有益效果：上述燃料电池发动机冷却液温度控制方法中，在水泵转速调节过程中，控制目标为电堆的进液口与电堆的出液口温差，根据实际温差与目标温差的差值进行PID(proportional integral derivative，比例积分微分)控制。本申请所述实际温差计算方式为电堆的出液口温度预测值减去电堆的进液口温度实际值，其中，电堆的进液口温度值进可由散热器和燃料电池温度控制阀进行控制，属于较稳定的数值，此处不做过多解释；电堆的出液口温度预测值用于弥补温度传感器的响应慢的问题，并能够更接近被测物内部温度情况。
附图说明
图1为本申请实施例提供的燃料电池发动机的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的燃料电池发动机冷却液温度控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供一种燃料电池发动机，该燃料电池发动机包括燃料电池发动机模组。如图1所示出的结构，燃料电池发动机模组包括电堆1和冷却系统；冷却系统包括水泵2，水泵2的出液口与电堆1的进液口连接，水泵2的输出端与电堆1的输入端连接；
燃料电池发动机模组还包括控制模块，控制模块用于控制燃料电池发动机模组的冷却液温度。具体来说，控制模块通过控制水泵2的转速以控制燃料电池发动机模组的冷却液温度，至于具体的控制策略，将在后续进行描述。
请继续参考图1，水泵的进液口与电堆的出液口之间的管路上设有膨胀水箱3。水泵2的输出端与电堆的输入端连接管路上设有PTC加热器4、散热器5以及转向阀组6，电堆1的输入端与PTC加热器4和散热器5连接；转向阀组6用于控制水泵2的输出端可选择地与PTC加热器4或者散热器5连通。作为一种优选实施方式，水泵2的输入端的出液口处设有颗粒过滤器7，以过滤杂质。优选的，电堆1的进液口与电堆的出液口处设有离子过滤器8。
电堆1进出水口的温差是一个关键控制量，水泵2的控制对于燃料电池发动机电堆进出水口温差控制最为关键，下面针对进出水口的温差控制进行详细描述。值得注意的是，水泵2的控制分为两个部分，一部分是基于电流的前馈控制，另一部分是基于实际温差和目标温差的闭环控制。
请结合图1参考图2所示出的内容，本申请实施例提供一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法，包括：
步骤S1：检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；
根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵2转速，以调整燃料电池发动机模组内电堆1的冷却液进液口与冷却液出液口温差。
步骤S1内根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵2转速的方法具体包括：
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度未达到预设温度值，则说明燃料电池发动机模组正在热机中，则执行步骤S101：根据工作电流查表得出当前电流下电堆1的冷却液进液口与冷却液出液口温差；其中，预设温度值为燃料电池发动机在不同的工作电流下对应的工作温度，该温度是在开发过程中通过敏感性测试确定的，例如：发动机工作电流为50A时，工作温度为55℃，工作电流为300A时，工作温度为60℃；“根据工作电流查表”中涉及到的表为发动机开发过程中，通过测试确定的燃料电池发动机模组处于相对理想工作状态时，工作电流和电堆1的冷却液进液口与冷却液出液口温差，这二者之间的对应关系数据表。
在执行步骤S101之后执行步骤S102：通过比例积分微分PID控制水泵2转速，以使得电堆1的冷却液进液口与冷却液出液口温差等于当前允许温差限值减去第一预设值。
应理解，这里的当前允许温差限值为查表所得符合工况的设定值，示例性的为10或12℃。同样的，第一预设值也为根据工况设定的预设值，示例性为0.5℃。当然，具体的数值设置可以根据需求进行变化，在此不再赘述。
应理解，第一预设值大于0℃。
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度稳定于预设温度值，执行步骤S103：取燃料电池发动机模组内当前时刻t1的电堆1出液口的第一温度传感器数据T1和相隔第一间隔△t1时刻之前电堆1出液口的第二温度传感器数据T2；
执行步骤S103之后执行步骤S104：计算温度变化的斜率P。
具体来说，需要根据P的大小进行分类计算，P满足公式：P＝(T1-T2)/△t1；而根据P的大小进行分类计算的方法包括步骤S105：判断P是否大于预斜率预设值。
当P小于斜率预设值时，说明温度变化并不剧烈，执行步骤S1051：预测当前时刻t1相隔第二间隔△t2时刻之后的电堆1出液口的第三温度传感器读数T3，以T3作为当前温度，T3＝P*△t2+T1；
当P大于等于斜率预设值时，说明温度变化剧烈，步骤S1052：预测当前时刻t1相隔第三间隔△t3时刻之后的电堆1出液口的第四温度传感器数据T4，以T4作为当前温度，T4＝P*△t3+T1，且△t3大于△t2，△t3上限值为第一时间限值。
其中，斜率预设值是根据温度传感器的特性，通过发动机台架试验得出来的数值；第一时间限值可以根据开发过程中的实测数据确定。
上述燃料电池发动机冷却液温度控制方法中，在水泵2转速调节过程中，控制目标为电堆1的进液口与电堆的出液口温差，根据实际温差与目标温差的差值进行PID(proportional integral derivative，比例积分微分)控制。本申请所述实际温差计算方式为电堆1的出液口温度预测值减去电堆1的进液口温度实际值，其中，电堆1的进液口温度值进可由散热器5和燃料电池温度控制阀进行控制，属于较稳定的数值，此处不做过多解释；电堆1的出液口温度预测值用于弥补温度传感器的响应慢的问题，并能够更接近被测物内部温度情况。
因此，本申请提供的燃料电池发动机冷却液温度控制方法可以提供一种准确可行的燃料电池发动机冷却液温度控制方法。
在通过PID控制模组中水泵2转速时，针对PID中的比例系数Kp设计算法如下：
步骤S201：判断当前温差是否大于当前允许温差限值减去第二预设值；
当当前温差≤(当前允许温差限值减去第二预设值)时，说明水泵转速过于激进，执行步骤S202：通过线性斜坡的方法，以第一速度间隔△V的步长降低水泵2转速，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值。应理解，第二预设值大于第一预设值；
当前温差大于(当前允许温差限值减去第二预设值)时，执行步骤S203：判断当前温差是否大于当前允许温差限值加上第三预设值。
当当前温差≤(当前允许温差限值加上第三预设值)时，说明温度差值超出不多，执行步骤S2031：将调小Kp至系数预设值。
当前温差＞(当前允许温差限值加上第三预设值)时，说明温差超出较多，需要快速控制温差至限值范围内，故需要只需步骤S2032：增加Kp，以设定值为步长提高Kp数值，使得Kp＝(当前温差-当前允许温差限值)*设定值。
其中，第三预设值大于0℃，第三预设值可以是通过台架试验得出的，例如：可以是5℃。同时，本实施例中不对第三预设值与第一预设值的大小关系、以及第三预设值与第二预设值的大小关系进行限定。
在执行步骤S2031与步骤S2032时，需要实时进行步骤S204：判断当前温差是否等于当前允许温差限值减去第一预设值。
当当前温差不等于当前允许温差限值减去第一预设值时，重新返回执行步骤S203。
在进行步骤S1之前，在检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值之前还包括：
步骤S0：检测燃料电池发动机模组是否处于开关机过程。当处于开关机过程时，执行步骤S01：控制水泵2以固定转速工作；当未处于开关机过程时，执行步骤S02判断燃料电池发动机模组的工作电流是否发生变化，根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度。
具体来说，根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度的方法包括：
当燃料电池发动机模组的工作电流未出现变化时，执行步骤S1：检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值。
当燃料电池发动机模组的工作电流出现变化时，执行步骤S021：根据当前电流值查表得出水泵2转速，之后执行步骤S1：检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；
值得注意的是，当当前温差等于当前允许温差限值减去第一预设值时，重新返回执行步骤S0。
本申请实施例设计了一种计算电堆1进液口和出液口温差的方法，并融合到水泵2控制策略中，可以提高水路温度控制的实时性和准确性，对于燃料电池发动机的使用寿命和安全性具有重要意义。
本申请实施例提供的燃料电池发动机冷却液温度控制方法基于现有温度传感器的温度计算方法，通过软件计算即可实现温度的高实时性测量。同时，本申请实施例提供的燃料电池发动机冷却液温度控制方法利用实时的温度信息进行温差计算，从而更加有效的控制水泵2，可以提高燃料电池性能和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，包括：
检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵转速，以调整所述燃料电池发动机模组内电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差；
所述根据检测结果控制燃料电池发动机模组内水泵转速的方法包括：
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度未达到预设温度值，根据工作电流查表得出当前电流下电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差；通过比例积分微分PID控制所述水泵转速，以使得电堆的冷却液进液口与冷却液出液口温差等于当前允许温差限值减去第一预设值；
若燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度稳定于预设温度值，取燃料电池发动机模组内当前时刻t1的电堆出液口的第一温度传感器数据T1和相隔第一间隔△t1时刻之前电堆出液口的第二温度传感器数据T2；计算温度变化的斜率P，根据P的大小进行分类计算，所述P满足公式：P＝(T1-T2)/△t1；所述根据P的大小进行分类计算的方法包括：
当P小于斜率预设值时，预测当前时刻t1相隔第二间隔△t2时刻之后的电堆出液口的第三温度传感器读数T3，以T3作为当前温度，所述T3＝P*△t2+T1；
当P大于等于斜率预设值时，预测当前时刻t1相隔第三间隔△t3时刻之后的电堆出液口的第四温度传感器数据T4，以T4作为当前温度，所述T4＝P*△t3+T1，且所述△t3大于所述△t2，所述△t3上限值为第一时间限值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，在通过PID控制所述模组中水泵转速时，针对所述PID中的比例系数Kp设计算法如下：
当前温差≤(当前允许温差限值减去第二预设值)时，通过线性斜坡的方法，以第一速度间隔△V的步长降低水泵转速，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值，且所述第二预设值大于所述第一预设值；
当前温差＞(当前允许温差限值减去第二预设值)时，判断当前温差是否大于当前允许温差限值加上第三预设值；
当前温差≤(当前允许温差限值加上第三预设值)时，将调小Kp至系数预设值，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值；
当前温差＞(当前允许温差限值加上第三预设值)时，增加Kp，直至当前温差＝当前允许温差限值减去第一预设值；
其中，第三预设值大于0℃。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，所述当前温差＞(当前允许温差限值加上第三预设值)时，增加Kp的方法包括：
以设定值为步长提高Kp数值，使得Kp＝(当前温差-当前允许温差限值)*设定值。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，在所述检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值之前还包括：
检测所述检测燃料电池发动机模组是否处于开关机过程，当处于开关机过程时，控制水泵以固定转速工作；当未处于开关机过程时，判断所述燃料电池发动机模组的工作电流是否发生变化，根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度。
5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机冷却液温度控制方法，其特征在于，所述根据判断结果决定何时检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度的方法包括：
当所述燃料电池发动机模组的工作电流出现变化时，根据当前电流值查表得出水泵转速，之后检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值；
当所述燃料电池发动机模组的工作电流未出现变化时，直接检测燃料电池发动机模组的冷却液进液口温度是否达到设定值。
6.一种燃料电池发动机，其特征在于，包括燃料电池发动机模组，所述燃料电池发动机模组包括电堆和冷却系统；所述冷却系统包括水泵，所述水泵的出液口与所述电堆的进液口连接，所述水泵的输出端与所述电堆的输入端连接；
所述燃料电池发动机模组还包括控制模块，所述控制模块采用如权利要求1-5任一项所述的燃料电池发动机冷却液温度控制方法控制所述燃料电池发动机模组的冷却液温度。
7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述水泵的进液口与所述电堆的出液口之间的管路上设有膨胀水箱。
8.根据权利要求6所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述水泵的输出端与所述电堆的输入端连接管路上设有PTC加热器、散热器以及转向阀组，所述电堆的输入端与所述PTC加热器和所述散热器连接；所述转向阀组用于控制所述水泵的输出端可选择地与所述PTC加热器或者所述散热器连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述水泵的输入端的出液口处设有颗粒过滤器。
10.根据权利要求6所述的燃料电池发动机，其特征在于，所述电堆的进液口与所述电堆的出液口处设有离子过滤器。
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