CN115458770A - 用于控制燃料电池系统中冷却剂温度的方法和装置 - Google Patents

用于控制燃料电池系统中冷却剂温度的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了用于控制燃料电池系统中冷却剂温度的方法和装置。一种用于燃料电池系统的温度控制装置和方法，其中，该装置包括：燃料电池堆，布置在第一冷却线路上的第一泵，布置在第一冷却线路上的第一散热器，电力电子部件，布置在第二冷却线路上的第二泵，布置在第二冷却线路上的第二散热器，冷却风扇，被配置为将外部空气吹向第一散热器和第二散热器中的任何一个，以及控制器，被配置为：基于燃料电池堆入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定冷却风扇的RPM，基于多个电力电子部件的功耗确定多个电力电子部件的目标冷却性能，以及基于多个电力电子部件的目标冷却性能、冷却风扇的RPM和第二外部空气温度确定第二泵的RPM。

Description

用于控制燃料电池系统中冷却剂温度的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年5月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0065752号的权益，其全部内容出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
下面的描述涉及用于控制燃料电池系统中的冷却剂温度的技术。
背景技术
燃料电池系统可以通过使用燃料电池堆来产生电能。例如，当氢作为燃料电池堆的燃料时，可能是解决全球环境问题的一种措施，因此燃料电池系统的研究和开发不断进行。燃料电池系统可以包括：产生电能的燃料电池堆；向燃料电池堆供应燃料(氢)的燃料供应设备；向燃料电池堆供应空气中的氧(其作为电化学反应所必需的氧化剂)的空气供应设备；以及将燃料电池堆的反应热移除到外部、控制燃料电池堆的工作温度并执行水管理功能的热管理系统(TMS)。
热管理系统是一种冷却设备，其使用作燃料电池堆中的冷却剂的防冻液体循环，并将燃料电池堆保持在适当的温度(例如，60℃至70℃)，并且可以包括冷却剂在其中循环的TMS线路、存储冷却剂的储液器、循环冷却剂的泵、去除冷却剂中包括的离子的离子过滤器，以及将冷却剂的热排放到外部的散热器。此外，热管理系统可以包括加热冷却剂的加热器和通过使用冷却剂冷却和加热包括燃料电池系统的设备(例如，车辆)的内部的空调单元(例如，用于加热的加热器)。热管理系统可以保持车辆的电力电子部件以及燃料电池堆的适当温度。
发明内容
提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的权利要求的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的权利要求的范围。
在一个总体方面，提供了一种用于燃料电池系统的温度控制装置，包括：燃料电池堆；第一冷却线路，被配置为使通过燃料电池堆的第一冷却剂循环；第一泵，其布置在第一冷却线路上并被配置为泵送第一冷却剂；第一散热器，其布置在第一冷却线路上并被配置为冷却第一冷却剂；多个电力电子部件；第二冷却线路，被配置为使通过多个电力电子部件的第二冷却剂循环；第二泵，其布置在第二冷却线路上并被配置为泵送第二冷却剂；第二散热器，其布置在第二冷却线路上并被配置为冷却第二冷却剂；冷却风扇，被配置为将外部空气吹向第一散热器和第二散热器的任何一个或任何组合；以及控制器，其连接到第一泵、第二泵和冷却风扇，其中，控制器被配置为：基于燃料电池堆入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定冷却风扇的RPM；基于多个电力电子部件的功耗确定多个电力电子部件的目标冷却性能；以及基于多个电力电子部件的目标冷却性能、冷却风扇的RPM和第二外部空气温度确定第二泵的RPM。
控制器可以被配置为基于多个电力电子部件的目标冷却性能、冷却风扇的RPM、第二外部空气温度、第二散热器的面积和通风阻力的任意一个或任意组合来确定第二泵的RPM。
控制器可以被配置为测量多个电力电子部件的功耗，基于多个电力电子部件的功耗和低效率计算多个电力电子部件的热值；以及通过将多个电力电子部件的热值相加，确定电力电子部件的目标冷却性能。
控制器可以被配置为响应于以第二泵的RPM电力电子部件的冷却性能满足电力电子部件的目标冷却性能，存储第二泵的RPM和冷却风扇的RPM；以及响应于以第二泵的RPM电力电子部件的冷却性能不满足电力电子部件的目标冷却性能，增加第二泵的RPM和冷却风扇的RPM。
控制器可以被配置为响应于第二泵的RPM小于最大RPM，增加第二泵的RPM；以及响应于第二泵的RPM不小于最大RPM，增加冷却风扇的RPM。
控制器可以被配置为基于燃料电池堆的入口处的冷却剂温度、第一外部空气温度、燃料电池堆的输出、燃料电池堆的效率和第一泵的RPM的任何一个或任何组合来确定冷却风扇的RPM。
该装置可以包括热交换器，其布置在第一冷却线路和第二冷却线路上，并被配置为在第一冷却剂和第二冷却剂之间进行热交换。
在另一个总体方面，提供了一种用于操作燃料电池系统的处理器实施的方法，该方法包括：基于燃料电池堆入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定冷却风扇的RPM；基于电力电子部件的功耗确定电力电子部件的目标冷却性能；以及基于电力电子部件的目标冷却性能、冷却风扇的RPM和第二外部空气温度，确定被配置为泵送通过电力电子部件的冷却剂的泵的RPM。
该方法可以包括基于电力电子部件的目标冷却性能、冷却风扇的RPM、第二外部空气温度、被配置为冷却冷却剂的散热器的面积和通风阻力的任意一个或任意组合来确定泵的RPM。
该方法可以包括测量电力电子部件的功耗，基于电力电子部件的功耗和低效率计算电力电子部件的热值；以及通过将电力电子部件的热值相加，确定电力电子部件的目标冷却性能。
该方法可以包括响应于以泵的RPM电力电子部件的冷却性能满足电力电子部件的目标冷却性能，存储泵的RPM和冷却风扇的RPM；以及响应于以泵的RPM电力电子部件的冷却性能不满足电力电子部件的目标冷却性能，增加泵的RPM或冷却风扇的RPM。
该方法可以包括响应于泵的RPM小于最大RPM，增加泵的RPM；以及响应于泵的RPM不小于最大RPM，增加冷却风扇的RPM。
该方法可以包括基于燃料电池堆的入口处的冷却剂温度、第一外部空气温度、燃料电池堆的输出、燃料电池堆的效率和被配置为泵送通过燃料电池堆的冷却剂的泵的RPM的任何一个或任何组合来确定冷却风扇的RPM。
从以下详细描述、附图和权利要求书中，其它特征和方面将是显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其他目的、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框图；
图4示出了根据各种实施例的用于管理冷却剂的温度的燃料电池系统的工作流程；
图5示出了根据各种实施例的确定泵的RPM的操作的流程图；
图6示出了根据各种实施例的确定目标冷却性能的操作的流程图；以及
图7示出了根据各种实施例的确定泵的RPM和冷却风扇的RPM的操作的流程图。
关于附图的描述，相同或相似的部件可以用相同或相似的附图标记来标记。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本公开的各种实施例。因此，本领域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，可以对本文描述的各种实施例进行各种修改、等效和/或替代。
本公开的各种实施例和本文使用的术语不将本公开中描述的技术特征限制到特定实施例，并且应该被解释为包括实施例的各种修改、等同或替换。关于附图的描述，相似的部件可以用相似的附图标记表示。应当理解，与项目相对应的名词的单数形式可以包括一个或多个事物，除非相关上下文另有明确指示。如本文使用的，诸如“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”和“A、B或C中的至少一个”之类的短语中的每一个可以包括在相应的短语中一起列举的项目的所有可能的组合。如本文使用的，诸如“1st”和“2nd”或“第一”和“第二”的术语可用于简单地将相对应的部件与另一个部件区分开来，并且不在其他方面(例如，重要性或顺序)限制部件。应当理解，如果一个元件(例如，第一元件)无论是否使用术语“操作地”或“通信地”被称为“与之耦合”或“与之连接”，这意味着该元件可以直接(例如，通过有线)、无线地或经由第三元件与另一元件耦合。
在本公开的各种实施例中使用的术语“模块”可以包括以硬件、软件或固件方式实施的单元，并且例如，可以与诸如逻辑、逻辑块、部件或电路等术语互换使用。模块可以是集成部件，或者是执行一个或多个功能的最小单元或部分。例如，根据一个实施例，该模块可以应用专用集成电路(ASIC)的形式来实施。
本公开的各种实施例可以通过软件(例如，程序)来实现，该软件包括存储在可由机器读取的存储介质(例如，内部存储器或外部存储器)中的一个或多个指令。例如，设备可以调用存储在存储介质中的一个或多个指令中的至少一个指令，并且可以执行该指令。这允许根据所调用的至少一条指令执行至少一个功能。一个或多个指令可包括由编译器制作的代码或可由解释器执行的代码。可以以非暂时性存储介质的形式提供可由设备读取的存储介质。这里，“非暂时性存储介质”意味着存储介质是有形设备，并且不包括信号(例如，电磁波)，并且关于该术语，不区分数据被半永久存储在存储介质中的情况和数据被临时存储在存储介质中的情况。
根据实施例，根据本公开的各种实施例的方法可以被提供为包括在计算机程序产品中。计算机程序产品可以在卖方和买方之间进行交易。计算机程序产品可以以存储介质的形式分发，该存储介质可以由设备(例如，光盘只读存储器(CD-ROM))读取，或者可以通过应用程序存储或直接或在线地在两个用户设备之间分发(例如，下载或上传)。在在线分发中，计算机程序产品的至少一部分可以至少临时存储在存储介质中，例如制造商的服务器、应用商店的服务器或中继服务器的存储器，该存储介质可以由设备读取，或者临时生成。
根据各种实施例，上述元件的元件(例如，模块或程序)可以包括一个或多个实体，并且多个实体中的一些可以布置为与其他元件分离。根据各种实施例，在上述元件中，可以省略一个或多个元件或操作，或者可以添加一个或多个其他元件或操作。可替代地或附加地，多个元件(例如，模块或程序)可以集成到一个元件中。在这种情况下，集成元件可以以与在集成之前由多个元件中的相应元件执行的功能相同或相似的方式执行多个元件中的一个或多个功能。根据各种实施例，由模块、程序或其他元件执行的操作可以顺序地、并行地、重复地或启发式地执行，一个或多个操作可以以另一个顺序执行或省略，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以包括第一冷却线路110，通过车辆的燃料电池堆10的第一冷却剂在第一冷却线路中循环；以及第二冷却线路120，通过车辆的电力电子部件的第二冷却剂在第二冷却线路中循环。在本实施例中，燃料电池系统可进一步包括在第一冷却剂和第二冷却剂之间交换热的热交换器300，但是可以省略热交换器300。
燃料电池系统可以包括第一连接线路130、第二连接线路150和第三连接线路140，以与第一冷却线路110形成加热回路(加热循环路径)或与第一冷却线路110形成冷却线路。第一冷却剂可以在第一连接线路130、第二连接线路150或第三连接线路140中循环的同时被冷却或加热。作为示例，第一冷却线路110可以与第一连接线路130和第三连接线路140形成加热回路，以确保在车辆的初始启动条件下的冷启动能力，并且可以形成冷却回路，在冷却回路中第一冷却剂经过第一散热器60，从而使在车辆行驶时由燃料电池堆10产生的热散发到外部。在另一实施例中，当外部空气的温度高达特定温度时，第一冷却线路110不形成加热回路，并且燃料电池系统可以通过燃料电池堆10的热来确保启动能力。燃料电池堆10、第一阀20、第一泵30、第二阀40和第一散热器60可以布置在第一冷却线路110上，第一冷却剂在第一冷却线路中循环。
燃料电池堆10(或可称为“燃料电池”)可具有这样的结构，其中可通过燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，空气)的氧化/还原反应产生电。作为示例，燃料电池堆10可以包括膜电极组件(MEA)，其中用于电化学反应的催化剂电极层相对于电解质膜附接到膜的相对侧，氢离子通过该膜行进；气体扩散层(GDL)，其均匀分布反应气体并传递所产生的电能；垫片和耦合机构，其用于保持反应气体和第一冷却剂的密封性和适当的耦合压力；以及双极板，其使反应气体和第一冷却剂流动。
在燃料电池堆10中，作为燃料的氢和作为氧化剂的空气(氧)通过双极板被供应到膜电极组件的阳极和阴极，并且可以向阳极供应氢，并且可以向阴极供应空气。供应到阳极的氢被设置在电解质膜相对侧的电极层的催化剂分解成质子和电子，其中，只有氢离子在选择性地通过作为阳离子交换膜的电解质膜后才可以被传递到阴极，电子可以通过气体扩散层和双极板被传递到阴极。在阴极中，通过电解质膜供应的氢离子和通过双极板输送的电子可以与由空气供应设备供应给阴极的空气中的氧相遇，并发生生成水的反应。然后，由于氢离子的流动，电子可以流过外部导线，并且由于电子的流动可以产生电流。
第一阀20可以将第一冷却剂的流动路径切换到第一连接线路130(第一连接线路中布置有加热器50)，或者第一冷却线路110上的燃料电池堆10。例如，第一阀20可以连接到第一泵30的一端、第一连接线路130的一端以及第一冷却线路110上的燃料电池堆10的一端。第一阀20可以包括可选择性地切换第一冷却剂的流动路径的各种阀装置。作为示例，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，其连接到第一冷却线路110，使得通过第一泵30泵送的第一冷却剂被引入其中；第二端口22，其连接到第一冷却线路110，使得经过第一阀20的第一冷却剂被引入燃料电池堆10；以及第三端口23，其连接到第一连接线路130的一端。随着第一阀20的第二端口22和第三端口23打开和关闭，第一冷却剂的流动路径可以切换到第一连接线路130的加热器50或燃料电池堆10。即，当第二端口22打开并且第三端口23阻塞时，第一冷却剂可以被引入燃料电池堆10，相反，当第三端口23打开并且第二端口22阻塞时，第一冷却剂可以通过第一连接线路130被引入加热器50。
第一连接线路130可以与第一冷却线路110形成加热回路(加热循环路径)以加热第一冷却剂。例如，沿着第一连接线路130流动的第一冷却剂可以在经过第一连接线路130中安装的加热器50的同时被加热。第一连接线路130的一端可以在位于第一泵30的出口和燃料电池堆10之间的第一点处连接到第一冷却线路110，并且第一连接线路130的另一端可以在位于第一泵30的入口和燃料电池堆10之间的第二点处连接到第一冷却线路110。这里，第一泵30的入口可以定义为入口，通过该入口将第一冷却剂引入第一泵30。此外，第一泵30的出口可以定义为出口，通过该出口排放经过第一泵30的第一冷却剂。此外，第一泵30的出口和燃料电池堆10之间的部分可以被定义为从第一泵30排放的第一冷却剂流向燃料电池堆10的第一冷却剂入口(未示出)的部分。此外，第一泵30的入口和燃料电池堆10之间的部分可以被定义为从燃料电池堆10的冷却剂出口(未示出)排放的第一冷却剂流向第一泵30的入口的部分。
第一泵30可被配置为使第一冷却剂强制流动。第一泵30可以包括可泵送第一冷却剂的各种装置，并且第一泵30的种类和数量在本公开中不受限制。
第二阀40可以将第一冷却剂的流动路径切换到第一散热器60或第一冷却线路110上的燃料电池堆10。例如，第二阀40可以设置在第一冷却线路110上，以位于第一泵30和第一散热器60之间，并且可以连接到第三连接线路140的一端和第一散热器60的出口。第二阀40可以包括可选择性地将第一冷却剂的流动路径切换到第一散热器60或燃料电池堆10的各种阀装置。作为示例，第二阀40可以是四通阀或三通阀。当第二阀40是三通阀时，其可以包括连接到第三连接线路140的第一端口41、连接到第一冷却线路110使得经过第一散热器60的第一冷却剂被引入其中的第二端口42、以及连接到第一冷却线路110使得第一冷却剂被引入第一泵30的第三端口44，当第二阀40是四通阀时，其可进一步包括连接到第二连接线路150的一端的第三端口43。随着第二阀40的第一端口41或第二端口42打开和关闭，第一冷却剂的流动路径可以切换到第一散热器60或燃料电池堆10。即，当第一端口41打开并且第二端口42阻塞时，第一冷却剂不经过第一散热器60而被引入燃料电池堆10，相反，当第二端口42打开并且第一端口41阻塞时，第一冷却剂可以在经过第一散热器60后被引入燃料电池堆10。
第二连接线路150可以与第一冷却线路110形成加热回路，以加热空调单元(HVAC单元)90。作为示例，第二连接线路150可以形成加热用于加热空调单元90的加热器(未示出)的回路。第二连接线路150的一端可以在第一点(第一连接线路130的一端连接到第一冷却线路110的点)和燃料电池堆10的入口之间连接到第一冷却线路110，并且第一冷却剂的一部分可以循环通过第二连接线路150。第二连接线路150的另一端可以在第一泵30和第二点(第一连接线路130的另一端连接到第一冷却线路110的点)之间连接到第一冷却线路110。
可以在第二连接线路150中设置过滤经过空调单元90的第一冷却剂的离子的离子过滤器95。由于电流在第一冷却剂中流动，使得燃料电池堆10短路，或者当第一冷却剂的导电性由于系统的腐蚀或渗出而增加时，电流流向第一冷却剂，因此第一冷却剂必须保持低导电性。离子过滤器95可以被配置为去除第一冷却剂中包括的离子，以将第一冷却剂的导电性保持在特定水平或更低。以这种方式，在其中中断流向燃料电池堆10的第一冷却剂的供应(第一阀20的第二端口22阻塞)的冷启动期间，第一冷却剂经由第一连接线路130的加热器50循环(升温回路)，并且还沿着第二连接线路150循环，由此，在冷启动期间，可以通过设置在第二连接线路150中的离子过滤器95进行过滤(去除第一冷却剂中包括的离子)。因此，可以有利地将在冷启动后立即引入燃料电池堆10的第一冷却剂的导电性保持在特定水平或更低。
第三连接线路140可以与第一冷却线路110形成冷却回路以冷却第一冷却剂。作为示例，第三连接线路140的一端可以连接到第一泵30和第一散热器60之间的第一冷却线路110，第三连接线路140的另一端可以连接到燃料电池堆10的冷却剂出口和第一散热器60之间的第一冷却线路110。
第一散热器60可以被配置为冷却第一冷却剂。第一散热器60可以具有可以冷却第一冷却剂的各种结构，并且第一散热器60的种类和结构在本公开中不受限制或限定。第一散热器60可以连接到第一储液器62，第一冷却剂存储在第一储液器62中。
燃料电池系统可以包括测量燃料电池堆10和第一点(第一阀20)之间的第一冷却剂的温度的第一温度传感器112、测量第一连接线路130的另一端和第一泵30之间的第一冷却剂的温度的第二温度传感器114、以及测量加热器50中的冷却剂的温度的第三温度传感器116。燃料电池系统可以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测量的温度来控制引入燃料电池堆10的第一冷却剂的流速。作为示例，当沿第一冷却线路110循环的第一冷却剂的测量温度低于预设目标温度时，可以将引入的第一冷却剂的流速控制为低于预定流速。以这种方式，因为当第一冷却剂的测量温度低时，引入燃料电池堆10的第一冷却剂的流速被控制为低，因此可以有利地最小化由于停留在燃料电池堆10内部的第一冷却剂的温度与引入燃料电池堆10的第一冷却剂的温度之间的偏差引起的热影响或性能劣化。
第二冷却线路120通过电力电子部件200，并且第二冷却剂可以沿着第二冷却线路120循环。这里，车辆的电力电子部件200可以被理解为使用车辆的电源作为能源的部件，并且电力电子部件200的种类和数量在本公开中不受限制或限定。作为示例，电力电子部件200可以包括以下中的至少任何一个：设置在燃料电池堆10和车辆的高压电池(未示出)之间的双向高压DC-DC转换器(BHDC)210；鼓风机泵控制单元(BPCU)220，其控制供应外部空气的鼓风机(未示出)以驱动燃料电池堆10；低压DC-DC转换器230，其将从高压电池接收的DC高压转换成DC低压；空气压缩机(ACP)240，其压缩供应到燃料电池堆10的空气；以及空气冷却器250。尽管图1和图2中未示出，电力电子部件200可进一步包括DC-DC降压/升压转换器。
用于使第二冷却剂强制流动的第二泵205可以布置在第二冷却线路120上。第二泵205可以包括可泵送第二冷却剂的泵送装置，并且第二泵205的种类和特征不受限制或限定。
用于冷却第二冷却剂的第二散热器70可以布置在第二冷却线路120上。第二散热器70可以具有可以冷却第二冷却剂的各种结构，并且第二散热器70的种类和结构不受限制或限定。第二散热器70可以连接到第二储液器72，第二冷却剂储存在第二储液器72中。
在本实施例中，如图1所示，第一散热器60和第二散热器70可以同时由一个冷却风扇80冷却。作为示例，第一散热器60和第二散热器70可以平行布置，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。因为由一个冷却风扇80同时冷却第一散热器60和第二散热器70，所以可以简化燃料电池系统的结构，并且可以提高设计自由度和空间利用率，并且可以最小化用于冷却第一散热器60和第二散热器70的功耗。冷却风扇80的结构可以被称为“双型”。
在一个实施例中，如图2所示，用于冷却第一散热器60的第一冷却风扇80和用于冷却第二散热器70的第二冷却风扇85可以单独布置。在这种情况下，当控制第一冷却风扇80的RPM时，燃料电池系统可以排除与电力电子部件200的热负荷相关的参数。冷却风扇80和85的结构可以被称为“多型”。
热交换器300可以被配置为在第一冷却剂和第二冷却剂之间交换热。当包括热交换器300时，第一冷却线路110和第二冷却线路120可以构成热管理系统(TMS)线路，其中第一冷却剂和第二冷却剂可以在交换热的同时流动，并且在这种情况下，第一冷却剂或第二冷却剂可以用作TMS线路上的冷媒或热媒。例如，因为冷却电力电子部件的第二冷却剂的温度低于冷却燃料电池堆10的第一冷却剂的温度，有利地，燃料电池系统可以通过第一冷却剂和第二冷却剂之间的热交换来降低第一冷却剂的温度而不增加第一散热器60和冷却风扇80的容量，可以提高燃料电池堆10的冷却效率，并且可以提高安全性和可靠性。此外，因为燃料电池系统可以在不能使用驾驶风的车辆(例如，建筑机械)停止时降低第一冷却剂的温度，因此有利地，可以确保燃料电池堆10的高输出驱动，并且可以提高安全性和耐久性。
在实施例中，热交换器300可以连接到第一散热器60的出口和燃料电池堆10之间的第一冷却线路110，并且第二冷却线路120可以连接第二散热器70的出口和电力电子部件，以通过热交换器300。例如，第一冷却剂可以沿着连接到第一冷却线路110的热交换器300流动，并且第二冷却线路120可以经过热交换器300的内部以暴露于第一冷却剂(例如，第一冷却剂沿着第二冷却线路120的圆周流动)。以这种方式，燃料电池系统可以通过第一冷却剂和第二冷却剂之间的热交换来降低引入燃料电池堆10的第一冷却剂的温度。经过第一散热器60的第一冷却剂的第一温度可以高于经过第二散热器70的第二冷却剂的第二温度，并且经过热交换器300的第一冷却剂的第三温度可以低于第一温度。作为示例，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℃，并且经过热交换器300(与第二冷却剂进行热交换)的第一冷却剂的第三温度可以比第一温度低1℃。
根据图1和图2的热交换器300与第一散热器60分开布置，但是在另一实施例中，热交换器300可以直接连接到第一散热器60。例如，热交换器300可以连接到第一散热器60的特定位置(左上端部)，但本公开不限于此。
因为诸如建筑机械之类的车辆即使在车辆停止时也需要高输出，因此根据实施例的燃料电池系统可以考虑冷却风扇80或85的RPM、外部空气温度和电力电子部件200的目标冷却性能来确定第二泵205的RPM。此外，因为燃料电池系统可以考虑热交换器300的布置、冷却风扇的结构(例如，双型或多型)和散热器60和70的引入空气量中的至少一个来确定第二泵205的RPM，因此可以优化其中第一冷却线路110和第二冷却线路120一起存在的燃料电池系统的冷却性能。
图3示出了根据各种实施例的燃料电池系统的框图。图3所示的配置可以是硬件设备或包括指令的程序(或应用程序)。
参照图3，温度测量器312可以包括图1和图2所示的温度传感器112、114和116中的至少一个。温度测量器312可以测量通过燃料电池堆10或电力电子部件200的冷却剂的温度。功耗测量器314可以测量电力电子部件200的功耗。外部空气温度测量器316可以在特定循环中测量燃料电池系统的外部空气温度。
控制器320可以是硬件设备，例如处理器或中央处理单元(CPU)，或者由处理器实施的程序。控制器320可以基于通过温度测量器312、功耗测量器314和外部空气温度测量器316测量的信息来确定第一泵30、冷却风扇80或85、以及第二泵205的RPM。为了实施这一点，控制器320可以包括第一目标冷却性能计算器321、第二目标冷却性能计算器322、冷却风扇控制器323、第一泵控制器324和第二泵控制器325。第一目标冷却性能计算器321可以基于燃料电池堆10的输出和效率计算燃料电池堆10的目标冷却性能。第二目标冷却性能计算器322可以基于电力电子部件200的功耗和低效计算电力电子部件200的目标冷却性能。冷却风扇控制器323可以确定冷却风扇80或85的RPM，第一泵控制器324可以确定第一泵30的RPM，并且第二泵控制器325可以确定第二泵205的RPM。在实施例中，控制器320中包括的配置可以由单独的模块、芯片或程序来实施，或者可以由一个集成模块来实施。
图4示出了根据各种实施例的用于管理冷却剂的温度的燃料电池系统的工作流程。
参考图4，控制器320可以基于燃料电池堆10的入口处的冷却剂温度和外部空气温度(第一外部空气温度)来确定冷却风扇80的RPM，基于多个电力电子部件200的功耗来确定电力电子部件200的目标冷却性能，以及基于再次测量的外部空气温度(第二外部空气温度)、冷却风扇80的RPM和电力电子部件200的目标冷却性能来确定第二泵205的RPM。控制器320可以确定满足电力电子部件200的目标冷却性能的第二冷却剂的流速，并且可以基于所确定的流速确定第二泵205的RPM。当燃料电池系统包括多型冷却风扇80和85时，控制器320可以通过使用冷却风扇85的RPM来确定第二泵205的RPM。
控制器320可以将表示电力电子部件200的目标冷却性能、冷却风扇80的RPM、外部空气温度和第二泵205的RPM的关系的表信息(例如，查找表)存储在数据库中。例如，表信息可以在表1中表示如下。
[表1]
Figure BDA0003372194800000161
在表1中，目标冷却性能和冷却风扇的RPM可以具有0＜A＜B和0＜a＜b的关系。因为第二泵205的性能是有限的，控制器320可以将特定水平或更高的第二泵205的RPM设置为最大RPM，相反，因为当第二泵205在特定水平或更低的水平旋转时冷却性能不受影响，控制器320可以将特定水平或更低的第二泵205的RPM设置为最小RPM。表示外部空气温度、目标冷却性能和冷却风扇的RPM的值是离散的，因此可以通过插值处理表信息中表示的值之间的值。
控制器320可以基于燃料电池堆10的目标冷却性能和第一泵30的RPM中的至少一个来确定冷却风扇80的RPM。在这种情况下，控制器320可以基于燃料电池堆10的输出和效率来确定燃料电池堆10的目标冷却性能，并且可以基于确定的目标冷却性能和燃料电池堆10出口处的冷却剂温度来确定第一泵30的RPM。
控制器320可以基于电力电子部件200的功耗和低效确定电力电子部件200的目标冷却性能。例如，第二目标冷却性能计算器322可以通过如下等式1确定电力电子部件200的目标冷却性能(CP)。
等式1
CP＝a(power1(1-Eff1)+power2(1-Eff2)+power3(1-Eff3)
+…powern(1-Effn)
在等式1中，powern表示电力电子部件200的配置(例如210、220、230、240和250)的功耗，“1-Effn”表示电力电子部件200的配置的低效，并且“a”表示权重。N是自然数，并且可以根据电力电子部件200的配置的数量而改变。
因为即使控制器320是双型的(其中散热器60和70共享冷却风扇80是共享的)，引入到散热器60和70中的空气量也可能根据散热器60和70的面积和通风阻力而不同，根据实施例的控制器320可以考虑冷却风扇80的RPM以及第二散热器70的面积和通风阻力来计算引入到第二散热器70中的空气量，并且可以进一步考虑计算出的引入空气量来确定第二泵205的RPM。
当第二泵205的RPM最大时，控制器320可以增加冷却风扇80的RPM以确保电力电子部件200的冷却性能。当冷却风扇80的RPM也最大时，燃料电池系统可进一步包括热交换器300，以在第一冷却剂和第二冷却剂之间交换热。
图5示出了根据各种实施例的确定泵的RPM的操作的流程图。以下描述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配置(例如，控制器320)实施。
参考图5，在操作510中，控制器320可以基于燃料电池堆10的入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定冷却风扇80的RPM。
在操作520中，控制器320可以基于第二散热器70的面积和通风阻力计算引入第二散热器70的空气量。根据实施例，控制器320可以省略操作520。
在操作530中，控制器320可以基于电力电子部件200的功耗确定其目标冷却性能。
在操作540中，控制器320可以基于电力电子部件200的目标冷却性能、冷却风扇80的RPM和第二外部空气温度确定第二泵205的RPM。第二外部空气温度可以是在测量第一外部空气温度之后测量的外部空气温度。
图6示出了根据各种实施例的确定目标冷却性能的操作的流程图。图6所示的操作可以是图3的操作530的示例。
参照图6，在操作610中，控制器320可以测量电力电子部件200的功耗。电力电子部件200可以指多个配置，并且在这种情况下，控制器320可以测量多个电力电子部件200中的每一个的功耗。
在操作620中，控制器320可以基于测量的电力电子部件的功耗和低(1-效率)计算每个电力电子部件200的热值。
在操作630中，控制器320可以通过将计算出的热值相加确定所有电力电子部件200的目标冷却性能。
图7示出了根据各种实施例的确定泵的RPM和冷却风扇的RPM的操作的流程图。
参考图7，在操作710中，控制器320可以测量外部空气温度(例如，第二外部空气温度)。
在操作720中，控制器320可以基于外部空气温度和冷却风扇80的RPM确定第二泵205的RPM(例如，图5的操作540)。
在操作730中，控制器320可以识别以所确定的RPM电力电子部件200的冷却性能是否满足第二泵205的目标冷却性能。当电力电子部件的冷却性能满足目标冷却性能时，在操作740中，控制器320可以存储确定的第二泵205的RPM和冷却风扇80的RPM。控制器320可以基于存储的RPM控制第二泵205和冷却风扇80的操作。
当电力电子部件的冷却性能不满足目标冷却性能时，在操作750中，控制器320可以识别第二泵205的RPM是否为最大RPM或更大。当第二泵205的RPM小于最大RPM时，在操作760中，控制器320可以增加第二泵205的RPM并重复操作710至730。当第二泵205的RPM是最大RPM或更大时，在操作770中，控制器320可以增加冷却风扇80的RPM并重复操作710至730。
在驾驶车辆时包括燃料电池系统的车辆需要燃料电池的高输出，但是燃料电池可以用驾驶风来冷却。同时，建筑机械即使在停止时也执行整平或装载操作，燃料电池或电力电子部件需要高输出，但由于基本上不存在驾驶风，整体冷却效率可能不足。当冷却效率不足时，冷却剂的温度升高，这可能会严重影响燃料电池和电力电子部件的安全性和耐久性。根据本公开的实施例，燃料电池系统可以确保燃料电池的高输出，并确保安全性和耐久性。
根据本公开的实施例，燃料电池系统可以通过有效地控制电力电子部件的热管理来确保冷却性能并防止电子部件的寿命恶化。
尽管本公开包括具体的示例，但在理解本申请的公开之后，在不脱离权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可以在这些示例中进行形式和细节上的各种改变将是显而易见的。本文描述的示例仅被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述应被认为适用于其他示例中的类似特征或方面。如果以不同的顺序执行所描述的技术，和/或如果以不同的方式组合所描述的系统、架构、设备或电路中的部件，和/或由其他部件或其等价物替换或补充，可以实现合适的结果。因此，本公开的范围不是由详细描述限定的，而是由权利要求及其等价物限定的，并且在权利要求及其等价物范围内的所有变化都应被解释为包括在本公开中。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池系统的温度控制装置，包括：
燃料电池堆；
第一冷却线路，被配置为使通过所述燃料电池堆的第一冷却剂循环；
第一泵，布置在所述第一冷却线路上，并且所述第一泵被配置为泵送所述第一冷却剂；
第一散热器，布置在所述第一冷却线路上，并且所述第一散热器被配置为冷却所述第一冷却剂；
多个电力电子部件；
第二冷却线路，被配置为使通过所述多个电力电子部件的第二冷却剂循环；
第二泵，布置在所述第二冷却线路上，并且所述第二泵被配置为泵送所述第二冷却剂；
第二散热器，布置在所述第二冷却线路上，并且所述第二散热器被配置为冷却所述第二冷却剂；
冷却风扇，被配置为将外部空气吹向所述第一散热器和所述第二散热器的任何一者或任何组合；以及
控制器，连接到所述第一泵、所述第二泵和所述冷却风扇，
其中，所述控制器被配置为：
基于所述燃料电池堆的入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定所述冷却风扇的RPM；
基于所述多个电力电子部件的功耗确定所述多个电力电子部件的目标冷却性能；以及
基于所述多个电力电子部件的所述目标冷却性能、所述冷却风扇的所述RPM和第二外部空气温度确定所述第二泵的RPM。
2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制器进一步被配置为：
基于所述多个电力电子部件的所述目标冷却性能、所述冷却风扇的RPM、所述第二外部空气温度、所述第二散热器的面积和通风阻力的任意一者或任意组合来确定所述第二泵的RPM。
3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制器进一步被配置为：
测量所述多个电力电子部件的功耗；
基于所述多个电力电子部件的功耗和低效计算所述多个电力电子部件的热值；以及
通过将所述多个电力电子部件的所述热值相加，确定所述电力电子部件的所述目标冷却性能。
4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制器进一步被配置为：
响应于以所述第二泵的RPM所述电力电子部件的冷却性能满足所述电力电子部件的所述目标冷却性能，存储所述第二泵的所述RPM和所述冷却风扇的RPM；以及
响应于以所述第二泵的RPM所述电力电子部件的所述冷却性能不满足所述电力电子部件的所述目标冷却性能，增加所述第二泵的所述RPM和所述冷却风扇的RPM。
5.根据权利要求4所述的温度控制装置，其中，所述控制器进一步被配置为：
响应于所述第二泵的RPM小于最大RPM，增加所述第二泵的RPM；以及
响应于所述第二泵的RPM不小于所述最大RPM，增加所述冷却风扇的RPM。
6.根据权利要求1所述的温度控制装置，其中，所述控制器进一步被配置为：
基于所述燃料电池堆的所述入口处的所述冷却剂温度、所述第一外部空气温度、所述燃料电池堆的输出、所述燃料电池堆的效率、所述第一泵的RPM的任何一者或任何组合来确定所述冷却风扇的RPM。
7.根据权利要求1所述的温度控制装置，进一步包括：
热交换器，布置在所述第一冷却线路和所述第二冷却线路上，并且所述热交换器被配置为在所述第一冷却剂和所述第二冷却剂之间进行热交换。
8.一种用于操作燃料电池系统的处理器实施的方法，所述方法包括：
基于燃料电池堆的入口处的冷却剂温度和第一外部空气温度确定冷却风扇的RPM；
基于电力电子部件的功耗确定所述电力电子部件的目标冷却性能；以及
基于所述电力电子部件的所述目标冷却性能、所述冷却风扇的所述RPM和第二外部空气温度，确定被配置为泵送通过所述电力电子部件的冷却剂的泵的RPM。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述泵的RPM包括：
基于所述电力电子部件的所述目标冷却性能、所述冷却风扇的所述RPM、所述第二外部空气温度、被配置为冷却所述冷却剂的散热器的面积和通风阻力的任意一者或任意组合来确定所述泵的RPM。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述电力电子部件的所述目标冷却性能包括：
测量所述电力电子部件的功耗；
基于所述电力电子部件的所述功耗和低效计算所述电力电子部件的热值；以及
通过将所述电力电子部件的所述热值相加，确定所述电力电子部件的所述目标冷却性能。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
响应于以所述泵的所述RPM所述电力电子部件的冷却性能满足所述电力电子部件的所述目标冷却性能，存储所述泵的RPM和所述冷却风扇的RPM；以及
响应于以所述泵的所述RPM所述电力电子部件的所述冷却性能不满足所述电力电子部件的所述目标冷却性能，增加所述泵的所述RPM或所述冷却风扇的所述RPM。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述泵的所述RPM或所述冷却风扇的所述RPM的所述增加包括：
响应于所述泵的RPM小于最大RPM，增加所述泵的RPM；以及
响应于所述泵的RPM不小于所述最大RPM，增加所述冷却风扇的RPM。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述冷却风扇的RPM包括：
基于所述燃料电池堆的所述入口处的所述冷却剂温度、所述第一外部空气温度、所述燃料电池堆的输出、所述燃料电池堆的效率、被配置为泵送通过所述燃料电池堆的所述冷却剂的所述泵的RPM的任何一者或任何组合来确定所述冷却风扇的RPM。
14.一种存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时，使所述处理器执行权利要求8所述的方法。
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