CN115498213A - 一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法 - Google Patents

一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法，系统包括控制阀、吹扫电磁阀、电堆、调压阀、空压机、水泵、散热器、节温器、温度传感器、控制装置。迟滞补偿控制方法，通过预先标定等功率情况下燃料电池发动机的工作参数组合：基准目标参数、变温目标参数，根据整车功率需求的变化幅度，选取不同的加载方式，尤其是在加载幅度较大时，预先加载到低温等功率工况点，并最终调整至常规工况点。这种方法通过迟滞补偿的方式，在快速满足整车工况需求的同时，解决了大功率燃料电池发动机快速加载过程中的温度响应慢、高温超调带来的动力性、耐久性的冲突问题。

Description

一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法。
背景技术
传统的氢能燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长的诸多优点。燃料电池系统通常包含燃料电池电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件系统，电堆包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片的理论电压为1.23V，其通常通过几百片并联实现大功率输出。随着燃料电池发动机向重卡应用方向拓展，为了满足商用车重卡动力性需求，发动机功率需达到200~300kW级别，为了实现有限空间内的散热需求，燃料电池电堆工作温度不断提高，并且商用重卡对燃料电池功率的加减载速率要求不断提高，在大变载速率下会存在着温度超调等现象，然而较高的工作温度与膜、树脂材料的寿命存在着冲突。在燃料电池系统控制中，热管理系统的延时特性在分钟级别以上，无法满足毫秒级的电流加载需求。本发明为了解决上述问题，开发了一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池热管理系统及其迟滞补偿控制方法。
第一方面，一种燃料电池热管理系统，包括控制阀、电堆、空压机、水泵、散热器、节温器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、电压传感器、控制装置，所述电堆的氢气进口设置有控制阀、压力传感器，电堆的冷却液出口设置有依次相连的温度传感器、水泵、散热器、节温器，所述节温器的出口与电堆的冷却液进口相连；电堆设置有电压传感器，电堆的空气进口设置有空压机、流量传感器，所述控制装置与所述温度传感器、压力传感器、流量传感器、电压传感器信号连接。
具体的，所述电堆的氢气出口设置有吹扫电磁阀。
具体的，所述电堆的空气出口设置有调压阀。
具体的，所述电堆的氢气出口设置有氢气循环装置，所述氢气循环装置的出口与电堆的氢气进口连接。
具体的，燃料电池系统设置有第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、电压传感器，电堆的氢气进口设置有第一压力传感器，电堆的氢气出口设置有第二压力传感器，电堆的冷却液进口设置有第一温度传感器，电堆的冷却液出口设置有第二温度传感器；空压机的进口设置有流量传感器，空压机的出口设置有第三压力传感器，电堆设置有电压传感器；控制装置分别与所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、电压传感器信号连接。
第二方面，一种基于以上所述的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法，包括以下步骤：
S01：启动；
S02：燃料电池正常运行，输出功率P1；
S03：接收整车目标功率P2，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
= P2- P1；
S04：判断功率差
Figure 675008DEST_PATH_IMAGE001
是否超过了预设阈值
Figure 907406DEST_PATH_IMAGE002
，若否，则进入S05，若是，则进入S06；
S05：根据基准目标参数加载；
S06：根据
Figure 960944DEST_PATH_IMAGE001
选取变温目标参数加载，预先加载到低温等功率工况点；
S07：达到变温目标参数后，切换至基准目标参数，最终调整至常规工况点。
具体的，所述基准目标参数、变温目标参数设置为保证电堆稳定可持续运行的给定功率下的不同工况参数的组合，所述组合包括空气压力/流量、氢气压力、循环泵转速、电堆冷却液进口和出口温度；基准目标参数设置为等功率下效率最高的工况参数组合，变温目标参数设置为等功率下温度依次降低的工况参数组合；所述步骤S04中的
Figure 708320DEST_PATH_IMAGE002
设置为综合控制过程中温度超调与加载幅度的判定值。
具体的，所述步骤S04中的
Figure 325246DEST_PATH_IMAGE002
设置为50%的额定功率。
具体的，所述步骤S06中选取变温目标参数加载选取方式是按照预设的对应关系实行。
具体的，所述步骤S06中选取变温目标参数的依据是加载功率
Figure 474468DEST_PATH_IMAGE001
的数值。
本发明通过预先标定等功率情况下燃料电池发动机的工作参数组合（基准、变温），根据整车功率需求的变化幅度，选取不同的加载方式，尤其是在加载幅度较大时，预先加载到低温等功率工况点，并最终调整至常规工况点。这种方法通过迟滞补偿的方式，在快速满足整车工况需求的同时，解决了大功率燃料电池发动机快速加载过程中的温度响应慢、高温超调带来的动力性、耐久性的冲突问题。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明实施例中的一种燃料电池热管理系统；
图2示出了本发明实施例中的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法；
图3示出了本发明实施例中的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法的按照基准目标参数加载和变温目标参数加载的过程图。
附图标记：1-控制阀；2-氢气循环装置；3-吹扫电磁阀；4-电堆；5-调压阀；6-空压机；7-水泵；8-散热器；9-节温器；10-第一压力传感器；11-第二压力传感器；12-第一温度传感器；13-第二温度传感器；14-第三压力传感器；15-流量传感器；16-电压传感器；20-控制装置；21第一工况；22-第二工况；23-第三工况；24-基准目标参数曲线；25-第一变温目标参数曲线；26-第二变温目标参数曲线；27-等功率线300kW。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池热管理系统。
一种燃料电池热管理系统，包括控制阀1、氢气循环装置2、吹扫电磁阀3、电堆4、调压阀5、空压机6、水泵7、散热器8、节温器9、第一压力传感器10、第二压力传感器11、第一温度传感器12、第二温度传感器13、第三压力传感器14、流量传感器15、电压传感器16、控制装置20，所述电堆4的燃气进口设置有控制阀1、第一压力传感器10，电堆4的氢气出口设置有第二压力传感器11、氢气循环装置2、吹扫电磁阀3，所述氢气循环装置2的出口与电堆4的氢气进口连接，所述电堆4的冷却液出口设置有依次相连的第二温度传感器13、水泵7、散热器8、节温器9、第一温度传感器12，所述第一温度传感器12的出口与电堆4的冷却液进口相连；电堆4的空气进口设置有依次相连的流量传感器15、空压机6、第三压力传感器14，电堆4的空气出口设置有调压阀5。
所述电堆4设置有电压传感器16；所述控制装置20分别与所述第一压力传感器10、第二压力传感器11、第一温度传感器12、第二温度传感器13、流量传感器15、第三压力传感器14、电压传感器16信号连接。
如图2所示，本发明实施例中的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法；包括以下步骤：
S01：启动；
S02：燃料电池正常运行，输出功率P1；
S03：接收整车目标功率P2，
Figure 151437DEST_PATH_IMAGE001
= P2- P1；
S04：判断功率差
Figure 386109DEST_PATH_IMAGE001
是否超过了预设阈值
Figure 541147DEST_PATH_IMAGE002
，具体的，
Figure 561187DEST_PATH_IMAGE002
是综合控制过程中温度超调与加载幅度的判定值，具体的，例如，其可以是50%的额定功率；若否，则进入S05，若是，则进入S06；
S05：根据基准目标参数加载，具体的，其加载过程如图3所示；通过预先标定等功率情况下燃料电池发动机的工作参数组合：基准目标参数、变温目标参数，基准目标参数曲线24、第一变温目标参数曲线25、第二变温目标参数曲线26等指的是保证电堆稳定可持续运行的不同工况参数的组合，所述组合包括空气压力/流量、氢气压力、循环泵转速、电堆冷却液进口和出口温度；基准目标参数设置为等功率下效率最高的工况参数组合，变温目标参数设置为等功率下温度依次降低的工况参数组合；具体的，例如基准目标参数曲线24在300kW功率输出时的工作温度是90℃，第一变温目标参数曲线25在300kW功率输出时的工作温度是88℃，第二变温目标参数曲线26在300kW功率输出时的工作温度是85℃；具体的，基准目标参数曲线24的效率是最高的，第一变温目标参数曲线25、第二变温目标参数曲线26在等功率的情况下，效率依次降低。需要指出的是，这里的图示仅为示意，并不限定本专利的应用范围。当
Figure 409057DEST_PATH_IMAGE001
较低时，快速变载过程中的温度超调及温度迟滞效应可控，可按照基准目标参数曲线24加载，具体的，例如其从第一工况21直接切换至第三工况23；
S06：根据
Figure 131025DEST_PATH_IMAGE001
选取变温目标参数加载，当
Figure 89754DEST_PATH_IMAGE001
较高时，快速变载过程中的温度超调及温度迟滞效应超出可允许范围，导致其无法满足动态特性、寿命的要求，需要选取变温目标参数加载，预先加载到低温等功率工况点，选取变温目标参数的依据是加载功率
Figure 947989DEST_PATH_IMAGE001
的数值，选取方式可以按照事先预设的对应关系实行，例如加载功率值
Figure 966760DEST_PATH_IMAGE001
按照额定功率的50%、75%、100%划分，对应的变温工况参数为基准目标参数曲线24、第一变温目标参数曲线25、第二变温目标参数曲线26；当目标加载功率与当前目标功率差值为
Figure 176025DEST_PATH_IMAGE001
为额定功率的50%时，其从第一工况21首先切换至第二工况22（第二变温目标参数曲线26与等功率线300kW27的交点）；
S07：达到变温目标参数后，切换至基准目标参数曲线24；具体的，由于变温目标参数相比基准目标参数的燃料电池发动机效率较低，为了在满足动态特性、耐久性的基础上，进一步满足效率，需从变温目标参数切换至基准目标参数；具体的，其切换将沿着等功率线执行，例如由第二工况22切换至第三工况23，最终调整至常规工况点。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，包括控制阀、电堆、空压机、水泵、散热器、节温器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、电压传感器、控制装置，所述电堆的氢气进口设置有控制阀、压力传感器，电堆的冷却液出口设置有依次相连的温度传感器、水泵、散热器、节温器，所述节温器的出口与电堆的冷却液进口相连；电堆设置有电压传感器，电堆的空气进口设置有流量传感器、空压机，所述控制装置与所述温度传感器、压力传感器、流量传感器、电压传感器信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述电堆的氢气出口设置有吹扫电磁阀。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述电堆的空气出口设置有调压阀。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述电堆的氢气出口设置有氢气循环装置，所述氢气循环装置的出口与电堆的氢气进口连接。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池热管理系统，其特征在于，燃料电池系统设置有第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、电压传感器，电堆的氢气进口设置有第一压力传感器，电堆的氢气出口设置有第二压力传感器，电堆的冷却液进口设置有第一温度传感器，电堆的冷却液出口设置有第二温度传感器；空压机的进口设置有流量传感器，空压机的出口设置有第三压力传感器，电堆设置有电压传感器；控制装置分别与所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、流量传感器、电压传感器信号连接。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的一种燃料电池热管理系统的 迟滞补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：启动；
S02：燃料电池正常运行，输出功率P1；
S03：接收整车目标功率P2，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
= P2- P1；
S04：判断功率差
Figure 917019DEST_PATH_IMAGE002
是否超过了预设阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，若否，则进入S05，若是，则进入S06；
S05：根据基准目标参数加载；
S06：根据
Figure 381630DEST_PATH_IMAGE002
选取变温目标参数加载，预先加载到低温等功率工况点；
S07：达到变温目标参数后，切换至基准目标参数，最终调整至常规工况点。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法，其特征在于，所述基准目标参数、变温目标参数设置为保证电堆稳定可持续运行的给定功率下的不同工况参数的组合，所述组合包括空气压力/流量、氢气压力、循环泵转速、电堆冷却液进口和出口温度；基准目标参数设置为等功率下效率最高的工况参数组合，变温目标参数设置为等功率下温度依次降低的工况参数组合；所述步骤S04中的
Figure 692525DEST_PATH_IMAGE004
设置为综合控制过程中温度超调与加载幅度的判定值。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S04中的
Figure 353314DEST_PATH_IMAGE004
设置为50%的额定功率。
9.根据权利要求6所述的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S06中选取变温目标参数加载选取方式是按照预设的对应关系实行。
10.根据权利要求6所述的一种燃料电池热管理系统的迟滞补偿控制方法，其特征在于，所述步骤S06中选取变温目标参数的依据是加载功率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的数值。
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