CN116314961A - 一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置 - Google Patents

一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置，该控制方法，主要包括：获得电堆入口的实际温度；基于电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值；根据预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度；基于电堆入口的实际温度和电堆出口的实际温度，对冷却液装置进行二次调整。本申请通过两次调整冷却液流量值，将冷却液流量控制在期望值范围内，实现对电堆水温的精确控制，从而提高燃料电池的性能。

Description

一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置。
背景技术
氢燃料电池是一种将化学能转化为电能的电化学发电装置，氢燃料电池的结构主要包括电堆、氢气回路、空气回路、冷却液回路和外电路回路。其工作过程为：在电堆阳极，氢分子从氢气回路进入电堆，在阳极催化剂的作用下氢分子解离为氢离子并释放出电子，电子通过外电路回路进入电堆阴极。在电堆阴极，氧分子从空气回路进入电堆，在催化剂的作用下氧分子与氢离子，以及通过外电路回路到达的电子发生化学反应生成水，该过程中，电子在外电路回路就形成了电流。
其中，燃料电池冷却液流量对阴极湿度、电堆温度等有很重要的影响。例如，为了使电堆温度维持在目标工作温度，对应需要将流经电堆的冷却液流量调整至目标流量。由于在实车运行中没有电堆流量传感器，因此电堆的冷却液流量只能根据ETV(电子调温阀Electronic temperature regulating valve )开度、水泵转速查表得到，通过ETV开度、水泵转速的调节来使电堆冷却液流量调节为目标的流量值。同时在设定目标流量时，由于没有考虑热容和传感器造成的延迟，测量数据与实际存在偏差，因此无法基于此对水温进行精确的控制，影响燃料电池的性能。
发明内容
本发明提供一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置，用以解决现有技术中无法对水温精确的控制的缺陷，实现对水温精确的控制，提高燃料电池的性能。
本发明提供一种电堆冷却液流量的控制方法，包括：
获得电堆入口的实际温度；
基于所述电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值；
根据所述预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度；
基于所述电堆入口的实际温度和所述电堆出口的实际温度，对所述冷却液装置进行二次调整。
在一种可能的实施方式中，所述基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，具体包括：
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_2
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻；
Figure SMS_3
为电堆出口的传感器实测量温度；
Figure SMS_4
为延迟时间；
Figure SMS_5
为采样时间。
在一种可能的实施方式中，所述延迟时间的计算，具体包括：
设置多个不同的冷却液流量值；
测量每个所述冷却液流量值对应的延迟时间；
基于所述延迟时间和所述冷却液流量值，通过拟合算法，获得所述延迟时间与所述冷却液流量值之间的函数关系。
在一种可能的实施方式中，所述延迟时间与所述冷却液流量值之间的函数关系，具体包括：
Figure SMS_6
其中，
Figure SMS_7
为延迟时间；
M为冷却液流量值。
在一种可能的实施方式中，所述基于所述电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值，具体包括：
根据热量平衡，基于电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值，其中，所述热量平衡为：
Figure SMS_8
其中，
Figure SMS_9
为电堆产热量；
Figure SMS_10
为电堆升温吸热热量；
Figure SMS_11
为冷却液流量吸热热量。
在一种可能的实施方式中，所述电堆产热量的计算，具体包括：
Figure SMS_12
其中，current为电流；
Ncell为电堆片数；
Figure SMS_13
为液态水比例，其为0-1；
Voltage为单片电压。
在一种可能的实施方式中，所述电堆升温吸热量的计算，具体包括：
Figure SMS_14
其中，
Figure SMS_15
为电堆热质量；
Figure SMS_16
为电堆入口的实际温度。
在一种可能的实施方式中，所述计算得到预冷却液流量值，具体包括：
Figure SMS_17
其中，M为冷却液流量值；
Figure SMS_18
为冷却液比热容。
本发明还提供一种电堆冷却液流量的控制系统，包括：
第一获取模块，用于获得电堆入口的实际温度；
第一处理模块，用于基于所述电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值；
第二处理模块，用于根据所述预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度；
调节模块，用于基于所述电堆入口的实际温度和所述电堆出口的实际温度，对所述冷却液装置进行二次调整。
本发明还提供一种电堆冷却液流量的控制装置，包括：
电堆；
水泵，与所述电堆的出口连接；
散热器，与所述电堆的出口和入口连接；
ETV与所述电堆入口、所述水泵和所述散热器连接，通过调节所述ETV开度，控制冷却系统中大小循环冷却液的流量。
本发明提供的一种电堆冷却液流量的控制方法、系统及装置，通过两次调整冷却液流量值，将冷却液流量控制在期望值范围内，实现对电堆水温的精确控制，从而提高燃料电池的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种电堆冷却液流量的控制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的延迟时间与流量的一阶延迟函数示意图；
图3是本发明提供的一种电堆冷却液流量的控制系统的结构示意图；
图4是本发明提供的一种电堆冷却液流量的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。
需要说明的是：在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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保护范围的限制。
下面参考图1-2详细描述本发明公开的一种电堆冷却液流量的控制方法的第一实施例。
如图1所示，本实施例主要包括以下步骤：
S1、获得电堆入口的实际温度。
在步骤S1中，利用传感器测量获得电堆入口的实际温度。
S2、基于电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值。
在步骤S2中，先对电堆出口温度设定一个预设出口温度，基于电堆入口的实际温度和预设出口温度，计算得到预冷却液流量值。
具体的，根据热量平衡，电堆产出的热量其中一部分导致电堆本身的温度升高，一部分被冷却液带走，计算获得电堆冷却液流量值，其中，热量平衡具体为：
Figure SMS_19
其中，
Figure SMS_20
为电堆产热量；
Figure SMS_21
为电堆升温吸热热量；
Figure SMS_22
为冷却液流量吸热热量。
在一种可能的实施方式中，电堆产热量
Figure SMS_23
可通过如下公式获得：
Figure SMS_24
其中，current为电流；
Ncell为电堆片数；
Figure SMS_25
为液态水比例，其为0-1；
Voltage为单片电压。
优选的，
Figure SMS_26
液态水的占比由当前工况下对应的饱和蒸气压得到，即电堆出口温度对应的饱和蒸气压。
在一种可能的实施方式中，电堆升温吸热热量
Figure SMS_27
可通过如下公式获得：
Figure SMS_28
其中，
Figure SMS_29
为电堆热质量；
Figure SMS_30
为电堆入口的实际温度。
在一种可能的实施方式中，基于热量平衡公式，计算获得电堆冷却液流量值，具体如下：
Figure SMS_31
其中，
Figure SMS_32
为电堆热质量；
Figure SMS_33
为电堆入口的实际温度；
Figure SMS_34
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻。
当计算预冷却液流量值时，
Figure SMS_35
就作为电堆预设出口温度，将电堆实际入口温度和预设出口温度输入至上述公式中，可获得预冷却液流量值。
S3、根据预冷却液流量值对冷却液装置调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度。
在步骤S3中，首选，冷却液装置根据预冷却液流量值，通过调节水泵转速和ETV开度，控制冷却液流量值达到预冷却液流量值，完成第一次冷却液流量值调整。
其次，通过传感器测得电堆出口的温度值，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度。
如图2所示，由于传感器测量电堆出口的温度值存在延迟，该延迟为一阶延迟，且延迟时间是与冷却液流量相关的一阶延迟函数，故由实测数据得到延迟时间
Figure SMS_36
与冷却液流量之间的函数关系如下：/>
Figure SMS_37
其中，
Figure SMS_38
为延迟时间；
M为冷却液流量值。
进一步，延迟时间为：在某一时刻，传感器测量电堆出口的温度值与电堆出口的实际温度值存在时间上的偏差，也就是传感器测量当前时刻电堆出口的温度值，实际是上一时刻电堆出口的温度值。
基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，可计算得到电堆出口的实际温度，具体可采用如下公式：
Figure SMS_39
其中，
Figure SMS_40
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻；
Figure SMS_41
为电堆出口的传感器实测量温度；
Figure SMS_42
为延迟时间；
Figure SMS_43
为采样时间。
通过上述两个公式，可获得电堆出口某一时刻的实际温度值，通过引入延迟时间，避免与实际测量值存在偏差，实现精确控制。
在一种可能的实施方式中，延迟时间的计算，具体包括：
设置多个不同的冷却液流量值；
测量每个冷却液流量值对应的延迟时间；
基于延迟时间和冷却液流量值，通过拟合算法，获得延迟时间与冷却液流量值之间的函数关系。
具体的，利用实验手段获得延迟时间与冷却液流量值之间的一阶延迟函数关系，其中，在电堆出口处，设置多个不同的冷却液流量值，通过测量每个冷却液流量值对应的延迟时间，利用拟合算法，获得延迟时间与冷却液流量值之间一阶延迟函数关系。其中，可采用MATLAB进行线性拟合，获得拟合曲线。
S4、基于电堆入口的实际温度和电堆出口的实际温度，对冷却液装置进行二次调整。
在步骤S4中，由上述可知，可根据电堆入口的实际温度和电堆出口的实际温度，可计算得到实际冷却液流量值。
由于实际冷却液流量值与预冷却液流量值之间存在差值，故冷却装置根据差值，通过调节水泵转速和ETV开度，控制冷却液流量值达到实际冷却液流量值，完成第二次冷却液流量值调整。
通过实时预控制冷却液流量值和实际控制冷却液流量值，使其冷却液流量值控制在期望值范围内，实现快速响应，避免温差过大损坏电堆。
下面参考图3详细描述，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电堆冷却液流量的控制系统的第一实施例。
如图3所示，本实施例主要包括：第一获取模块、第一处理模块、第二处理模块、调节模块。
第一获取模块用于获得电堆入口的实际温度，第一处理模块用于基于电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值，第二处理模块用于根据预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度，调节模块用于基于电堆入口的实际温度和电堆出口的实际温度，对冷却液装置进行二次调整。
具体的，通过第一获取模块中的传感器测量获得电堆入口的实际温度，并将电堆入口的实际温度发送至第一处理模块；
第一处理模块与第一获取模块连接，第一处理模块接收到电堆入口的实际温度，在对电堆出口温度设定一个预设出口温度值，基于电堆入口的实际温度和预设出口温度，计算得到预冷却液流量值，并将预冷却流量值发送至第二处理模块；
第二处理模块与第一处理模块连接，第二处理接收到预冷却液流量值后，控制冷却液装置的水泵转速和ETV开度，使其冷却液流量值达到预冷却液流量值，完成第一次冷却液流量值调整；
第二处理模块中的传感器测得调整后的电堆出口的温度，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度，由于传感器测量电堆的出口温度值存在延迟，该延迟为一阶延迟，且延迟时间是与流量相关的一阶函数，基于该传感器测量电堆出口的温度与延迟时间，可获得电堆某一时刻出口的实际温度，通过引入延迟时间，避免与实际测量值存在偏差，使其实现精确控制；
调节模块与第二处理模块连接，根据电堆入口的实际温度和电堆出口的实际温度，可获得实际冷却液流量值，根据实际冷却液流量值与预冷却液流量值之间存在的差值，通过调节水泵转速和ETV开度，控制冷却液流量值达到实际冷却液流量值，完成第二次冷却液流量值调整。
通过预控制和实际控制冷却液流量值，使其冷却液流量值控制在期望值范围内，实现快速响应，避免温差过大损坏电堆。
在一种可能实施方式中，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度，具体可采用如下公式：
Figure SMS_44
其中，
Figure SMS_45
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻；
Figure SMS_46
为电堆出口的传感器实测量温度；
Figure SMS_47
为延迟时间；
Figure SMS_48
为采样时间。
在一种可能实施方式中，计算延迟时间，可采用如下公式：
Figure SMS_49
其中，
Figure SMS_50
为延迟时间；
M为冷却液流量值。
在一种可能实施方式中，基于热量平衡公式，计算获得电堆冷却液流量值，具体如下：
Figure SMS_51
其中，M为冷却液流量值；
Figure SMS_52
为电堆入口的实际温度；
Figure SMS_53
为冷却液比热容。
在一种可能的实施方式中，热量平衡公式，具体为：
Figure SMS_54
其中，
Figure SMS_55
为电堆产热量；
Figure SMS_56
为电堆升温吸热热量；
Figure SMS_57
为冷却液流量吸热热量。
在一种可能的实施方式中，电堆产热量
Figure SMS_58
可通过如下公式获得：
Figure SMS_59
其中，current为电流；
Ncell为电堆片数；
Figure SMS_60
为液态水比例，其为0-1；
Voltage为单片电压。
在一种可能的实施方式中，电堆升温吸热热量
Figure SMS_61
可通过如下公式获得：
Figure SMS_62
其中，
Figure SMS_63
为电堆热质量；
Figure SMS_64
为电堆入口的实际温度。
本申请通过实时预控制冷却液流量值和实际控制冷却液流量值，使其冷却液流量值控制在期望值范围内，实现快速响应，避免温差过大损坏电堆。
下面参考图4详细描述，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电堆冷却液流量的控制装置的第一实施例。
如图4所示，本实施例主要包括：电堆1、水泵2、散热器3和ETV4。
电堆1出口一端与水泵2的入口端连通，电堆1入口一端与散热器3的出口端连通，散热器3的入口端与水泵2的出口端连通，ETV4分别与电堆1入口、水泵2出口端和散热器3出口端连通，通过调节水泵2转速和ETV开度，控制冷却系统中大小循环冷却液的流量使冷却液流量值在期望范围内，实现对水温的精确控制，提供燃料电池的性能。
在一种可能的实施方式中，在电堆1出口和电堆1入口处均设有传感器，用于测量电堆1出口和入口的温度值。
在一种可能实施方式中，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度，具体可采用如下公式：
Figure SMS_65
其中，
Figure SMS_66
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻；
Figure SMS_67
为电堆出口的传感器实测量温度；
Figure SMS_68
为延迟时间；
Figure SMS_69
为采样时间。
在一种可能实施方式中，计算延迟时间，可采用如下公式：
Figure SMS_70
其中，
Figure SMS_71
为延迟时间；
M为冷却液流量值。
在一种可能实施方式中，基于热量平衡公式，计算获得电堆冷却液流量值，具体如下：
Figure SMS_72
其中，M为冷却液流量值；
Figure SMS_73
为冷却液比热容。
在一种可能的实施方式中，热量平衡公式，具体为：
Figure SMS_74
其中，
Figure SMS_75
为电堆产热量；
Figure SMS_76
为电堆升温吸热热量；
Figure SMS_77
为冷却液流量吸热热量。
在一种可能的实施方式中，电堆产热量
Figure SMS_78
可通过如下公式获得：
Figure SMS_79
其中，current为电流；
Ncell为电堆片数；
Figure SMS_80
为液态水比例，其为0-1；
Voltage为单片电压。
在一种可能的实施方式中，电堆升温吸热热量
Figure SMS_81
可通过如下公式获得：
Figure SMS_82
其中，
Figure SMS_83
为电堆热质量；
Figure SMS_84
为电堆入口的实际温度。
在一种可能的实施方式中，通过预设电堆1出口温度，获得预设冷却液流量值，根据预冷却液流量值，通过调节水泵2转速和ETV4开度，控制冷却液流量值达到预冷却液流量值，完成第一次冷却液流量值调整，通过电堆出口温度与延迟时间，获得电堆1出口的实际温度，根据电堆1入口的实际温度和电堆1出口的实际温度，获得实际冷却液流量值，根据预冷却液流量值与实际冷却液流量值之间的差值，调节水泵2转速和ETV4开度，从而控制冷却液流量值达到实际冷却液流量值，完成第二次冷却液流量值调整。
通过实时预控制冷却液流量值和实际控制冷却液流量值，使其冷却液流量值控制在期望值范围内，实现快速响应，避免温差过大损坏电堆1。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，包括：
获得电堆入口的实际温度；
基于所述电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值；
根据所述预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度，其中，所述基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，具体包括：
Figure QLYQS_1
其中，/>
Figure QLYQS_2
为电堆出口的实际温度；
t为当前时刻，t-1为上一时刻；
Figure QLYQS_3
为电堆出口的传感器实测温度；
Figure QLYQS_4
为延迟时间；
Figure QLYQS_5
为采样时间；
基于所述电堆入口的实际温度和所述电堆出口的实际温度，对所述冷却液装置进行二次调整。
2.根据权利要求1所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，所述延迟时间的计算，具体包括：
设置多个不同的冷却液流量值；
测量每个所述冷却液流量值对应的延迟时间；
基于所述延迟时间和所述冷却液流量值，通过拟合算法，获得所述延迟时间与所述冷却液流量值之间的函数关系。
3.根据权利要求2所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，所述延迟时间与所述冷却液流量值之间的函数关系，具体包括：
Figure QLYQS_6
其中，/>
Figure QLYQS_7
为延迟时间；
M为冷却液流量值。
4.根据权利要求1所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，包括：
根据热量平衡，计算得到预冷却液流量值，其中，所述热量平衡为：
Figure QLYQS_8
其中，/>
Figure QLYQS_9
为电堆产热量；
Figure QLYQS_10
为电堆升温吸热热量；
Figure QLYQS_11
为冷却液流量吸热热量。
5.根据权利要求4中所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，所述电堆产热量的计算，具体包括：
Figure QLYQS_12
其中，current为电流；
Ncell为电堆片数；
Figure QLYQS_13
为液态水比例，其为0-1；
Voltage为单片电压。
6.根据权利要求4所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，所述电堆升温吸热量的计算，具体包括：
Figure QLYQS_14
其中，
Figure QLYQS_15
为电堆热质量；/>
Figure QLYQS_16
为电堆入口的实际温度。
7.根据权利要求4所述的一种电堆冷却液流量的控制方法，其特征在于，所述计算得到预冷却液流量值，具体包括：
Figure QLYQS_17
其中，M为冷却液流量值；
Figure QLYQS_18
为冷却液比热容。
8.一种采用如权利要求1-7所述控制方法的电堆冷却液流量的控制系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获得电堆入口的实际温度；
第一处理模块，用于基于所述电堆入口的实际温度，计算得到预冷却液流量值；
第二处理模块，用于根据所述预冷却液流量值对冷却液装置进行调整之后，基于调整后电堆出口的传感器测量温度与延迟时间，计算得到电堆出口的实际温度；
调节模块，用于基于所述电堆入口的实际温度和所述电堆出口的实际温度，对所述冷却液装置进行二次调整。
9.一种采用如权利要求1-7所述控制方法的电堆冷却液流量的控制装置，其特征在于，包括：
电堆；
水泵，与所述电堆的出口连接；
散热器，与所述电堆的出口和入口连接；
ETV与所述电堆入口、所述水泵和所述散热器连接，通过调节所述ETV开度，控制冷却系统中大小循环冷却液的流量。
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