CN116936885A - 一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，包括：通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度；实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息；将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度。本发明建立了燃料电池最佳操作温度与电流密度之间的定量映射关系，因此对于不同的电流密度均可找到一个最佳操作温度使其输出功率最大，再通过模型预测控制方法动态地根据所需电流密度控制燃料电池电堆温度，最终实现最大化输出功率的目标，并保障燃料电池的高效、可靠运行，提高燃料电池的寿命与耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池热管理技术领域，尤其涉及一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置。
背景技术
电化学能源系统，如可充电电池、超级电容器和燃料电池在电动汽车应用中发挥着重要作用，并作为一种能源提供动力供应。由于质子交换膜燃料电池汽车具有能量密度高、快速加氢和零污染排放等优点，已成为下一代电动汽车的发展目标之一。然而，耐久性和可靠性问题严重限制了车用质子交换膜燃料电池系统的宽敞的商业应用。燃料电池的温度是影响电堆效率和稳定性的关键因素，具体体现在：燃料电池的能量转换效率在50％左右，即其有与电堆功率近似相等的能量将以热能的方式释放，这对燃料电池的热管理而言是个巨大挑战。当燃料电池电堆温度升高时，可提高交换电流密度、催化剂的催化活性与气体扩散速度，进而提高燃料电池性能；同时，随着温度的升高，质子交换膜水含量逐渐降低进而降低其电导率，严重时还将造成膜干，且温度升高时更容易造成电堆内部温度分布不均，影响气体供应、电化学反应、质子交换膜的传输特性与水管理，局部高温也会引起如湿热变形、蠕变、铂溶解与双极板腐蚀等燃料电池退化现象。因此，将燃料电池维持在与其工作状况对应的最优操作温度具有重要意义。现有的燃料电池热管理方法与策略主要集中于控制方法及其更新迭代与性能优化，如PID，预测控制，自适应控制，模糊控制，滑模控制，神经网络方法等，而对于控制目标的细化分析与研究即在温度控制与PEMFC设定稳定跟踪点之间建立联系很少，且均存在各自的缺陷。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置。
本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，包括：
通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度；
实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息；
将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度；
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
优选地，所述配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
优选地，所述热行为模型包括电压模型、电堆的产热模型、电堆的耗热模型、水箱模型；进堆压力包括阴极进堆压力、阳极进堆压力；“实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一热行为信息”具体包括：
将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压；
将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量；
将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量；
将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度；将第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位作为第一类型热行为信息。
优选地，还包括通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，包括：
配置表模块，用于通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度；
数据分析模块，用于实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息；
数据处理模块，用于将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度；
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
优选地，所述配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
优选地，所述数据分析模块具体包括：
电压分析单元，用于将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压；
电堆产热分析单元，用于将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量；
电堆耗热分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量；
水箱温度分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度。
优选地，数据处理模块还用于通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
本发明中，所提出的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置，建立了燃料电池最佳操作温度与电流密度之间的定量映射关系，因此对于不同的电流密度均可找到一个最佳操作温度使其输出功率最大，再通过模型预测控制方法动态地根据所需电流密度控制燃料电池电堆温度，最终实现最大化输出功率的目标，并保障燃料电池的高效、可靠运行，提高燃料电池的寿命与耐久性。
附图说明
图1为本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法的工作流程的结构示意图；
图2为本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法的实体装置的结构示意图；
图3为本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法的运行过程的结构示意图；
图4为本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置的系统结构示意图；
图5为本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置的装置内部的结构示意图。
具体实施方式
参照图1-5，本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，包括：
通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度。
在本实施例中，配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
在本实施例中，首先是建立燃料电池最大化输出功率的最佳操作温度与电流密度之间的定量映射关系。此关系可通过实验确立，即通过固定空、氢过量比等无关的工作参数，以电堆温度为自变量，固定电流密度，测量当电堆温度从60摄氏度逐渐升高到75摄氏度时，燃料电池输出功率的变化，取输出功率最大的点对应的电堆温度即为当前电流密度下的最佳操作温度。具体实验步骤如下：
1)设定跟踪温度为60摄氏度，拉载，使电堆温度升高到设定温度并稳定运行；
2)分别固定工作电流为20A，40A，60A，80A，100A，120A，140A，160A，180A，200A，220A；
3)将燃料电池拉载到设定的固定工作电流，设定跟踪温度改为75摄氏度，保持电堆稳定运行；
4)测量燃料电池输出功率的变化曲线，待电堆温度达到75℃时停止；
5)待电堆温度冷却到60摄氏度后，选取下一个设定电流继续实验；
6)通过上述获取的11个给定工作电流下输出功率最大的最优操作温度，即可通过拟合得到最大输出功率的最佳操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息。
在本实施例中，热行为模型包括电压模型、电堆的产热模型、电堆的耗热模型、水箱模型；进堆压力包括阴极进堆压力、阳极进堆压力；“实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一热行为信息”具体包括：
将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压。
在本实施例中，电压模型具体为：
V＝ENernst-Vact-Vohm-Vcon
Vact＝ξ1+ξ2·T+ξ3·ln(c(O2))+ξ4·T·lnI
Vohm＝Rproton·I
其中，ENernst为能斯特电压；Vact为活化过电势；Vohm为欧姆过电势；Vcon为浓差过电势；R为摩尔气体常数，F为法拉第电磁常数。
将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量。
在本实施例中，电堆的产热模型具体为：
Qg＝Echemical-Pout
Pout＝N·V·I
其中，N为单电池片数；为氢气流量；ΔH为氢气的标准焓；Echemical为总化学能；Pout为输出的能量；Qg为电堆的产热。
将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量。
在本实施例中，电堆的耗热模型具体为：
Qloss＝Qcool+Qgas
Qcool＝Wcool·ccool·(Tst,out-Tst,in)
其中，Qcool为冷却液产热；Wcool为冷却液流量；ccool为冷却液的比热容；为氧气流量；/>为氧气的比热容；/>为氢气的比热容；/>为冷却水的流量；/>为冷却水的比热容；Tst,out为电堆输出的温度；Tst,in为电堆进入的温度；Tamb为环境温度。
将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度。
在本实施例中，水箱模型具体为：
其中，Tw,t,in为进入水箱水的温度；Tw,t为水箱中水的温度；Ww为进入水箱的流量；mtank为水箱的热容。
在本实施例中，还包括水泵模型，水泵模型具体为：
水泵压力与扬程的关系为：
其中，H为扬程；p为压力；v为速度；z为海拔。
将第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位作为第一类型热行为信息。
将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度。
在本实施例中，模型预测控制器的数学描述为：
其中，u＝[Wcool Ww],x＝[Tst,inTw,t,in Qg]，T＝[Tst.out Tw,t]；
满足时域约束条件：
其中，(Tr,ur)为参考最佳操作温度，通过上述映射得到和与之相应的控制输入。
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
在本实施例中，所提出的模型预测控制器的输入为冷却水流量与水箱流量，涉及到的关键状态包括出堆水温、进堆压力、冷却液流量、水泵电流、水箱液位等，其涉及到的传感器为温度传感器、压力传感器与流量计。
根据上述测量获取的输入与关键状态，结合本发明提出的模型预测控制器，可以对燃料电池电堆温度进行在线实时控制，可以根据燃料电池的运行状态实时调节温度控制目标，将电堆温度始终精准地控制在当前工作状态下的最优操作温度，从而保障燃料电池的高效、稳定、长寿运行。
还包括通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
如图2所示，在本实施例中，该方法所涉及的实体装置主要包括燃料电池电堆、水泵、节温器、散热器、冷却液，需要测量的主要包括燃料电池电堆出口、入口水温、水泵转速及功率、节温器开度、散热器功率、冷却液流速，且均可在不影响燃料电池正常工作的情况下在线实时进行。本发明建立了燃料电池最佳操作温度与电流密度之间的定量映射关系，因此对于不同的电流密度均可找到一个最佳操作温度使其输出功率最大，再通过模型预测控制方法动态地根据所需电流密度控制燃料电池电堆温度，最终实现最大化输出功率的目标，并保障燃料电池的高效、可靠运行，提高燃料电池的寿命与耐久性。
参照图1-5，本发明提出的一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，包括：
配置表模块，用于通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度。
配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
数据分析模块，用于实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息。
数据分析模块具体包括：
电压分析单元，用于将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压；
电堆产热分析单元，用于将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量；
电堆耗热分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量；
水箱温度分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度。
数据处理模块，用于将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度。
数据处理模块还用于通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，其特征在于，包括：
通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度；
实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息；
将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度；
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
2.根据权利要求1所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，其特征在于，所述配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
3.根据权利要求1所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，其特征在于，所述热行为模型包括电压模型、电堆的产热模型、电堆的耗热模型、水箱模型；进堆压力包括阴极进堆压力、阳极进堆压力；“实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一热行为信息”具体包括：
将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压；
将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量；
将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量；
将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度；将第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位作为第一类型热行为信息。
4.根据权利要求1所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法，其特征在于，还包括通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
5.一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，其特征在于，包括：
配置表模块，用于通过配置表以获取与质子交换膜燃料电池最大输出功率对应的最优操作温度以及电流密度；
数据分析模块，用于实时获取燃料电池的热行为信息，将热行为信息输入预设的热行为模型，得到第一类型热行为信息；
数据处理模块，用于将第一热行为信息输入预设的模型预测控制器，得到最优操作温度；
其中，热行为信息具体为采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位；第一类型热行为信息具体为第一操作温度、产出能量、损失能量、采集的出堆水温、进堆压力、冷却液流量、节温器开度、散热器功率、水箱液位。
6.根据权利要求5所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，其特征在于，所述配置表中预先配置有质子交换膜燃料电池最大输出功率下的最优操作温度与电流密度之间的定量映射关系。
7.根据权利要求5所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，其特征在于，所述数据分析模块具体包括：
电压分析单元，用于将热行为信息中的出堆水温、电堆电流、阴极进堆压力、阳极进堆压力输入预设的电压模型，得到燃料电池的电压；
电堆产热分析单元，用于将燃料电池的电压输入电堆的产热模型，得到燃料电池的产出能量；
电堆耗热分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量输入电堆的耗热模型得到燃料电池的损失能量；
水箱温度分析单元，用于将出堆水温、冷却液流量、水泵转速、水泵电流输入水箱模型得到第一操作温度。
8.根据权利要求5所述的液体冷却剂冷却型燃料电池热管理装置，其特征在于，数据处理模块还用于通过最优操作温度和配置表获取与最优操作温度对应的质子交换膜燃料电池最大输出功率、电流密度。
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| CN202311023789.8A CN116936885A (zh) | 2023-08-15 | 2023-08-15 | 一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置 |
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| CN202311023789.8A Pending CN116936885A (zh) | 2023-08-15 | 2023-08-15 | 一种液体冷却剂冷却型燃料电池热管理方法及其装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117747892A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 燃料电池发热功率控制方法、电子设备和用电设备 |
-
2023
- 2023-08-15 CN CN202311023789.8A patent/CN116936885A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117747892A (zh) * | 2024-02-19 | 2024-03-22 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 燃料电池发热功率控制方法、电子设备和用电设备 |
| CN117747892B (zh) * | 2024-02-19 | 2024-04-26 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 燃料电池发热功率控制方法、电子设备和用电设备 |
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