CN117317314A - 一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，包括以下步骤:获取电堆温度；当电堆温度到达目标值时，计算此时电堆产热功率，并对应P I控制器的基础比例积分调节参数；计算电堆入口温度的变化率，通过温度变化率的情况对P I调节参数，进行实时补偿；采集风扇出口温度，并计算风扇出口温度与电堆温度之间差值，并依据此温度差值定义节温器调节角度的上限，和P I控制器输出结果合并传送给节温器，实现在低温启动阶段，使电堆快速升温到目标工作温度区间，通过改变节温器的开度调节大小循环的混水过程，电堆温度保持在合理范围内，同时利用混水过程中小循环的热水加热大循环中冷水的温度，该方法有助于改善电堆性能和增加部件使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法。
背景技术
由于能源的危机和环境的污染，燃料电池以其高效、清洁等优势受到了广泛关注。质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、可低温运行、可靠性高、零排放等优点，目前应用前景广阔。
燃料电池工作温度的控制是影响电堆性能的关键因素之一，尤其在低温运行工况，此时电堆性能会下降，在混水阶段，大循环水温度较低，小循环温度比较高，如果冷水进入过多则会造成混水不均匀，电堆内部会局部低温，会影响电堆的效率以及寿命。因此混水阶段通过节温器对电堆温度进行有效的控制十分重要，对提高电堆的耐久性以及性能意义重大。
已有控制方法在实际应用上存在一定问题，目前大多数节温器的控制都是依据电堆入口温度对应相应的节温器开度，易出现调节速度慢，温度波动大，系统容易超温或者下调严重的情况，此种情况就会对电堆耐久和性能造成一定的影响。如果单纯改变节温器的调节速度，则会出现节温器频繁关闭开启的情况，严重影响节温器的寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，包括以下步骤:
获取电堆温度；
当电堆温度到达目标值时，计算此时电堆产热功率，并对应P I控制器的基础比例积分调节参数；
计算电堆入口温度的变化率，通过温度变化率的情况对PI调节参数，进行实时补偿；
采集风扇出口温度，并计算风扇出口温度与电堆温度之间差值；
依据此温度差值定义节温器调节角度的上限，和PI控制器输出结果合并传送给节温器，实现在低温启动阶段，使电堆快速升温到目标工作温度区间，通过改变节温器的开度调节大小循环的混水过程，电堆温度保持在合理范围内，同时利用混水过程中小循环的热水加热大循环中冷水的温度。
进一步地：所述电堆产热计算公式如下：
Q＝(V0-Vcell)*Icell*N (1)
Icell＝i*A (2)
式中，Q为电堆即时发热功率；V0为单片电池参考电压；Vcell为单片电池即时电压；Icell为系统即时电流；N为电堆总片数；i为单位活化面积电流；A为电堆活化面积。
进一步地：所述电堆入口温度的变化率为：
式中Tst.tar为电堆所需的目标温度，Tst.in为电堆入口温度，Tst.in-1为上一个周期电堆入口温度，Ts为采样周期。
进一步地：还包括当温度变化率为正并且超过设定边界值，此时温度正在上升且速度很快，达到相应温度时应更加快速开启节温器，同时修改ΔKP与ΔKI与之匹配，以快速响应；反之，变化率为负并且低于设定下限边界值时，此时应及时关闭节温器。
进一步地：还包括当电堆入口温度与风扇出口温度相差≥阈值温度，此时应对控制器输出结果进行限制，反之当电堆入口温度与风扇出口温度＜阈值温度，代表混水即将完成，此时不应对节温器进行限制，故根据实际调节效果将电堆水入口温度与风扇出口之间的误差进行插值限制节温器的输出。
进一步地：所述阈值温度设定为5℃。
进一步地：还包括对PI控制器输出上限进行调节，利用电堆入口温度和散热风扇出口温度之间的差值进行插值计算，得出PI控制器调节角度上限，当差值越大，PI控制器调节上限越小，当差值接近于零，代表混水完成。
一种燃料电池液冷系统的节温器控制系统，包括采集电堆入口温度的第一温度传感器；
采集电堆出口温度的第二温度传感器；
采集散热风扇入口温度的第三温度传感器；
采集散热风扇出口温度的第四温度传感器、散热风扇、节温器和PI控制器；
所述散热器的出水口通过水泵与电堆的入口相连接；
所述节温器的第一输出端通过PTC与电堆的入口相连接，
所述节温器的第二输出端与散热风扇入口相连接；
所述节温器的出口与电堆的出口相连接；
所述PI控制器基于所述第一温度传感器传送的电堆入口温度、第二温度传感器传送的电堆出口温度、第三温度传感器传送的散热风扇入口温度和第四温度传感器传送的散热风扇出口温度，基于所述一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，实现对节温器的控制。
本发明提供的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，以到达电堆最佳温度时间短和控制精度高为目标，实时调节节温器控制电堆入口处温度。在电堆温度上升阶段计算电堆产热，当电堆到达工作目标温度时，依据此时电堆产热对应相应P I调节参数。为了防止温度的超调实测电堆入口温度变化率的情况，依据温度的变化率对P I调节参数进行补偿，避免P I参数给的过大或者过小。同时采集风扇出口温度与电堆温度之间差值，并依据此差值限制P I输出的上限。在混水P I调节期间，考虑大小循环温度差过大的情况，此时混水的滞后性相对严重，因此根据实际电堆入口温度及其温度变化率判断是否需要关闭节温器，当到达设定温度并且温度变化率为负，关闭节温器避免温度下调。根据实验结果得知，温度以最快速度达电堆工作目标值，后大小循环开始混水，混水期间电堆温度波动在±2以内，电堆内部混水更加均匀，电堆的性能没有下降。
本专利中提出一种依据电堆产热模型以及电堆入口温度变化率实时调节P I参数的方式调节节温器，并且采集电堆温度与风扇出口温度之间差值定义P I调节上限。此种方式调节可有效减小温度超调的现象，同时最大程度降低温度的滞后性对温度调节带来的影响，有助于改善电堆性能和增加部件使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是液冷系统的节温器控制流程图；
图2是节温器控制原理图；
图3是燃料电池液冷系统原理图；
图4是温度控制效果图；
附图标记：1、电堆，2、水泵，3、膨胀水箱，4、PTC，5、节温器，6、散热风扇，TW1、第一温度传感器，TW2、第二温度传感器，TW3、第三温度传感器，TW4、第四温度传感器，PW2、压力传感器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者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：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，包括以下步骤:
S1:获取电堆1温度；
S2:当电堆1温度到达目标值时，计算此时电堆1产热功率，并对应PI控制器的基础比例积分调节参数；
S3:计算电堆1入口温度的变化率，通过温度变化率的情况对PI调节参数，进行实时补偿；
S4:采集风扇出口温度，并计算风扇出口温度与电堆1温度之间差值，
S5:并依据此温度差值定义节温器5调节角度的上限，和PI控制器输出结果合并传送给节温器5，实现在低温启动阶段，使电堆1快速升温到目标工作温度区间，通过改变节温器5的开度调节大小循环的混水过程，电堆1温度保持在合理范围内，同时利用混水过程中小循环的热水加热大循环中冷水的温度。
所述步骤S1/S2/S3/S4/S5顺序执行；
燃料电池电堆1中的热量包括电化学反应不可逆热及焦耳热等。工作过程中产生的热量需要冷却系统进行冷却，通过冷却水循环将热量带出。对于一个由多个单体串联的燃料电池而言，所述电堆1产热计算公式如下：
Q＝(V0-Vcell)*Icell*N (1)
Icell＝i*A (2)
式中，Q为电堆1即时发热功率；V0为单片电池参考电压；Vcell为单片电池即时电压；Icell为系统即时电流；N为电堆1总片数；i为单位活化面积电流；A为电堆1活化面积。
电堆1产热模型定义基础PI参数，当产生的热量高时代表需要散热要高，此时高热量应对应大的PI参数，以快速响应温度变化。同时为了避免不同管路，给温度变化带来的影响，引入温度变化率，计算公式如式4所示。
所述电堆1入口温度的变化率为：
E＝Tst.tar-Tst.in (3)
式中Tst.tar为电堆1所需的目标温度，Tst.in为电堆1入口温度，Tst.in-1为上一个周期电堆1入口温度，Ts为采样周期。微分为温度误差E的微分EC；
当温度变化率为正并且超过设定边界值，此时温度正在上升且速度很快，达到相应温度时应更加快速开启节温器5，同时修改ΔKP与ΔKI与之匹配，以快速响应。反之，变化率为负并且低于设定下限边界值时时，此时应考虑及时关闭节温器5。
考虑到降低温度的滞后性和判断是否完成混水，引入风扇出口温度传感器，当电堆1入口温度与风扇出口温度相差≥阈值温度，，如果完全按照PI控制器结果进行输出很有可能超调，此时应对PI控制器输出结果进行限制。反之当两者温度相差＜阈值温度，代表混水即将完成，此时不应对节温器5进行限制。故根据实际调节效果将电堆1水入口温度与风扇出口之间的差进行差值插值后限制节温器5的输出。
所述阈值温度设定为5℃。
依据电堆1产热模型计算电堆1热量，对应基础PI调节参数，产热量大对应快调节PI参数，电堆1产热量小，PI调节输出应慢，对应慢PI调节参数。
实测电堆1入口温度变化率，变化率大(正大或者负大)则需要加速调节节温器5，故应对PI参数进行补偿调节。变化率小，则代表变化很小，不需进行补偿。
所述补偿调节PI参数，根据电堆1的温度变化率，对PI调节参数实时补偿，有效的解决了不同管路下可能带来的温度超调的现象。
所述PI控制器调节上限，利用电堆1入口温度和散热风扇出口温度之间的差值进行插值计算，得出PI控制器调节角度上限，当差值越大，PI控制器调节上限越小。当差值接近于零，代表混水完成。
所述判断节温器5关闭的逻辑中，考虑温度的滞后性，当温度变化率为负，并且电堆1温度在合理工作范围内，选择关闭节温器5。此策略有效的避免了温度的滞后性带来的混水过量的现象。
所述PI控制器的调节方式，依据温度变化率和电堆1产热模型综合计算得出PI输出结果，此种方式可瞬间响应电堆1水温度变化。
所述的控制方法作用于实际燃料电池系统，从效果看此种控制方法具有控制精度高，鲁棒性强，响应时间短等优点，有助于改善电堆1性能，提高其耐久性。
一种燃料电池液冷系统的节温器控制系统，包括采集电堆1入口温度的第一温度传感器TW1；
采集电堆1出口温度的第二温度传感器TW2；
采集散热风扇入口温度的第三温度传感器TW3；
采集散热风扇出口温度的第四温度传感器TW4、散热风扇、节温器5和控制器；
所述散热器的出水口通过水泵2与电堆1的入口相连接；
所述节温器5的第一输出端通过PTC4与电堆1的入口相连接，
所述节温器5的第二输出端与散热风扇入口相连接；
所述节温器5的出口与电堆1的出口相连接；
所述水泵2出口水进入电堆1后在节温器5处对水进行分流，
所述散热风扇6出口通过膨胀水箱3与水泵2相连接；
所述控制器基于所述第一温度传感器TW1传送的电堆1入口温度、第二温度传感器TW2传送的电堆1出口温度、第三温度传感器TW3传送的散热风扇入口温度和第四温度传感器TW4传送的散热风扇出口温度，基于所述的一种燃料电池液冷系统的节温器5控制方法，实现对节温器5的控制，决定节温器5开启的大小，以此改变小循环与大循环水进入电堆1的水流量
增加风扇出口温度传感器，与电堆1入口温度进行比较，将二者差值进行插值计算对应PI节温器5控制上限。温度差越大，节温器5角度上限应越小。反之温度差越小，对应节温器5上限越大。
该系统还包括电堆1出水压力的压力传感器PW2。
为验证其控制方法效果，选用本公司120KW系统，在低温环境仓内进行实验，工作温度-25℃，负载工作电压550V，工作电流上限为200A。
如图4所示，燃料电池系统在-25℃的环境下启动，温度以最快的时间上升到目标温度，期间电加热器PTC4正常加热，关闭节温器5。温度到达目标温度节温器5控制逻辑开始有效，实验数据显示，整个混水期间温度没有明显波动，水入温度与目标值之间的误差在±2以内，风扇出口温度处于缓慢上升的阶段。此控制逻辑下有效的保证了电堆1性能，有助于提高电堆1的耐久性与稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：包括以下步骤:
获取电堆温度；
当电堆温度到达目标值时，计算此时电堆产热功率，并对应PI控制器的基础比例积分调节参数；
计算电堆入口温度的变化率，通过温度变化率的情况对PI调节参数，进行实时补偿；
采集风扇出口温度，并计算风扇出口温度与电堆温度之间差值；
依据此温度差值定义节温器调节角度的上限，和PI控制器输出结果合并传送给节温器，实现在低温启动阶段，使电堆快速升温到目标工作温度区间，通过改变节温器的开度调节大小循环的混水过程，电堆温度保持在合理范围内，同时利用混水过程中小循环的热水加热大循环中冷水的温度。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：所述电堆产热计算公式如下：
Q＝(V0-Vcell)*Icell*N (1)
Icell＝i*A (2)
式中，Q为电堆即时发热功率；V0为单片电池参考电压；Vcell为单片电池即时电压；Icell为系统即时电流；N为电堆总片数；i为单位活化面积电流；A为电堆活化面积。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：所述电堆入口温度的变化率为：
式中Tst.tar为电堆所需的目标温度，Tst.in为电堆入口温度，Tst.in-1为上一个周期电堆入口温度，Ts为采样周期。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：还包括当温度变化率为正并且超过设定边界值，此时温度正在上升且速度很快，达到相应温度时应更加快速开启节温器，同时修改ΔKP与ΔKI与之匹配，以快速响应；反之，变化率为负并且低于设定下限边界值时，此时应及时关闭节温器。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：还包括当电堆入口温度与风扇出口温度相差≥阈值温度，此时应对控制器输出结果进行限制，反之当电堆入口温度与风扇出口温度＜阈值温度，代表混水即将完成，此时不应对节温器进行限制，故根据实际调节效果将电堆水入口温度与风扇出口之间的误差进行插值限制节温器的输出。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：所述阈值温度设定为5℃。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，其特征在于：还包括对PI控制器输出上限进行调节，利用电堆入口温度和散热风扇出口温度之间的差值进行插值计算，得出PI控制器调节角度上限，当差值越大，PI控制器调节上限越小，当差值接近于零，代表混水完成。
8.一种燃料电池液冷系统的节温器控制系统，其特征在于：包括采集电堆入口温度的第一温度传感器；
采集电堆出口温度的第二温度传感器；
采集散热风扇入口温度的第三温度传感器；
采集散热风扇出口温度的第四温度传感器、散热风扇、节温器和PI控制器；
所述散热器的出水口通过水泵与电堆的入口相连接；
所述节温器的第一输出端通过PTC与电堆的入口相连接，
所述节温器的第二输出端与散热风扇入口相连接；
所述节温器的出口与电堆的出口相连接；
所述PI控制器基于所述第一温度传感器传送的电堆入口温度、第二温度传感器传送的电堆出口温度、第三温度传感器传送的散热风扇入口温度和第四温度传感器传送的散热风扇出口温度，基于所述权利要求1-7所述的一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法，实现对节温器的控制。
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| CN202311300014.0A Pending CN117317314A (zh) | 2023-10-09 | 2023-10-09 | 一种燃料电池液冷系统的节温器控制方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN117317314A (zh) |
-
2023
- 2023-10-09 CN CN202311300014.0A patent/CN117317314A/zh active Pending
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