CN117936839A - 一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法，涉及燃料电池台架测试系统技术领域，包括水泵、换热器、加热器一和三通阀，三通阀、水泵、加热器一依次连接并与电堆相连形成闭合循环回路，电堆冷却水出口连接三通阀一端，电堆冷却水入口连接水泵一端；换热器与水泵之间设有排气水罐，排气水罐顶端设有排气阀，排气水罐底端设有排水阀，排气水罐内设有加热器三；三通阀一端分别连接有开关阀一和开关阀二，开关阀一与排气水罐之间通过加热器二相连，换热器外循环端还连接有外冷却水泵送装置；本申请中的技术方案能够控制待测电堆温度快速上升，以及精确控制电堆加载减载时的温度变化，实现燃料电池测试台架高效稳定的热管理功能。

Description

一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池台架测试系统技术领域，具体涉及一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法。

背景技术

电堆是燃料电池系统的核心部件，燃料电池电堆性能测试是研发燃料电池发电机系统的重要内容，特别是电堆产品性能的标定需要通过燃料电池测试台架完成。现有燃料电池测试台系统由空气系统、氢气系统、冷却系统以及相应电气控制系统组成，其中，冷却系统中电堆水温的稳定控制直接影响电堆的测试性能，这对电堆的活化及性能测试造成很大影响。一般现有技术中有采用散热器和排气补水的方式对水温进行控制，这种方式测试台架管路复杂且占用测试台的空间很大，此外还带来水路排气困难且时间较长，特别是在启动时水温上升很慢，在加载或减载时水温波动很大，对电堆的性能造成不利影响。

由于电堆在不同工况下的工作边界不同，在不同功率段下对进堆水温的要求不同，因此对进堆水温进行快速的温度控制并稳定在合适范围内，这对电堆测试台架系统提出了较高的技术要求，既能满足电堆全功率段稳定且精确控制，又要在电堆进行功率加减载时尽可能及时快速响应，这是一个亟需解决的问题。

针对上述问题，本发明采用一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池多路循环冷却装置及其控制方法，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种燃料电池多路循环冷却装置，包括水泵、换热器、加热器一和三通阀，三通阀、水泵、加热器一依次连接并与电堆相连形成闭合循环回路，电堆冷却水出口连接三通阀一端，电堆冷却水入口连接水泵一端；其中，水泵与电堆入口之间设有颗粒过滤器，换热器与水泵之间设有排气水罐，排气水罐顶端设有排气阀，排气水罐底端设有排水阀，排气水罐内设有加热器三；三通阀一端分别连接有开关阀一和开关阀二，开关阀一与排气水罐之间通过加热器二相连，换热器外循环端还连接有外冷却水泵送装置，换热器外循环进出口分别连接外冷却水泵送装置进出口，换热器内循环入口端连接开关阀二，换热器内循环出口端连接排气水罐，外冷却水泵送装置出口与换热器入口之间设有调节阀和温度传感器四。

在上述技术方案的基础上，颗粒过滤器并联连接去离子器，水泵与颗粒过滤器之间设有流量传感器，颗粒过滤器与电堆入口端之间设有温度传感器一和压力传感器一。

在上述技术方案的基础上，三通阀与电堆出口之间设有温度传感器二和压力传感器二。

在上述技术方案的基础上，排气水罐内壁分别设有液位传感器一和液位传感器二，且液位传感器一和液位传感器二分别设置于不同预定高度处。

在上述技术方案的基础上，排气水罐内还设有电导率传感器和温度传感器三，加热器三设置于排气水罐内腔体中心位置处。

在上述技术方案的基础上，排气水罐入口端连接有补水阀，补水阀连接外部去离子水源。

在上述技术方案的基础上，排水阀一端接入排气水罐且另一端连接外部集水罐。

在上述技术方案的基础上，排气阀入口端连接排气水罐顶端预留开孔，且排气阀另一出口端连接外部大气排空。

在上述技术方案的基础上，三通阀内三条正交的管道相互联通且可控制三条通道中任一通断状态。

在上述技术方案的基础上，一种燃料电池多路循环冷却装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、启动燃料电池电堆测试台架，开始测试程序，进入下一步；

步骤二、冷启动状态及低功率段：开关阀一、开关阀二保持关闭；控制三通阀将冷却水导通进入加热器一中加热，控制水泵转速保持电堆循环冷却水流量至预定值一，进入下一步；

步骤三、开启排气阀并保持打开状态，控制加热器三加热使排气水罐内冷却水至预定温度，进入下一步；

步骤四、中功率段：打开开关阀一，关闭开关阀二，控制三通阀使冷却水经过加热器二加热后再进入排气水罐，控制水泵转速来控制电堆循环冷却水流量至预定值二，进入下一步；

步骤五、通过PID算法控制加热器一、加热器二和加热器三同时加热从而控制水温快速上升，进入下一步；

步骤六、高功率段：控制三通阀断开加热器一并接通开关阀二，关闭开关阀一，关闭加热器一和加热器二，打开开关阀二；控制水泵转速使电堆循环冷却水流量值预定值三，进入下一步；

步骤七、通过控制调节阀开度以及加热器三对电堆循环冷却水的温度进行调节控制；

步骤八、完成测试程序，结束。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明中的一种燃料电池多路循环冷却装置与现有技术相比，能够实现待测电堆工作温度快速上升，并在加载减载测试阶段保持温度控制的高稳定性，提高了台架测试温控系统执行操作的精准性，并且精简了冷却水管路。

（2）本发明中的一种燃料电池多路循环冷却装置通过设置三通阀和三个加热器单独控制回路，实现了燃料电池测试台多阶梯加热调温功能，获得电堆测试快速升温控温能力，解决了燃料电池电堆冷启动及中低功率阶段电堆升温慢的问题。

（3）本发明中的一种燃料电池多路循环冷却装置在电堆冷却主回路上设置可控的排气水罐使进出堆水热容量增大，减小冷却水水温波动很小，有利于进出堆水温控制。

（4）本发明中的一种燃料电池多路循环冷却装置通过设置排气水罐代替一般的排气补水水壶更有利于将测试台集成化布置，解决了常规管路布置导致侵占过多空间的问题，节约了测试实验室占地面积。

附图说明

图1为本发明实施例中一种燃料电池多路循环冷却装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种燃料电池多路循环冷却装置控制方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参见如图1所示为本发明实施例中一种燃料电池多路循环冷却装置结构示意图，包括水泵、换热器、加热器一和三通阀，三通阀、水泵、加热器一依次连接并与电堆相连形成闭合循环回路，电堆冷却水出口连接三通阀一端，电堆冷却水入口连接水泵一端；其中，水泵与电堆入口之间设有颗粒过滤器，换热器与水泵之间设有排气水罐，排气水罐顶端设有排气阀，排气水罐底端设有排水阀，排气水罐内设有加热器三；三通阀一端分别并排连接有开关阀一和开关阀二，开关阀一与排气水罐之间通过加热器二相连，换热器外循环端还连接有外冷却水泵送装置，换热器外循环进出口分别连接外冷却水泵送装置进出口，换热器内循环入口端连接开关阀二，换热器内循环出口端连接排气水罐，外冷却水泵送装置出口与换热器入口之间设有调节阀和温度传感器四。

本实施例中，颗粒过滤器还并联连接去离子器，水泵与颗粒过滤器之间设有流量传感器，颗粒过滤器过滤杂质颗粒，去离子器将冷却水中电导率降低并保持在预定水平，颗粒过滤器与电堆入口端之间设有温度传感器一和压力传感器一。

本实施例中，三通阀与电堆出口之间设有温度传感器二和压力传感器二，温度传感器二和压力传感器二分别监测出堆冷却水温度和压力情况。

本实施例中，排气水罐内壁不同高度处预设有液位传感器一和液位传感器二，液位传感器一和液位传感器二分别监测排气水罐内冷却水的含量变化，分别对应液位值一和液位值二，根据实际水位和液位值一、液位值二关系，控制补水阀开启或闭合并确定是否进行加注去离子水。

本实施例中，排气水罐内还设有电导率传感器和温度传感器三，加热器三设置于排气水罐内容积腔体中心位置处。电导率传感器监测排气水罐内冷却水的电导率变化情况，温度传感器三监测排气水罐内冷却水温度值。

本实施例中，排气水罐入口端连接有补水阀，补水阀连接外部去离子水源，开启或关闭补水阀则可以加注或停止加注去离子水。

本实施例中，排水阀一端接入排气水罐且另一端连接外部集水罐。

本实施例中，排水阀入口端接入排气水罐顶端开孔且另一出口端连接外部大气排空。

本实施例中，三通阀内三条正交的管道相互联通且可控制三条通道中任一通道的通断状态。本申请中采用的三通阀三个进出接口可以根据需要通断设置获得分流或合流作用。

三通阀门主要有L型和T型之分，本申请中采用T型三通阀门。它们之间的区别是：T型能使三条正交的管道相互联通和切断第三条通道，起分流、合流作用。L型只能连接相互正交的两条管道，不能同时保持第三条管道的相互连接，只起分配作用。

参见如图2所示为本发明实施例中的一种燃料电池多路循环冷却装置控制方法的流程框图，一种燃料电池多路循环冷却装置控制方法包括以下步骤：

步骤一、启动燃料电池电堆测试台架，开始测试程序，进入下一步。

步骤二、冷启动状态及低功率段：开关阀一、开关阀二保持关闭；控制三通阀将冷却水导通进入加热器一中加热，控制水泵转速保持电堆循环冷却水流量至预定值一，进入下一步。

步骤三、开启排气阀并保持打开状态，控制加热器三加热使排气水罐内冷却水至预定温度，进入下一步。

步骤四、中功率段：打开开关阀一，关闭开关阀二，控制三通阀使冷却水经过加热器二加热后再进入排气水罐，控制水泵转速来控制电堆循环冷却水流量至预定值二，进入下一步。

步骤五、通过PID算法控制加热器一、加热器二和加热器三同时加热从而控制水温快速上升，进入下一步。

步骤六、高功率段：控制三通阀断开加热器一并接通开关阀二，关闭开关阀一，关闭加热器一和加热器二，打开开关阀二；控制水泵转速使电堆循环冷却水流量值预定值三，进入下一步。

步骤七、通过控制调节阀开度以及加热器三对电堆循环冷却水的温度进行调节控制。根据电堆运行情况以及测试需要，重复步骤一至步骤七任意一项操作，控制电堆工作在预定温度范围内。

步骤八、完成测试程序，结束本轮测试工作，根据需要随时开启下一轮测试工作。

下面详细具体地阐述本实施例具操作说明，本申请中的控制策略主要分三种工作情况分别进行：

低功率段：

在电堆启动或低功率段进行测试时，由于启动初期电堆温度还没上升到运行温度区间，而此时需要对电堆进口水温进行快速升温，保证电堆膜电极性能尽可能快地提升至最佳水平，因此控制冷却水经过三通阀进口进入到加热器一，开关阀一、开关阀二均保持关闭，水泵启动使经过加热器一内的冷却水开始循环工作，通过控制水泵转速对电堆循环冷却水流量进行控制，流量传感器监控此时冷却水循环流量，通过PID算法控制加热器一使水温快速上升从而使电堆升温至预定温度范围。此时电堆的循环冷却水不经过换热器和排气水罐，但排气水罐内的加热器三仍然进行可控加热并且将排气阀保持打开状态，使排气水罐内的水温升到预定范围内，为电堆进一步功率加载做预处理准备。

中功率段：

在电堆加载到中功率段时，由于一段时间的工作运行，电堆产生的热量使自身温度上升，此时如果温度没有达到预定温度依然要对电堆进行升温，但是需要提高温度控制的精确性，尤其是在加载时要求控制水温不能波动太大，此时控制开关阀一打开，开关阀二关闭，通过控制三通阀使冷却水经过加热器二加热再进入排气水罐内，控制单元控制水泵转速来控制电堆循环冷却水的流量，流量传感器监控循环冷却水的流量，此时电堆内的冷却水从开关阀一进入到加热器二再进入到排气水罐，管路内的水与排气水罐内的水进行混合，通过PID算法控制加热器一、加热器二和加热器三同时加热从而控制水温，加热器一、加热器二和加热器三共同控制加热提高升温速率，能够确保电堆此时快速升温和减少温度迟滞波动，或者根据需要控制加热器一和/或加热器二和/或加热器三进行工作，由于此时整个冷却水循环的总量加大，水温变化波动会更小，便于热管理控制，快速使电堆的冷却水温保持在预定范围内且水温稳定性较好。

另外，也可以控制三通阀仅接通开关阀一，保持开关阀一打开，开关阀二关闭，根据当前运行环境需要通过控制加热器二和/或加热器三来给冷却水进行加热，水泵使经过加热器二和/或加热器三内的冷却水进行循环，流量传感器监控流量，控制单元控制水泵转速来控制电堆循环冷却水的流量，确保能够快速升温及减少温度波动。或控制三通阀仅接通加热器一，使进堆的水温控制在预定范围内。

高功率段：

在电堆运行到高功率阶段时，电堆主要是散热并保持进堆的水温稳定，此时控制三通阀断开加热器一并接通开关阀二，开关阀一关闭，加热器一和加热器二均关闭，开关阀二打开，控制单元控制水泵转速使冷却水循环流动，控制转速来控制电堆循环冷却水的流量，流量传感器监控流量，电堆循环冷却水经过换热器进行散热，通过控制调节阀开度以及加热器三来对电堆循环冷却水的温度进行调节控制，使进入电堆的冷却水温保持在预定范围内，其中，设计利用排气水罐内冷却水的总量，实现排气水罐内冷却水与换热器进入的水进行混合时，直接扩大冷却水循环回路的热容量，提高冷却水缓冲水温波动的能力，实现更小的温度变化，再通过控制加热器三和调节阀共同调节使水温波动更小。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：包括水泵、换热器、加热器一和三通阀，三通阀、水泵、加热器一依次连接并与电堆相连形成闭合循环回路，电堆冷却水出口连接三通阀一端，电堆冷却水入口连接水泵一端；其中，水泵与电堆入口之间设有颗粒过滤器，换热器与水泵之间设有排气水罐，排气水罐顶端设有排气阀，排气水罐底端设有排水阀，排气水罐内设有加热器三；三通阀一端分别连接有开关阀一和开关阀二，开关阀一与排气水罐之间通过加热器二相连，换热器外循环端还连接有外冷却水泵送装置，换热器外循环进出口分别连接外冷却水泵送装置进出口，换热器内循环入口端连接开关阀二，换热器内循环出口端连接排气水罐，外冷却水泵送装置出口与换热器入口之间设有调节阀和温度传感器四。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述颗粒过滤器并联连接去离子器，水泵与颗粒过滤器之间设有流量传感器，颗粒过滤器与电堆入口端之间设有温度传感器一和压力传感器一。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述三通阀与电堆出口之间设有温度传感器二和压力传感器二。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述排气水罐内壁分别设有液位传感器一和液位传感器二，且液位传感器一和液位传感器二分别设置于不同预定高度处。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述排气水罐内还设有电导率传感器和温度传感器三，加热器三设置于排气水罐内腔体中心位置处。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述排气水罐入口端连接有补水阀，补水阀连接外部去离子水源。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述排水阀一端接入排气水罐且另一端连接外部集水罐。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述排气阀入口端连接排气水罐顶端预留开孔，且排气阀另一出口端连接外部大气排空。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池多路循环冷却装置，其特征在于：所述三通阀内三条正交的管道相互联通且可控制三条通道中任一通道的通断状态。

10.基于权利要求1-9任意一项一种燃料电池多路循环冷却装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、启动燃料电池电堆测试台架，开始测试程序，进入下一步；

步骤二、冷启动状态及低功率段：开关阀一、开关阀二保持关闭；控制三通阀将冷却水导通进入加热器一中加热，控制水泵转速保持电堆循环冷却水流量至预定值一，进入下一步；

步骤三、开启排气阀并保持打开状态，控制加热器三加热使排气水罐内冷却水至预定温度，进入下一步；

步骤四、中功率段：打开开关阀一，关闭开关阀二，控制三通阀使冷却水经过加热器二加热后再进入排气水罐，控制水泵转速来控制电堆循环冷却水流量至预定值二，进入下一步；

步骤五、通过PID算法控制加热器一、加热器二和加热器三同时加热从而控制水温快速上升，进入下一步；

步骤六、高功率段：控制三通阀断开加热器一并接通开关阀二，关闭开关阀一，关闭加热器一和加热器二，打开开关阀二；控制水泵转速使电堆循环冷却水流量值预定值三，进入下一步；

步骤七、通过控制调节阀开度以及加热器三对电堆循环冷却水的温度进行调节控制；

步骤八、完成测试程序，结束。