CN216624352U - 一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池发动机系统冷却路测试技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，包括发动机测循环回路、测试台架内循环回路和外部冷却循环回路，发动机测循环回路由被测燃料电池发动机系统和发动机测循环冷却板式换热器通过两条不锈钢管路连接成循环回路；测试台架内循环回路中发动机测循环冷却板式换热器与缓冲水罐通过不锈钢管路连接，缓冲水罐与水泵通过不锈钢管路连接，水泵连接有两条支路；外部冷却循环回路由两条不锈钢管路支路构成。本实用新型可以测试燃料电池系统冷却水路各部件的性能参数，对判断燃料电池发动机系统冷却水路部件选型配置是否合理，起到了关键性作用。

Description

一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池发动机系统冷却路测试技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统装置，对于氢燃料电池发动机系统冷却部件性能参数测试评价有很大作用。

背景技术

目前，燃料电池行业随着材料科学、制造工艺、装配技术的日益进步，提升功率密度和耐久性成为产业化发展的重要趋势。同时，大功率密度等也对燃料电池水热管理策略提出了更高的要求，对于燃料电池发动机系统的冷却系统也起着关键性作用，同时也是一个难题，主要原因如下：(1)由于电池的不可逆性而产生的化学反应热；(2) 由于欧姆极化而产生的焦耳热；(3)加湿气体带入的热量；(4)吸收环境辐射热量。

由于燃料电池产生的废热占到转化的化学能的50％甚至更多。电池排出的尾气、电池堆的辐射和循环水可以从电池堆中带走热量。由于排气温度只能在70-80℃左右，因此通过排气的散热远远不能同传统内燃机在几百度的排气温度下所能达到的效果相比，实际计算表明燃料电池的排气散热只占总能量的3％～5％左右。对于辐射散热，不管是燃料电池发动机还是内燃机，只占很小一部分，而对于燃料电池发动机而言，辐射散热占更小。因此，大约有95％的热量需要通过冷却水来带走，而对于发动机电化学反应总能量(HHV)而言这个数值只有50％左右，由此可见燃料电池发动机的散热量相对较高。另外，燃料电池发动机的冷却水的温度在环境温度和电池的工作温度之间，这个温差明显要小于内燃机冷却水工作的温差，相差大约30℃，可见燃料电池冷却系统的散热更为艰难。

发明内容

针对上述不足，本实用新型提供一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，专门为燃料电池发动机系统定制测试燃料电池系统冷却水路各部件的性能参数，反应燃料电池发动机系统冷却水路部件选型配置是否合理，起到了关键性作用。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，包括发动机测循环回路、测试台架内循环回路和外部冷却循环回路；

发动机测循环回路由被测燃料电池发动机系统和发动机测循环冷却板式换热器通过两条不锈钢管路连接成循环回路，从被测燃料电池发动机系统通向发动机测循环冷却板式换热器的不锈钢管路上依次设有气动开关阀A、压力传感器A、温度传感器A和电导率传感器；从发动机测循环冷却板式换热器通向被测燃料电池发动机系统的不锈钢管路上依次设有发动机测循环冷却液流量计、温度传感器B、压力传感器B、气动开关阀B和发动机测循环冷却板式换热器。

其中，被测燃料电池发动机系统通过不锈钢软管或PU软管连接至测试系统管路预留的不锈钢卡盘接口处，气动开关阀A、气动开关阀B以卡盘或螺纹的接口形式与测试系统的不锈钢管路进行连接，压力传感器A、压力传感器B以螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，温度传感器A、温度传感器B通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，电导率传感器通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，发动机测循环冷却板式换热器通过卡盘方式连接在测试系统的不锈钢管路上，发动机测循环冷却液流量计通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上。

测试台架内循环回路中发动机测循环冷却板式换热器与缓冲水罐通过不锈钢管路连接，其不锈钢管路设有温度控制阀，缓冲水罐与水泵通过不锈钢管路连接，水泵连接有两条支路，一条支路依次与加热器和发动机测循环冷却板式换热器连接，加热器和发动机测循环冷却板式换热器连接的不锈钢管路上依次设有温度传感器C、三通混水阀、热水加热器和冷却器，其中，三通混水阀分出一条支路与外循环水测循环冷却板式换热器通过不锈钢管路连接，其不锈钢管路设有温度传感器D；另一条支路直接与外循环水测循环冷却板式换热器连通。

其中，温度控制阀通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，缓冲水罐通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，水泵通过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，加热器通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，三通混水阀通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，水流量计通过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，冷却器通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，温度传感器C、温度传感器D过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上。

外部冷却循环回路由两条不锈钢管路支路构成，从外循环水测循环冷却板式换热器出去的支路上依次设有温度传感器E、压力传感器 D、外循环冷却水控制阀和开关阀B；进入外循环水测循环冷却板式换热器的支路上依次设有开关阀A、外循环水测流量计、压力传感器 C和温度传感器F。

其中，外循环水测循环冷却板式换热器通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，开关阀A、开关阀B通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，外循环水测流量计通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，压力传感器C、压力传感器D通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，温度传感器F、温度传感器E通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，外循环冷却水控制阀通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

本实用新型主要用于燃料电池发动机测试平台，在燃料电池系统发动机不带冷却风扇时，来发挥燃料电池发动机的水热管理冷却系统作用进行测试，通过给燃料电池发动机水路冷却及加热进行温度控制来实现对发动机水路精准测试，测试燃料电池系统冷却水路各部件的性能参数，反映燃料电池发动机系统冷却水路部件选型配置是否合理。

本实用新型专门为燃料电池发动机系统定制测试燃料电池系统冷却水路各部件的性能参数评价，可以给燃料电池冷却回路提供精准稳定的冷却介质，控制燃料电池发动机入口温度稳定状态下波动±1℃，动态状况下±2℃，同时测试燃料电池冷却路电导率参数，测量燃料电池发动机冷却路进出口温度，测量燃料电池发动机冷却路进出口压力，测量燃料电池发动机水路冷却液流量等，对于氢燃料电池发动机系统冷却部件性能参数测试评价有很大作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型水冷散热系统装置图；

图2是燃料电池发动机系统冷却温度控制曲线图；

图3是燃料电池发动机系统功率电压曲线图。

图中：1、被测燃料电池发动机系统，2、气动开关阀A，3、压力传感器A，4、温度传感器A，5、电导率传感器，6、发动机测循环冷却板式换热器，7、气动开关阀B，8、压力传感器B，9、温度传感器B，10、发动机测循环冷却液流量计，11、温度控制阀，12、缓冲水罐，13、水泵，14、加热器，15、三通混水阀，16、水流量计， 17、冷却器，18、温度传感器C，19、温度传感器D，20、外循环水测循环冷却板式换热器，21、开关阀A，22、外循环水测流量计，23、压力传感器C，24、温度传感器F，25、开关阀B，26、外循环冷却水控制阀，27、压力传感器D，28、温度传感器E。

具体实施方式

下面通过具体实施例详述本实用新型，但不限制本实用新型的保护范围。如无特殊说明，本实用新型所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。

本实用新型三级主冷却回路系统具备加热，冷却的功能，温度控制精确，稳态精度±1℃，动态精度±2℃，响应速度快，关键阀件、流量计、电导率、温度压力传感器均选用国际品牌，精度高性能可靠。

控制原理如下：

①发动机测循环回路的阻力主要由发动机测循环冷却板式换热器6和发动机测循环冷却液流量计10构成，其中发动机测循环冷却板式换热器6阻力≤7Kpa，发动机测循环冷却液流量计10阻力≤3Kpa，整个回路阻力≤10Kpa，满足发动机测回路阻力≤15Kpa的要求。

②测试台架内循环回路主要为发动机测循环回路提供绝对稳定温度状态的环境不受外界任何影响，加热器14和外循环水测循环冷却板式换热器20分别进入三通混水阀15，三通混水阀15的功能类似于发动机内部节温器，温度控制阀11可以稳定控制发动机测循环冷却板式换热器6的入口温度，将温度控制在±1℃，发动机测循环回路入口温度由温度控制阀11调节，从而精准控制件温度传感器B9，使进入发动机系统温度稳态下保证±1℃，实际在现场可以做到±0.5℃左右，动态下保证±2℃；保证发动机电堆冷却量及入口温度及时跟随，此跟随过程是由三通混水阀15、温度控制阀11、外循环冷却水控制阀26联调对热量冷源进行精准跟随控制，完全满足发动机冷却系统入口温度精准控制过程。发动机系统出口温度主要由发动机内部水泵来控制，正常进出口温度≤10℃。

③外部冷却循环回路主要提供冷却所需的冷源，并配置流量计及调节阀调节冷量，外循环冷却水控制阀2来调节外部冷冻水流量及冷量。

实施例1各回路连接及工作原理

①发动机测循环回路：被测燃料电池发动机系统1通过不锈钢软管或PU软管连接至测试系统管路预留的不锈钢卡盘接口处，气动开关阀A2、气动开关阀B7以卡盘或螺纹的接口形式与测试系统的不锈钢管路进行连接，压力传感器A3、压力传感器B8以螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，温度传感器A4、温度传感器B9通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，电导率传感器5通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，发动机测循环冷却板式换热器6通过卡盘方式连接在测试系统的不锈钢管路上，发动机测循环冷却液流量计10通过螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上。

工作原理：发动机冷却液在发动机系统内部水泵驱动下，从被测燃料电池发动机系统1冷却系统出口的进入分别依次通过气动开关阀A2、压力传感器A3、温度传感器A4、电导率传感器5、发动机测循环冷却板式换热器6、发动机测循环冷却液流量计10、温度传感器B9、压力传感器B8、气动开关阀B7，然后再回到被测燃料电池发动机系统1入口。此循环回路中气动开关阀A2、气动开关阀B7 为进出口气动开关阀隔断系统，压力传感器A3、压力传感器B8分别计量进出口冷却液的压力，温度传感器A4、温度传感器B9分别计量进出口冷却液的温度，电导率传感器5测量冷却液的电导率，发动机测循环冷却液流量计10测量冷却液的流量，发动机测循环冷却板式换热器6为发动机冷却系统提供主要冷源，根据发动机不同功率、不同电流的工况下，利用测试台架内循环回路来实时调节冷却量大小来对发动机入口冷却液温度实现快速降温或升温、以及温度精确平稳的控制。

②测试台架内循环回路：温度控制阀11通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，缓冲水罐12通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，水泵13通过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，加热器14通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，三通混水阀15通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，水流量计16通过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，冷却器17通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，温度传感器C18、温度传感器D19过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上。

工作原理：测试台架内循环回路主要由水泵13来驱动回路内水路进行循环，缓冲水罐12为水路水箱起缓冲作用，加热器14加热此回路水使其升温，水流量计16计量此回路水的流量，冷却器17冷却器利用外部冷却循环回路冷源来给此回路进行冷却，温度传感器C18、温度传感器D19分别测量加热器14加热器出口和冷却器17冷却器出口温度，三通混水阀15与温度控制阀11来控制发动机测循环冷却板式换热器6入口温度，可以进行升高或降低温度来实现稳定控制入口温度，进而为控制发动机测循环回路进发动机系统入口温度提供稳定的控制环境。通过温度控制阀11来控制测试台架内循环水流量和换热量，进而直接控制发动机测循环回路进发动机系统入口温度使其满足要求。此循环主要为发动机测循环回路提供稳定可靠，快速调节的环境及功能。

③外部冷却循环回路：外循环水测循环冷却板式换热器20通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，开关阀 A21、开关阀B25通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，外循环水测流量计22通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，压力传感器C23、压力传感器 D27通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，温度传感器F24、温度传感器E28通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，外循环冷却水控制阀26通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上。

工作原理：外部冷却循环水一般为7-12℃冷冻水，由外界水泵供至测试系统边界卡盘处，然后分别经过开关阀A21、外循环水测流量计22、压力传感器C23、温度传感器F24、外循环水测循环冷却板式换热器20、温度传感器E28、压力传感器D27、外循环冷却水控制阀26、开关阀B25再返回至冷冻水回水管路上。其中压力传感器C23、压力传感器D27测量进出口压力，温度传感器F24、温度传感器E28 分别测量进出口温度，开关阀A21、开关阀B25为进出口开关隔断作用，外循环水测流量计22监控外循环水流量，外循环水测循环冷却板式换热器20为测试台架内循环回路提供相对应的冷源冷却量，其中冷却量是由外循环冷却水控制阀26控制，实时控制对应不同的冷量给测试台架内循环回路，测试台架内循环回路可以控制水介质温度 20-95℃来实时控制发动机测循环回路进发动机系统入口温度。

实施例2

在测试过程中，气动开关阀A2和气动开关阀B7分别为进出燃料电池发动机系统的冷却路进出口气动开关阀，具有控制进出口隔断的作用。压力传感器A3和压力传感器B8分别测量燃料电池进出发动机系统的冷却路进出口压力。温度传感器A4和温度传感器B9分别测量燃料电池进出发动机系统的冷却路进出口温度。电导率传感器 5测量燃料电池发动机系统的冷却液电导率，量程为0.05-20us/cm，一般燃料电池环境需要冷却液电导率＜5us/cm。发动机测循环冷却液流量计10为低管阻流量计，测量燃料电池发动机系统运行工作时冷却液的流量，流量会根据不同电流不同功率变化而变化，从而反应发动机系统配置的水泵流量是否合理，能否满足燃料电池发动机系统冷却所需要的冷却量。

本实用新型三级主冷却回路系统与二级冷却回路测试系统相比的优势：

三级回路对发动机系统冷却液入口温度控制稳定精准稳态下保证±1℃，实际在现场可以做到±0.5℃左右；尤其在动态温度跟随状态下优势会明显，动态控制精度±2℃；而且三级回路不会有任何干扰影响发动机内部回路水泵等部件性能，便于通过数据来分析发动机内部水回路部件的性能评价。

二级冷却回路的动态温度跟随性能差，一般现场动态控制精度 4～6℃，若控制不好容易造成电堆发热不均甚至损坏，而且在发动机测循环有加热器做热补偿，有外部水泵做压力补充，二级方式的发动机回路阻力达不到要求，这些方面都不会真实反映发动机系统水路部件的客观性能，不便于分析考量发动机水路各部件是否选型优良。

实施例3燃料电池发动机系统实际测试应用

该测试采用上述的一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，同时采用基于NI集成软硬件环境的燃料电池发动机测试系统可实现：燃料电池发动机及其辅助系统的测试与控制；燃料电池发动机系统参数测量；为燃料电池发动机提供多种工况环境；系统控制策略的评价。

控制系统：软件是在LabVIEW虚拟仪器开发平台下实现的，可实现功能如下：控制功能；数据采集功能；实时显示、存储、查询功能；报警功能；数据分析功能，采用CAN、RS485及TCP/IPT通讯接口，通信能够响应燃料电池发动机要求。

测试试验过程：燃料电池发动机系统先进行怠速试验，然后拉载到额定功率60KW试验，再每次10％降载，降载6次后再进行怠速试验；进一步再拉载到额定功率60KW试验；最后进行降载至怠速再进行停机。

整个试验过程如图2：燃料电池发动机系统冷却温度控制曲线所示。怠速过程中发动机系统温度慢慢升起来到60℃，发动机系统冷却回路由发动机内部小循环切到测试台的大循环，冷却水路转由测试用三级水冷散热系统来控制，在伴随拉载到额定60KW功率以及从 60KW降载到12KW整个过程中，燃料电池发动机系统入口温度控制偏差±1.5℃。然后再降载至怠速，此时发动机系统冷却回路由三级水冷散热系统控制的大循环切换至发动机内部的小循环，此时燃料电池发动机系统入口控制温度偏差≤2℃。进一步再从怠速拉载至额定功率 60KW，燃料电池发动机系统入口温度控制偏差±1.5℃。再进行额定功率测试，此稳态过程中燃料电池发动机系统入口温度控制偏差±0.5℃。最后再进行降载至停机。整个过程中温度控制稳态动态都符合设计要求，实际测试中更优于设计要求。

图3为上述试验测试过程中，燃料电池发动机系统的功率电压曲线，反应测试过程中功率电压变化。

燃料电池发动机系统水路主要部件为水泵、节温器、PTC等，其中水泵的流量和扬程均可以通过发动机测循环冷却液流量计10低管阻流量计、压力传感器B8和压力传感器A3来测量。燃料电池发动机系统水路入口温度由燃料电池发动机测试用三级水冷散热整个系统控制，由温度传感器B9测量。燃料电池发动机系统水路出口温度由发动机系统内部水泵来控制，温度传感器A4测量。流量温度压力等测量值大小可以反应水泵匹配性能好坏情况。对于节温器、PTC，主要为燃料电池发动机系统大小循环切换过程中，温度的稳定性反应部件匹配性能情况。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，而并非本实用新型可行实施的全部实施例。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，其特征是，包括发动机测循环回路、测试台架内循环回路和外部冷却循环回路；

发动机测循环回路由被测燃料电池发动机系统(1)和发动机测循环冷却板式换热器(6)通过两条不锈钢管路连接成循环回路，从被测燃料电池发动机系统(1)通向发动机测循环冷却板式换热器(6)的不锈钢管路上依次设有气动开关阀A(2)、压力传感器A(3)、温度传感器A(4)和电导率传感器(5)；从发动机测循环冷却板式换热器(6)通向被测燃料电池发动机系统(1)的不锈钢管路上依次设有发动机测循环冷却液流量计(10)、温度传感器B(9)、压力传感器B(8)、气动开关阀B(7)和发动机测循环冷却板式换热器(6)；

测试台架内循环回路中发动机测循环冷却板式换热器(6)与缓冲水罐(12)通过不锈钢管路连接，其不锈钢管路设有温度控制阀(11)，缓冲水罐(12)与水泵(13)通过不锈钢管路连接，水泵(13)连接有两条支路，一条支路依次与加热器(14)和发动机测循环冷却板式换热器(6)连接，加热器(14)和发动机测循环冷却板式换热器(6)连接的不锈钢管路上依次设有温度传感器C(18)、三通混水阀(15)、水流量计(16)和冷却器(17)，其中，三通混水阀(15)分出一条支路与外循环水测循环冷却板式换热器(20)通过不锈钢管路连接，其不锈钢管路设有温度传感器D(19)；另一条支路直接与外循环水测循环冷却板式换热器(20)连通；

外部冷却循环回路由两条不锈钢管路支路构成，从外循环水测循环冷却板式换热器(20)出去的支路上依次设有温度传感器E(28)、压力传感器D(27)、外循环冷却水控制阀(26)和开关阀B(25)；进入外循环水测循环冷却板式换热器(20)的支路上依次设有开关阀A(21)、外循环水测流量计(22)、压力传感器C(23)和温度传感器F(24)。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，其特征是，被测燃料电池发动机系统(1)通过不锈钢软管或PU软管连接至测试系统管路预留的不锈钢卡盘接口处，气动开关阀A(2)、气动开关阀B(7)以卡盘或螺纹的接口形式与测试系统的不锈钢管路进行连接，压力传感器A(3)、温度传感器A(4)、电导率传感器(5)、压力传感器B(8)、温度传感器B(9)和发动机测循环冷却液流量计(10)以螺纹方式连接在测试系统的不锈钢管路上，发动机测循环冷却板式换热器(6)通过卡盘方式连接在测试系统的不锈钢管路上。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，其特征是，温度控制阀(11)、缓冲水罐(12)、加热器(14)、三通混水阀(15)和冷却器(17)、通过卡盘方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上，水泵(13)、水流量计(16)、温度传感器C(18)和温度传感器D(19)通过螺纹方式连接在测试系统内循环的不锈钢管路上。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机测试用三级水冷散热系统，其特征是，外循环水测循环冷却板式换热器(20)、开关阀A(21)、开关阀B(25)和外循环冷却水控制阀(26)通过卡盘方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上，外循环水测流量计(22)、压力传感器C(23)、温度传感器F(24)、压力传感器D(27)和温度传感器E(28)通过螺纹方式连接在测试系统外部冷却循环回路的不锈钢管路上。

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