一种氢燃料动力电池冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池温度管理领域，尤其涉及一种氢燃料动力电池冷却系统及其控制方法。

背景技术

氢燃料电池系统作为一种发电装置，在车载领域，目前主要用于搭载在货车及卡车等高载重车辆上，目前主流技术电堆的输出效率为40％-60％之间，其余均转化为热量，因此，在大功率燃料电池系统中，一般采用独立式散热器对电堆散热，以便保证电堆的散热需求及工作温差。在一般现有一般技术中，一般采用节温器开度、水泵的转速、风扇转速去控制流量大小，通过调整流过散热器的流量从而实现对水温的控制，但因为水路流动的延迟性，风扇转速变化快慢等问题，难以精确控制温度的稳定。

发明内容

为了解决现有燃料电池系统难以精确控制温度的缺陷，本方法提供一种氢燃料动力电池冷却系统及其控制方法，使得冷却系统具有较好的温度稳定性。

本发明提出的一种氢燃料动力电池冷却系统及其控制方法，其中系统包括：

膨胀水箱、水泵、电堆、电子三通阀、PTC热敏电阻和散热器；

膨胀水箱存储有冷却液；

水泵为冷却液产生动力源，使冷却液经由电堆表面流至电子三通阀的第一个端口；

电子三通阀的第二个端口接PTC热敏电阻，并使冷却液经过PTC热敏电阻后回流至膨胀水箱，形成第一冷却回路；

电子三通阀的第三个端口接散热器，并使冷却液经散热器后回流至膨胀水箱，形成第二冷却回路。

冷却液流入电堆入口处，设有第一温度传感器T1；冷却液流出电堆出口处，设有第二温度传感器T2；

散热器出口处设有温度传感器T3。

系统的控制方法包括以下步骤：

S1、通过台架标定，确认电堆在不同发电功率下水泵的转速；

S2、通过第一温度传感器T1采集的电堆进液温度，确认电子三通阀的控制策略；

S3、通过第三温度传感器T3采集的散热器出口温度，并以此作为控制目标，对散热器进行一阶及二阶控制。

本发明提供的有益效果是：使得冷却系统具有较好的温度稳定性。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，图1是本发明系统的结构示意图；一种氢燃料动力电池冷却系统包括以下：

膨胀水箱、水泵、电堆、电子三通阀、PTC热敏电阻和散热器；

膨胀水箱存储有冷却液；

水泵为冷却液产生动力源，使冷却液经由电堆表面流至电子三通阀的第一个端口；

电子三通阀的第二个端口接PTC热敏电阻，并使冷却液经过PTC热敏电阻后回流至膨胀水箱，形成第一冷却回路；

电子三通阀的第三个端口接散热器，并使冷却液经散热器后回流至膨胀水箱，形成第二冷却回路。

冷却液流入电堆入口处，设有第一温度传感器T1；冷却液流出电堆出口处，设有第二温度传感器T2；

散热器出口处设有温度传感器T3。

上述系统的基本工作原理如下：

冷却液在水泵的作用下，首先经过电堆，然后在三通阀的作用下，选择走PTC回路(小循环)或者散热器回路(大循环)，也可以部分冷却液通过小循环，另一部分冷却液经过大循环，然后再同时回到水泵中。本申请中采用小循环或大循环的方式进行，当然，本领域技术人员也可采取结合的方式进行，这里不用以进行限定。

根据以上基本原理，本申请提供了关于冷却系统的控制方法如下，请参考图2，图2是本发明方法流程示意图。

方法包括以下步骤：

S1、通过台架标定，确认电堆在不同发电功率下水泵的转速；

需要说明的是，步骤S1具体如下：

S11、测试电堆在不同发电功率下的发热量Q；

该部分一般由电堆生产厂家输入，当然，也可以通过电堆测试台架进行台架测试，关于台架测试是指产品出厂前，一般还要进行某些模拟试运行试验，包括相对应的参数等测试，通过之后方能投入使用。台架测试这里非本申请重点内容，仅作示意性说明。

S12、根据发热量Q获取对应发热量所需的冷却液质量M；

需要说明的是，根据热能计算公式即可获得上述冷却液质量M：

Q＝C*M△T

其中，C为冷却液比热容，ΔT为目标温差。

S13、根据冷却液质量获取冷却液容量L；

需要说明的是，通过质量体积换算公式得到冷却液体积(容量)：

L＝M/e

其中，e为冷却液密度。

S14、根据冷却液容量L获取各发电功率点下对应的流量q；

通过上述方法，即得到各功率点下对应的流量q

S15、输入水泵阻力F与流量q的关系；

需要说明的是，水泵阻力与流量的关系，是水泵出厂时相关参数。

S16、查询水泵扬程曲线，阻力F-流量Q-转速R，确定不同发电功率下对应的水泵转速R；

需要说明的是，根据上述方法得到不同发电功率W

S17、引入控制系数K，得到不同发电功率下水泵的控制转速K*R；

也即，功率W

S18、通过台架标定控制系数K，标定的约束条件为：第二目标传感器T2采集的第二温度与第一温度传感器T1采集的第一温度之间的温差小于或等于预设温差阈值。

将以上值带入系统台架中，标定目标K值，K值由目标安全系数决定，一般要求基于目标值高于20％。

如本控制系统中，目标为温度，温差应该控制在10摄氏度内，通过标定K值，要求在各K

需要说明的是，当目标转速低于水泵运行最低转速时，应当以最低转速工作。高于最高转速时，以最高转速工作。

S2、通过第一温度传感器T1采集的电堆进液温度，确认电子三通阀的控制策略；

需要说明的是，步骤S2中，电子三通阀的控制策略具体如下：

当第一温度传感器T1采集的电堆进液温度低于第一温度预设值时，电子三通阀的第一个端口和第二个端口开启，第三个端口关闭，使冷却液全部经由第一冷却回路循环，经由PTC热敏电阻加热，使冷却液温度提高；

当第一温度传感器T1采集的电堆进液温度大于或等于第一预设温度值时，电子三通阀的第一个端口和第三个端口开启，第二个端口关闭，使冷却液全部经由第二冷却回路循环，冷却液经过散热器降温。

作为一种实施例，本申请中三通阀工作情况直接受到电堆进水温度影响，当FCCU控制器，检测到电堆进液温度T1低于50℃时，三通阀不开起，要求冷却液全部通过小循环，从而通过PTC加热，当加热到20℃以上时，PTC不再进行加热(冷却液仍然流过)，同时不经过散热器。当电堆进液温度≥50℃时候，大循环开始开起，冷却液经过散热器。

另外，当第二回路开启时，若此时电堆发电功率改变，则电子三通阀的目标开度X采用台架标定法进行，具体如下：

S21、将电堆进液温度T1对时间的一阶导数记为v＝du/dt；也即，v为u在t方向的增量，当v越大，开启修正值为x越大；

S22、当电堆的发电功率不变或增加时，标定时要求电堆大循环(第二冷却回路)开启后，电堆温度不能能因为X过大导致温度下降，当出现下降时，即v＝0或v<0，则保持当前目标开度X不变；需要说明的是，在系统正常过程中，一般而言，随着时间的增加，在功率不变的情况下，随着系统所处的环境温度被系统运行过程中的温度传递，环境温度会升高。

随着环境温度的升高，系统与环境温度之间的温度差值减少，系统的热量会形成进一步对堆积而导致系统水温升高。如果系统功率增加，发热量也会进一步增加，故不需要减小三通阀的开度。因此，当电堆发电功率增加时，开度不变。当系统功率保持不变时，若温度每降低3℃，则开度降低1％，直到温度上升后按原逻辑继续工作。

S23、若电堆的发电功率减小，为保持电堆温度不变，则减小目标开度X；

本申请中引入修正值x的概念。其中目标开度X为修正值x对时间的积分，X＝∫xdt；修正值x＝K

S24、在台架上标定K

S25、当电堆的进液温度超过第二温度预设值时，电子三通阀第三个端口全开。本申请实施例中，第一温度预设值为50摄氏度，第二温度预设值为60摄氏度。

S3、通过第三温度传感器T3采集的散热器出口温度，并以此作为控制目标，对散热器进行一阶及二阶控制。

需要说明的是,步骤S3具体为：当电子三通阀全开时，散热器风扇启动：

S31、记录风扇的实际转速占最大输出转速的百分比R-reality，其中R-reality取值为[0,N*100％]，N为风扇数量；

燃料电池一般采用多风扇组合，记1个风扇的转速占比为0-100，若一共由N个风扇组成，则可调节转速记为0-N*100；

S32、当R-reality等于0时，所有风扇不启动；

S33、当R-reality处于(0,100]时，任意一台风扇启动；当R-reality为M时，表示k台风扇全启动，1台风扇按l％的最大输出转速启动；其中k为M/N的商，l为M/N的余数；举例说明，若R-reality为150，则表示风扇1最大转速启动，风扇2按需求50％启动。

S34、以第三温度传感器T3采集的第三温度作为风扇控制的目标温度，将第三温度对时间t的一阶导数记为s＝dT/dt；将第三温度对时间的二阶导数记为u＝ds/dt；

即s为T3对时间的一阶导数，反应温度随时间的变化问题。

即u为T3对时间的二阶导数，反应温度随时间变化的速率问题。

S35、以目标温度的稳定性为约束条件，记录目标温度在约束条件下，对应的一阶导数和二阶导数数据；所述目标温度的稳定性具体指实测温度的变化范围在目标温度附近的预设范围内；

冷却液温度属于二阶线性大延迟系统，故风扇的控制不但应该考虑到变化情况(一阶导数)，考虑到变化的速率问题(二阶导数问题)。

以目标温度的稳定性指标与准确性指标完成以下表格的标定

/>

R-target范围为0≤R-target≤(风扇个数N)*100；

S36、以目标转速占最大输出转速的百分比R-target为控制目标，以(R_target-R)为控制量，得到实际转速占最大输出转速的百分比R-reality，如下：

R-reality＝R+(R_target-R)*K

其中K

本发明的有益效果是：使得冷却系统具有较好的温度稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。