燃料电池热管理系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池热管理系统及其控制方法，属于燃料电池技术领域。


背景技术：

2.随着经济与人口的快速发展，石油的过度使用导致了环境污染、全球变暖及不可再生能源匮乏等问题，为了摆脱对传统能源的过度依赖，新能源得到了快速发展。燃料电池(pemfc)作为一种高效、清洁的能源转换装置，非常适合作为汽车及客车的动力源。
3.燃料电池通过作为反应气体的氢气和含有空气的氧气之间的电化学反应来产生电力，并排出作为反应副产物的热量和水。因此需要提供一种将电料电池的温度保持在最佳水平的燃料电池热管理系统。常见的热管理系统如图1所示，包括经过ptc的为加热小循环，经过散热风扇组的为散热大循环，在环境温度较低时，ptc给电堆在低温冷启动时给冷却液辅助加热，使冷却液尽快达到需求温度，缩短燃料电池系统的启动时间，当冷却液入水口或者出水口的温度达到一定高度时，通过节温器将小循环变换为大循环，通过散热风扇对冷却液进行降温，启动散热风扇组。
4.目前燃料电池散热风扇的控制一般采用成组控制(例如四个散热风扇)，只能同时转动或停止，且散热风扇由于电机结构决定一般均具有开启阈值a,即只有开度≥a时散热风扇才能启转，因此如果燃料电池客车在冬季低电密运行时，系统需求散热量较低，四个散热风扇即使以最低转速运行，由于液气温差较大，也极易使得散热量较大，容易导致散热风扇反复启动、节温器反复开关、水温及温差波动明显，对系统控制稳定性、可靠性及燃料电池系统的寿命及均造成较大影响。为了避免散热风扇反复启动、节温器反复开关这种现象，一般都是将散热风扇或者节温器的启动与关闭的阈值进行分离，然而启动阈值与关闭阈值的差别应当根据实际设备和运行情况进行配置，若配置不佳实际控制效果也不理想。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种燃料电池热管理系统的控制方法，用以解决现有技术可靠性差的问题；同时还提供一种燃料电池热管理系统，用以解决现有技术可靠性差的问题。
6.为实现上述目的，本发明提出一种燃料电池热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
7.实时检测电堆的实际输出功率、环境温度以及电流；
8.散热器启动后，通过检测进行判断，若电堆处于如下状态且持续时间大于设定时间阈值，则控制单个散热风扇运行以实现热平衡；
9.所述状态为：电堆的实际输出功率小于功率设定阈值；环境温度低于温度设定阈值；电流等于目标电流。
10.另外，本发明还提出一种燃料电池热管理系统，包括用于给电堆散热的散热循环管路，所述散热循环管路上设置有散热风扇组，还包括用于测量环境温度的温度检测模块、
用于测量电堆的实际输出功率的功率检测模块、用于测量电流的电流检测模块、存储器和处理器，所述存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述的燃料电池热管理系统的控制方法。
11.有益效果是：燃料电池在环境温度较低，功率较低的情况下长时间运行时，控制散热风扇组中的单个风扇运行，使得散热量较小，避免整个风扇组反复启动、节温器反复开关的现象，提高了燃料电池系统的可靠性和稳定性。
12.进一步的，上述燃料电池热管理系统及其控制方法中，为了避免长期控制一个散热风扇运行，通过随机选取的方式控制单个散热风扇运行。
13.进一步的，上述燃料电池热管理系统及其控制方法中，为了保证单个散热风扇运行时散热的可靠性，控制单个散热风扇运行时，通过闭环控制调节散热风扇的转速，以实现冷却液入水口的温度达到目标温度。
14.进一步的，上述燃料电池热管理系统及其控制方法中，为了实现功率设定阈值的准确性，功率设定阈值为电堆的额定功率/散热风扇总数。
15.进一步的，上述燃料电池热管理系统及其控制方法中，为了保证散热的全面性，若电堆不处于所述状态或者持续时间小于等于设定时间阈值时，则控制散热风扇组运行以实现热平衡。
16.进一步的，上述燃料电池热管理系统及其控制方法中，当冷却液入水口的温度大于设定上限阈值时，散热器启动。
附图说明
17.图1为现有技术中燃料电池热管理系统的结构框图；
18.图2为本发明方向燃料电池热管理系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
19.燃料电池热管理系统实施例：
20.本实施例提出的燃料电池热管理系统如图1所示，包括用于给电堆(fc电堆)散热的散热循环管路，散热循环管路上设置有ptc、水泵、节温器、散热风扇组。散热风扇组中各散热风扇安装在对应的散热器上，本实施例中，散热风扇组包括四个风扇和对应四个散热器。当然该系统中散热风扇的和散热器的数量并不做限制(一般情况下均大于等于2个)，只要能够实现热平衡即可。ptc、水泵、节温器用于与fc电堆形成热管理的小循环，水泵、节温器、散热风扇组用于与fc电堆形成热管理的大循环。节温器使用传统的石蜡式节温器。
21.为了实现热管理，该系统还包括温度检测模块、功率检测模块和电流检测模块，温度检测模块用于测量环境温度、功率检测模块用于测量电堆的实际输出功率、电流检测模块用于测量的电流，当然还包括检测冷却液入水口温度t1和冷却液出水口温度t2的第一温度检测单元和第二温度检测单元、存储器和处理器，处理器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器在执行计算机程序时实现燃料电池热管理系统的控制方法。
22.本实施例中，为了检测实际的环境温度，温度传感器置于散热器侧边处，不接触出风口，当然本发明对温度传感器的设置位置并不做限制，只要可以检测到实际的环境温度即可。
23.燃料电池热管理系统的控制方法的具体实施过程如图2所示，包括如下步骤：
24.该系统启动后，由于石蜡式节温器的固有特性会首先进入系统的小循环，其固有特性一般为冷却液入水口的温度t1为50℃时初步开启大循环，至达到60℃完全打开，因此当t1＞50℃时，触发散热器系统(也即大循环)启动命令；
25.实时检测电堆的实际输出功率、环境温度以及电流；
26.散热器启动后，通过检测进行判断，若电堆处于如下状态且持续时间大于设定时间阈值c，则控制单个散热风扇运行以实现热平衡；
27.状态为：电堆的实际输出功率p1小于功率设定阈值，环境温度t4低于温度设定阈值b，电流等于目标电流i，也就是说恒定的目标电流i的持续时间t大于持续设定时间阈值c时，控制单个散热风扇运行以实现热平衡；
28.若电堆不处于上述状态或者持续时间小于等于设定时间阈值c，也就是说，电堆的实际输出功率p1大于等于功率设定阈值，或环境温度t4高于温度设定阈值b，或恒定的目标电流i的持续时间t小于等于持续时间设定阈值c，则控制散热风扇组运行以实现热平衡。
29.本实施例中，为了准确的判断完全符合上述三个条件，按照以下顺序进行判断，首先判断电堆的实际输出功率p1是否小于功率设定阈值，若是，则进行环境温度t4水温判断，若环境温度t4低于温度设定阈值b，再进行燃料电池的目标电流是否恒定的判断，也即恒定目标电流i(拉载电流)持续c秒维持不变时，控制单个散热风扇运行。作为其他实施方式，也可以同时进行判断或者互换顺序进行判断，只要以上条件都满足即可控制单个风扇运行。
30.本实施例中，控制单个散热风扇运行，在选择具体的散热风扇时，采用randperm随机数，从1-4个散热风扇中进行随机选取，选定运行的散热风扇的风扇编号，作为其他实施方式，还可以采用顺序选择等其他选取方式。
31.本实施例中，为了更可靠的调节电堆的温度，控制单个风扇运行时，通过闭环控制调节散热风扇的转速以实现冷却液入水口的温度t1达到目标温度t3，t3与电堆电流密度呈对应关系，具体的采用pi调节的方式进行闭环控制，作为其他实施方式，也可以设定散热风扇的转速以实现目标温度的控制。
32.本实施例中，功率设定阈值为电堆的额定功率p/散热风扇总个数n，温度设定阈值b根据风扇参数进行标定,当然关于功率设定阈值以及温度设定阈值b可以根据实际情况进行调整。
33.燃料电池在环境温度较低，功率较低的情况下长时间运行时，控制散热风扇组中的单个风扇运行，使得散热量较小，避免整个风扇组反复启动、节温器反复开关的现象，提高了燃料电池系统的可靠性和稳定性。本发明针对的目标为多风扇组中对单个风扇的控制，以达到低散热量的需求。
34.燃料电池热管理系统的控制方法实施例：
35.本实施例提出的燃料电池热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
36.实时检测电堆的实际输出功率、环境温度以及电流；
37.散热器启动后，通过检测进行判断，若电堆处于如下状态且持续时间大于设定时间阈值，则控制单个散热风扇运行以实现热平衡；
38.状态为：电堆的实际输出功率小于功率设定阈值；环境温度低于温度设定阈值；电流等于目标电流。
39.燃料电池热管理系统的控制方法的具体实施过程在上述燃料电池热管理系统实施例中已经介绍，这里不做赘述。