电池控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及电池控制技术领域，具体而言，涉及一种电池控制系统。


背景技术：

2.相关技术中，氢能作为清洁能源，其燃料应用效率高、环境污染少。随着燃料电池技术的发展，对燃料电池堆的效率、风扇控制系统、成本等要求越来越高，相比风冷燃料电池，水冷燃料电池在大功率燃料电池系统上效率更高、更安全。
3.当前，在对燃料电池进行散热时，燃料电池根据不同的环境温度、燃料电池内部温度与输出电流密度，控制燃料电池风扇转速，使燃料电池工作在合适的温度点。燃料电池的温度过高使得膜失水，影响膜的质子传导率，使电池性能下降；温度过低，催化剂活性不会达到最佳值。风扇调节系统在燃料电池启动时没有达到燃料电池最佳的工作温度65℃，造成资源浪费，进入燃料电池的空气没有进行过滤处理，影响燃料电池的使用寿命，不仅燃料电池寿命容易下降，且降温效果较差。
4.针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供了一种电池控制系统，以至少解决相关技术中在对燃料电池降温时，降温效果较差的技术问题。
6.根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种电池控制系统，包括：燃料电池堆；加热子系统，对所述燃料电池堆进行加热；降温子系统，在所述燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对所述燃料电池堆进行降温；控制器，分别与所述加热子系统和所述降温子系统连接，以对所述燃料电池堆进行降温控制或者加热控制。
7.可选地，所述加热子系统包括：水箱，与所述燃料电池堆连接，用于存储纯水；加热器，与所述水箱连接，对所述纯水进行加热；水泵，与所述加热器连接，将加热后的纯水传导至所述燃料电池堆，以对所述燃料电池堆进行加热。
8.可选地，所述加热子系统还包括：电磁阀，与所述水泵连接，控制向所述燃料电池堆传输的水流量；传输管道，分别与所述电磁阀和所述燃料电池堆连接，用于传输加热后的纯水至所述燃料电池堆。
9.可选地，所述电池控制系统还包括：锂电池，在所述加热器对所述纯水加热时，为所述电池控制系统中的各个设备提供电能。
10.可选地，所述电池控制系统还包括：第一开关，控制锂电池的接通与断开，其中，在对所述燃料电池堆进行加热时，接通所述第一开关，在对所述燃料电池堆进行降温时，断开所述第一开关；第二开关，控制所述燃料电池堆对所述锂电池的充电状态，其中，在对所述燃料电池堆进行加热结束后，闭合所述第二开关，对所述锂电池充电。
11.可选地，所述电池控制系统还包括：第一温度感知模块，设置在所述燃料电池堆内部，用于采样所述燃料电池堆中间双极板的温度，得到燃料电池内部的温度。
12.可选地，所述降温子系统包括：风扇，在所述燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对纯水进行冷却处理；水泵，在所述燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，调整运转频率，以通过提升水流速度对所述纯水进行降温。
13.可选地，所述电池控制系统还包括：第三开关，控制风扇的工作状态，其中，在对所述燃料电池堆进行加热时，断开所述第三开关，风扇不工作，在对所述燃料电池堆进行降温时，闭合所述第三开关，风扇开始工作。
14.可选地，所述电池控制系统还包括：第二温度感知模块，设置在水箱上，用于采样水箱内的纯水温度。
15.可选地，所述燃料电池堆中间双极板包括：空气通道、氢气通道、纯水通道以及尾气通道。
16.本实用新型实施例中，通过加热子系统对燃料电池堆进行加热，采用降温子系统在燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对燃料电池堆进行降温，通过控制器对燃料电池堆进行降温控制或者加热控制。在该实施例中，可以根据温度反馈数据，快速精准的控制降温子系统(包括采用水泵进行水冷降温以及采用风扇设备进行风冷降温)进行降温处理，实现了大功率燃料电池系统控制的快速性，从而解决相关技术中在对燃料电池降温时，降温效果较差的技术问题。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本实用新型实施例的一种可选的电池控制系统的示意图。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
20.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
21.本实用新型实施例可以应用于燃料电池电堆系统中，燃料电池电堆的类型包括但不限于：风冷燃料电池电堆、水冷燃料电池电堆、质子交换膜燃料电池电堆，本实用新型实施例中以水冷燃料电池电堆进行示意说明，在燃料电池开始工作时，通过对冷却后的纯水
进行预加热，快速提高电堆温度，而在燃料电池工作内部温度变化较大，温度超出预设温度阈值时，冷却水水速快速跟上，及时给燃料电池降温。
22.本实用新型实施例中，燃料电池电堆应用设备包括但不限于：客车、轿车、物流车、无人驾驶车等。
23.燃料电池电堆包括但不限于：膜电极、质子交换膜、极板、催化剂、气体扩散层、电池电堆，其中，电池电堆可以是指多个单体电池通过串联/并联方式叠加构成的电堆。本实用新型实施例涉及的燃料电堆和燃料电池电堆的意义相同。
24.根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种电池控制系统，包括：
25.燃料电池堆；
26.加热子系统，对燃料电池堆进行加热；
27.降温子系统，在燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对燃料电池堆进行降温；
28.控制器，分别与加热子系统和降温子系统连接，以对燃料电池堆进行降温控制或者加热控制。
29.上述电池控制系统，可以通过加热子系统对燃料电池堆进行加热，采用降温子系统在燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对燃料电池堆进行降温，通过控制器对燃料电池堆进行降温控制或者加热控制。在该实施例中，可以根据温度反馈数据，快速精准的控制降温子系统(包括采用水泵进行水冷降温以及采用风扇设备进行风冷降温)进行降温处理，实现了大功率燃料电池系统控制的快速性，从而解决相关技术中在对燃料电池降温时，降温效果较差的技术问题。
30.可选的，加热子系统包括：水箱，与燃料电池堆连接，用于存储纯水；加热器，与水箱连接，对纯水进行加热；水泵，与加热器连接，将加热后的纯水传导至燃料电池堆，以对燃料电池堆进行加热。
31.上述纯水可以是指去离子水，指示去除呈离子形式杂质后的水。水箱中可以存储大量的纯水，通过水泵和传输管道实现水冷降温。而水泵可以为去离子水泵或者纯水水泵，抽取水箱中的纯水，并输送至传输管道(输水管道/冷却管道)。
32.本实用新型实施例中，主要是以水冷进行预加热处理和水冷降温处理，实现水冷燃料电池控温，同时可以结合风扇等进行风冷降温处理。
33.通过风扇与加热器、水泵等配合利用纯水传热给燃料电池进行启动前预加热处理，在燃料电池工作导致电堆温度高出预设温度阈值时，采用水泵、风扇等进行散热处理。
34.燃料电池的工作温度有特定的优选范围(例如，设置在65℃左右)，在该优选范围内工作，电池工作效率最高。所以在燃料电池工作前需要进行预热，要使电堆的温度达到工作温度优选范围，需要在水箱周围增添一个加热器，这样对在燃料电池启动前先进行加热，起到给燃料电池堆加热的效果。
35.为了达到接近燃料电池工作的优选温度范围，需要给电堆加热；在电堆进行化学反应过程中，产生大量的热量，电堆内温度过高可能会导致膜电极失效，严重可能造成膜电极烧毁，所以燃料电池正常工作过程中既需要加热也需要散热。
36.另一种可选的，加热子系统还包括：电磁阀，与水泵连接，控制向燃料电池堆传输的水流量；传输管道，分别与电磁阀和燃料电池堆连接，用于传输加热后的纯水至燃料电池
堆。
37.通过上述电磁阀可以控制输送水流量和水流速度。
38.本实用新型实施例中，电池控制系统还包括：锂电池，在加热器对纯水加热时，为电池控制系统中的各个设备提供电能。
39.在本实用新型实施例中，电池控制系统还包括：第一开关，控制锂电池的接通与断开，其中，在对燃料电池堆进行加热时，接通第一开关，在对燃料电池堆进行降温时，断开第一开关；第二开关，控制燃料电池堆对锂电池的充电状态，其中，在对燃料电池堆进行加热结束后，闭合第二开关，对锂电池充电。
40.在加热阶段，锂电池作为系统的供电电源，控制器发出控制信号将第一开关接到锂电池。加热器给纯水加热时，即在燃料电池预加热阶段需要锂电池提供电能，待加热结束以及燃料电池输出稳定后，控制器控制第二开关使燃料电池对锂电池充电。
41.可选的，电池控制系统还包括：第一温度感知模块，设置在燃料电池堆内部，用于采样燃料电池堆中间双极板的温度，得到燃料电池内部的温度。
42.第一温度感知模块的类型可以为温度传感器或者温度感知包等。第一温度感知模块采样燃料电池中间双极板的温度，可快速准确的测得燃料电池内部的温度，根据第一温度感知模块的反馈参数，可以快速精准的控制水泵水流速以及风扇辅助降温，实现了大功率燃料电池系统控制的快速性。
43.另一种可选的，降温子系统包括：风扇，在燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，对纯水进行冷却处理；水泵，在燃料电池内部的温度大于预设温度阈值时，调整运转频率，以通过提升水流速度对纯水进行降温。
44.可选的，电池控制系统还包括：第三开关，控制风扇的工作状态，其中，在对燃料电池堆进行加热时，断开第三开关，风扇不工作，在对燃料电池堆进行降温时，闭合第三开关，风扇开始工作。
45.在本实用新型实施例中，电池控制系统还包括：第二温度感知模块，设置在水箱上，用于采样水箱内的纯水温度。
46.散热阶段需要风扇给纯水冷却，控制器控制水泵pwm，水泵的pwm的占空比随着温度的升高而增大，使纯水水流速随着温度的升高而加快，起到快速散热的效果，这个阶段，控制器同时控制着水泵的纯水流速以及风扇转速对电堆系统进行冷却，贴在水箱上的第二温度感知模块提供控制风扇转速的pwm信号的反馈信号、贴在燃料电池电堆内部的第一温度传感器提供控制水泵水流量的pwm信号的反馈信号。
47.可选的，燃料电池堆中间双极板包括：空气通道、氢气通道、纯水通道以及尾气通道。
48.燃料电池电堆内是密闭的，双极板上留有空气通道、氢气通道、去离子通道以及尾气通道，双极板之间有缝隙，假若空气中的水、氧气等进入到燃料电池堆内，容易造成双极板腐蚀，影响燃料电池的工作效率和使用寿命。
49.图1是根据本实用新型实施例的一种可选的电池控制系统的示意图，如图1所示，该电池控制系统可以包括：燃料电池101、第一温度传感器102、水箱103、加热器104、水泵105、电磁阀106、传输管道107、第一开关108、风扇109、控制器110、锂电池111、负载112、第二开关113、第二温度传感器114、第三开关115。
50.系统主要通过风扇109与加热器104、水泵105等配合利用纯水传热给燃料电池101进行启动前的进行预加热，并在燃料电池101工作温度升高时，进行散热。为了达到接近燃料电池工作的最佳温度范围，需要给电堆加热；在电堆进行化学反应过程中，产生大量的热量，电堆内温度过高可能会导致膜电极失效，严重可能造成膜电极烧毁，所以燃料电池正常工作过程中既需要加热也需要散热。在加热阶段，锂电池111作为系统的供电电源，控制器110发出控制信号将第一开关sw1接到锂电池。加热器104给纯水加热时，即在燃料电池预加热阶段需要锂电池提供电能，待加热结束以及燃料电池输出稳定后，控制器控制第二开关sw2使燃料电池对锂电池111充电。散热阶段需要风扇109给纯水冷却，控制器110控制水泵pwm，纯水泵的pwm的占空比随着温度的升高而增大，使纯水流速随着温度的升高而加快，起到快速散热的效果，这个阶段，控制器110同时控制着水泵105的纯水流速以及风扇109转速对电堆系统进行冷却，贴在水箱上的第二温度传感器114提供控制风扇转速的pwm信号的反馈信号、贴在燃料电池电堆内部的第一温度传感器102提供控制水泵水流量的pwm信号的反馈信号。
51.燃料电池电堆内是密闭的，双极板上留有空气通道、氢气通道、纯通道以及尾气通道，双极板之间有缝隙，假若空气中的水、氧气等进入到燃料电池堆内，容易造成双极板腐蚀，影响燃料电池的工作效率和使用寿命。
52.风扇109转速由贴在水箱上的第二温度传感器114提供控制风扇转速的pwm信号的反馈信号，在系统加热阶段，第三开关断开，风扇109不工作，当纯水温度大于优选温度时，第二温度传感器114的反馈信号反馈到控制器，控制器控制第三开关关闭，风扇109开始工作，风扇109的pwm占空比随着水箱103的温度变化，pwm占空比随着水箱温度呈线性变化，水箱103温度升高，风扇转速加快，使燃料电池工作时产生的热量及时流出堆内，保证燃料电池在大功率输出时系统能正常工作。
53.系统启动前将控制器、水泵控制系统的温度采样数据清零处理后，重新采样。以燃料电池中间双极板的温度与双极板最佳工作温度的差值作为偏差，基于该偏差进行pid运算，计算出纯水泵最佳pwm占空比，输出纯水流速最优，可使水泵的控制更加迅速，对燃料电池内部温度变化的跟随性提高。
54.在燃料电池堆内的温度小于优选温度时，系统进入加热阶段，加热器由控制器控制，锂电池供电，加热器对水箱进行加热，设燃料电池优选工作温与燃料电池中间双极板温度t的差值为当前的xn，当前差值之前一次的误差为x(n
‑
1)，当前差值之前二次的误差为x(n
‑
2)，当前水泵的pwm占空比为nn，当前水泵的前一次输入pwm占空比为n(n
‑
1),kp为pwm占空比nn的比例调节系数，kd为nn的微分调节系数，ki为nn的积分调节系数，则加热阶段的pid算法为：
55.nn＝n(n
‑
1)+kp*(xn
‑
x(n
‑
1))+kd*(xn
‑
2*x(n
‑
1)+x(n
‑
2))
‑
ki*xn。
56.当燃料电池堆内的温度大于65℃，系统需要进入散热阶段，设燃料电池中间双极板温度t与燃料电池最佳工作温度的差值为当前的xn，则散热阶段的pid算法为：
57.nn＝n(n
‑
1)+kp*(xn
‑
x(n
‑
1))+kd*(xn
‑
2*x(n
‑
1)+x(n
‑
2))+ki*xn。
58.燃料电池堆内的温度大于等于最佳工作温度时，无需进入加热阶段，只需利用散热pid算法控制纯水泵输出pwm占空比，从而控制纯水流速的快慢，将燃料电池工作时产生的热量被纯水快速带出电堆内。
59.通过上述实施例，可以采用水冷降温和风冷降温结合的方式，对纯水水泵进行准确、稳定控制，对在燃料电池启动前先进行加热，起到给燃料电池堆加热的效果，并采用温度感知模块采样燃料电池中间双极板的温度，快速准确的测得燃料电池内部的温度，根据温度感知模块的反馈数据可以快速精准的控制水泵水流速，结合风扇辅助降温，实现了大功率燃料电池系统的温度控制，控制的快速性。
60.在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
61.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
62.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
63.另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
64.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
65.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。