一种燃料电池水热管理系统的控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池水热管理系统的控制方法。


背景技术：

2.燃料电池具有多种运行工况，当其温度较低时需要对其进行暖机，当其温度较高时，需要对其进行散热。燃料电池温度的控制由水热系统实现。现有技术中的水热系统的控制方式相对单一，通常只有一种暖机和一种散热模式，难以满足多种不同的工况需求。
3.基于此，现有技术有待改进。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种燃料电池水热管理系统的控制方法，满足多种不同工况的温度调节需求。
5.本发明通过如下技术方案实现：一种燃料电池水热管理系统的控制方法，所述水热管理系统包括由水泵驱动流经电堆的液体循环回路，所述液体循环回路上连接有温度传感器、第一散热器、第二散热器、加热器、中冷器以及三通阀和四通阀，其中，所述第一散热器、第二散热器、加热器、中冷器通过所述三通阀和/或所述四通阀连接于所述液体循环回路中，并形成相对独立的第一散热支路、第二散热支路、加热器支路和中冷器支路；所述控制方法包括：根据所述温度传感器检测到的温度值判断所述燃料电池处于冷启动工况、正常暖机工况或是高散热工况；若处于冷启动工况，则将所述加热器支路连通所述液体循环回路，所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路与循环回路呈断开状态；若处于正常暖机工况，则将所述加热器支路和所述中冷器支路连通所述液体循环回路，所述第一散热支路和第二散热支路与循环回路呈断开状态；若处于高散热工况，则将所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路连通所述液体循环回路，所述加热器支路与循环回路呈断开状态。
6.可选地，所述控制方法还包括根据所述温度传感器检测到的温度值判断所述燃料电池是否处于由正常暖机工况向高散热工况过渡的过渡阶段工况；若处于过渡阶段工况，保持中冷器支路连通所述液体循环回路，并逐渐增大连通所述液体循环回路的第一散热支路的开口面积，逐渐减小连通所述液体循环回路的加热器支路的开口面积。
7.可选地，所述控制方法还包括：若处于过渡阶段工况，则由关向开逐渐增大第二散热支路连通至所述液体循环回路的开口面积。
8.可选地，在处于高散热工况下，所述第一散热支路以最大开口面积连通所述液体循环回路，所述第二散热支路连通至所述液体循环回路的开口面积逐渐增大。
9.可选地，所述第一散热器的散热能力大于所述第二散热器的散热能力。
10.可选地，所述控制方法包括预设冷启动工况温度t1、正常暖机工况温度t2、过渡阶段工况温度t3和高散热工况温度t4，其中，t1《t2《t3《t4；当温度传感器检测到的温度值t0满足t0《t1，判断燃料电池处于冷启动工况；当温度传感器检测到的温度值t0满足t1《t0《t2，判断燃料电池处于正常暖机工况；当温度传感器检测到的温度值t0满足t2《t0《t3，判断燃料电池处于过渡阶段工况；当温度传感器检测到的温度值t0满足t3《t0《t4，判断燃料电池处于高散热工况。
11.可选地，所述水热管理系统还包括一旁通支路，所述三通阀包括一个入口端和两个出口端，所述四通阀包括两个入口端和两个出口端，所述三通阀的入口端和所述四通阀的一个入口端连接所述液体循环回路出电堆后的出口，所述四通阀的另一个入口端连接所述中冷器支路，所述第一散热支路和所述加热器支路一一对应连接于所述三通阀的两个出口端，所述第二散热支路和所述旁通支路一一对应连接于所述四通阀的两个出口端。
12.可选地，所述水热管理系统还包括与所述中冷器支路并联的去离子器支路，所述中冷器支路和所述去离子器支路的入口端连接所述液体循环回路进电堆前的入口，所述中冷器支路和所述去离子器支路的出口端连接所述四通阀的一个入口端。
13.可选地，所述三通阀的两个出口端的通断和开度大小为关联可调控制，所述四通阀的两个出口端的通断和开度大小为关联可调控制，所述三通阀和所述四通阀两者之间的通断和开度大小关系为单独可调控制。
14.可选地，所述燃料电池还具有关机阶段工况，所述控制方法包括：若所述燃料电池处于关机阶段工况，则将所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路连通所述液体循环回路，所述加热器支路和所述旁通支路与循环回路呈断开状态。
15.本发明提供的燃料电池水热管理系统的控制方法，通过设有两个散热器，所述第一散热器、第二散热器、加热器、中冷器通过所述三通阀和/或所述四通阀连接于所述液体循环回路中，并形成相对独立的第一散热支路、第二散热支路、加热器支路和中冷器支路，使得水热管理系统具有可满足冷启动暖机、正常暖机、过渡阶段、低散热需求、高散热需求等多种工况的运行模式，以满足多种不同工况下的温度调节需求。
附图说明
16.图1是本发明燃料电池水热管理系统的系统图。
17.图2是本发明燃料电池水热管理系统的控制方法涉及三通阀的开度控制曲线图。
18.图3是本发明燃料电池水热管理系统的控制方法涉及四通阀的开度控制曲线图。
19.附图标记如下：1-电堆；2-水泵；3-第一散热器；4-第二散热器；5-加热器；6-中冷器；7-去离子器；8-三通阀；9-四通阀；91-旁通支路；10-水箱。
具体实施方式
20.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚地理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
21.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
22.如图1所示，本发明提供一种燃料电池水热管理系统，其包括液体循环回路，所述液体循环回路经过燃料电池的电堆1以调节电堆1的温度。所述液体循环回路上连接有水泵2、第一散热器3、第二散热器4、加热器5、中冷器6以及三通阀8和四通阀9。所述第一散热器3、第二散热器4和所述加热器5呈并联连接于所述液体循环回路中。所述液体循环回路还包括与所述述第一散热器3、第二散热器4和所述加热器5并联的旁通支路91。所述三通阀8包括一个入口端（如图中所示f口）和两个出口端（如图中所示a口和b口），所述四通阀9包括两个入口端（如图中所示f口和c口）和两个出口端（如图中所示e口和d口）。所述三通阀8的入口端和所述四通阀9的一个入口端分别连接所述液体循环回路出电堆1后的出口，所述四通阀9的另一个入口端连接所述中冷器6，所述三通阀8和所述四通阀9形成的四个出口端与所述第一散热器3、第二散热器4、加热器5和旁通支路91一一相连。如此使得所述第一散热器3、第二散热器4、加热器5、中冷器6通过所述三通阀8和/或所述四通阀9连接于所述液体循环回路中，并形成相对独立的第一散热支路、第二散热支路、加热器支路和中冷器支路。通过对三通阀8和四通阀9各个口的开闭及开度控制，可以实现不同的支路与液体循环回路的接入与否，以适应不同的工况。
23.如图1所示，所述三通阀8是电子节流阀etv，所述第一散热器3连接于所述三通阀8的一个出口端，所述第二散热器4连接于所述四通阀9的一个出口端。在图1所示实施例中，所述第一散热器3连接于所述三通阀8的b口，所述第二散热器4连接于所述四通阀9的d口。由于三通阀8和四通阀9为两个相对独立的阀门，两个散热器连接于该两个独立的阀门上，使得第一散热器3和第二散热器4之间的接入与否及开度大小关系之间互不影响，可由用户根据实际工况，选择其一接入循环回路或两者同时接入循环回路。
24.可选地，所述第一散热器3的散热能力大于所述第二散热器4的散热能力。所述第一散热器3为前置式散热器，所述第二散热器4为侧置式散热器。
25.请继续参阅图1所示，所述第一散热器3和所述加热器5一一对应连接于所述三通阀8的两个出口端。在图1所示实施例中，第一散热器3连接三通阀8的b口，加热器5连接三通阀8的a口。所述三通阀8的两个出口端的通断和开口大小为关联可调控制，加热器5的接入与第一散热器3的接入常常是此消彼涨的关系，即，液体循环回路需要接入加热器5进行加热时，常常不需要第一散热器3接入进行散热；反之需要第一散热器3接入进行散热时，常常不需要加热器5加热。因此，将第一散热器3和加热器5连接于同一三通阀8的两个出口端，通过三通阀8固有的开度关系，可以实现对第一散热器3与加热器5接入与否及接入开度大小的协同控制，有利于简化控制逻辑和增加系统运行的稳定性。在一实施例中，所述加热器5是ptc加热器。
26.进一步地，所述第二散热器4和所述旁通支路91一一对应连接于所述四通阀9的两个出口端即d口和e口。旁通支路91主要用于在需要时形成回路，第二散热器4用于在高散热需求时与第一散热器3共同对液体循环回路散热。所述四通阀9的两个出口端的通断和开口大小为关联可调控制。所述三通阀8和所述四通阀9两者之间的通断和开度关系为单独可调
控制。
27.请继续参阅图1所示，所述液体循环回路还包括与所述中冷器6并联的去离子器7，所述中冷器6和所述去离子器7的入口端连接所述液体循环回路进电堆1前的入口，所述中冷器6和所述去离子器7的出口端连接所述四通阀9的一个入口端，如图1中所示的c口。所述中冷器6用于将与压缩空气交换的热量引入到水热管理系统中，实现能量利用。所述去离子器7用于去除液体循环回路中液体中的离子，避免对电堆1上的化学反应产生不利影响。
28.需要说明的是，所述四通阀9包括具有四个通口的单一阀门部件，或者包括具有四个以上通口且其中四个通口接入液体循环回路中的单一阀门部件，或者包括两个三通阀连接形成的组合阀门部件。即，所述四通阀9具有至少四个通口，其包括使用五通、六通等用作四通阀的情形。
29.进一步地，所述液体循环回路上设有第一、第二和第三温度传感器t30、t32、t33。所述第一温度传感器t30连接于所述第一散热器3和第二散热器4并联后的出口处，所述第二温度传感器t32连接于所述液体循环回路进入电堆1前的入口处，所述第三温度传感器t33连接于所述液体循环回路出电堆1后的出口处。所述燃料电池运行工况由所述第一、第二和第三温度传感器t30、t32、t33检测到的温度进行判断。
30.进一步地，所述水热管理系统还包括余热利用支路（图中未示出），所述余热利用支路的前端连接所述液体循环回路出电堆1后的出口，后端连接至所述水泵2。所述水热管理系统还包括水箱10以及将液体循环回路中的气体排出至水箱10的排气通路。
31.请继续参阅图1至图3所示，所述燃料电池水热管理系统的控制方法过程如下，根据温度传感器检测到的温度值判断所述燃料电池处于冷启动工况、正常暖机工况或是高散热工况；其中，此处所述温度传感器可以是上述第一至第三温度传感器t30、t32、t33的其中之一，或是由其中两个或三个的组合。
32.若处于冷启动工况，则将所述加热器支路连通所述液体循环回路，所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路与循环回路呈断开状态；若处于正常暖机工况，则将所述加热器支路和所述中冷器支路连通所述液体循环回路，所述第一散热支路和第二散热支路与循环回路呈断开状态；若处于高散热工况，则将所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路连通所述液体循环回路，所述加热器支路与循环回路呈断开状态。
33.其中，在处于高散热工况下，所述第一散热支路以最大开口面积连通所述液体循环回路，所述第二散热支路连通至所述液体循环回路的开口面积逐渐增大。
34.所述控制方法还包括根据所述温度传感器检测到的温度值判断所述燃料电池是否处于由正常暖机工况向高散热工况过渡的过渡阶段工况；若处于过渡阶段工况，保持中冷器支路连通所述液体循环回路，并逐渐增大连通所述液体循环回路的第一散热支路的开口面积，逐渐减小连通所述液体循环回路的加热器支路的开口面积。进一步地，所述控制方法还包括：若处于过渡阶段工况，则由关向开逐渐增大第二散热支路连通至所述液体循环回路的开口面积。
35.上述工况的判断主要根据检测到的温度进行，具体为，所述控制方法包括预设冷启动工况温度t1、正常暖机工况温度t2、过渡阶段工况温度t3和高散热工况温度t4，其中，t1《t2《t3《t4；当温度传感器检测到的温度值t0满足t0《t1，判断燃料电池处于冷启动工况；当温度传感器检测到的温度值t0满足t1《t0《t2，判断燃料电池处于正常暖机工况；当温度
传感器检测到的温度值t0满足t2《t0《t3，判断燃料电池处于过渡阶段工况；当温度传感器检测到的温度值t0满足t3《t0《t4，判断燃料电池处于高散热工况。
36.所述燃料电池还具有关机阶段工况，所述控制方法包括：若所述燃料电池处于关机阶段工况，则将所述第一散热支路、第二散热支路和中冷器支路连通所述液体循环回路，所述加热器支路和所述旁通支路与循环回路呈断开状态。
37.下面结合图1描述本发明燃料电池系统的具体运行过程，以第二温度传感器t32作为区间温度传感器，根据其检测到的温度进行控制为例。
38.当区间温度传感器检测的温度小于2℃时，判断燃料电池处于冷启动工况，此时控制打开三通阀的f口和a口，保持三通阀的b口以及四通阀的g口、c口、d口、e口关闭，此时液体循环回路为水泵-电堆-三通阀-加热器构成的，以对电堆进行冷启动加热。
39.当区间温度传感器检测到的温度大于2℃且小于50℃时，判断燃料电池处于正常暖机工况，此时控制打开三通阀的f口和a口，以及四通阀的g口、c口和e口，保持三通阀的b口以及四通阀的d口关闭，此时液体循环回路包括水泵-电堆-三通阀-加热器构成的回路、水泵-电堆-四通阀-旁通支路构成的回路，以及水泵-中冷器及去离子器-四通阀-旁通支路构成的回路，以对电堆进行正常暖机。
40.当区间温度传感器检测到的温度大于50℃且小于目标水温（如80℃）时，判断燃料电池处于过渡阶段工况，更具体的，过渡阶段工况可分为过渡前期和过渡后期，在所述过渡前期时，例如温度为大于50℃且小于55℃时，控制打开三通阀的f口、a口和b口，且b口开度为较小，控制打开四通阀的g口、c口和e口，保持四通阀的d口关闭，此时液体循环回路包括水泵-电堆-三通阀-加热器构成的回路、水泵-电堆-三通阀-第一散热器构成的回路、水泵-电堆-四通阀-旁通支路构成的回路、水泵-中冷器及去离子器-四通阀-旁通支路构成的回路；在所述过渡后期时，此时具有低散热需求，控制打开三通阀的f口、a口和b口，控制打开四通阀的g口、c口、d口和e口，且d口开度为较小，此时液体循环回路包括水泵-电堆-三通阀-加热器构成的回路、水泵-电堆-三通阀-第一散热器构成的回路、水泵-电堆-四通阀-旁通支路构成的回路、水泵-中冷器及去离子器-四通阀-旁通支路和/或第二散热器构成的回路，以及水泵-电堆-四通阀-第二散热器构成的回路。
41.当燃料电池具有高散热需求时，如接近目标水温时，控制关断三通阀的a口，打开三通阀的f口和b口，控制打开四通阀的g口、c口、d口和e口，此时液体循环回路包括水泵-电堆-三通阀-第一散热器构成的回路、水泵-电堆-四通阀-旁通支路构成的回路、水泵-中冷器及去离子器-四通阀-旁通支路构成的回路，以及水泵-电堆-四通阀-第二散热器构成的回路。
42.当燃料电池关机时，为防止电堆温度过高，控制关断三通阀的a口，打开三通阀的f口和b口，控制打开四通阀的g口、c口和d口，关断四通阀的e口，此时液体循环回路包括水泵-电堆-三通阀-第一散热器构成的回路、水泵-中冷器及去离子器-四通阀-第二散热器构成的回路，以及水泵-电堆-四通阀-第二散热器构成的回路。
43.需要说明的是，上述各种工况是按燃料电池从启动到正常运行，再到关机过程的大致运行工况划分，各工况之划分并非相互排斥，相邻的工况之间的控制逻辑平滑过渡，且相邻工况之间可以有重叠。图2和图3中以竖向虚线大致划分了各工况对应的三通阀和四通阀各端口的开度情况。
44.通过以上描述可知，本发明提供的燃料电池水热管理系统的控制方法，通过设有两个散热器，所述第一散热器、第二散热器、加热器、中冷器通过所述三通阀和/或所述四通阀连接于所述液体循环回路中，并形成相对独立的第一散热支路、第二散热支路、加热器支路和中冷器支路，使得水热管理系统具有可满足冷启动暖机、正常暖机、过渡阶段、低散热需求、高散热需求等多种工况的运行模式，以满足多种不同工况下的温度调节需求。
45.本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本使用新型的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。