一种燃料电池进气温度控制装置及控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池辅助装置领域，特别是涉及一种燃料电池进气温度控制装置及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池系统是未来具有广大前景的技术，是实现可再生能源高效利用、节能减排目标中的重要一环。然而，目前燃料电池系统在各方面技术仍待提升，其中之一就是环境适应性问题。在不同温度、湿度下，燃料电池快速稳定的冷启动仍然是一个比较棘手的问题，尤其是在低温条件下。影响低温冷启动的重要一个因素就是停机阶段对堆内部残余水的吹扫是否充分。充分的吹扫可以使得燃料电池下一次低温启动前内部水/冰的含量保持在较低水平，扩散层容水空间大，使得燃料电池在低温自启动过程中产热和产水量能够维持平衡，防止水大量聚集在扩散层导致结冰、堵气，而导致的冷启动失败，导致电堆瘫痪甚至损坏。影响吹扫效果的重要因素之一就是吹扫气体温度。因此，高效、精确的进气吹扫温度控制方法对于燃料电池系统启动和运行十分重要，需要深入研究。
3.目前燃料电池系统空气通过压缩机压缩后，会被加热，通过中冷器冷却后进入电堆。中冷器与冷却系统直接相连接，中间没有阀件进行中冷器流量调节，因此中冷器冷却流量无法调节，在电堆温度较低时，冷却水温度也较低，由于没有主动调节装置，此时空气出口温度和电堆温度相同，若在此工况下进行停机，由于无法提高吹扫温度，而电堆温度本身也较低，导致整体吹扫温度偏低，使得电堆内部水较难吹干。在低温下，即使在正常温度下停机，由于外部温度较低，冷却系统的温度也会较快下降，导致吹扫气体温度下降，不利于系统快速吹干。且目前的气体温度无法根据外界温度的变化进行自适应吹扫调控。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种燃料电池进气温度控制装置及控制方法，以实现对中冷器冷却流量的调节，从而实现对燃料电池电堆的进气温度的自适应调控。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种燃料电池进气温度控制装置，所述控制装置包括：
7.电堆冷却回路；所述电堆冷却回路的出口与燃料电池系统的燃料电池电堆的冷却水入口连接，所述电堆冷却回路的入口与所述燃料电池电堆的冷却水出口连接；所述电堆冷却回路用于对所述燃料电池电堆的温度进行调节；
8.中冷器，分别与所述燃料电池电堆的进气口及所述电堆冷却回路的入口连接，用于对通入所述燃料电池电堆的气流进行降温；
9.流量调节阀，分别与所述电堆冷却回路的出口及所述中冷器连接，用于在开启时将由所述电堆冷却回路的出口流出的冷却水通入所述中冷器；
10.第二节温器，入口端与所述电堆冷却回路的出口连接，第一出口端与所述中冷器连接，第二出口端与所述电堆冷却回路的入口连接，用于调节由第一出口端通入所述中冷
器的冷却水与由第二出口端通入所述电堆冷却回路的冷却水的流量比例；
11.进气温度传感器，位于所述燃料电池电堆的进气口处，用于获取所述燃料电池电堆的实际进气温度；
12.控制器，分别与所述进气温度传感器、所述第二节温器及所述流量调节阀连接，用于根据所述实际进气温度及所述燃料电池电堆的目标进气温度控制所述第二节温器的开度及所述流量调节阀的启闭；所述目标进气温度根据所述燃料电池系统的工作模式确定。
13.可选地，所述控制装置还包括：
14.环境温度传感器，与所述控制器连接，用于获取所述燃料电池系统的环境温度，并将所述环境温度发送至所述控制器；
15.所述控制器还用于获取所述燃料电池系统的运行工况及模式指令，并根据所述环境温度、所述运行工况及所述模式指令确定所述燃料电池系统的工作模式。
16.可选地，所述控制装置还包括：
17.空气压缩机，与所述中冷器连接，用于对外部空气进行压缩及加热，并将加热后的气流通入所述中冷器。
18.可选地，所述控制装置还包括：
19.背压阀，与所述燃料电池电堆的出气口连接，用于调节所述燃料电池电堆的阴极压力和出气流量。
20.可选地，所述电堆冷却回路包括：
21.水泵，与所述燃料电池电堆的冷却水入口连接，用于将所述电堆冷却回路流出的冷却水泵入所述燃料电池电堆中；
22.加热器，与所述燃料电池电堆的冷却水出口连接，用于在冷启动模式下对所述燃料电池电堆流出的冷却水进行加热；
23.散热器，与所述燃料电池电堆的冷却水出口连接，用于对所述燃料电池电堆流出的冷却水进行降温；
24.第一节温器，分别与所述加热器、所述散热器及所述水泵连接，用于调节从所述加热器通入所述水泵的冷却水与从所述散热器通入所述水泵的冷却水的流量比例。
25.可选地，所述电堆冷却回路还包括：
26.颗粒过滤器，位于所述散热器与所述第一节温器的连接管路上，用于过滤冷却水中的颗粒杂质。
27.可选地，所述控制器包括：
28.误差计算模块，与所述进气温度传感器连接，用于计算所述实际进气温度相对于所述目标进气温度的误差值；
29.节温器调节模块，分别与所述误差计算模块及所述第二节温器连接，用于在所述误差值大于第一设定值时，控制所述第二节温器加大通入所述中冷器的冷却水的流量，在所述误差值小于第一设定值时，控制所述第二节温器减小通入所述中冷器的冷却水的流量；
30.流量阀调节模块，分别与所述误差计算模块及所述流量调节阀连接，用于在所述误差值大于第二设定值时，控制所述流量调节阀开启，在所述误差值小于第一设定值时，控制所述流量调节阀关闭；所述第二设定值大于所述第一设定值。
31.一种燃料电池进气温度控制方法，所述控制方法应用于上述的控制装置，所述控制方法包括：
32.获取燃料电池电堆的实际进气温度；
33.确定燃料电池电堆的目标进气温度；
34.计算所述实际进气温度相对于所述目标进气温度的误差值；
35.在所述误差值大于第二设定值时，控制流量调节阀开启；在所述误差值大于第一设定值时，控制第二节温器加大通入中冷器的冷却水的流量；
36.在所述误差值小于第一设定值时，控制所述第二节温器减小通入所述中冷器的冷却水的流量，并控制所述流量调节阀关闭。
37.可选地，所述确定燃料电池电堆的目标进气温度，具体包括：
38.获取所述燃料电池系统的环境温度；
39.获取所述燃料电池系统的运行工况及模式指令；
40.根据所述环境温度、所述运行工况及所述模式指令确定所述燃料电池系统的工作模式；
41.根据所述工作模式确定所述燃料电池电堆的目标进气温度。
42.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
43.本发明根据实际进气温度及燃料电池电堆的目标进气温度控制第二节温器的开度及流量调节阀的启闭，从而利用第二节温器和流量调节阀同时调节通入中冷器的冷却水流量，使得进气温度可控，且能够提高进气温度的控制精度，提高单节温器控制容错率，减少流阻。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明实施例提供的燃料电池进气温度控制装置的结构图；
46.图2为本发明实施例提供的燃料电池进气温度控制装置的控制结构框图；
47.图3为本发明实施例提供的控制器的算法集成及连接关系框图。
48.符号说明：第一节温器1-1，第二节温器1-2，入口端1-2-1，第一出口端1-2-2，第二出口端1-2-3，流量调节阀2-1，背压阀2-2，空气压缩机3，中冷器4，进气温度传感器5-1，环境温度传感器5-2，燃料电池电堆6，冷却水入口6-1，冷却水出口6-2，进气口6-3，出气口6-4，加热器7，散热器8，水泵9，颗粒过滤器10，电堆冷却回路11，电堆冷却回路的出口11-1，电堆冷却回路的入口11-2，燃料电池集成控制器硬件12，快速原型控制软件设计平台13。
具体实施方式
49.下面将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，都属于本发明保护的范围。
50.本发明的目的是提供一种燃料电池进气温度控制装置及控制方法，以实现对中冷器冷却流量的调节，从而实现对燃料电池电堆的进气温度的自适应调控。
51.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
52.实施例一
53.本实施例提供一种燃料电池进气温度控制装置，图1为本发明实施例提供的燃料电池进气温度控制装置的结构图。如图1所示，所述控制装置包括：电堆冷却回路11、中冷器4、流量调节阀2-1、第二节温器1-2、进气温度传感器5-1和控制器。其中，所述电堆冷却回路的出口11-1与燃料电池系统的燃料电池电堆6的冷却水入口6-1连接，所述电堆冷却回路的入口11-2与所述燃料电池电堆6的冷却水出口6-2连接；所述中冷器4分别与所述燃料电池电堆6的进气口6-3及所述电堆冷却回路的入口11-2连接；所述流量调节阀2-1分别与所述电堆冷却回路的出口11-1及所述中冷器4连接；所述第二节温器1-2分别与所述电堆冷却回路的出口11-1、所述中冷器4及所述电堆冷却回路的入口11-2连接，且具体为：第二节温器1-2的入口端1-2-1与所述电堆冷却回路的出口11-1连接，第二节温器1-2的第一出口端1-2-2与所述中冷器4连接，第二节温器1-2的第二出口端1-2-3与所述电堆冷却回路的入口11-2连接；所述进气温度传感器5-1位于所述燃料电池电堆6的进气口6-3处；所述控制器分别与所述进气温度传感器5-1、所述第二节温器1-2及所述流量调节阀2-1连接。
54.具体地，所述电堆冷却回路11用于对所述燃料电池电堆6的温度进行调节；所述中冷器4用于（利用冷却水）对通入所述燃料电池电堆6的气流进行降温；所述流量调节阀2-1用于在开启时将由所述电堆冷却回路的出口11-1流出的冷却水通入所述中冷器4；所述第二节温器1-2用于调节由第一出口端1-2-2通入所述中冷器4的冷却水与由第二出口端1-2-3通入所述电堆冷却回路11的冷却水的流量比例；所述进气温度传感器5-1用于获取所述燃料电池电堆6的实际进气温度；所述控制器用于根据所述实际进气温度及所述燃料电池电堆6的目标进气温度控制所述第二节温器1-2的开度及所述流量调节阀2-1的启闭；所述目标进气温度根据所述燃料电池系统的工作模式确定。所述工作模式具体包括：冷启动模式、快速加载模式、调湿模式、运行模式和吹扫模式。
55.进一步地，所述控制装置还包括：空气压缩机3。所述空气压缩机3与所述中冷器4连接。所述空气压缩机3用于对外部空气进行压缩及加热，并将加热后的气流通入所述中冷器4；所述空气压缩机3还用于调节所述燃料电池电堆6的阴极空气流量。
56.进一步地，所述控制装置还包括：背压阀2-2。所述背压阀2-2与所述燃料电池电堆6的出气口6-4连接。所述背压阀2-2用于调节所述燃料电池电堆6的阴极压力和出气流量。
57.作为一种具体的实施方式，所述电堆冷却回路11包括：水泵9、加热器7、散热器8和第一节温器1-1。其中，所述水泵9与所述燃料电池电堆6的冷却水入口6-1连接，所述加热器7与所述燃料电池电堆6的冷却水出口6-2连接；所述散热器8与所述燃料电池电堆6的冷却水出口6-2连接；所述第一节温器1-1分别与所述加热器7、所述散热器8及所述水泵9连接。在本实施例中，所述水泵9用于将所述电堆冷却回路11流出的冷却水泵入所述燃料电池电堆6中；所述加热器7用于在冷启动模式下对所述燃料电池电堆6流出的冷却水进行加热；所述散热器8用于（在除冷启动模式以外的其他模式，即快速加载模式、调湿模式、运行模式和
吹扫模式下）对所述燃料电池电堆6流出的冷却水进行降温；所述第一节温器1-1用于调节由所述加热器7通入所述水泵9的冷却水与由所述散热器8通入所述水泵9的冷却水的流量比例。所述加热器7具体为ptc加热器。
58.进一步地，所述电堆冷却回路11还包括：颗粒过滤器10。所述颗粒过滤器10位于所述散热器8与所述第一节温器1-1的连接管路上，用以过滤冷却水中的颗粒杂质。
59.优选地，所述控制装置还包括：环境温度传感器5-2。所述环境温度传感器5-2与所述控制器连接。所述环境温度传感器5-2用于获取所述燃料电池系统的环境温度，并将所述环境温度发送至所述控制器。所述控制器则还用于获取所述燃料电池系统的运行工况及模式指令，并根据所述环境温度、所述运行工况及所述模式指令确定所述燃料电池系统的工作模式。在本实施例中，所述控制器采用pid控制策略调节所述第二节温器1-2的开度，采用模糊逻辑控制策略调节所述流量调节阀2-1的启闭，其控制结构框图参见图2。所述pid控制策略和所述模糊逻辑控制策略统称为燃料电池系统控制策略。
60.如图3所示，所述控制器具体为燃料电池集成控制器硬件（fuel-cell control unit，fcu）12。本发明提出的燃料电池系统控制策略经过程序设计后，利用快速原型控制软件设计平台13烧录至燃料电池集成控制器硬件12中，实现燃料电池系统控制算法的集成。其中，快速原型控制软件设计平台13与燃料电池集成控制器硬件12之间采用can总线进行通讯。所述进气温度传感器5-1采集的实际进气温度以及所述环境温度传感器5-2采集的环境温度以模拟量信号的形式输入至燃料电池集成控制器硬件12中。所述第二节温器1-2的状态信号以及所述流量调节阀2-1的状态信号以数字信号的形式，通过can总线输入至燃料电池集成控制器硬件12中。其中，所述第二节温器1-2和所述流量调节阀2-1与所述燃料电池集成控制器硬件12之间采用can总线进行通讯。所述第二节温器1-2的状态信号即所述第二节温器1-2的当前开度状态；所述流量调节阀2-1的状态信号即所述流量调节阀2-1的当前启闭状态。
61.所述燃料电池集成控制器硬件12基于内部集成的算法，根据环境温度、运行工况和模式指令确定燃料电池系统的工作模式，进而确定目标进气温度，从而能够基于pid控制策略，根据第二节温器1-2的状态信号、实际进气温度和目标进气温度，生成第一控制信号，控制第二节温器1-2的开度；以及，基于模糊逻辑控制策略，根据流量调节阀2-1的状态信号、实际进气温度和目标进气温度，生成第二控制信号，控制流量调节阀2-1的启闭。
62.具体地，所述控制器包括：误差计算模块、节温器调节模块和流量阀调节模块。所述误差计算模块，与所述进气温度传感器5-1连接，用于计算所述实际进气温度相对于所述目标进气温度的误差值；所述节温器调节模块，分别与所述误差计算模块及所述第二节温器1-2连接，用于在所述误差值大于第一设定值时，控制所述第二节温器1-2加大通入所述中冷器4的冷却水的流量，在所述误差值小于第一设定值时，控制所述第二节温器1-2减小通入所述中冷器4的冷却水的流量，在所述误差值等于所述第一设定值时，控制所述第二节温器1-2保持当前开度状态，不进行调节；所述流量阀调节模块，分别与所述误差计算模块及所述流量调节阀2-1连接，用于在所述误差值大于第二设定值时，控制所述流量调节阀2-1开启，在所述误差值小于第一设定值时，控制所述流量调节阀2-1关闭，在所述误差值大于或等于第一设定值，且小于或等于第二设定值时，控制所述流量调节阀2-1保持当前启闭状态，不进行调节；所述第二设定值大于所述第一设定值。在本实施例中，所述第一设定值为
0。
63.作为一种具体的实施方式，所述水泵9、所述第一节温器1-1、所述颗粒过滤器10、所述散热器8及所述加热器7共同构成电堆冷却回路11；其中，由所述水泵9、所述燃料电池电堆6、所述散热器8、所述颗粒过滤器10及所述第一节温器1-1构成的回路称为大循环回路，由所述水泵9、所述燃料电池电堆6、所述加热器7及所述第一节温器1-1构成的回路称为小循环回路。所述第二节温器1-2、所述流量调节阀2-1及所述中冷器4共同构成中冷器冷却回路。所述环境温度传感器5-2、所述空气压缩机3、所述中冷器4、所述进气温度传感器5-1及所述背压阀2-2共同构成空气进气回路。
64.上述各部件构成的控制装置的整体工作原理如下：
65.对于电堆的散热：燃料电池系统发电时，电堆产热通过电堆冷却回路11进行散热，水泵9将冷却水压入燃料电池电堆6，经电堆加热后，冷却水流出通过大循环回路上的散热器8（快速加载模式、调湿模式、运行模式和吹扫模式下）或小循环回路上的加热器7（冷启动模式下）进入第一节温器1-1，再回到水泵9。中冷器冷却回路从水泵9出口接出，采用第二节温器1-2和流量调节阀2-1来同时实时调节通过中冷器4的空气冷却流量，冷却水可以通过第二节温器1-2进入中冷器4或是直接回到电堆冷却回路11。外部空气通过环境温度传感器5-2后会通入空气压缩机3，经空气压缩机3压缩并加热，再经过中冷器4进行降温后，最后通入电堆，同时电堆入堆空气温度由进气温度传感器5-1采集，用于闭环温度调节。电堆阴极出口（即出气口6-3）的空气再经过背压阀2-2排出到外部环境中。
66.实施例二
67.本实施例提供一种燃料电池进气温度控制方法，所述控制方法应用于如实施例一所述的控制装置，所述控制方法包括：
68.步骤s1：获取燃料电池电堆的实际进气温度。
69.步骤s2：确定燃料电池电堆的目标进气温度。
70.步骤s3：计算所述实际进气温度相对于所述目标进气温度的误差值。
71.步骤s4：在所述误差值大于第二设定值时，控制流量调节阀开启；在所述误差值大于第一设定值时，控制第二节温器加大通入中冷器的冷却水的流量；在所述误差值小于第一设定值时，控制所述第二节温器减小通入所述中冷器的冷却水的流量，并控制所述流量调节阀关闭。
72.进一步地，步骤s2具体包括：
73.步骤s21：获取所述燃料电池系统的环境温度。
74.步骤s22：获取所述燃料电池系统的运行工况及模式指令。所述运行工况包括燃料电池电堆的温度、电流和电压；所述模式指令具体为外部模式请求。
75.步骤s23：根据所述环境温度、所述运行工况及所述模式指令确定所述燃料电池系统的工作模式。
76.步骤s24：根据所述工作模式确定所述燃料电池电堆的目标进气温度。
77.其中，在不同运行工况、不同模式指令和不同环境温度下，燃料电池系统的工作模式不同，所确定的进堆需求目标温度（即目标进气温度）也不同，根据环境和需求进行适应，具体如下：
78.（1）在冷启动模式下（环境温度低于0℃），由于电堆温度较低，因此冷却水温度较
低，为了更快的加热电堆，协助快速启动，同时为了在低温情况冷启动防止内部结冰。此时将需求的目标进堆温度设定在75℃，具体根据环境温度进行适应前馈设计。
79.（2）在快速加载模式下，由于大电流情况下，需求的进气温度会更高，因此在加载情况下提高目标进气温度，有利于提前增加催化活性，减小电压下冲。故：在快速加载模式下，将电堆目标电流下的工作温度作为进气的需求温度，从而快速达到电堆目标工作温度，提升电堆温度响应。
80.（3）在调湿模式下，结合当前电堆的操作条件需求，在较高的空气湿度下，提升目标进气温度，在较低的空气湿度下，降低目标进气温度。从而改变露点温度进行调湿，完成对进气湿度调节。
81.（4）在常规的运行模式下，按照标定工况需求的温度进行需求温度给出。
82.（5）在吹扫模式下，根据目前的环境温度制定吹扫需求温度（即目标进气温度）。若在环境低温情况下，需要将膜尽量吹干，因此，会制定较高的进堆吹扫温度保证将膜吹干。在常温情况下，电堆没有结冰风险，可以降低吹扫温度，以防止膜过干，影响电堆寿命。
83.具体地，在实际应用中，可以制定燃料电池电堆的操作条件表，示出不同运行工况、模式指令和环境温度下对应的工作模式，以及不同工作模式下对应的目标进气温度，以供查询。从而可以准确确定目标进气温度，并与当前通过进气温度传感器反馈的实际进气温度进行相减得到误差值，通过反馈闭环控制，进行第二节温器和流量调节阀的开度调节，共同协作完成对进气温度的精确控制。
84.节温器通过pid调节开度，其具体逻辑如下：pid控制器根据电堆进气温度反馈值（即实际进气温度）与目标进气温度的误差值进行调节，当实际进气温度小于目标进气温度时，pid会根据误差值减小流经中冷器的流量，从而提升进堆温度；当实际进气温度大于目标进气温度时，pid会根据误差值加大流经中冷器的流量，从而降低进堆温度。以此实现进气温度的准确调节。
85.流量调节阀通过模糊逻辑控制进行调节，其具体逻辑为：当实际进气温度小于目标进气温度时，流量调节阀不开启；当实际进气温度减去目标进气温度高于某一限定值（即第二设定值），流量调节阀开启，进行保护性补偿，保证温度不超温；当流量调节阀处于开启状态时，若实际进气温度低于目标进气温度后，流量调节阀关闭。
86.本发明提供了一种新的燃料电池进气温度控制装置与控制方法，能够适用燃料电池系统的不同工作模式，为空气路进气温度控制提供了精确的温度控制策略，该方案简单有效。与现有技术相比，本发明提供的燃料电池进气温度控制装置及控制方法具有以下优势：
87.1、进气温度可调，在不同电堆温度和冷却水温度情况下，通过实时调节中冷器冷却回路的第二节温器和流量调节阀，调节中冷器冷却流量，通过中冷器的对流换热，实现对外部进堆气体温度的实时调节。
88.2、通过实现进气温度实时控制，可以实现对内部湿度主动调节，在运行过程中，电堆因化学反应产生水，而水过多或过少都会对燃料电池系统不利。因此，通过实时调节系统的进气温度实现对内部湿度的调节，从而防止膜干或水淹现象。
89.3、在不同环境温度下，根据外部环境和运行工况以及运行模式进行进堆需求温度自适应设计，保证在各种模式下采用最合适进堆温度，提升系统性能和运行工况适应性。
90.4、通过设置环境适应性策略，使得能够在不同环境温度下在线调节冷启动进堆温度和停机吹扫气体温度，使得启动和停机吹扫过程更为快速，精确，高效，节约系统能量，保障每次启停过程更为顺利。
91.5、调节结构简单，设置有保护性回路，能够提升控制响应，保证进堆温度不超温，同时在中冷器需求小流量时，由于有直通设置因此流阻不会加大。
92.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
93.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。