一种燃料电池热管理系统及控制方法与流程

本发明属于氢能汽车，具体涉及一种燃料电池热管理系统及控制方法。

背景技术：

1、燃料电池电堆及整个系统在低温环境下启动，燃料电池的工作原理是氢气和空气中的氧气发生电化学反应，产生电和纯净的水，此外还会伴随产生大量的废热；在此反应下产生的电用于电机驱动车辆行驶及车辆其他耗电部件，产生的热则需要通过水冷的方式散到环境中；现有技术中的燃料电池冷却液是采用乙二醇和水的混合溶液，基于其自身物理特性，在低于-10℃时冷却液粘度较大；由于燃料电池电堆内部冷却液是在双极板流道中流动，流通界面狭窄，因此当冷却液粘度大时，冷却液流通困难，由此引起的燃料电池问题有：1、燃料电池电堆升温慢，低温启动时间过长，限制车辆在低温情况下使用和快速起动，车辆低温适应性性能差；2、燃料电池电堆内部温度不均匀，在100-300s的时间内，电堆进口和出口处温度差最高可达20℃以上，由此可能引起电堆密封失效等问题；其次膜电极在工作过程中，温度不均匀会导致单片膜电极及整个电堆发电性能不均匀，长期累积后会影响电堆寿命；3、冷却液流通困难，冷却液循环管路上的水泵转动阻力大，导致功耗大(因此相同转速下，水泵功耗增大可以作为判断冷却液因低温粘大而流通困难的判断条件)，长期积累对水泵本身可靠性和寿命有影响。

2、在加注冷却液后的一段时间内，热管理系统中存在较多气体，电堆排气和散热器排气管路需要持续打开，便于持续排出气泡；但是在排气一定时间后，大量气体已排出，所需排气流量逐渐变小电堆排气和散热器排气管路流量则不需要那么大，排气流量设计大则占用冷却液循环面积，造成冷却液循环流量小，现有技术的排气管路未能根据电堆排气流量进行实时调控，造成冷却液循环管路上的水泵功耗过高。

3、此外，在低温环境下启动燃料电池电堆及整个系统，燃料电池电堆内部氢气和氧气反应生成的是水，在低温启动过程中容易发生反应生成的水结冰，一旦结冰燃料电池电堆会有诸多种不良后果，包括：1、堵塞双极板中气体传输通道，氢气和氧气无法供给至催化剂表面，导致反应无法进行，从而启动失败；2、结冰形成的冰晶有一定几率刺穿隔离阴极和阳极的质子交换膜，膜穿孔后会极大降低膜电极的性能和寿命；3、多次结冰-融化循环后的空间膨胀会破坏膜电极内部结构，降低膜电极性能和寿命；因此现有的燃料电池电堆系统在低温启动下电堆性能差存在问题多，使得氢能汽车无法满足低温下正常使用。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种燃料电池热管理系统及控制方法，在常温下能够根据冷却液排气所需量，灵活地调控冷却液排气管路的排气流量，以及在低温下对燃料电池电堆加热和施加脉冲压力，促进冷却液流动，避免燃料电池电堆温度过低。

2、技术方案：第一方面本发明提供一种燃料电池热管理系统，包括：燃料电池电堆、电堆出口水压传感器、电堆出口水温传感器、电堆入口水温传感器、膨胀水箱、散热器、电控三通阀、第一电控阀、第二电控阀、水泵、液体加热器、补水管路、冷却液循环管路；

3、其中，所述燃料电池电堆用于对外发电，所述燃料电池电堆开设有出水口和入水口；所述燃料电池电堆的出水口分别连接有电堆出口水压传感器、电堆出口水温传感器；所述燃料电池电堆的入水口连接有电堆入口水温传感器；

4、所述燃料电池电堆的出水口和入水口均与冷却液循环管路相连，用于冷却液外循环；

5、所述燃料电池电堆出水口通过冷却液排气管路、第一电控阀与冷却液循环管路相连；所述燃料电池电堆出水口还通过冷却液排气管路、第二电控阀与膨胀水箱相连；

6、所述冷却液循环管路的一端连接在燃料电池电堆的出水口，另一端通过水泵、电控三通阀与燃料电池电堆的入水口相连；

7、所述膨胀水箱的出水口通过补水管路、冷却液循环管路与水泵入口相连，所述膨胀水箱的第一入水口通过冷却液排气管路、第二电控阀与燃料电池电堆出水口相连，所述膨胀水箱的第二入水口通过管路与散热器相连；

8、所述冷却液循环管路还包括循环支路组，所述循环支路组上分别设有散热器、液体加热器，用于对循环的冷却液进行散热和加热。

9、在进一步的实施例中，所述循环支路组包括：并联在水泵和电控三通阀之间的散热循序支路和加热循序支路；所述散热循序支路的一端与水泵出口相连，另一端经流过散热器后与电控三通阀入口相连；

10、所述加热循序支路的一端与水泵出口相连，另一端经流过液体加热器后与电控三通阀入口相连；

11、所述电控三通阀的出口与燃料电池电堆的入水口相连。

12、在进一步的实施例中，所述散热器的排水口通过去离子装置与膨胀水箱的第二入水口相连。

13、第二方面本发明提供一种燃料电池热管理系统控制方法，基于上述系统，包括：

14、分别实时获取燃料电池电堆出水口温度数值、入水口温度数值、出口水压数值、水泵工作工作功率数值；

15、实时判断入水口温度数值、水泵工作工作功率数值，并基于判断结果选择进入常规开机或低温启动或低温脉冲模式；

16、其中，在常规开机下分别对燃料电池电堆、第一电控阀、第二电控阀、水泵进行控制，用于针对常温下燃料电池电堆冷却液排气流量的自适应控制；

17、在低温脉冲模式下分别对燃料电池电堆、第一电控阀、第二电控阀、水泵、液体加热器、电控三通阀进行控制，用于加快燃料电池电堆的冷却液循环速度。

18、在进一步的实施例中，实时判断入水口温度数值、水泵工作工作功率数值，并基于判断结果选择进入常规开机或低温启动或低温脉冲模式的方法包括：

19、将实时获取的对入水口温度数值与预设的入水口温度阈值进行对比；

20、当水口温度数值大于预设的入水口温度阈值时，进入常规开机程序；

21、当水口温度数值小于或等于预设的入水口温度阈值时，将水泵工作工作功率数值与水泵工作功率上升阈值相对比；

22、若水泵工作工作功率低于水泵常温工作功率的上升阈值时，进入低温启动程序；

23、若水泵工作工作功率高于或等于水泵常温工作功率的上升阈值时，进入低温脉冲模式；

24、其中，水泵工作功率上升阈值为当前与常温下相比，水泵相同转速下其工作功率的增值百分比。

25、在进一步的实施例中，在常规开机下分别对燃料电池电堆、第一电控阀、第二电控阀、水泵进行控制，用于针对常温下燃料电池电堆冷却液排气流量的自适应控制的方法包括：

26、控制第一电控阀关闭，第二电控阀全开，并且对燃料电池电堆运行数值进行实时监测，确定燃料电池电堆在预定单位时间段内平稳运行；其中，平稳运行表示燃料电池电堆的功率或电流在预设单位时间段内持续不变；若无法确定平稳运行则保持第一电控阀关闭，第二电控阀全开；

27、确定燃料电池电堆平稳运行后，分别获得出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动；

28、实时判断出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动，并基于判断结果选择第二电控阀的开启角度或关闭。

29、在进一步的实施例中，实时判断出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动，并基于判断结果选择第二电控阀的开启角度或关闭的方法包括：

30、分别对出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动预设三档波动阈值；

31、分别实时监控出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动，并将出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动分别与预设的三级波动阈值对比，选择控制第二电控阀的开启角度或关闭；

32、当出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动大于或等于第一档阈值时，控制第二第一电控阀100％全开；

33、当出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动大于或等于第二档阈值时，控制第二电控阀保持b％开启度；

34、当出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动大于或等于第三档阈值时，控制第二电控阀保持c％开启度；

35、当出口水压数值、水泵转速、水泵工作功率的波动小于第三档阈值时，控制第二电控阀脉冲式关闭。

36、在进一步的实施例中，在低温脉冲模式下分别对燃料电池电堆、第一电控阀、第二电控阀、水泵、液体加热器、电控三通阀进行控制，用于加快燃料电池电堆的冷却液循环速度的方法包括：

37、控制水泵、液体加热器、电控三通阀开启，并实时获得出水口压力数值、出水口温度数值，燃料电池电堆进入快速升温状态；其中，低温脉冲模式设定水泵的转速为三档，且在水泵运行过程中三档转速以波动式切换，并将燃料电池电堆升温状态中的出口压力值记录为初始压力值；

38、在升温状态后，控制第一电控阀开启、第二电控阀关闭，实时判断出水口压力数值的变化；并基于判断结果选择控制第一电控阀脉冲式启闭，用于加速冷却液循环速度；

39、在第一电控阀脉冲式启闭过程中，实时判断出水口温度数值；并基于判断结果选择控制第一电控阀关闭，控制第二电控阀开启，从而结束低温脉冲模式进入低温启动模式。

40、在进一步的实施例中，控制水泵、液体加热器、电控三通阀开启，并实时获得出水口压力数值、出水口温度数值，燃料电池电堆进入快速升温状态的方法包括：

41、控制水泵、液体加热器、电控三通阀开启后，从燃料电池电堆流出的冷却液经水泵后，进入加热循序支路、电控三通阀后返回燃料电池电堆入口，液体加热器对加热循序支路的冷却液进行加热，实现燃料电池电堆的快速升温。

42、在进一步的实施例中，控制第一电控阀开启、第二电控阀关闭，实时判断出水口压力数值的变化；并基于判断结果选择控制第一电控阀脉冲式启闭，用于加速冷却液循环速度的方法包括：

43、第一电控阀开启、第二电控阀关闭后，燃料电池电堆出口通过冷却液排气管路、第一电控阀与水泵入口连通，用于向向燃料电池电堆出口传递负压，从而出水口压力数值随水泵入口压力变化而变化，并实时获取出水口压力变化数值和出水口压力变化数值的保持时间；

44、分别判断初始压力值和出水口压力变化数值的比值、出水口压力变化数值的保持时间；

45、若初始压力值和出水口压力变化数值的比值大于预设的增幅阈值，或保持时间小于预设的时间阈值则保持第一电控阀在第一预设时间段内脉冲式开启、第二电控阀关闭；

46、若初始压力值和出水口压力变化数值的比值小于或等于预设的增幅阈值，且保持时间大于预设的时间阈值则控制第一电控阀在第二预设时间段内脉冲式关闭；从而用于根据水口压力数值的变化实时控制第一电控阀脉冲式启闭，进而对燃料电池电堆出水口施加的脉冲式压力进行实时调控，加速冷却液循环速度；

47、其中，水泵在运行过程中水泵的转速进行三档波动式切换，从而使水泵入口的压力实现波动式变化，进而向燃料电池电堆出口传递持续性的脉冲式负压；

48、燃料电池电堆出水口接收到压力后从而在燃料电池电堆出口和燃料电池电堆入水口之间形成压力差，促进燃料电池电堆内部的冷却液流通。

49、在进一步的实施例中，在第一电控阀脉冲式启闭过程中，实时判断出水口温度数值；并基于判断结果选择控制第一电控阀关闭，控制第二电控阀开启，从而结束低温脉冲模式进入低温启动模式的方法包括：

50、若出水口温度数值小于或等于预设的出水口温度阈值，则保持第一电控阀开启、第二电控阀关闭，从而循环保持低温脉冲模式；

51、若出水口温度数值大于预设的出水口温度阈值，则控制控制第一电控阀关闭，控制第二电控阀开启，燃料电池电堆出口通过冷却液排气管路、第二电控阀与膨胀水箱连通；燃料电池电堆出口的负压消失，继续执行低温启动。

52、有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

53、(1)考虑燃料电池电堆的实际使用，针对燃料电池电堆分别常温和低温下所面临的问题，提出低温脉冲设计以应对低温启动和常温启动冷却液自适应排气，使得燃料电池电堆能够适用多种工况；

54、(2)本发明的低温脉冲模式设计当识别到冷却液温度极低且基于水泵自身工作功率判断到冷却液流通困难时，进入本专利所述低温脉冲模式，第一电控阀打开，第二电控阀关闭，水泵冲击式工作，不断对电堆出口持续施加脉冲负压，对电堆入口施加脉冲正压，电堆进出口在的脉冲压力差的冲击下，加快冷却液循环速度；

55、(3)在低温启动下，加快冷却液循环使电堆升温快，低温启动时间减小，加快车辆在低温情况下的使用和快速起动，车辆低温适应性性能得以提升；

56、(4)电堆内部冷却液循环速度加快，使电堆内部温度更加均匀，可以降低电堆密封失效风险；长期使用下电堆内部温度均匀效果好，从而提升电堆寿命；

57、(5)此外在冷却液流通顺畅的情况下，水泵转动阻力小，导致水泵功耗低，长期使用积累的效果是保证和提升水泵本身可靠性和水泵寿命；

58、(6)本发明的电热管理系统的所具有的排气功能设计，也可以对于冷却液流量进行调节，当识别到冷却液非低温或冷却液流通不困难时，第一电控阀关闭，第二电控阀开启，电堆正常排气，通过电堆出口压力波动、水泵转速波动和功率波动判断冷却液中气体含量，当气体含量多时，第二电控阀开启度大，加速排气；当气体含量减少时，第二电控阀开启度减小；当气体含量极少时，第二电控阀关闭，以此实现精准控制排气流量，这样可以让更多的冷却液流经水泵和电堆，降低对水泵功耗，且在前端设计时可以降低水泵性能余量，选择功率小、成本低的水泵。

59、附图说明

60、图1是本发明燃料电池热管理系统结构图；

61、图2是本发明基于入堆湿度的燃料电池低温停机吹扫控制逻辑图。