一种燃料电池散热系统及控制方法与流程

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池散热系统及控制方法。

背景技术：

1、燃料电池系统一直朝着低成本、高集成度的方向进行探索。作为燃料电池散热系统的核心bop部件-散热器，占据着燃料电池系统1/3左右的空间，主、辅散热器两个散热器导致散热系统的管路更加复杂，不利于系统进行集成设计，复杂的管路设计会带来更高的管路开模成本。主、辅散热的双散热器会在系统运行时，带来更多的噪音以及会产生的寄生功率。

2、当前燃料电池热管理系统，主要由两套散热回路组成，主散热回路主要用于带走燃料电池电堆电化学反应过程中而产生的热量，而辅散热回路主要用来给dc-dc、空压机进行散热。当下主流的系统集成方案是主散热回路和辅散热回路分别用一个散热器去散热，从而满足系统整体的散热条件。这种方案不仅成本更高，因为采用两个散热器，对系统空间的占用比较大且不利于系统集成设计，同时两个风扇带来的bop辅件会占用更多的系统输出功率，从而间接降低系统的效率。

技术实现思路

1、本发明提供一套高效的燃料电池的散热系统方案，并配合相应的控制方法，可实现在不降低系统性能的情况下带来更低的散热寄生功率，同时也带来更高的系统集成度、更低的成本从而提升产品的竞争力。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种燃料电池散热系统，由主散热回路和辅散热回路组成；所述主散热回路和辅散热回路都通过双芯体散热器完成热量交换；

4、所述双芯体散热器由散热风扇、主散热芯体、辅散热芯体组成，所述主散热芯体、辅散热芯体之间相互连接，所述主散热芯体的另一侧设置有散热风扇；所述主散热芯体与辅散热芯体内部各自设置有水路，且水路是相互隔绝的；所述主散热芯体与辅散热芯体之间气路相通；所述主散热芯体与辅散热芯体上各自开设有进水口和出水口；所述主散热芯体上开设有主芯体进水口和主芯体出水口；所述辅散热芯体上开设有辅芯体进水口和辅芯体出水口；

5、所述主散热回路由电堆、主水箱、主水泵、双芯体散热器和中冷器组成；所述电堆通过主水泵与双芯体散热器的主芯体进水口连接；所述双芯体散热器的主芯体出水口与电堆连接，所述双芯体散热器还与中冷器的进水口连接，所述中冷器的出水口与主水泵连接；所述主水箱连接于电堆与主水泵之间的管道上；所述中冷器与增湿器、电堆顺次连接；

6、所述辅散热回路由dc-dc、双芯体散热器、空压机、辅水箱和辅水泵组成；所述dc-dc与双芯体散热器的辅芯体入水口连接，所述双芯体散热器的辅芯体出水口分别与辅水泵和空压机连接，所述辅水泵分别与dc-dc和空压机连接；所述辅水箱连接于辅水泵与双芯体散热器之间的管道上；

7、所述主散热回路用于给燃料电池电堆进行散热；所述散热回路主要是给dc-dc与进气系统中的空压机散热。

8、进一步地，本发明还包括空滤；所述空压机的空气入口与空滤连接。

9、进一步地，所述主散热回路中还包括第一温度传感器和第二温度传感器；所述第一温度传感器设置于双芯体散热器与电堆之间的管路上；所述第二温度传感器设置于电堆与主水泵之间的管道上。

10、进一步地，所述辅散热回路还包括第三温度传感器和第四温度传感器；所述第三温度传感器设置于dc-dc与双芯体散热器之间的管路上；所述第四温度传感器设置于双芯体散热器与空压机之间的管路上。

11、进一步地，所述电堆与dc-dc之间通过高压线束连接。

12、本发明根据系统实际运行情况，在不降低燃料燃料电池系统散热性能的情况下，将主散热回路和辅散热回路的两个散热器集成为一个单风扇双芯体散热器（后续简称为双芯体散热器），并提出双芯体散热器分别控制主、辅散热回路的控制方法，这就可克服上述燃料电池系统集成的技术缺点。

13、若要使燃料电池运行在合适的温度，需要将主散热回路的冷却液温度控制在65℃~75℃之间，而空压机、dc-dc若要合适的工作温度需要控制在60℃以下，故本发明采用单独的散热系统的控制方法，实现单个散热器分别控制主、辅散热散热回路的温度范围，使燃料电池及dc-dc和空压机始终运行在合适的温度范围内。

14、燃料电池的反应产生的热量远远大于dc-dc和空压机工作时产生的热量，燃料电池反应产生的热量是dc-dc和空压机的6-10倍之间。因为辅散热器需求的散热量比较低且体积小，所以可以将辅散热器的散热芯体集成在主散热器上，然后共用一个风扇，从而集成为双芯体散热器。在燃料电池工作时，根据电堆进出口的温度，以及空压机出口、dc-dc的水路出口的温度，实现动态调节散热器风扇的转速，从而将主、辅散热回路冷却液的温度控制在合适的范围内。

15、一种燃料电池散热系统的控制方法，燃料电池系统开后，收到功率请求后运行在功率p1，第一监测温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器的温度值t1、t2、t3、t4，若检测到温度信号偏离正常值时进行温度偏高或偏低判断；若没有出现温度偏离则继续维持功率p1运行；

16、若出现温度偏离现象，则根据实际测量值与设定温度值的差值对双芯体散热风扇和主水泵、辅水泵的转速进行调控，以达到调控主、辅散热回路的散热量的目的；调控散热风扇和水泵转速后的10秒内，若温度回归设定值，则继续维持功率p1运行；若温度仍未回归设定值，则将系统功率降载至p2，同时增加双芯体散热器、主水泵和辅水泵的转速，若5s后温度恢复正常则继续恢复功率p1，若仍未回归设定温度值，则继续重复以上操作，直至温度回归设定值；

17、通过上述系统控制电堆内部的反应温度在70-75℃，空压机和dc-dc温度在60℃以下。

18、上述方法中，所述正常值：t1为63～65℃之间，t2为75～78℃,t3、t4为55～65℃。

19、上述方法中，所述同时增加双芯体散热器、主水泵和辅水泵的转速具体为：双芯体散热器总转速范围：1200～4000r/min；主水泵总转速范围：2000～7000r/min；辅水泵总转速范围：1500～4500r/min。

20、上述方法中，具体判定条件如下：

21、（1）若t2-t1＞10℃且t3、t4处于设定温度内，意味着主散热回路的散热功率小于实际散热需求，则需要增大双芯体散热器的转速和主水泵的转速，提高散热器的散热风量以及主散热回路的水流量，从而增加主散热回路的散热性能；并且根据t2-t1偏差的温度值大小，分别来控制转速的提升幅度：10＜t2-t1≤15℃，则双芯体散热器的转速提升3～5%，主水泵的转速提升6～8%；15＜t2-t1≤20℃，则双芯体散热器的转速提升10～12%，主水泵的转速提升12～15%；

22、（2）若t2-t1＜10℃且t3、t4处于设定温度内，意味着主回路的散热功率大于散热功率需求，则需要降低双芯体散热器的转速和主水泵的转速；根据t2-t1偏差的温度值大小，分别来控制转速的提升幅度：3≤t2-t1＜10℃，则双芯体散热器的转速降低15%，主水泵的转速降低16～18%；6≤t2-t1＜10℃，则双芯体散热器的转速降低8～10%，主水泵的转速降低10～12%；在散热功率大于散热需求幅度过大时，降低散热风扇和水泵的转速有利于减小系统的寄生功率，从而提高系统效率；

23、（3）若8≤t2-t1＜10℃，即燃料电池冷却液进出口温度差控制在8～10℃内，而t3＞60℃或t4＞60℃，则表示分别表示辅散热回路中的dc-dc和空压机的散热功率不足；面对主散热回路的散热功率在合适，辅散热回路的散热功率不满足实际散热需求时，双芯体散热器的转速增加8～12%，主水泵的转速降低7～12%，以避免主散热回路的散热功率大于实际散热功率需求，使电堆进出口温度差无法控制在8～10℃，而辅散热水路中的辅水泵，则需要增大8～12%转速，以提高辅水路的热交换速度，从而降低空压机或dcdc的运行温度，使其重新回到设定温度区间。

24、上述方法中，步骤（3）中，若只有t3或t4任意温度小于60℃即可触发所述控制策略。

25、与现有技术相比，本发明的优势在于：

26、（1）本发明中以双芯体散热器组成的燃料电池散热系统方案，实现单个散热器即可满足燃料电池系统的电堆和空压机、dc-dc的散热需求。

27、（2）本发明中仅需一个双芯体散热器即可满足燃料电池系统的电堆和空压机、dc-dc（直流转直流电源）的散热，简化了散热系统的组成，提高系统的集成度，方便系统结构设计布局。

28、（3）本发明中因为少了个散热器，故减系统的体积和重量会更低，同时降低系统的成本。与散热方案相匹配的控制方法，使散热系统的寄生功率更低，带来更高的系统效率，提升产品的竞争力。