一种大功率燃料电池发动机温度管理系统及其控制方法与流程

一种大功率燃料电池发动机温度管理系统及其控制方法
1.技术领域
2.本发明涉及燃料电池发动机领域，具体地说，是涉及一种大功率燃料电池发动机温度管理系统及其控制方法。


背景技术：

3.在能源与环境的双重压力下，燃料电池汽车成为未来汽车工业发展的方向，也是汽车领域研究的重点。在燃料电池汽车的研究和开发过程中，燃料电池发动机的运行温度对电堆的效率和寿命有着至关重要的影响。并且，随着燃料电池发动机的功率等级的增加，其温度管理的难度也逐渐增加。尤其在车用环境下，环境温度、车辆运行速度和燃料电池发动机自身的功率都会在较大范围内发生变化，这都加大了精确的温度管理的难度。一方面，在不同的环境条件和发动机运行功率下，燃料电池发动机往往需要不同的温度管理策略；另一方面，燃料电池发动机的温度管理系统也需要优化自身的结构来配合多样化的温度管理策略。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种大功率燃料电池发动机温度管理系统，该系统既能实现快速升温燃料电池堆，又能解决燃料电池堆的散热问题，本发明的第二个目的在于提供上述系统的控制方法。
5.为了实现上述第一个发明目的，本发明采用以下技术方案：一种大功率燃料电池发动机温度管理系统，包括电堆，流量分配模块，多模组散热装置，加热模块，水泵和控制器，所述电堆的冷却剂出口端与流量分配模块连通，所述流量分配模块还分别与多模组散热装置和加热模块连通，所述水泵的一端连接在电堆的冷却剂入口端，另一端分别与多模组散热装置和加热模块连接，所述电堆的冷却剂入口端设有压力传感器和温度传感器，所述电堆的冷却剂出口端也设有温度传感器，所述压力传感器和温度传感器均与控制器连接，所述控制器还与流量分配模块，多模组散热装置，加热模块和水泵连接，所述控制器通过压力传感器和温度传感器的信号控制多模组散热装置和加热模块的开关，且对流量分配模块和水泵的开度进行调节。
6.作为优选方案，还包括冷却剂流量储存模块、离子浓度传感器和去离子器，所述离子浓度传感器设置在电堆的冷却剂出口端，所述冷却剂流量储存模块连接在电堆的冷却剂出口端与水泵的另一端之间，所述去离子器安装在冷却剂流量储存模块和多模组散热装置之间。
7.作为优选方案，所述多模组散热装置包括架体，风扇、导热片和冷却剂流道，多个冷却剂流道间隔设置在架体上，多个导热片设置在相邻冷却剂流道之间，多个单独启停的风扇设置在架体上，且位于冷却剂流道的一侧。
8.作为优选方案，所述流量分配模块为三通阀，包括阀体和阀芯，所述阀体上设有第一管路、第二管路和第三管路，且第一管路和第二管路构成主流通路，第一管路和第三管路构成副流通路，所述阀芯包括相互连接的调节轴和遮盖壁面，且通过调节轴的转动带动遮盖壁面对主流通路或者副流通路进行阻挡、部分阻挡。
9.作为优选方案，所述控制器包括电源模块、信号采集模块、执行信号生成模块以及连接上述模块的处理模块，所述电源模块为处理模块供电，所述处理模块根据信号采集模块的数据进行计算处理后，通过执行信号生成模块对多模组散热装置、加热模块、流量分配模块和水泵的进行控制。
10.作为优选方案，还包括环境监测器，所述环境监测器包括环境温度获取模块和信息交互模块，所述环境温度获取模块将处理获得的温度信息传输给信息交互模块，所述信息交互模块接收处理温度信息和车辆速度信息，并将处理结果传输给控制器。
11.作为优选方案，所述环境监测器的信号、压力传感器信号和温度传感器的信号均为控制器的输入信号。
12.作为优选方案，所述控制器包括通讯模块、电源模块、信号采集模块、执行信号生成模块以及连接上述模块的处理模块，所述电源模块为处理模块供电，所述通讯模块与环境监测器通过can协议进行通讯，所述处理模块根据信号采集模块以及通讯模块的数据进行计算处理后，通过执行信号生成模块对多模组散热装置、加热模块、流量分配模块和水泵的进行控制。
13.为了实现上述第二个发明目的，本发明采用以下技术方案：一种大功率燃料电池发动机温度管理系统的控制方法，采用上述的系统，步骤如下：1）、控制器根据电堆的温度判断，电堆处于启动过程还是正常运行过程，系统进入相应的辅助加热控制或者散热控制；2）、若系统处于辅助加热控制：则在电堆的温度低于工作温度时，控制器控制流量分配模块，使得冷却剂全部进入加热模块，冷却剂通过水泵在加热模块所处的回路内循环，控制器打开加热模块使电堆的温度迅速升至期望的工作温度，待电堆的温度到达工作温度时，控制器关闭加热模块，并且再次调节流量分配模块使得冷却剂按比例进入多模组散热装置所处的回路和加热模块所处的回路中，冷却剂通过水泵在系统内循环，满足系统需求；3）、若系统处于散热控制：控制器获取电堆的功率，并根据电堆的冷却剂出入口端的温度期望值，电堆的产热功率计算出冷却剂流量，调节水泵开度；控制器计算出多模组散热装置的最小散热能力；若多模组散热装置最小散热能力仍大于系统的散热需求；则控制器调节流量分配模块，使得冷却剂按比例进入多模组散热装置所处的回路和加热模块所处的回路中；此时加热模块关闭，冷却剂通过水泵在系统内循环，满足系统的散热需求；若多模组散热装置最小散热能力小于系统的散热需求；则控制器调节流量分配模块，使得冷却剂全部进入多模组散热装置；控制器再提高多模组散热装置的散热能力，使其满足系统的散热需求。
14.作为优选方案，所述多模组散热装置包括多个风扇，控制器通过控制风扇开启的数量以及每个风扇的开度来调节多模组散热装置的散热能力。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过采用控制器调节流量分配模块，使得流出电堆的冷却剂可以根据散热需求按比例流入多模组散热装置和加热模块后在流入电堆进行循环，在辅助启动时，流量分配模块使得冷却剂全部流入加热模块，实现快速升温燃料电池堆的效果，在电堆散热时，也可以按需选择冷却剂的循环管路，使得系统温度控制策略更加灵活；且本发明采用电堆的冷却剂出入口端设置的压力传感器和温度传感器的信号作为控制器的控制依据，能对多模组散热装置、加热模块、流量分配模块和水泵的开度进行更加精确的调节。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
17.图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明的控制器的结构示意图；图3是本发明的环境监测器的结构示意图；图4是本发明的多模组散热装置的结构示意图；图5是本发明的流量分配模块的剖面结构示意图；图6是本发明的流量分配模块的阀芯的结构示意图；图7是本发明的辅助加热控制过程的流程示意图；图8是本发明的散热控制过程的流程示意图。
18.其中附图标记为1、电堆；2、冷却剂流量储存模块；3、水泵；4、多模组散热装置；41、风扇；42、导热片；43、冷却剂流道；5、加热模块；6、流量分配模块；61、阀体；62、第一管路；63、第二管路；64、第三管路；65、阀芯；7、控制器；71、处理模块；72、通讯模块；73、电源模块；74、信号采集模块；75、执行信号生成模块；8、环境监测器；81、环境温度获取模块；82、信息交互模块；9、去离子器；10、压力传感器；11、温度传感器；12、离子浓度传感器。
具体实施方式
19.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。
21.此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：本实施例提供一种大功率燃料电池发动机温度管理系统，如图1所示，包括电堆1，流量分配模块6，多模组散热装置4，加热模块5，水泵3和控制器7，控制器，根温度管理系统内各个传感器的信息和执行器的状态来调节各个执行器；所述传感器包括但不限于压力传感器10和温度传感器11，所述执行器包括但不限于多模组散热装置4、加热模块5、流量分配模块6和水泵3；所述电堆1的冷却剂出口端与流量分配模块6连通，所述流量分配模块6还分别与多模组散热装置4和加热模块5连通，所述水泵的一端连接在电堆1的冷却剂入口端，另一端分别与多模组散热装置4和加热模块5连接，所述电堆1的冷却剂入口端设有压力传感器10和温度传感器11，所述电堆1的冷却剂出口端也设有温度传感器11，所述压力传感器10和温度传感器11均与控制器7连接，所述控制器7还与流量分配模块6，多模组散热装置4，加热模块5和水泵3连接，所述控制器7通过压力传感器10和温度传感器11的信号控制多模组散热装置4和加热模块5的开关，且对流量分配模块6和水泵3的开度进行调节。
26.本发明中的水泵，一般选用车用离心式水泵，用于控制冷却剂的流量进而调节电堆冷却剂进出口的温差；加热模块，选用管道式ptc加热器，用于给冷却剂升温以便加快电堆启动过程；温度传感器，选用热电阻或热电偶式温度传感器，用于监测电堆出入口的冷却剂温度；压力传感器，选用压力应变片式压力传感器，用于监测电堆入口冷却剂的压力；本发明系统还包括冷却流量储存模块2、离子浓度传感器12和去离子器9，所述离子浓度传感器12设置在电堆1的冷却剂出口端，所述冷却剂流量储存模块2连接在电堆1的冷却剂出口端与水泵1的另一端之间，所述去离子器9安装在冷却剂流量储存模块2和多模组散热装置4之间。去离子器，用于去除冷却剂内多余的导电离子维持冷却剂电导率在安全的范围内；冷却剂流量存储模块，选用车用副水箱，用于存储一定量的冷却剂，从而补充系统运行过程中因部分节点冷却剂泄露而损失的冷却剂。离子浓度传感器12，选用电极式电导率测试仪，用于监测电堆冷却回路内冷却剂的电导率。
27.如图4所示，多模组散热装置，用于将电堆运行过程中产生的热量散到外部环境当中；所述多模组散热装置4包括架体，风扇41、导热片42和冷却剂流道43，多个冷却剂流道43间隔设置在架体上，冷却剂在冷却剂流道43内流通，多个导热片42设置在相邻冷却剂流道
43之间，与冷却剂流道热传导，增加散热器与环境的接触面积，提高其散热效率；多个单独启停的风扇41设置在架体上，且位于冷却剂流道43的一侧。每个风扇可以分别由控制器控制开关及转速。
28.如图5和图6所示，流量分配模块，用于控制冷却剂流过加热模块和多模组散热装置的流量的比例；所述流量分配模块6为三通阀，包括阀体61和阀芯65，所述阀体61上设有第一管路62、第二管路63和第三管路64，且第一管路62和第二管路63构成主流通路，第一管路62和第三管路64构成副流通路，主流通路连通电堆出口至多模组散热装置入口；副流通路连通电堆出口至加热模块入口；所述阀芯65包括相互连接的调节轴和遮盖壁面，且通过调节轴的转动带动遮盖壁面对主流通路或者副流通路进行阻挡、部分阻挡，从而调节主流通路和副流通路的开度来控制流经主流通路和副流通路冷却剂的比例。
29.如图3所示，本发明还包括环境监测器8，所述环境监测器8包括环境温度获取模块81和信息交互模块82，环境温度获取模块81通过放置于多模组散热装置附近的热敏电阻型环境温度传感器获取燃料电池发动机周围环境温度；所述环境温度获取模块81将处理获得的温度信息传输给信息交互模块82，所述信息交互模块82接收处理温度信息和车辆速度信息，并将处理结果传输给控制器。所述环境监测器8的信号、压力传感器10信号和温度传感器11的信号均为控制器7的输入信号。环境监测器，用于采集燃料电池发动机运行过程中环境温度信息并通过车辆运行的速度估算出吹向多模组散热模块的自然风速，并将此信息提供给控制器进行决策支撑。
30.如图2所示，所述控制器7包括通讯模块72、电源模块73、信号采集模块74、执行信号生成模块75以及连接上述模块的处理模块71，所述电源模块73为处理模块71供电，所述通讯模块72与环境监测器8通过can协议进行通讯，所述处理模块71根据信号采集模块74以及通讯模块72的数据进行计算处理后，通过执行信号生成模块75对多模组散热装置4、加热模块5、流量分配模块6和水泵3的进行控制。
31.控制器中的信号采集模块：直接采集压力传感器、温度传感器和电导率测试仪的信号；通讯模块：与环境监测模块通过can协议通讯获取车辆行驶速度和环境温度信息；处理模块：1通过燃料电池发动机周围环境温度、车辆行驶速度、冷却剂流量估算出多模组散热装置在多模组风扇全部关闭情况下的散热能力；2通过电堆运行工况点和冷却剂入口温度，估算出电堆所需的冷却剂流量；3根据冷却剂出口温度，和期望的冷却剂入口温度、冷却剂的流量计算出温度管理系统的散热需求；4根据燃料电池发动机周围环境温度估算出不同散热风扇组合的散热能力；5据冷却剂出入口温度的期望值，电堆的产热功率计算出水泵的期望开度；执行信号生成模块：依照处理模块的计算结果生成各个执行机构的控制信号，包括：通过pwm信号输出部，生成流量调节模块流量调节部的控制信号，调节主流通路和副流通路的开度来控制流经主流通路和副流通路冷却剂的比例；通过数字信号输出部，生成多模组散热装置的每个风扇的使能信号及通过pwm信号输出部，生成每个风扇的开度控制信号；精确调节散热器的散热能力；通过pwm信号输出部，生成水泵的控制信号，调节冷却剂流量；通过数字信号输出部，生成加热模块的控制信号，控制加热模块是否工作。
32.如图7和图8所示一种大功率燃料电池发动机温度管理系统的控制方法，采用上述的系统，步骤如下：1、控制器7根据电堆1的温度判断，电堆1处于启动过程还是正常运行过程，系统进入相
应的辅助加热控制或者散热控制；2、若系统处于辅助加热控制：则在电堆1的温度低于工作温度时，控制器7控制流量分配模块6，使得冷却剂全部进入加热模块5，冷却剂通过水泵3在加热模块5所处的回路内循环，控制器7打开加热模块5使电堆1的温度迅速升至期望的工作温度，待电堆1的温度到达工作温度时，控制器7关闭加热模块，并且再次调节流量分配模块6使得冷却剂按比例进入多模组散热装置4所处的回路和加热模块5所处的回路中，冷却剂通过水泵3在系统内循环，满足系统需求；3、若系统处于散热控制：控制器7获取电堆1的功率，并根据电堆1的冷却剂出入口端的温度期望值，电堆1的产热功率计算出冷却剂流量，调节水泵3开度；控制器7计算出多模组散热装置4的最小散热能力；若多模组散热装置4最小散热能力仍大于系统的散热需求；则控制器7调节流量分配模块6，使得冷却剂按比例进入多模组散热装置4所处的回路和加热模块5所处的回路中；此时加热模块5关闭，冷却剂通过水泵3在系统内循环，满足系统的散热需求；若多模组散热装置4最小散热能力小于系统的散热需求；则控制器7调节流量分配模块6，使得冷却剂全部进入多模组散热装置4；控制器7再提高多模组散热装置4的散热能力，使其满足系统的散热需求。
33.所述多模组散热装置4包括多个风扇41，控制器7通过控制风扇开启的数量以及每个风扇的开度来调节多模组散热装置4的散热能力。
34.本系统在散热工作模式根据散热需求与散热能力之间的关系分为以下两个工况：工况一、多模组风扇全部关闭情况下的散热能力仍大于温度管理系统的散热需求；工况二、多模组风扇全部关闭情况下的散热能力小于温度管理系统的散热需求。
35.工况一的控制方式：
①
根据冷却剂出入口温度的期望值，电堆的产热功率计算出水泵的期望开度，并通过控制器的执行信号生成部输出水泵的调节信号。
②
根据热管理系统的散热需求，综合冷却剂入口温度、出口温度和多模组散热装置在多模组风扇全部关闭情况下的散热能力计算期望的流经流量分配模块主流通路和副流通路的冷却剂流量的比例，并通过控制器的执行信号生成部输出冷却剂流量分配模块的调节信号。
36.工况二的控制方式：
①
根据冷却剂出入口温度的期望值，电堆的产热功率计算出水泵的期望开度，并通过控制器的执行信号生成部输出水泵的调节信号；
②
通过控制器的执行信号生成部输出冷却剂流量分配模块的调节信号，使副流通路关闭，冷却剂全部通过主流通路流至多模组散热装置；
③
根据燃料电池发动机周围环境温度估算出不同散热风扇组合的散热能力，并选择其中最优的分配方式，并使能对应的冷却风扇；
④
设定冷却剂入口的期望温度，被使能的风扇作为调节器闭环控制冷却剂入口温度。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。