一种燃料电池系统、燃料电池用冷却液加注方法和装置与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统、燃料电池用冷却液加注方法和装置。


背景技术：

2.目前，燃料电池冷却液加注主要有两种方法，分别为手动加注方法和真空加注方法。
3.手动加注方法是往燃料电池冷却系统中加注冷却液并开启循环冷却水泵，冷却液循环后继续加注冷却液，直至膨胀水箱中冷却液液位不再降低。该方法为当前普遍用法。但该方法存在以下问题：
①
无法准确判断冷却液已加注满：该方法容易导致冷却液未加注满，因为短时间内观察到膨胀水箱液位不再降低，并不能准确判断冷却液已加注满，冷却液加注过程即为冷却系统中气体排出过程，排出气体越多，冷却液才能加注越满，而排气过程则依靠冷却液持续循环，短时间膨胀水箱液位不再降低并不代表气体已排出干净；
②
加注时间长：因燃料电池冷却系统管路复杂、电堆冷却液通道狭窄等原因，导致冷却液加注过程中排气困难，加注时间长，按照实际加注经验，完整的加注冷却液过程耗时近1小时；
③
耗费人工：加注过程完全依靠人工观察和操作，耗费人工。
4.真空加注方法是在冷却系统中抽真空，然后再加注冷却液，这样能够实现快速加注。该方法存在以下问题：该方法容易破坏电堆内部结构，如果冷却液腔与空气和氢气腔压差过大，会导致双极板本身结构损坏。此外，不同电堆对真空度的耐受度也不一样，没有统一的加注方法能够适用所有燃料电池电堆，因此本方法很少应用。
5.申请公布号为cn110492138a的中国发明专利公开了一种适用于燃料电池冷却系统的排空补液控制方法，该方法在冷却液加注过程中，根据膨胀水箱中液位来判断是否完成加注：如果液位低于l值(最小值)则继续加注冷却液；如果液位在l和m(最大值)之间，则启动冷却系统循环水泵排气，直到在预定时间内膨胀水箱中液位不再降低。该方法容易导致冷却液未加注满，因为短时间内膨胀水箱液位不再降低，并不能代表气体已排干净，因此无法准确判断冷却液已加注满，冷却液加注准确性低；而且，因燃料电池冷却系统管路复杂、电堆冷却液通道狭窄等原因，导致冷却液加注过程中排气困难，如果一味加长循环水泵工作时间，因为冷却液流动缺少扰动，管路中排气效果差，会导致加注时间延长，导致加注效率低。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种燃料电池系统、燃料电池用冷却液加注方法和装置，用以解决现有技术中冷却液加注准确性低且加注效率低的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：
8.本发明提供了一种燃料电池用冷却液加注方法，包括如下步骤：
9.1)对水箱中冷却液液位进行判断：
10.在水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间时，控制冷却液加注管路断开、燃料电池循环冷却管路导通，以对燃料电池循环冷却管路进行排气操作；
11.否则，控制燃料电池循环冷却管路断开、冷却液加注管路导通，以往水箱中加注冷却液，直至水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间；
12.2)在对燃料电池循环冷却管路进行排气操作过程中，控制改变燃料电池循环冷却管路上设置的循环冷却水泵的转速和阀门的开度，判断在各个循环冷却水泵转速和阀门开度下的燃料电池抗扰动情况是否均满足抗扰动要求：
13.若均满足抗扰动要求，说明排气操作完成，此时再对水箱中冷却液液位进行判断，在水箱中冷却液液位未超过设定液位或者超过设定液位但未持续第一设定时间时，控制燃料电池循环冷却管路断开、冷却液加注管路导通，以往水箱中加注冷却液，直至水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间，完成冷却液加注操作；
14.否则，说明排气操作未完成，此时重复执行步骤1)～步骤2)，直至在各个循环冷却水泵转速和阀门开度下的燃料电池抗扰动情况均满足抗扰动要求。
15.上述技术方案的有益效果为：本发明在水箱中冷却液液位达到一定条件的情况下，对燃料电池循环冷却管路进行排气操作，在该过程中，控制循环冷却水泵的转速和阀门的开度变化，对冷却液循环增加扰动，极大加快排气速度，进而在各个循环冷却水泵转速和阀门开度下的燃料电池抗扰动情况均满足抗扰动要求，则说明排气操作完成，并在水箱中冷却液液位也满足要求的情况下完成冷却液加注操作，提高了冷却液加注效率。而且，在判断冷却液中液位情况时还将时间考虑在内，确保判断的数据是稳定的数据，提高了冷却液加注的准确性。另外，本发明直接利用现有燃料电池系统的信息，不增加任何设备便可快速、准确完成冷却液加注，成本较低。
16.进一步地，为了准确判断是否完成排气操作，所述燃料电池抗扰动情况包括以下情况中的至少一种：循环冷却水泵的实际转速与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标转速之间的差异情况，循环冷却水泵的实际功率与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标功率之间的差异情况，以及燃料电池电堆冷却液入口处的实际压力与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标压力之间的差异情况；
17.对应的满足抗扰动要求指的是：循环冷却水泵的实际转速与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标转速之间的差异小于等于设定差异值并持续第二设定时间，循环冷却水泵的实际功率与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标功率之间的差异小于等于设定差异值并持续第二设定时间，燃料电池电堆冷却液入口处的实际压力与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标压力之间的差异小于等于设定差异值并持续第二设定时间。
18.进一步地，所述循环冷却水泵的实际转速与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标转速之间的差异为：目标转速减去实际转速得到的差值再与目标转速的比值；
19.所述循环冷却水泵的实际功率与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标功率之间的差异为：目标功率减去实际功率得到的差值再与目标功率的比值；
20.所述燃料电池电堆冷却液入口处的实际压力与对应的循环冷却水泵转速和阀门开度下的目标压力之间的差异为：目标压力减去实际压力得到的差值再与目标压力的比
值。
21.本发明还提供了一种燃料电池用冷却液加注装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池用冷却液加注方法，并达到与该方法相同的技术效果。
22.本发明还提供了一种燃料电池系统，包括燃料电池电堆、循环冷却水泵、阀门、水箱、冷却液加注水泵、燃料电池循环冷却管路、冷却液加注管路、液位传感器和燃料电池用冷却液加注装置；
23.所述循环冷却水泵和阀门设置在所述燃料电池循环冷却管路上；
24.所述水箱和冷却液加注水泵设置在所述冷却液加注管路上；
25.所述液位传感器用于检测水箱中冷却液液位；
26.所述燃料电池用冷却液加注装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的燃料电池用冷却液加注方法，并达到与该方法相同的技术效果。
27.进一步地，所述阀门为三通阀，所述燃料电池系统还包括散热器和通流旁路；所述散热器设置在所述燃料电池循环冷却管路上；所述通流旁路与所述散热器并联，且通过所述三通阀与燃料电池冷却循环管路相连，用于在燃料电池启动时实现通流。
附图说明
28.图1是本发明的燃料电池系统的结构原理图；
29.其中，1-燃料电池电堆，2-循环冷却水泵，3-电控三通阀，4-散热器，5-燃料电池控制器，6-入堆压力传感器，7-膨胀水箱，8-液位传感器，9-冷却液加注水泵；
30.图2是本发明的燃料电池用冷却液加注方法的流程图；
31.图3是本发明的燃料电池用冷却液加注装置的结构图。
具体实施方式
32.若燃料电池循环冷却管路未完成排气，则冷却液中灰含有气泡，当气泡流经循环冷却水泵时，会对循环冷却水泵造成冲击，循环冷却水泵的转速及功率会有波动，而且，当气泡流经燃料电池电堆时，燃料电池电堆冷却液入口处的压力也会有波动。基于此，本发明在膨胀水箱中冷却液充足的情况下，对燃料电池循环冷却管路进行排气操作，在该过程中，控制循环冷却水泵的转速和电控三通阀的开度变化，对冷却液循环增加扰动，以利于快速排气，并根据循环冷却水泵的转速、循环冷却水泵的功率、以及燃料电池电堆冷却液入口处的压力的波动情况，来判断燃料电池循环冷却管路中是否仍有气体，在无气体且膨胀水箱中液位也无问题，代表冷却液加注完毕。
33.燃料电池系统实施例：
34.本发明的一种燃料电池系统实施例，其结构原理图如图1所示，包括燃料电池电堆1、循环冷却水泵2、电控三通阀3、散热器4、燃料电池控制器5、入堆压力传感器6、膨胀水箱7、液位传感器8、冷却液加注水泵9、以及燃料电池循环冷却管路、流通旁路、冷却液加注管路、冷却液补液管路、冷却液排气管路。
35.燃料电池冷却循环管路上设置有燃料电池电堆1、循环冷却水泵2和散热器4，用于
对燃料电池电堆的散热。为了实现燃料电池的快速启动，散热器4两端并联有一条流通旁路，该流通旁路通过电控三通阀3与燃料电池冷却循环管路相连，实现旁路分流。入堆压力传感器6设置在燃料电池电堆1的冷却液入口处，用于检测燃料电池电堆冷却液入口处压力。
36.膨胀水箱7和冷却液加注水泵9之间的管路为冷区液加注管路，用于在膨胀水箱中液位较低时通过冷却液加注水泵9实现对膨胀水箱的冷却液加注操作。而且，膨胀水箱7通过冷却液加注管路连接至燃料电池循环冷却管路。在膨胀水箱7中设置有液位传感器8，用于对膨胀水箱7中冷却液液位进行检测。
37.散热器4和膨胀水箱7设置有冷却液排气管路。
38.燃料电池控制器5通过多条控制线分别连接入堆压力传感器6和液位传感器8，以获取入堆压力和膨胀水箱中冷却液液位；还通过多条控制线分别连接循环冷却水泵2、电控三通阀3、以及冷却液加注水泵9，以控制这些部件动作。
39.燃料电池控制器5对传感器采集的数据进行处理与分析，依据处理与分析结果来控制循环冷却水泵2、电控三通阀3、以及冷却液加注水泵9动作，可以实现本发明的一种燃料电池用冷却液加注方法。下面结合图2，对该方法进行详细介绍。
40.步骤一，液位传感器8对膨胀水箱4中冷却液液位进行采集，并发送给燃料电池控制器5，燃料电池控制器5对膨胀水箱4中冷却液液位进行判断，判断膨胀水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间t1：
41.若膨胀水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间t1(例如可取60s)，则执行步骤二，可开始对燃料电池循环冷却管路进行排气操作；
42.否则，燃料电池控制器5控制关闭循环冷却水泵2和电控三通阀3、控制开启冷却液加注水泵9，使燃料电池循环冷却管路断开、冷却液加注管路导通，通过冷却液加注水泵9往膨胀水箱中加注冷却液，使膨胀水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间t1，达到该条件后执行步骤二。
43.步骤二，燃料电池控制器5控制控制关闭冷却液加注水泵9、控制开启循环冷却水泵2和电控三通阀3，使冷却液加注管路断开、燃料电池循环冷却管路导通，冷却液开始在系统内流动、排气，以对燃料电池循环冷却管路进行排气操作，并执行步骤三。
44.步骤三，在对燃料电池循环冷却管路进行排气操作的过程中，燃料电池控制器5控制改变燃料电池循环冷却管路上设置的循环冷却水泵的转速和电控三通阀的开度，并确定各个循环冷却水泵转速和电控三通阀开度下的循环冷却水泵的实际转速、循环冷却水泵的实际功率、以及燃料电池电堆冷却液入口处的实际压力的波动情况，根据波动情况判断是否完成排气操作：若排气操作完成，则执行步骤四；若排气操作未完成，则重复执行步骤一至步骤二，以完成排气操作。
45.本实施例中，改变燃料电池循环冷却管路上设置的循环冷却水泵的转速和电控三通阀的开度的情况包括以下几种情况：循环冷却水泵2依次以转速r1、r2、r3进行工作，r1＜r2＜r3，例如可取r1＝额定转速*40％、r2＝额定转速*50％、r3＝额定转速*60％，每个转速持续时间为第三设定时间t2(例如可取10min)，当循环冷却水泵2在每个转速工作时，电控三通阀3依次打开至开度a％和b％，a＜b，例如可取a％＝40％、b％＝80％，每个开度持续时间为0.5
×
t2，也即，整个过程包括六种情况，每种情况持续的时间为0.5
×
t2。这六种情况
没有严格的顺序要求，只需要多次改变循环冷却水泵转速和电控三通阀开度即可。例如，可先在电控三通阀开度为a％的情况下分别执行循环冷却水泵r1、r2、r3转速(先后顺序可调)，然后在电控三通阀开度为b％的情况下分别执行循环冷却水泵r1、r2、r3转速。当然，a％和b％的先后顺序也可调。
46.获取这六种情况下循环冷却水泵的实际转速，并相应与这六种情况对应的循环冷却水泵的目标转速进行比较，判断这六种情况下的(目标转速—实际转速)/目标转速
×
100％是否均小于等于设定差异值a％并持续第二设定时间t3(例如可取120s)；获取这六种情况下循环冷却水泵的实际功率，并相应与这六种情况对应的循环冷却水泵的目标功率进行比较，判断这六种情况下的(目标功率—实际功率)/目标功率
×
100％是否均小于等于设定差异值a％并持续第二设定时间t3；获取这六种情况下燃料电池电堆冷却液入口处的实际压力，并相应与这六种情况对应的燃料电池电堆冷却液入口处的目标压力进行比较，判断这六种情况下的(目标压力—实际压力)/目标压力
×
100％是否均小于等于设定差异值a％并持续第二设定时间t3。如果上述这些情况下(共18种情况)计算出的差异均小于等于设定差异值a％并持续第二设定时间t3，则说明冷却液中掺杂的气泡较少，排气操作完成。
47.需说明的是，这里每种情况下的目标值(包括目标压力、目标转速和目标功率)均已提前标定好，而且每种情况下的目标值不同。例如，循环冷却水泵2转速为r1且电控三通阀3开度为a％情况下的目标压力为v
m1
、目标转速为r
m0
和目标功率为p
m0
，循环冷却水泵2转速为r2且电控三通阀3开度为b％情况下的目标压力为v
m2
、目标转速为r
m2
和目标功率为p
m2
。
48.步骤四，在排气操作完成的情况下，再次对膨胀水箱中冷却液液位进行判断，在膨胀水箱中冷却液液位未超过设定液位或者超过设定液位但未持续第一设定时间t1时，燃料电池控制器5控制关闭循环冷却水泵2和电控三通阀3、控制开启冷却液加注水泵9，以使燃料电池循环冷却管路断开、冷却液加注管路导通，往膨胀水箱中加注冷却液，直至膨胀水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间t1，在膨胀水箱中冷却液液位超过设定液位并持续第一设定时间t1时，说明此时膨胀水箱液位也无问题，代表整个燃料电池系统完成冷却液加注操作，此时燃料电池控制器5控制关闭循环冷却水泵2、电控三通阀3以及冷却液加注水泵9。至此，便可完成冷却液加注。
49.需说明的是，如果循环冷却水泵转速和电控三通阀开度不变，管路转弯处或角落里的气泡不易排出；循环冷却水泵转速变化会引起管路内部各处水压变化和冷却液流量变化；电控三通阀开度变化，会调节冷却液在大循环和小循环中的比例，分别排除大、小循环管路中的气泡。循环冷却水泵转速及转速波动不能过小，否则引起的压力和冷却液流量变化不明显，不易排气，因而本实施例中循环冷却水泵在其额定转速的40％、50％和60％之间调节。对于电控三通阀的开度，如果其开度为0％，代表冷却液全部流经小循环，100％代表全部流经大循环，本实施例是在0-100％之间不断调节，例如40％、80％，保证大循环和小循环中都充分排气，其中，40％代表小循环中冷却液流量大一些，80％代表大循环中冷却液流量大一些，具体值可根据阀门情况变化。而且，本实施例中涉及的几个时间，分别为第一设定时间t1、第二设定时间t3、第三设定时间t2没有大小要求，只需要按照实际经验设定即可。
50.本发明在冷却液排气过程中增加扰动，以极大加快排气速度，提高冷却液加注效率，而且，直接利用燃料电池系统内部各种电气信息，在不增加任何设备和传感器的情况
下，便可有效判断是否完成排气，以最终确定是否完成冷却液加注，节省人力，提高加注的准确性和效率。
51.本实施例中，燃料电池用冷却液加注装置中的处理器所实现的各种功能时由燃料电池控制器来实现的。作为其他实施方式，还可选用上位机、整车控制器等。
52.本实施例的步骤三中，在计算目标值与实际值之间的差异时，“差异”采用(目标值—实际值)/目标值
×
100％来表示。作为其他实施方式，还可直接用目标值与实际值之间的差值来表示。
53.燃料电池用冷却液加注方法实施例：
54.本发明的一种燃料电池用冷却液加注方法实施例，具体可见燃料电池系统实施例中介绍的一种燃料电池用冷却液加注方法，其流程如图2所示，这里不再赘述。
55.燃料电池用冷却液加注装置实施例：
56.本发明的一种燃料电池用冷却液加注装置实施例，如图3所示，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的燃料电池系统实施例中介绍的一种燃料电池用冷却液加注方法。
57.其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。
58.存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等；也可为利用磁能方式存储信息的各式存储器，例如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘等；还可为利用光学方式存储信息的各式存储器，例如cd、dvd等；当然，还可为其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等。