一种多堆燃料电池冷却系统与控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种多堆燃料电池冷却系统及控制方法，冷却系统包括中冷器、冷却水箱、水泵及PTC加热器，水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至PTC加热器，PTC加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱。每条冷却支路均包括开关阀、单向阀、电堆、节温器及三通电磁阀，支路之间通过管路连接构成预热循环回路。系统中一个堆工作后产生的热量可以用来预热第二个堆或者剩余堆，提高了系统的能量利用率。多堆燃料电池冷却系统控制方法可以实现多个电堆的交替使用，保持多堆燃料电池动力系统中每一个电堆寿命的一致性，进而提升系统的使用寿命。使用寿命。使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种多堆燃料电池冷却系统与控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，尤其涉及一种多堆燃料电池冷却系统与控制方法。

技术介绍

[0002]随着汽车工业的进一步发展，传统内燃机车辆消耗了大量化石燃料，排放有害废气，导致空气污染、温室效应、酸雨等。能源危机与气候变暖已成为当下急需解决的全球性问题。将氢燃料电池作为电动汽车的储能解决方案是另一种减少充电时间和增加汽车行驶里程的方法。此外，氢气被视为一种清洁燃料，其来源较为广泛如：电解水、生物质能制氢、工业副产氢等，然而低耐久性和高成本是阻碍燃料电池商用化的两个主要原因。
[0003]单一大功率电堆使用寿命短，通过多个小功率电堆取代单一电堆，并结合能量管理算法可以有效提高燃料电池系统的使用寿命。多堆燃料电池系统一般采用独立的冷却回路，即每一个电堆冷却回路都包含一个独立的水泵、PTC加热器、散热器等器件，虽然可以很好的保证电堆工作温度，但系统成本高、能耗高，且冷却系统需要占据大量空间。另外，燃料电池在寒冷环境中冷启动需要一段时间，未经过预热的燃料电池冷启动需要2
‑
5min，这会导致燃料电池多堆系统无法快速满足整车实时行驶的能量需求。现有技术中多采用PTC加热器为电堆预热，并为暂时不工作的电堆保温，需要消耗大量电能，而电堆余热得不到有效利用。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有的多堆燃料电池采用独立冷却回路，系统成本高，且无法有效利用电堆余热的技术问题，提出一种有效利用电堆余热进行电堆预热和保温的多堆燃料电池冷却系统以及控制方法。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种多堆燃料电池冷却系统，包括中冷器、冷却水箱、水泵及PTC加热器，水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至PTC加热器，PTC加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；
[0007]第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一、单向阀七、电堆一、节温器一、三通电磁阀一、单向阀二，第二冷却支路包括开关阀二、单向阀八、电堆二、节温器二、三通电磁阀二、单向阀二，第三冷却支路包括开关阀三、单向阀九、电堆三、节温器三、三通电磁阀三、单向阀三，节温器一至三的第三端口均连接回水管二，回水管二连接至水泵；三通电磁阀一的第三接口与电堆二之间还连接有单向阀十一，三通电磁阀二的第三接口与电堆三之间还连接有单向阀十二，三通电磁阀三的第三接口与电堆一之间还连接有单向阀十。
[0008]作为优选，电堆一至三上均连接有温度传感器。
[0009]作为优选，节温器一至三的第三端口均经过单向阀后连接至回水管二。
[0010]本专利技术还提出一种多堆燃料电池冷却系统控制方法，包括预热冷启动环节和多堆正常工作环节，当冷启动时运行预热冷启动环节，FCU控制开关阀一至三开启，三个三通电
磁阀均关闭通往回水管一的回路同时开启进入其他电堆的回路，水泵开启和PTC加热器开启，冷却水为三个电堆预热，当电堆一至三的温度均达到预热温度T
min
时运行进入多堆正常工作环节；
[0011]PTC加热器关闭，FCU计算需要工作的电堆个数和序号，
[0012]当只有一个电堆需要工作时，该电堆所在冷却支路的开关阀打开，其余两个开关阀关闭，FCU实时调整不工作的两个电堆前端的两个三通电磁阀的开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使不工作的两个电堆温度在预热温度T
min
和最佳工作温度T
best
之间；
[0013]当需要两个电堆工作时，工作的两个电堆所在冷却支路的开关阀开启，FCU实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使该电堆的温度在T
min
～T
best
之间；
[0014]当三个电堆均需要工作时，三个开关阀开启，三个三通电磁阀均关闭第三接口。
[0015]作为优选，FCU计算需要工作的电堆个数和序号的方法为：获取动力电池荷电状态SOC和需求功率P
req
，基于动力电池荷电状态SOC和需求功率P
req
确定1～n个电堆的功率分配方式，其中n为3；
[0016]当SOC＞A％时，由电池单独满足功率需求；
[0017]当电池A％≥SOC＞B％时，若P
req
小于1个电堆的最大输出功率值，即P
stack_max
＞P
req
，由电池单独满足功率需求；若n*P
stack_max
≥P
req
＞(n
‑
1)*P
stack_max
，则启动n
‑
1个电堆，此n
‑
1个电堆均输出最大功率，剩余功率需求由电池满足；
[0018]当电池B％≥SOC时，若P
stack_max
＞P
req
，则启动1个电堆，该电堆输出最大功率，多余能量给电池充电直至SOC>A％，关闭电堆；若n*P
stack_max
≥P
req
＞(n
‑
1)*P
stack_max
，则启动n个电堆，此n个电堆均输出最大功率，多余能量给电池充电直至电池SOC>A％，关闭电堆；
[0019]上述电堆的启动顺序由下述方法确定：
[0020]根据台架试验获得每个电堆出厂时标定的额定功率下的电压值V
e
，并在系统运行的过程中测量额定工况下电堆的实际输出电压值V
’
e
，获得电堆电压的衰退百分比为D＝(V
e
‑
V
’
e
)/V
e
；比较各个电堆的D值并排序，电堆衰退百分比小的电堆优先工作；
[0021]若D值相同，则进一步优选工作时长T小的电堆工作。
[0022]作为优选，A为80，B为20。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：
[0024]1、该多堆燃料电池冷却系统只需一个水泵、一个PTC加热器和一个中冷器，系统结构简单，成本低。
[0025]2、除了设置每个电堆所在的冷却支路外，还设置有一个由电堆一、电堆二、电堆三，再回到电堆一的循环保温回路，因此当一个堆工作后产生的热量可以用来为第二个堆或者剩余堆保温，减少了第二个堆或者剩余堆预热所需要的额外热量，提高了系统的能量利用率。
[0026]3、前端电堆正常工作后无需消耗额外电能即可实现后端电堆的快速启动，并且当后端电堆正常工作时也不会影响其正常的散热功能。
[0027]4、多堆燃料电池冷却系统控制方法可以实现多个电堆的交替使用，保持多堆燃料电池动力系统中每一个电堆寿命的一致性，进而提升系统的使用寿命。
[0028]5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多堆燃料电池冷却系统，包括中冷器、冷却水箱、水泵及PTC加热器，其特征在于：水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至PTC加热器，PTC加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一、单向阀七、电堆一、节温器一、三通电磁阀一、单向阀二，第二冷却支路包括开关阀二、单向阀八、电堆二、节温器二、三通电磁阀二、单向阀二，第三冷却支路包括开关阀三、单向阀九、电堆三、节温器三、三通电磁阀三、单向阀三，节温器一至三的第三端口均连接回水管二，回水管二连接至水泵；三通电磁阀一的第三接口与电堆二之间还连接有单向阀十一，三通电磁阀二的第三接口与电堆三之间还连接有单向阀十二，三通电磁阀三的第三接口与电堆一之间还连接有单向阀十。2.根据权利要求1所述的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：电堆一至三上均连接有温度传感器。3.根据权利要求1所述的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：节温器一至三的第三端口均经过单向阀后连接至回水管二。4.一种多堆燃料电池冷却系统控制方法，其特征在于：包括预热冷启动环节和多堆正常工作环节，当冷启动时运行预热冷启动环节，FCU控制开关阀一至三开启，三个三通电磁阀均关闭通往回水管一的回路同时开启进入其他电堆的回路，水泵开启和PTC加热器开启，冷却水为三个电堆预热，当电堆一至三的温度均达到预热温度T
min
时运行进入多堆正常工作环节；PTC加热器关闭，FCU计算需要工作的电堆个数和序号，当只有一个电堆需要工作时，该电堆所在冷却支路的开关阀打开，其余两个开关阀关闭，FCU实时调整不工作的两个电堆前端的两个三通电磁阀的开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使不工作的两个电堆温度在预热温度T
min
和最佳工作温度T
best
之间；当需要两个电堆工作时，工作的两个电堆所在冷却支路的开关阀开启，FCU实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使该电堆的温度在T
min
至T
best
之间；当三个电堆均需要工作时，三个开关阀开启，三个三通电磁阀均关闭第三接口。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳平，朱维，匡金俊，王保存，
申请(专利权)人：上海卓微氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：