一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法和装置，其中，控制方法包括：获取电堆入口温度，并计算电堆入口温度与电堆目标工作温度的差值；根据所述差值确定控制补偿量；获取储热回路的储热罐温度；根据所述电堆入口温度和所述储热罐温度切换燃料电池热电联供系统的状态；根据所述燃料电池热电联供系统的状态和控制补偿量确定调控目标和控制量；采用确定的控制量对调控目标进行控制。本发明专利技术能够实现废热回收和温度控制。能够实现废热回收和温度控制。能够实现废热回收和温度控制。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法和装置


[0001]本专利技术涉及燃料电池应用
，特别是涉及一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法和装置。

技术介绍

[0002]随着人类工业化进程的发展，能源问题与环境危机日益突出，新能源的发展成为世界各国的热点问题，燃料电池被广泛的认为是未来最有前途的新能源技术之一。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种以质子导电聚合物膜为电解液的燃料电池，具有很好的稳定性且产物只有水，具有工作温度低、功率密度高、易于维护管理、启停方便、清洁等特点，具有广泛的使用价值与商业前景。
[0003]在燃料电池电堆内部，氢气和氧气发生电化学反应产生电能的同时，会产生大量的热，这些热会通过冷却水与散热风扇去除，以致大量热能被浪费。同时，电堆工作温度会对电堆性能与寿命产生重要影响，如果温度过高，可能导致电池内部质子交换膜发生脱水，导致电堆性能出现不可逆衰减；而温度较低时催化剂不能发挥最佳活性，电堆运行效率低。现有的燃料电池热电联供热管理系统的控制策略大多比较简单，只针对热电联供系统的热回收进行控制，没有考虑电堆实际运行过程中的复杂工况变化，也没有考虑热电联供系统中产热、散热、热回收的平衡，在回收热量的同时没有考虑电堆的运行时冷却液温度情况，没有达到在回收热量的同时实现对温度的精确控制。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法和装置，能够实现废热回收和温度控制。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，应用于燃料电池热电联供系统，所述燃料电池热电联供系统包括至少包括加热回路、散热回路、热交换回路和储热回路，包括以下步骤：
[0006]获取电堆入口温度，并计算电堆入口温度与电堆目标工作温度的差值；
[0007]根据所述差值确定控制补偿量；
[0008]获取储热回路的储热罐温度；
[0009]根据所述电堆入口温度和所述储热罐温度切换燃料电池热电联供系统的状态；
[0010]根据所述燃料电池热电联供系统的状态和控制补偿量确定调控目标和控制量；
[0011]采用确定的控制量对调控目标进行控制。
[0012]所述根据所述差值确定控制补偿量时，通过确定控制补偿量，其中，y(k)为k时刻的控制补偿量，ΔT(k)为k时刻的电堆入口温度与电堆目标工作温度的差值，K
p
和K
i
分别为比例参数和积分参数。
[0013]所述根据所述电堆入口温度和所述储热罐温度切换燃料电池热电联供系统的状
态具体为：
[0014]当电堆入口温度小于或等于电堆目标工作温度时，所述电池热电联供系统切换为第一状态；
[0015]当电堆入口温度大于电堆目标工作温度，且储热罐温度大于或等于储热罐的最大允许温度时，所述电池热电联供系统切换为第二状态；
[0016]当电堆入口温度大于电堆目标工作温度，且储热罐温度小于储热罐的最大允许温度时，所述电池热电联供系统切换为第三状态。
[0017]所述根据所述燃料电池热电联供系统的状态和控制补偿量确定调控目标和控制量，具体为：
[0018]当所述电池热电联供系统切换为第一状态时，将电堆热管理回路切换至加热回路，关闭散热回路、热交换回路和储热回路，输出第一控制量σ1＝y/G(P)，并将该第一控制量作为加热回路中加热棒的功率设定值；
[0019]当所述电池热电联供系统切换为第二状态时，将电堆热管理回路切换至散热回路，关闭加热回路、热交换回路和储热回路，输出第二控制量σ2＝y/G(D)，并将该第二控制量作为散热回路中风扇的占空比设定值；
[0020]当所述电池热电联供系统切换为第三状态时，将电堆热管理回路切换至热交换回路，同时启动储热回路，关闭加热回路和散热回路，输出第三控制量σ3＝y/G(r)，并将第三控制量作为储热回路中循环水泵的转速设定值；
[0021]其中，σ1、σ2、σ3分别为第一控制量、第二控制量和第三控制量，y为控制补偿量，G(P)、G(D)和G(r)为被控对象开环测试获得，分别表示在电堆入口温度改变相同量级时所需的加热棒的功率、风扇的占空比、循环水泵的转速。
[0022]所述采用确定的控制量对调控目标进行控制时，当调控目标为加热回路中的加热棒时，具体包括：
[0023]根据电堆工作温度与加热棒的出口温度差值确定加热棒所需功率P
ptc
；
[0024]根据加热棒出入口温差ΔT
ptc
与加热棒所需功率的传递函数表达式，得到加热棒所需功率下能够上升的温度；其中，传递函数表达式为ΔT
ptc
＝k
ptc
·
P
ptc
，k
ptc
为比例系数；
[0025]将电加热器输入温度补偿至加热棒所需功率下能够上升的温度，得到输出温度。
[0026]所述采用确定的控制量对调控目标进行控制时，当调控目标为散热回路中的风扇时，具体包括：
[0027]根据风冷散热器出口温度与电堆工作温度的差值确定风扇所需占空比D；
[0028]根据风冷散热器出入口温差ΔT
r
与风扇所需占空比的传递函数表达式，得到风扇所需占空比下能下降的温度；其中，传递函数表达式为ΔT
r
＝k
r
·
P
r
·
D，P
r
为风冷散热器总散热功率，k
r
为比例系数；
[0029]将风冷散热器输入温度补偿至风扇所需占空比下能下降的温度，得到输出温度。
[0030]所述采用确定的控制量对调控目标进行控制时，当调控目标为热交换回路的循环水泵时，具体包括：
[0031]根据水冷换热器热侧出口温度与入口温度的差值确定循环水泵所需转速r
pumb2
；
[0032]根据水冷换热器热侧温差ΔT
ex,h
与循环水泵所需转速r
pumb2
和水冷换热器冷侧温差ΔT
ex,c
的传递函数表达式，得到循环水泵所需转速r
pumb2
下水冷换热器热侧能下降的温
度；其中，传递函数表达式为ΔT
ex,h
＝k
ex
·
r
pumb2
·
ΔT
ex,c
，其中，k
ex
为比例系数；
[0033]将水冷换热器热侧输入温度补偿至循环水泵所需转速r
pumb2
下水冷换热器热侧能下降的温度，得到输出温度。
[0034]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料电池热电联供系统的热管理控制装置，应用于燃料电池热电联供系统，所述燃料电池热电联供系统包括至少包括加热回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，其特征在于，应用于燃料电池热电联供系统，所述燃料电池热电联供系统包括至少包括加热回路、散热回路、热交换回路和储热回路，包括以下步骤：获取电堆入口温度，并计算电堆入口温度与电堆目标工作温度的差值；根据所述差值确定控制补偿量；获取储热回路的储热罐温度；根据所述电堆入口温度和所述储热罐温度切换燃料电池热电联供系统的状态；根据所述燃料电池热电联供系统的状态和控制补偿量确定调控目标和控制量；采用确定的控制量对调控目标进行控制。2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，其特征在于，所述根据所述差值确定控制补偿量时，通过确定控制补偿量，其中，y(k)为k时刻的控制补偿量，ΔT(k)为k时刻的电堆入口温度与电堆目标工作温度的差值，K
p
和K
i
分别为比例参数和积分参数。3.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，其特征在于，所述根据所述电堆入口温度和所述储热罐温度切换燃料电池热电联供系统的状态具体为：当电堆入口温度小于或等于电堆目标工作温度时，所述电池热电联供系统切换为第一状态；当电堆入口温度大于电堆目标工作温度，且储热罐温度大于或等于储热罐的最大允许温度时，所述电池热电联供系统切换为第二状态；当电堆入口温度大于电堆目标工作温度，且储热罐温度小于储热罐的最大允许温度时，所述电池热电联供系统切换为第三状态。4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，其特征在于，所述根据所述燃料电池热电联供系统的状态和控制补偿量确定调控目标和控制量，具体为：当所述电池热电联供系统切换为第一状态时，将电堆热管理回路切换至加热回路，关闭散热回路、热交换回路和储热回路，输出第一控制量σ1＝y/G(P)，并将该第一控制量作为加热回路中加热棒的功率设定值；当所述电池热电联供系统切换为第二状态时，将电堆热管理回路切换至散热回路，关闭加热回路、热交换回路和储热回路，输出第二控制量σ2＝y/G(D)，并将该第二控制量作为散热回路中风扇的占空比设定值；当所述电池热电联供系统切换为第三状态时，将电堆热管理回路切换至热交换回路，同时启动储热回路，关闭加热回路和散热回路，输出第三控制量σ3＝y/G(r)，并将第三控制量作为储热回路中循环水泵的转速设定值；其中，σ1、σ2、σ3分别为第一控制量、第二控制量和第三控制量，y为控制补偿量，G(P)、G(D)和G(r)为被控对象开环测试获得，分别表示在电堆入口温度改变相同量级时所需的加热棒的功率、风扇的占空比、循环水泵的转速。5.根据权利要求4所述的燃料电池热电联供系统的热管理控制方法，其特征在于，所述采用确定的控制量对调控目标进行控制时，当调控目标为加热回路中的加热棒时，具体包括：
根据电堆工作温度与加热棒的出口温度差值确定加热棒所需功率P
ptc
；根据加热棒出入口温差ΔT
ptc
与加热棒所需功率的传递函数表达式，得到加热棒所需功率下能够上升的温度；其中，传递函数表达式为ΔT
ptc
＝k
ptc
·
P
ptc
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕志鹏，张智慧，马韵婷，周珊，刘锋，薛琳，宋振浩，
申请(专利权)人：国网上海能源互联网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：