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CN113363537B - 一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统 - Google Patents

一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统 Download PDF

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CN113363537B CN202110522606.1A CN202110522606A CN113363537B CN 113363537 B CN113363537 B CN 113363537B CN 202110522606 A CN202110522606 A CN 202110522606A CN 113363537 B CN113363537 B CN 113363537B
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Abstract

本发明涉及一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其包括燃料电池堆、温度传感器、水箱、散热器、单向变量液压泵、电导率传感器及控制模块，所述散热器、所述单项变量液压泵及所述燃料电池堆之间相互通过冷却液管路连通，以形成冷却循环回路，所述单向变量液压泵驱动纳米流体冷却液在所述冷却循环回路中流动；所述水箱设置于所述冷却循环回路中，与所述燃料电池堆及所述单向变量液压泵之间的冷却液管路连通，本发明提供的基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统可保证燃料电池堆工作环境的温度维持在稳定的范围内。

Description

一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统
技术领域
本发明涉及车用温度控制技术领域，尤其涉及一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统。
背景技术
对于氢燃料电池温度特性的研究表明，由于活化能和各种物质传输从某种程度上都依赖于温度，温度对燃料电池的性能有显著的影响。因此，为了保证PEMFC(膜燃料电池)在一个合适的温度范围内运行，必须控制温度以维持其热平衡，并尽可能减少温度波动范围。同时，燃料电池内部温度的分布对燃料电池输出性能也会有影响，温度分布不均会增大流道内冷却水与气体的阻力，暂态高温会影响物质传输，导致膜干形成热点甚至危及电堆寿命。因此，PEMFC的温度控制不只是控制电堆工作在合理的运行温度区间，还要保证散热及时且电堆内温差合理避免温度分布不均。然而，氢燃料电池中将化学能转换为电能的反应是放热反应，随着化学反应的不断进行，温度逐渐升高，为保证燃料电池继续正常运行，需要对其进行冷却。车用PEMFC系统是大功率系统，需要采用液冷方式。
传统的提高冷却速率的方法是扩大传热面积或增加冷却剂流量；然而，这些方法需要增加热管理系统组件的尺寸。纳米流体是纳米颗粒在基液中的悬浮体，纳米颗粒在基液中的布朗运动会严重影响纳米流体的导热性能，而且当温度越高、纳米颗粒微观上的直径越小的情况下，布朗运动会越剧烈，这也能增加纳米颗粒的碰撞传热的概率。在一定条件下，纳米流体的导热系数可达70％。然而，当纳米颗粒碰撞概率越大，聚集的概率也越大，颗粒的聚集会导致纳米颗粒产生沉淀，导热性能会骤然下降，因此，为保证纳米流体的稳定性，需要采取可靠的颗粒分散措施。
乙二醇的冰点为-11.5摄氏度，沸点为197.4摄氏度，将它作为基液可以有效扩大管路循环液的工作温度范围。除此之外，在燃料电池的电导率非常低，不会干扰电气设备，因而非常适合在燃料电池内部使用。
PEMFC系统主要是一个反馈控制系统，工业上应用最为广泛的温度控制策略是通过两个耦合的PID控制器调节散热器电压和泵的流量，原理简单、结构简明、实现方便。但热管理系统存在的强耦合性，导致系统变载时温度波动较大，调节时间较长。而且传统反馈控制方法仅仅根据温度变化进行事后控制很难有效地消除负载波动对电堆温度的影响，无法满足负载快速变化时对温度稳定性的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统解决负载快速变化时对温度稳定性要求的问题。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是提供一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其包括燃料电池堆、温度传感器、水箱、散热器、单向变量液压泵、电导率传感器及控制模块，所述散热器、所述单项变量液压泵及所述燃料电池堆之间相互通过冷却液管路连通，以形成冷却循环回路，所述单向变量液压泵驱动纳米流冷却液在所述冷却循环回路中流动；所述水箱设置于所述冷却循环回路中，与所述燃料电池堆及所述单向变量液压泵之间的冷却液管路连通，所述水箱内装载有纳米流冷却液；所述电导率传感器设置于所述冷却循环回路中，与所述燃料电池堆及所述散热器之间的冷却管路连通，以监测所述冷却循环回路中纳米流冷却液的电导率；所述控制模块包括变频驱动单元、直流调速器及主控器，所述主控器分别与所述温度传感器、所述电导率传感器、所述变频驱动单元及所述直流调速器通信连接；所述温度传感器的数量为两个，两个所述温度传感器皆设置于所述冷却循环回路中，且两个所述温度传感器分别连通所述燃料电池堆进口及出口处的冷却管路连通，以分别获取所述燃料电池堆进口及出口处纳米流冷却液的温度，并将获取到的温度传输至所述主控器内；所述变频驱动单元与所述单向变量液压泵通信连接，以使所述主控器通过所述变频驱动单元调节所述单向变量液压泵的流量，所述直流调速器与所述散热器通信连接，以使所述主控制器通过所述直流调速器控制所述散热器风扇端的电压，从而控制所述散热器风扇的转速。
进一步，所述单向变量液压泵的流量通过流量跟随功率函数，利用所述变频驱动单元进行控制。
进一步，所述流量跟随功率函数的控制策略为：根据液冷PEMFC系统产热和散热原理以及所述单向变量液压泵的调节特性，为达到预设温差，对每个电流或功率值时系统散热所需的流量和相对应的所述单向变量液压泵频率进行推导、修正和调整，获取所述单向变量液压泵的频率值。
进一步，所述纳米流冷却液为一种基于复合粒子的纳米流体冷却液。
进一步，所述冷却液中阳离子表面活性剂的浓度为2.2％。
进一步，所述散热器的控制为：利用CARIMA模型的GPC预测控制器来控制所述散热器中风扇两端的电压，以控制该风扇的转速。
进一步，所述GPC预测控制器通过GPC算法将纳米流冷却液在所述燃料电池堆入口处的温度和预期电堆温度作为CARIMA模型的输入，经过模型预测、滚动优化、反馈校正之后，以所述散热器中风扇端的电压作为输出，从而得到散热器风扇端的电压。
进一步，所述水箱上还设置有注入所述纳米流冷区液的进水口，从所述进水孔进入所述水箱内的所述纳米流冷却液的温度为65℃-75℃。
进一步，所述燃料电池进出口处的所述纳米流冷却液的预设温差小于6℃。
与现有技术相比，本发明所提供的基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统具有以下有益效果：
通过温度传感器获取到的燃料电池堆进出口处纳米流冷却液的温差，利用主控器分别通过变频驱动单元及直流调速器调节单向变量液压泵的流量及散热器风扇端的电压，从而将燃料电池堆进出口处的纳米流冷却液的温差控制在理想范围内，以保证燃料电池堆工作环境的温度维持在稳定的范围内。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统的模块示意图；
图2为图1中散热器及单向变量液压泵的控制原理模块示意图；
附图标记说明：10、燃料电池堆；20、温度传感器；30、水箱；40、散热器；50、单向变量液压泵；60、电导率传感器；70、控制模块；71、变频驱动单元；72、直流调速器；73、主控器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-2，本发明提供的一种基于纳米流体冷却液的车用温度控制系统，其包括：燃料电池堆10、温度传感器20、水箱30、散热器40、单向变量液压泵50、电导率传感器60及控制模块70，燃料电池堆10连接汽车负载，以为汽车负载提供电源。散热器40、单向变量液压泵50及燃料电池堆10之间相互通过冷却液管路连通，以形成冷却循环回路，单向变量液压泵50驱动纳米流体冷却液在冷却循环回路中流动，以通过冷却液对燃料电池堆10进行冷却，并利用散热器40对经过燃料电池堆10的纳米流冷却液进行冷却，从而确保纳米流冷却液的重复利用。
水箱30设置于冷却循环回路中，与燃料电池堆10及单向变量液压泵50之间的冷却液管路连通，其内装有纳米流冷却液，以在冷却循环回路中的纳米流冷却液发生损耗时，将水箱30中的纳米流冷却液补充至冷却循环回路中。
控制模块70包括变频驱动单元71、直流调速器72及主控器73，主控器73分别与温度传感器20、电导传率感器60、变频驱动单元71及直流调速器72通信连接，其中，电导率传感器60设置于冷却循环回路中，与燃料电池堆10及散热器40之间的冷却管路连通，以监测冷却循环回路中纳米流冷却液的电导率，并将获取到的电导率传输至主控器73中。
温度传感器20的数量为两个，两个温度传感器20皆设置于冷却循环回路中，且两个温度传感器20分别与燃料电池堆10进口及出口处的冷却管路连通，即，电导率传感器60及燃料电池堆10和单向变量液压泵50及燃料电池堆10之间的冷却管路连通，以分别获取纳米流冷却液进入燃料电池堆10之前及从燃料电池堆10流出之后的温度，即燃料电池堆10进出口的温度，并将获取到的温度传输至主控器73内。
变频驱动单元71与单向变量液压泵50通信连接，以使主控器73通过变频驱动单元71调节单向变量液压泵50的流量。直流调速器72与散热器40通信连接，以使主控制器73通过直流调速器72控制散热器40风扇端的电压，从而控制散热器40风扇的转速。根据进入燃料电池堆10及从燃料电池堆10流出的纳米冷却液的温度，控制单向变量液压泵50的流量及散热器40的功率，以将冷却循环回路中的纳米流冷却液的温度控制为恒定温度，从而保持燃料电池堆10温度的恒定。
可以理解，冷却液为一种基于复合粒子的纳米流体冷却液，纳米颗粒在基液中的布朗运动会严重影响纳米流体的导热性能，而且当温度越高、纳米颗粒微观上的直径越小的情况下，布朗运动会越剧烈，这也能增加纳米颗粒的碰撞传热的概率。在一定条件下，纳米流体的导热系数可达70％。然而，当纳米颗粒碰撞概率越大，聚集的概率也越大，颗粒的聚集会导致纳米颗粒产生沉淀，导热性能会骤然下降，因此，为保证纳米流体的稳定性，采取了向纳米流体中加入阳极表面活性剂的分散措施。乙二醇的冰点为-11.5摄氏度，沸点为197.4摄氏度，将它作为基液可以有效扩大管路循环液的工作温度范围。除此之外，在燃料电池的电导率非常低，不会干扰电气设备，因而非常适合在燃料电池内部使用。然而，即便对于以去离子水-乙二醇混合液为基液的纳米流体，纳米颗粒浓度的增加也会导致导其导电性的提高，所以在循环管路中设置电导率传感器60，用于对纳米流冷却液的导电率的实时监测，当纳米流冷却液的电导率达到限值时，及时添加或更换。
首先通过氧化还原反应制备复合纳米粒子，选取体积分数比为1:1的去离子水-乙二醇混合液作为基液，然后将复合纳米粒子、特定量的阳离子表面活性剂添加到基液中高速搅拌，得到纳米流体。
可以理解，冷却液中阳离子表面活性剂的浓度为2.2％
可以理解，纳米流冷却液的电导率限制可以根据需求进行人为设定。
进一步的，单向变量液压泵50流量的控制为：通过流量跟随功率函数，利用变频驱动单元71进行控制。
进一步的，流量跟随功率函数的控制策略为：根据液冷PEMFC系统产热和散热原理以及单向变量液压泵50的调节特性，为达到预设温差，对每个电流或功率值时系统散热所需的流量和相对应的单向变量液压泵50频率进行推导、修正和调整，获取单向变量液压泵50的频率值。
可以理解，预设温差为通过基于纳米流体冷却液的车用温度控制系统进行控制后，燃料电池堆10进出口处的纳米流冷却液的温差。
可以理解，冷却水流量跟随控制是指根据PEMFC当前实时的功率值快速调节一个对应且固定的冷却液流量，在PEMFC系统工作中保持燃料电池堆10进出口温差基本稳定。质子交换膜燃料电池动态响应时输出电压会出现下过冲和上过冲现象，导致燃料电池堆输出功率在此过程中也会产生相应的下过冲和上过冲现象，所以为了确定前馈环节的流量跟随功率函数，首先需要根据电堆的动态模型得到功率的动态响应曲线。然后根据泵的特性计算泵的流量与电机频率的函数关系，最后计算PEMFC电堆产热量以及散热函数，最终得到流量跟随功率函数。
进一步的，散热器40的控制为：利用CARIMA模型的GPC预测控制器来控制散热器40中风扇两端的电压，以控制该风扇的转速。
进一步的，GPC预测控制器通过GPC算法将纳米流冷却液在燃料电池堆10入口处的温度和预期电堆温度作为CARIMA模型的输入，经过模型预测、滚动优化、反馈校正之后，以散热器40风扇端的电压作为输出，从而得到散热器风扇端的电压。
可以理解，此算法使用受控自回归积分滑动平均模型，有出色的抗扰动能力，能适应氢燃料电池不同工况的切换。
可以理解，预期电堆温度为燃料电池10工作时最理想的温度。
可以理解，PEMFC的温度控制系统具有大惯性、大延迟的特点，控制上容易引起较大的超调，因此，防止超调是控制算法设计中考虑的重要因素。传统PID控制仅跟踪温度的变化，根据温度变化修改控制量，由于温度本身包含延迟，必然导致控制上的滞后，从而导致超调较大。因此，仅仅根据温度变化进行事后控制不可能有效地消除负载波动对电堆温度的影响，控制算法如果能预测温度变化趋势并采取措施提前进行控制，将会大幅提升温度控制系统的能力。进一步的，水箱30上还设置有注入纳米流冷却液的进水口，从进水口进入水箱30内的纳米流冷却液温度为65℃-75℃。
进一步的，燃料电池堆10进出口处的纳米流冷却液的预设温差小于6℃。即，通过基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温度控制系统进行控制后，燃料电池堆10进出口处的纳米流冷却液的温差不超过6℃。
本发明的工作原理为：利用温度传感器获取到的燃料电池堆10进出口处纳米流冷却液的温差，利用主控器73分别通过变频驱动单元71及直流调速器72调节单向变量液压泵50的流量及散热器40风扇端的电压，从而将燃料电池堆10进出口处的纳米流冷却液的温差控制在理想范围内，以保证燃料电池堆10工作环境的温度维持在稳定的范围内。同时，利用电导率传感器60实时监测纳米流冷却液的电导率，以在电导率超过限值时，即时更换或补充纳米流冷却液。
与现有技术相比，本发明所提供的基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统具有以下有益效果：
通过温度传感器获取到的燃料电池堆进出口处纳米流冷却液的温差，利用主控器分别通过变频驱动单元及直流调速器调节单向变量液压泵的流量及散热器风扇端的电压，从而将燃料电池堆进出口处的纳米流冷却液的温差控制在理想范围内，以保证燃料电池堆工作环境的温度维持在稳定的范围内。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于，包括步骤：
燃料电池堆、温度传感器、水箱、散热器、单向变量液压泵、电导率传感器及控制模块，所述散热器、所述单向变量液压泵及所述燃料电池堆之间相互通过冷却液管路连通，以形成冷却循环回路，所述单向变量液压泵驱动纳米流体冷却液在所述冷却循环回路中流动；
所述水箱设置于所述冷却循环回路中，与所述燃料电池堆及所述单向变量液压泵之间的冷却液管路连通，所述水箱内装载有纳米流体冷却液；所述电导率传感器设置于所述冷却循环回路中，与所述燃料电池堆及所述散热器之间的冷却管路连通，以监测所述冷却循环回路中纳米流体冷却液的电导率；
所述控制模块包括变频驱动单元、直流调速器及主控器，所述主控器分别与所述温度传感器、所述电导率传感器、所述变频驱动单元及所述直流调速器通信连接；
所述温度传感器的数量为两个，两个所述温度传感器皆设置于所述冷却循环回路中，且两个所述温度传感器分别连通所述燃料电池堆进口及出口处的冷却管路连通，以分别获取所述燃料电池堆进口及出口处纳米流体冷却液的温度，并将获取到的温度传输至所述主控器内；
所述变频驱动单元与所述单向变量液压泵通信连接，以使所述主控器通过所述变频驱动单元调节所述单向变量液压泵的流量，所述直流调速器与所述散热器通信连接，以使所述主控器通过所述直流调速器控制所述散热器风扇端的电压，从而控制所述散热器风扇的转速；
所述单向变量液压泵的流量通过流量跟随功率函数，利用所述变频驱动单元进行控制；所述流量跟随功率函数的控制策略为：根据液冷PEMFC系统产热和散热原理以及所述单向变量液压泵的调节特性，为达到预设温差，对每个电流或功率值时系统散热所需的流量和相对应的所述单向变量液压泵频率进行推导、修正和调整，获取所述单向变量液压泵的频率值。
2.如权利要求1所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述纳米流体冷却液为一种基于复合粒子的纳米流体冷却液。
3.如权利要求2所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述纳米流体冷却液中阳离子表面活性剂的浓度为2.2%。
4.如权利要求1所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述散热器的控制为：利用CARIMA模型的GPC预测控制器来控制所述散热器中风扇两端的电压，以控制该风扇的转速。
5.如权利要求4所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述GPC预测控制器通过GPC算法将纳米流体冷却液在所述燃料电池堆入口处的温度和预期电堆温度作为CARIMA模型的输入，经过模型预测、滚动优化、反馈校正之后，以所述散热器中风扇端的电压作为输出，从而得到散热器风扇端的电压。
6.如权利要求1所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述水箱上还设置有注入所述纳米流体冷却液的进水口，从所述进水口进入所述水箱内的所述纳米流体冷却液的温度为65℃-75℃。
7.如权利要求1所述的一种基于小颗粒布朗运动纳米流体的车用温控系统，其特征在于：
所述燃料电池进出口处的所述纳米流体冷却液的预设温差小于6℃。
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