CN113871651A - 一种燃料电池双水泵散热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双水泵散热系统及控制方法，所述系统包括设置于电堆出口与入口之间且具有第一出口和第二出口的节温器；设置于节温器第一出口与电堆入口之间的主水泵；设置于节温器第二出口与主水泵入口之间的散热器；以及设置于散热器出口与主水泵入口之间的副水泵；本发明通过增设副水泵，能够解决燃料电池大功率运行时散热能力不足的问题；解决大循环压损过大时的加水排气困难及流量压力无法满足设计值的问题；当散热系统流阻较大时，两个水泵在相同转速下，解决为了保证管路压力而减小流量的问题；主水泵和副水泵串联，管路压力变大，根据水泵性能曲线，在相同转速下，流量也会增大。

Description

一种燃料电池双水泵散热系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池双水泵散热系统及控制方法。

背景技术

燃料电池系统的散热问题制约着其性能的提高，随着燃料电池系统功率的不断提升，匹配的散热器尺寸也不断增加，受整车布置空间限制，一般将散热器布置在车顶，造成散热系统管路复杂或长度较大，流阻增加。这样就可能导致水泵性能无法覆盖全工况下扬程和流量的技术要求，以致于出现加水排气困难，燃料电池水温过高等问题。轻则影响燃料电池系统输出性能，重则导致燃料电池系统停止运行，大大缩短寿命。

现有技术方案的燃料电池散热系统一般只匹配一台水泵参照图1，以满足电堆散热时的流量和压力要求。燃料电池低功率运行时，通过节温器控制冷却液在小循环(调整节温器，使得燃料电池散热系统不经过散热器的水路循环)内流动，随着功率升高，节温器开度会逐渐增大，最终完全打开，此时冷却液在大循环(调整节温器，使得燃料电池散热系统经过散热器的水路循环)中流动。从冷却液进入大循环开始，控制器会根据燃料电池实时水温功率调整风扇占空比和水泵转速，使水温维持在设定值。系统设计时会提出大循环部分散热器及管路的最高压损，并依据此计算各个工况点的水泵转速、节温器开度、风扇占空比等参数。如果在搭载整车时压损超过要求上限，可能会出现加水排气困难；另外，在系统运行过程中如果继续按照之前的标定参数执行，会出现系统内压力或流量较低的情况，导致燃料电池水温过高。

综上，目前使用单台水泵性能无法满足大功率燃料电池散热需求；无法保证大循环压损过大时散热系统的流量计压力仍能达到设计值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种克服背景技术中存在的技术问题的燃料电池双水泵散热系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池双水泵散热系统，包括

节温器、设置于电堆出口与入口之间且具有第一出口和第二出口；

主水泵、设置于节温器第一出口与电堆入口之间；

散热器、设置于节温器第二出口与主水泵入口之间；以及

副水泵，设置于散热器出口与主水泵入口之间。

优选地，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱包括进水口与出水口；

所述进水口分别与节温器第二出口、电堆入口连通；

所述出水口分别与主水泵入口、副水泵入口连通。

优选地，所述进水口分别与节温器第二出口之间还设置有去离子装置。

优选地，所述节温器第一出口与副水泵出口汇流之间的管道上并联有加热器。

优选地，所述膨胀水箱内具有液位传感器。

优选地，所述电堆出口处、电堆入口处、散热器出口处、散热器入口处分别设置有温度传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：

一种燃料电池双水泵散热系统的控制方法，包括

步骤一、电堆运行模式下判断电堆的实际输出功率P_st是否小于等于主水泵单独工作或主、副水泵协同工作模式的电堆输出功率P_set；若是，则主水泵单独运行并执行步骤二；若否，则主水泵、副水泵协同工作并判断电堆主回路的实际水流量Q_st是否小于电堆主回路的目标水流量Q_tar，若是，则节温器全开，则优先使用主水泵，若主水泵转速调至最高后无法满足流量需求则通过副水泵根据流量差调节转速进行补充后并执行步骤二，若否，则执行步骤二；

步骤二、判断电堆的实际工作温度T_st与电堆的目标工作温度T_tar的差值的绝对值是否小于等于2，若是，则返回步骤一；若否，则调节散热器功率后返回步骤一。

优选地，若主水泵或副水泵失效时，则降低电堆运行功率，若主水泵和副水泵失效时，则停止电堆运行。

优选地，所述主水泵单独运行时，主水泵根据电堆需求调节转速同时调节节温器开度。

优选地，执行步骤前对燃料电池双水泵散热系统进行调试，所述调试包括：

开启膨胀水箱压力盖，控制节温器开度为100％，向燃料电池双水泵散热系统内加入冷却液直至膨胀水箱内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间停止；

小循环(调整节温器，使得燃料电池散热系统不经过散热器的水路循环)调试：

控制节温器开度为0，启动主水泵，进行小循环排气，并不断提高主水泵转速，当膨胀水箱内液位下降时则继续向膨胀水箱内加入冷却液，保持膨胀水箱内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间直至主水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

大循环(调整节温器，使得燃料电池散热系统经过散热器的水路循环)调试：

控制节温器开度从0增加至100％，进行大循环排气；将主水泵转速不断提高，膨胀水箱内液位开始下降则继续向膨胀水箱内加注冷却液，使得膨胀水箱内液位维持在min-max之间，直至水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W后启动副水泵，并将副水泵转速不断提高，液位开始下降则继续向膨胀水箱内加注冷却液，使得膨胀水箱内液位维持在min-max之间，直至副水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

进行小循环调试和大循环调试时且膨胀水箱的排气口无肉眼可见的气体排出，则视为调试完成。

本发明的有益效果在于：通过增设副水泵，能够解决燃料电池大功率运行时散热能力不足的问题；解决大循环压损过大时的加水排气困难及流量压力无法满足设计值的问题；当散热系统流阻较大时，两个水泵在相同转速下，解决为了保证管路压力而减小流量的问题；主水泵和副水泵串联，管路压力变大，根据水泵性能曲线，在相同转速下，流量也会增大，只需满足燃料电池需求即可；流量增大到一定程度后，再提高流量对散热量的提升效果是非常有限的。

附图说明

图1为现有技术中电堆散热系统的框架示意图；

图2为本发明具体实施方式的一种燃料电池双水泵散热系统的框架示意图；

图3为本发明具体实施方式的一种燃料电池双水泵散热系统的控制方法的流程示意图；

标号说明：1、电堆；2、加热器；3、节温器；4、散热器；5、副水泵；6、离子装置；7、膨胀水箱；8、主水泵；9、电堆出口温度传感器；10、散热器入口温度传感器；11、散热器出口温度传感器；12、液位传感器；13、电堆入口温度传感器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

实施例一

参照图2，一种燃料电池双水泵散热系统，包括

节温器3、设置于电堆1出口与入口之间且具有第一出口和第二出口；

主水泵8、设置于节温器3第一出口与电堆1入口之间；

散热器4、设置于节温器3第二出口与主水泵8入口之间；

副水泵5，设置于散热器4出口与主水泵8入口之间。

膨胀水箱7，所述膨胀水箱7包括进水口与出水口；所述进水口分别与节温器3第二出口、电堆1入口连通；所述出水口分别与主水泵8入口、副水泵5入口连通。所述进水口分别与节温器3第二出口之间还设置有去离子装置6。所述膨胀水箱7内具有液位传感器12。

加热器2，设置于并联在所述节温器3第一出口与副水泵5出口汇流之间。

其中

所述电堆1出口处、电堆1入口处、散热器4出口处、散热器4入口处分别设置有温度传感器，分别为电堆出口温度传感器9、电堆入口温度传感器13、散热器出口温度传感器11、散热器入口温度传感器10。

实施例二

参照图3，一种实施例一的燃料电池双水泵散热系统的控制方法，包括

步骤前调试、开启膨胀水箱7压力盖，控制节温器3开度为100％，向燃料电池双水泵散热系统内加入冷却液直至膨胀水箱7内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间停止；

小循环调试：

控制节温器3开度为0，启动主水泵8，进行小循环排气，并不断提高主水泵8转速，当膨胀水箱7内液位下降时则继续向膨胀水箱7内加入冷却液，保持膨胀水箱7内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间直至主水泵8在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

大循环调试：

控制节温器3开度从0增加至100％，进行大循环排气；将主水泵8转速不断提高，膨胀水箱7内液位开始下降则继续向膨胀水箱7内加注冷却液，使得膨胀水箱7内液位维持在min-max之间，直至水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W后启动副水泵5，并将副水泵5转速不断提高，液位开始下降则继续向膨胀水箱7内加注冷却液，使得膨胀水箱7内液位维持在min-max之间，直至副水泵5在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

进行小循环调试和大循环调试时且膨胀水箱7的排气口无肉眼可见的气体排出，则视为调试完成。

步骤一、电堆1运行模式下判断电堆1的实际输出功率P_st是否小于等于主水泵8单独工作或主、副水泵5协同工作模式的电堆1输出功率P_set；若是，则主水泵8单独运行，主水泵8根据电堆1需求调节转速同时调节节温器3开度，执行步骤二；若否，则主水泵8、副水泵5协同工作并判断电堆1主回路的实际水流量Q_st是否小于电堆1主回路的目标水流量Q_tar，若是，则节温器3全开，则优先使用主水泵8，若主水泵8转速调至最高后无法满足流量需求则通过副水泵5根据流量差调节转速进行补充后并执行步骤二，若否，则执行步骤二；

步骤二、判断电堆1的实际工作温度T_st与电堆1的目标工作温度T_tar的差值的绝对值是否小于等于2，若是，则返回步骤一；若否，则调节散热器4功率后返回步骤一。

若主水泵8或副水泵5失效时，则降低电堆1运行功率，若主水泵8和副水泵5失效时，则停止电堆1运行。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，包括

节温器、设置于电堆出口与入口之间且具有第一出口和第二出口；

主水泵、设置于节温器第一出口与电堆入口之间；

散热器、设置于节温器第二出口与主水泵入口之间；以及

副水泵，设置于散热器出口与主水泵入口之间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱包括进水口与出水口；

所述进水口分别与节温器第二出口、电堆入口连通；

所述出水口分别与主水泵入口、副水泵入口连通。

3.根据权利要求2所述的燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，所述进水口分别与节温器第二出口之间还设置有去离子装置。

4.根据权利要求2所述的燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，所述节温器第一出口与副水泵出口汇流之间的管道上并联有加热器。

5.根据权利要求2所述的燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，所述膨胀水箱内具有液位传感器。

6.根据权利要求1所述的燃料电池双水泵散热系统，其特征在于，所述电堆出口处、电堆入口处、散热器出口处、散热器入口处分别设置有温度传感器。

7.一种燃料电池双水泵散热系统的控制方法，其特征在于，包括

步骤一、电堆运行模式下判断电堆的实际输出功率P_st是否小于等于主水泵单独工作或主、副水泵协同工作模式的电堆输出功率P_set；若是，则主水泵单独运行并执行步骤二；若否，则主水泵、副水泵协同工作并判断电堆主回路的实际水流量Q_st是否小于电堆主回路的目标水流量Q_tar，若是，则节温器全开，则优先使用主水泵，若主水泵转速调至最高后无法满足流量需求则通过副水泵根据流量差调节转速进行补充后并执行步骤二，若否，则执行步骤二；

步骤二、判断电堆的实际工作温度T_st与电堆的目标工作温度T_tar的差值的绝对值是否小于等于2，若是，则返回步骤一；若否，则调节散热器功率后返回步骤一。

8.根据权利要求7所述的燃料电池双水泵散热系统的控制方法，其特征在于，若主水泵或副水泵失效时，则降低电堆运行功率，若主水泵和副水泵失效时，则停止电堆运行。

9.根据权利要求7所述的燃料电池双水泵散热系统的控制方法，其特征在于，所述主水泵单独运行时，主水泵根据电堆需求调节转速同时调节节温器开度。

10.根据权利要求7所述的燃料电池双水泵散热系统的控制方法，其特征在于，执行步骤前对燃料电池双水泵散热系统进行调试，所述调试包括：

开启膨胀水箱压力盖，控制节温器开度为100％，向燃料电池双水泵散热系统内加入冷却液直至膨胀水箱内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间停止；

小循环调试：

控制节温器开度为0，启动主水泵，进行小循环排气，并不断提高主水泵转速，当膨胀水箱内液位下降时则继续向膨胀水箱内加入冷却液，保持膨胀水箱内冷却液位刻度显示达到min-max标记之间直至主水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

大循环调试：

控制节温器开度从0增加至100％，进行大循环排气；将主水泵转速不断提高，膨胀水箱内液位开始下降则继续向膨胀水箱内加注冷却液，使得膨胀水箱内液位维持在min-max之间，直至水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W后启动副水泵，并将副水泵转速不断提高，液位开始下降则继续向膨胀水箱内加注冷却液，使得膨胀水箱内液位维持在min-max之间，直至副水泵在各工况点下的功率与性能曲线相差不超过±50W；

进行小循环调试和大循环调试时且膨胀水箱的排气口无肉眼可见的气体排出，则视为调试完成。

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