一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统与流程

1.本发明涉及换热技术领域，具体为一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统。

背景技术：

2.氢燃料电池的性能，寿命，安全性均与电池的温度，温度梯度密切相关，工作温度升高会加速氧化还原反应速率，提高氢燃料电池的输出性能和整体效率；但温度过高时，会使电堆质子交换膜脱水，膜电导率下降，导致电池性能下降，甚至会造成膜损坏。一般电堆高效工作点对应温度在70℃左右，因此，控制电池电堆工作温度在60℃～80℃区间内十分必要。
3.轨道交通装备用氢燃料电池，因发电功率大，发热量高，为保障电池系统安全可靠运行，对电池电堆进口温度，进出口温差的要求更加严格。
4.2013年，我国开始探索氢燃料电池在有轨电车上的应用。直到2021年，首台氢燃料电池混合动力调车机车才在内蒙古投入试运行。目前，仅有的几款轨道交通氢燃料电池有轨电车中，由于电池电堆与空气供给系统核心部件(包括空压机及其控制器，中冷器)，电力变换装置的最佳工作温度区间不同，串接在一个回路中很难做到对三类部件同时精准控温。另外，目前轨道交通氢燃料电池有轨电车，调车机车等电堆温控系统比较简单，其控制逻辑不足以实现对氢燃料电池电堆温度的精准调控。

技术实现要素：

5.本发明提供一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统，以克服上述技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法,包括：
8.s1：当电堆启动前，获取电堆进液口冷却液温度t4；
9.若t4＜t
4-1
，则执行s2；若t
4-1
≤t4＜t
4-2
，则执行s3；其中，t
4-1
为第一温度阈值，t
4-2
为第二温度阈值；
10.s2：执行第一控制策略，以对电堆进行升温，直至t4≥t
4-2
，电堆启动，执行s4；
11.s3：电堆启动，执行第二控制策略，以对电堆进行升温，直至t
4-2
≤t4，执行s4；
12.s4：根据电堆进液口冷却液温度t4，执行第三控制策略，以获取冷却风机的供电频率，并根据所述冷却风机的供电频率调节冷却风机组，通过电堆换热系统对电堆进行降温；
13.s5：当t
4-2
≤t4＜t
4-3
时，执行第四控制策略，以对电堆进行降温，此时，若空调系统处于升温工作模式，则同时启动余热利用系统；其中，t
4-3
为高温保护温度阈值；
14.s6：当t4≥t
4-3
时，且持续时间大于时间范围阈值t时，执行第五控制策略，直至t4＜t
4-3
‑△
t3℃时；以通过电堆换热系统对电堆进行降温；同时电堆降功率运行；其中，
△
t3为第三温度裕量；
15.s7：持续获取电堆进液口冷却液温度t4，重复执行s5～s6，直至电堆关闭。
16.进一步的，所述第一控制策略如下：
17.第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电堆换热系统的第一水泵b1以最小供电频率运行；
18.电加热装置启动，直至t4≥t
4-2
时，电加热装置关闭，电堆启动。
19.进一步的，所述第二控制策略如下：
20.第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电加热装置关闭，第一水泵b1以最小供电频率运行。
21.进一步的，所述第三控制策略如下：
22.s41:根据电堆进液口冷却液温度t4，调节第二电动三通阀f2的a-b通道逐级关闭直至完全关闭，a-c通道逐级打开直至完全打开；
23.s42:获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；
24.s43:调节冷却风机组：
25.当t4＜t
4-2
‑△
t1℃时，冷却风机组不工作；
△
t1为第一温度裕量；
26.当t4≥t
4-2
‑△
t1℃时，获取电堆散热装置的进气口温度，根据所述第一水泵b1的供电频率和map2图，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机。
27.进一步的，所述第四控制策略如下：
28.s51：第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；
29.s52：获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；
30.s53：获取电堆散热装置的进气口温度，并根据第一水泵b1的供电频率，和map2图，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机。
31.进一步的，所述第五控制策略如下：
32.s61:发送报警信号，以提示电堆降功率运行；
33.s62：第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；
34.s63：第一水泵b1以最大供电频率运行；
35.s64：冷却风机组以最大供电频率运行；直至t4＜t
4-3
‑△
t3℃时；其中，
△
t3为第三温度裕量。
36.进一步的，所述第一水泵b1的供电频率获取步骤如下：
37.首先获取当前的氢燃料电池电堆发热功率qh如下：
38.qh＝a
×
pbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
39.式中：p—电堆发电功率；qh—电堆发热功率；a，b—均为计算电堆发热功率的拟合关系式常数；
40.其次基于电堆发热功率qh，获取冷却液流量v
b1
如下：
[0041]vb1
＝3600
×
qh/(c
p
×
ρ
×△
t
ob
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
式中：v
b1
—电堆换热系统的冷却液流量；c
p
—冷却液比热；ρ—冷却液密度；
△
t
ob
—电堆进出口冷却液温差指标；
[0043]
根据所述冷却液流量，获取第一水泵b1的最低需求供电频率f
b1min
如下：
[0044]fb1min
＝c
×vb1d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
式中：f
b1min
—第一水泵b1的当前最低需求供电频率；c，d—均为计算最低冷却液流量的拟合关系式常数；
[0046]
最后根据所述第一水泵b1的最低需求供电频率，确定电堆换热系统用第一水泵b1的供电频率f
b1
。
[0047]
进一步的，所述冷却风机组的供电频率获取方法如下：
[0048]
步骤一，根据所述电堆发热功率qh，当前冷却风机组进气口空气温度以及map2图，获取当电堆进液口温度为t4时的电堆散热器所需的冷却空气流量v
f1
。
[0049]
步骤二，获取冷却风机组的空气流量：
[0050]vf
＝(s1+s2)/s1×vf1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0051]
式中：s1—电堆换热系统散热器迎风面积；s2—空气供给核心部件换热系统和电力变换装置换热系统散热器迎风面积；v
f1
—电堆散热器所需的冷却空气流量；
[0052]
步骤三，获取冷却风机组中每个冷却风机所需空气流量v
fd
：
[0053]vfd
＝vf/nfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0054]
式中：nf—冷却风机数量；
[0055]
步骤四，获取冷却风机的最低供电频率f
fmin
：
[0056]ffmin
＝e
×vfdf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0057]
式中：f
fmin
—冷却风机的最低供电频率；e，f—均为计算冷却风机最低供电频率的拟合关系式常数；
[0058]
步骤五，根据所述冷却风机的最低供电频率，确定冷却风机的供电频率f
b1
；
[0059]
步骤六，按确定的f
f1
值，调节控制所述冷却风机的供电频率至f
f1
。
[0060]
进一步的，所述map2图获取方法如下：
[0061]
当第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开时；给定第一水泵b1的供电频率，在t
4-2
‑△
t2和t
4-3
区间，取第i个电堆进液口温度t
4i
，i＝1,2,
……
,i；
[0062]
当设定电堆进液口温度为第i个电堆进液口温度t
4i
时，给定电堆散热器的第m个进气口温度为度t
a-m
，m＝1,2,
……
,m时，分别给定第n个冷却空气流量v
fdn
，n＝1,2,
……
,n，获取q
ni-m
，
[0063]
于是可得当电堆进液口温度为第i个电堆进液口温度t
4i
时的map1i数据如下：
[0064]q1i-1
，
……
，q
ni-1
，
……qni-1
[0065]q1i-2
，
……
，q
ni-2
，
……qni-2
[0066]
……
[0067]q1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……qni-m
[0068]
……
[0069]q1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……qni-m
[0070]
其中，q
ni-m
表示的是当电堆进液口温度t
4i
时，当散热器的进气口温度为t
a-m
时，给定冷却空气流量为v
fdn
时的电堆散热器的换热量；i为所取的电堆进液口温度的总数，i为所取的电堆进液口温度的编号；n为所给定的冷却空气流量的总数，n为所给定的冷却空气流量的编号；m为所给定的散热器进气口的温度的总数，m为所给定的进气口温度的编号；
map1i表示的是当电堆进液口温度t
4i
时的map1图；
[0071]
根据所述电堆散热器的换热量q
ni-m
，水泵供电频率与水泵的冷却液流量，风机供电频率与风机冷却空气流量，将所述map1i数据转化为map2i数据；根据所述map2i数据即能够得到map2i图；
[0072]
于是得到map2图＝{map21图，
……
，map2i图，
……
，map2i图}。
[0073]
一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法的热管理系统，包括电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统，监控系统，调节系统，温控系统和余热利用系统；
[0074]
所述电堆换热系统用于对所述电堆进行热量交换；
[0075]
所述空气供给核心部件换热系统用于对所述空气供给核心部件进行热量交换；
[0076]
所述电力变换装置换热系统用于对所述电力变换装置进行热量交换；
[0077]
所述监控系统用于获取包括温度，压力，流量，阀体开度，风机频率的监控数据；
[0078]
所述调节系统用于对电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统中的温度，压力，流量，阀体开度，风机频率进行调节；
[0079]
所述温控系统用于根据所述监控系统的监控数据对所述调节系统进行调节；
[0080]
所述余热利用系统用于当空调系统处于升温工作模式时，获取所述电堆换热系统的热量对客室环境进行升温。
[0081]
有益效果：本发明的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统，根据所监控的电堆进液口冷却液的温度，在不同的工况下控制电堆换热系统分别通过执行第一控制策略～第五控制策略，能够精准的控制电堆的进液口冷却液的温度，保护电堆的安全运行，将空调系统与余热利用系统进行耦合，当空调系统处于升温工作模式时，通过余热利用系统，辅助空调系统为客室环境进行供暖，能源利用效率高。
附图说明
[0082]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0083]
图1为本发明的氢燃料电池温控方法流程图；
[0084]
图2为本发明的实施例中的氢燃料电池热管理系统示意图。
具体实施方式
[0085]
为使本发明实施例的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0086]
本实施例公开了一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法的热管理系统，能够适用本发明的轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，如图2所示：包括电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统监控系统，调节系统，温控系统和余热利用系
统；
[0087]
所述电堆换热系统用于对所述电堆进行热量交换；
[0088]
所述空气供给核心部件换热系统用于对所述空气供给核心部件进行热量交换；
[0089]
所述电力变换装置换热系统用于对所述电力变换装置进行热量交换；
[0090]
其中，本实施例中的电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统共同使用一个冷却风机组进行降温；
[0091]
所述监控系统用于获取包括温度，压力，流量，阀体开度，风机频率，离子浓度，液位的监控数据；
[0092]
具体的，所述监控系统用于获取包括电堆进液口冷却液温度，电堆发热功率的监控数据；还用于获取包括电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统中的压力，冷却液流量，冷却风机进气流量，阀体开度等信息。
[0093]
所述调节系统用于对电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统中的温度，压力，流量，阀体开度，风机频率进行调节；
[0094]
具体的，所述调节系统用于对电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统及冷却风机组进行调节，具体的，能够调节冷却风机组供电频率，第一水泵b1供电频率，第二电动三通阀f2开度；
[0095]
具体的，本实施例中的调节系统还用于调节电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统中的包括第一电动三通阀f1，电动二通阀f21等调节部件。
[0096]
所述温控系统用于根据所述监控系统的监控数据对所述调节系统进行调节；
[0097]
所述余热利用系与空调系统进行耦合，用于当空调系统处于升温工作模式时，获取所述电堆换热系统的热量对客室环境进行升温。
[0098]
具体的，本发明的实施例中，电堆换热系统包括第一水泵b1，第一电动三通阀f1，第二电动三通阀f2，第一膨胀水箱，电动二通阀f21，电堆散热器，加热装置，以及各部件间的连接管路；
[0099]
空气供给核心换热部件换热系统包括第二水泵b2，空气供给核心部件散热器，第二膨胀水箱，第三电动三通阀f3，以及各部件间的连接管路；
[0100]
电力变换装置换热系统包括第三水泵b3，电力变换装置散热器，第三膨胀水箱，以及各部件间的连接管路；
[0101]
所述冷却风机组用于同时对所述电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统同时进行降温；具体的，电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统共用一个散热芯体，散热风机组包含多个散热风机；
[0102]
本实施例的氢燃料电池热管理系统还包括供电及保护单元，以防止整个氢燃料电池热管理系统发生故障。
[0103]
本实施例的监控系统包括温度监测模块，压力监测模块，阀体开度监测模块，风机频率监测模块，电堆进液口冷却液流量监测模块，电堆进液口离子浓度监测模块，液位监测模块等。
[0104]
所述温度监测模块包括：
[0105]
用于监测所述电堆出液口冷却液温度的第一温度监测模块t1；
[0106]
用于监测所述电堆散热器进液口冷却液温度的第二温度监测模块t2；
[0107]
用于监测所述电堆散热器出液口冷却液温度的第三温度监测模块t3；
[0108]
用于监测所述电堆进液口冷却液温度的第四温度监测模块t4；
[0109]
用于监测所述空气供给核心部件进液口冷却液温度的第五温度监测模块t5；
[0110]
用于监测所述空气供给核心部件出液口冷却液温度的第六温度监测模块t6；
[0111]
用于监测所述电力变换装置进液口冷却液温度的第七温度监测模块t7；
[0112]
用于监测所述电力变换装置出液口冷却液温度的第八温度监测模块t8；
[0113]
用于监测所述环境空气温度的第九温度监测模块ta1；
[0114]
更进一步地，所述阀体开度监测模块包括：
[0115]
用于监测所述第一电动三通阀f1阀门开闭状态的监测模块a1；
[0116]
用于监测所述第二电动三通阀f2阀门开闭状态的监测模块a2；
[0117]
用于监测所述第三电动三通阀f3阀门开闭状态的监测模块a3；
[0118]
用于监测所述电动二通阀f21阀门开闭状态的监测模块a4。
[0119]
本实施例中的调节系统包括第一电动三通阀f1，第二电动三通阀f2，第三电动三通阀f3，电动二通阀f21；
[0120]
所述温控系统用于获取温度监测模块，压力监测模块，阀体开度监测模块，风机频率监测模块，电堆进液口冷却液流量监测模块，电堆进液口离子浓度监测模块，液位监测模块等的监测数据，以根据这些监测数据对第一电动三通阀f1，第二电动三通阀f2，第三电动三通阀f3，电动二通阀f21，第一水泵b1，第二水泵b2，第三水泵b3以及冷却风机组等进行控制，以对电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统和电力变换装置换热系统共用的换热芯体进行热量交换。
[0121]
具体的，本实施例中的余热利用系统，将热管理系统与空调系统冬季供暖进行耦合，实现对氢燃料电池工作过程中所产生的热量进行充分利用，减少热管理系统的负荷，提升整个燃料电池系统的能源利用效率。
[0122]
具体的，本实施例中的余热利用系统包括余热利用换热器，混气箱，空调风机，以及各连接管路形成的冷却液通道。
[0123]
本实施例提供了一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0124]
具体的，氢燃料电池温度控制主要是对电堆进液口的温度t4，包括如下步骤：s1：当电堆启动前，获取氢燃料电池电堆进液口冷却液温度t4；
[0125]
若t4＜t
4-1
，则执行s2；此时，电堆启动加热模式；若t
4-1
≤t4＜t
4-2
，则执行s3，此时，电堆启动自加热模式；其中，t
4-1
为第一温度阈值，t
4-2
为第二温度阈值；二者均为领域内的技术人员根据经验设定。
[0126]
s2：执行第一控制策略，以对电堆进行升温，余热利用系统关闭；直至t4≥t
4-2
，电堆启动，执行s4；
[0127]
优选地，所述第一控制策略如下：
[0128]
第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电堆换热系统的第一水泵b1以标定的最小供电频率运行；
[0129]
电加热装置启动，持续对冷却液加热，冷却液温度不断上升，直至t4≥t
4-2
时，电加热装置关闭，电堆启动；其中，电加热装置为常用的电加热器。
[0130]
s3：电堆启动，执行第二控制策略，直至t
4-2
≤t4，执行s4；
[0131]
优选地，所述第二控制策略如下：
[0132]
第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电加热装置关闭，第一水泵b1以标定的最小供电频率运行；
[0133]
s4：根据电堆进液口冷却液温度t4，执行第三控制策略，以获取冷却风机组的供电频率，并根据所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机组，对所述电堆换热系统进行降温；
[0134]
优选地，所述第三控制策略如下：
[0135]
根据电堆进液口冷却液温度t4，调节第二电动三通阀f2的a-b通道逐级关闭直至完全关闭，a-c通道逐级打开直至完全打开；其中，第二电动三通阀f2的调节的开度的方法是领域内的常规手段，因此本实施例不对其进行详细描述。
[0136]
获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；
[0137]
调节冷却风机组：
[0138]
当t4＜t
4-2
‑△
t1℃(
△
t1为第一温度裕量)，冷却风机组不工作，
[0139]
当t4≥t
4-2
‑△
t1℃时，根据所述第一水泵b1的供电频率和map2图簇，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机；
[0140]
优选地，所述第三控制策略还包括：当冷却风机组以最小频率运行时，且t4＜t
4-2
‑△
t2℃(
△
t2为第二温度裕量)，则调节第二电动三通阀f2的开度直至t
4-2
≤t4；
[0141]
s5：当t
4-2
≤t4＜t
4-3
时，执行第四控制策略，以对电堆进行降温，此时，若空调系统处于升温工作模式，则同时启动余热利用系统；其中，t
4-3
为高温保护温度阈值；此时，电堆启动常规冷却模式；是由领域内的技术人员根据工作经验进行确定。
[0142]
优选地，所述第四控制策略如下：
[0143]
第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；
[0144]
获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；
[0145]
获取电堆散热装置的进气温度，并根据第一水泵b1的供电频率，和当前进气温度下的map2图簇，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机；
[0146]
s6：当t4≥t
4-3
时，且持续时间大于时间范围阈值t时，执行第五控制策略，以对电堆进行降温；同时电堆降功率运行；此时，电堆处于最高冷却模式；电堆降功率运行的方法是通过领域内的技术人员事先制定完成的，不是本发明的技术点，因此这里不进行详细描述。
[0147]
优选地，所述第五控制策略如下：
[0148]
s61:发送报警信号，以提示电堆降功率运行；
[0149]
s62：第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；
[0150]
s63：第一水泵b1以最大供电频率运行；
[0151]
s64：冷却风机组以最大供电频率运行；直至t4＜t
4-3
‑△
t3℃时，其中，
△
t3为第三温度裕量；
[0152]
本实施例中，第一温度裕量
△
t1，第二温度裕量
△
t2，第三温度裕量
△
t3均为领域内的工作人员根据经验进行设定。
[0153]
s7：持续获取电堆进液口冷却液温度t4，由于当电堆启动后，随着其运行一直产生
热量，因此理论上电堆进液口温度会持续保持t
4-2
≤t4，因此重复执行s5～s6，直至电堆关闭。
[0154]
优选地，所述第一水泵b1的供电频率获取步骤如下：
[0155]
具体的，电堆换热系统的第一水泵b1的供电频率，是根据氢燃料电池电堆的进液口和出液口的温差的要求，当前的环境温度和氢燃料电池电堆的发热量来确定，并按照第一水泵b1的供电频率来对水泵进行控制。
[0156]
首先获取当前的氢燃料电池电堆发热功率qh如下：
[0157]
qh＝a
×
pbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0158]
式中：p—电堆发电功率，单位是kw；qh—电堆发热功qh，单位是kw；a，b—均为计算电堆当前发热功率的拟合关系式常数；其中，qh与p之间的函数关系式是电堆出厂时标定的关系式，其是根据氢燃料电堆电池调试正常运行时所测得的发电功率和发热功率进行数据拟合而得出的。
[0159]
其次基于电堆发热功率qh，根据设定的电堆进出口冷却液温差指标
△
t
ob
，获取电堆换热系统当前所需的冷却液流量v
b1
如下：
[0160]vb1
＝3600
×
qh/(c
p
×
ρ
×△
t
ob
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0161]
式中：v
b1
—电堆换热系统的冷却液流量，单位是m3/h；c
p
—冷却液比热，单位是kj/(kg.k)；ρ—冷却液的密度，单位是kg/m3；
△
t
ob
—电堆进出口冷却液温差指标；
[0162]
根据所述冷却液流量，获取第一水泵b1的最低需求供电频率f
b1min
如下：
[0163]fb1min
＝c
×vb1d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0164]
式中：f
b1min
—第一水泵b1的当前最低需求供电频率，hz；c，d—均为计算最低冷却液流量的拟合关系式常数；其中，电堆换热系统用第一水泵b1的供电频率f
b1
；与第一水泵b1的冷却液流量v
b1
之间的函数关系式是电堆出厂时标定的关系式。是基于水泵特性试验数据拟合而得的。
[0165]
最后根据所述第一水泵b1的最低需求供电频率，确定电堆换热系统用第一水泵b1的供电频率f
b1
；
[0166]
具体的，为便于第一水泵b1供电频率设定及控制，第一水泵b1的供电频率fb取5的倍数，如10hz，15hz，20hz，25hz，30hz，35hz，40hz，45hz，50hz；选取最接近f
b1min
且不小于f
b1min
的频率作为所述第一水泵b1的供电频率f
b1
。当前采用的是第三控制策略时，所求得的第一水泵b1的供电频率为第一水泵b1的供电频率；当前采用的是第四控制策略时，所求得的第一水泵b1的供电频率为第一水泵b1的供电频率；
[0167]
优选地，所述冷却风机组的供电频率的获取方法如下：
[0168]
具体的所述冷却风机组的供电频率的调节控制方法，是基于不同的电堆散热器进气口温度，当前工况和第一水泵b1的供电频率下，电堆进液口温度为设定值时所需的风机空气流量，并按照冷却风机组的供电频率对冷却风机进行调节；
[0169]
步骤一，根据所述电堆发热功率qh，当前冷却风机组进气口空气温度以及map2图，获取当电堆进液口温度为t4时的电堆散热器所需的冷却空气流量v
f1
，
[0170]
具体的，本实施例中，获取每个冷却风机所需的空气流量v
f1
的方法为，假设氢燃料电池电堆散热器的散热量q1＝qh，则根据由所述氢燃料电池电堆散热器的散热量，冷却风机进气温度和冷却风机的空气流量所形成的map1图中，能够获得诉讼冷却风机的空气流量
vf；
[0171]
步骤二，获取冷却风机组的空气流量：
[0172]
本实施例中的冷却风机为所述氢燃料电池电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统和所述电力变换装置换热系统所共用，因此所述冷却风机组所需空气流量vf获取如下：
[0173]vf
＝(s1+s2)/s1×vf1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0174]
式中：s1—电堆换热系统散热器迎风面积，单位为m2；s2—空气供给核心部件换热系统和电力变换装置换热系统散热器迎风面积，单位为m2；v
f1
—电堆散热器所需的冷却空气流量；
[0175]
步骤三，获取冷却风机组中每个冷却风机所需空气流量v
fd
：
[0176]vfd
＝vf/nfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0177]
式中：nf—冷却风机数量。
[0178]
步骤四，根据标定的所述电堆换热系统用风机供电频率ff与单个风机冷却空气流量v
fd
的函数关系式，获取冷却风机的最低供电频率f
fmin
：
[0179]ffmin
＝e
×vfdf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0180]
式中：f
fmin
—冷却风机的最低供电频率，单位hz；e，f—均为计算冷却风机最低供电频率的拟合关系式常数；
[0181]
步骤五，根据所述冷却风机的最低供电频率，确定冷却风机的供电频率f
b1
；
[0182]
具体的，在本实施例中，为便于冷却风机供电频率设定及控制，所述冷却风机供电频率ff一般取5的倍数，如10hz，15hz，20hz，25hz，30hz，35hz，40hz，45hz，50hz；选取最接近f
fmin
且不小于f
fmin
的频率作为所述风机的供电频率f
f1
。
[0183]
步骤六，按确定的f
f1
值，调节控制所述冷却风机的供电频率至f
f1
。
[0184]
优选地，所述map2图簇获取方法如下：
[0185]
当第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开时；给定第一水泵b1的供电频率，在t
4-2
‑△
t2和t
4-3
区间，取电堆进液口温度t
4i
，i＝1,2,
……
,i；
[0186]
当设定电堆进液口温度为t
4i
时，给定电堆散热器的进气口温度为度t
a-m
，m＝1,2,
……
,m时，分别给定冷却空气流量v
fdn
，n＝1,2,
……
,n，获取此时的电堆散热器的换热量q
ni-m
，
[0187]
于是可得当电堆进液口温度为t
4i
时的map1i数据如下：
[0188]q1i-1
，
……
，q
ni-1
，
……qni-1
[0189]q1i-2
，
……
，q
ni-2
，
……qni-2
[0190]
……
[0191]q1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……qni-m
[0192]
……
[0193]q1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……qni-m
[0194]
其中，q
ni-m
表示的是当电堆进液口温度t
4i
时，当散热器的进气口温度为t
a-m
时，给定冷却空气流量为v
fdn
时的电堆散热器的换热量；i为所取的电堆进液口温度的总数，i为所取的电堆进液口温度的编号；n为所给定的冷却空气流量的总数量，n为所给定的冷却空气流量的编号；m为所给定的散热器进气口的温度的总数，
[0195]
本实施例中的电堆散热器进气口的温度为在-40℃～+40℃区间范围内进行设定，其中，电堆进液口的温度和电堆散热器进气口的温度能够实现给定，通过监控系统中的监测传感器进行精准设定，当给定不同的冷却空气流量时，通过监控系统既能获取此时的电堆散热器的换热量；于是得到当电堆进液口温度为t
4i
时的map1i数据；进而根据所述map1i数据，既能够获得map1i图；所述map1i图为标记当散热器的进气口温度不同时，以散热器进气口空气流量为横坐标，电堆散热器的换热量为纵坐标的曲线；于是获得map1图簇，所述map1图簇包括map11图，
……
，map1i图，
……
，map1i图；
[0196]
根据所述电堆散热器的换热量q
ni-m
，水泵供电频率与水泵的冷却液流量，风机供电频率与风机冷却空气流量，将所述map1i数据转化为map2i数据；具体的为，根据所述电堆散热器的换热量q
ni-m
，及标定的水泵供电频率与水泵的冷却液流量的关系式，和标定的电堆换热系统的风机供电频率与风机冷却空气流量之间的关系，将所述map1i数据转化为map2i数据；根据所述map2i数据即能够得到map2i图；所述map2i图为标记当散热器的进气口温度不同时，以冷却风机供电频率为横坐标，电堆散热器的换热量为纵坐标的曲线；于是获得map2图簇，所述map2图簇包括map21图，
……
，map2i图，
……
，map2i图。
[0197]
具体的，本发明的实施例控制原理如下：
[0198]
当氢燃料电池启动前，监测电堆进液口和出液口冷却液温度，若电堆进液口和出液口冷却液温度低于t
4-1
时，电池电堆不工作，氢燃料电池电堆处于加热模式。此时，所述电堆出液口管路中的第一电动三通阀f1通往余热利用系统的阀门完全关闭，通往电堆散热器的阀门完全打开；所述电堆出口管路中的第二电动三通阀f2通往加热器的阀门完全打开，通往电堆散热器的阀门完全关闭；所述电堆换热系统膨胀水箱管路中的流量调节阀1完全打开；所述电加热器通电工作。
[0199]
所述加热器持续工作，当氢燃料电池电堆进口冷却液温度高于设定值t
4-1
，但低于设定值t
4-2
时，所述氢燃料电池电堆上电，氢燃料电池电堆处于自加热模式。所述电堆换热系统通过监测所述电堆发电功率，监测调控第一水泵b1和冷却风机的供电频率，监测调控第二电动三通阀f2的开度，能够精准控制所述电堆进液口温度和进出口温差。
[0200]
当氢燃料电池电堆进液口冷却液温度t4高于设定值t
4-2
，但低于设定值t
4-3
时，所述氢燃料电池电堆处于常规冷却模式。此时，所述电加热器断电不工作；所述电堆出液口管路中的第二电动三通阀f2通往加热器的阀门完全关闭，通往电堆散热器的阀门完全打开。所述电堆换热系统监测所述电堆发电功率，监测调控第一水泵b1和冷却风机供电频率，能够精准控制所述电堆进液口温度和进出液口温差。
[0201]
当氢燃料电池电堆进液口冷却液温度t4高于设定值t
4-3
时，所述氢燃料电池电堆处于最高冷却能力冷却模式。此时，所述电加热器断电不工作；所述电堆出液口管路中的第二电动三通阀f2通往加热器的阀门完全关闭，通往电堆散热器的阀门完全打开；发送报警信号，提示电堆按预设策略降功率运行；所述电堆换热系统调控第一水泵b1和风机供电频率至最高值；监测所述电堆发电功率。氢燃料电池电堆进液口冷却液温度t4低于某一设定值时，监测所述电堆发电功率，监测调控水泵和风机供电频率，精准控制所述电堆进口温度和进出口温差。
[0202]
有益效果：本发明的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统，将电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统，集成为一个氢燃料电
池热管理系统，能够控制和优化热量传递的过程，并能够合理地利用电堆余热，为电堆，空气供给核心部件，电力变换装置的安全可靠运行提供了根本保障。
[0203]
设置在所述电堆换热系统膨胀回路中的所述离子过滤装置，无论电堆处于停机加热状态，还是电堆处于上电工作状态，都能持续对所述电堆换热系统冷却液中的离子进行过滤，不会因离子浓度过高造成停机，提高了电堆运行的效率和安全性。
[0204]
所述热管理系统电堆温度控制方法，基于所述电堆产热与所述电堆散热器散热的热平衡原理，计算得出不同电堆进口冷却液温度，水泵供电频率下，电堆散热器散热量与不同环境条件(电堆散热器进口空气温度)，不同风机供电频率的map2图，根据预设的电堆冷却液进口温度，进出口温差阈值要求，实时监测调控所述电堆换热系统水泵供电频率，风机供电频率，电动三通阀开度和电加热器工作状态，为所述电堆进口冷却液温度和电堆进出口冷却液温差的精准控制提供了一种科学的方法。这对于提高氢燃料电池的输出性能和整体效率，延长氢燃料电池使用寿命，提高氢燃料电池运用安全性至关重要。
[0205]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，包括：s1：当电堆启动前，获取电堆进液口冷却液温度t4；若t4＜t
4-1
，则执行s2；若t
4-1
≤t4＜t
4-2
，则执行s3；其中，t
4-1
为第一温度阈值，t
4-2
为第二温度阈值；s2：执行第一控制策略，以对电堆进行升温，直至t4≥t
4-2
，电堆启动，执行s4；s3：电堆启动，执行第二控制策略，以对电堆进行升温，直至t
4-2
≤t4，执行s4；s4：根据电堆进液口冷却液温度t4，执行第三控制策略，以获取冷却风机的供电频率，并根据所述冷却风机的供电频率调节冷却风机组，通过电堆换热系统对电堆进行降温；s5：当t
4-2
≤t4＜t
4-3
时，执行第四控制策略，以对电堆进行降温；此时，若空调系统处于升温工作模式，则同时启动余热利用系统；其中，t
4-3
为高温保护温度阈值；s6：当t4≥t
4-3
时，且持续时间大于时间范围阈值t时，执行第五控制策略，直至t4＜t
4-3
‑△
t3℃时，以通过电堆换热系统对电堆进行降温；同时电堆降功率运行；其中，
△
t3为第三温度裕量；s7：持续获取电堆进液口冷却液温度t4，重复执行s5～s6，直至电堆关闭。2.根据权利要求1所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第一控制策略如下：第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电堆换热系统的第一水泵b1以最小供电频率运行；电加热装置启动，直至t4≥t
4-2
时，电加热装置关闭，电堆启动。3.根据权利要求1所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第二控制策略如下：第二电动三通阀f2的a-b通道完全打开，a-c通道完全关闭，电加热装置关闭，第一水泵b1以最小供电频率运行。4.根据权利要求1所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第三控制策略如下：s41:根据电堆进液口冷却液温度t4，调节第二电动三通阀f2的a-b通道逐级关闭直至完全关闭，a-c通道逐级打开直至完全打开；s42:获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；s43:调节冷却风机组：当t4＜t
4-2
‑△
t1℃时，冷却风机组不工作；
△
t1为第一温度裕量；当t4≥t
4-2
‑△
t1℃时，获取电堆散热装置的进气口温度，根据所述第一水泵b1的供电频率和map2图，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机。5.根据权利要求4所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第四控制策略如下：s51：第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；s52：获取第一水泵b1的供电频率，并按照第一水泵b1的供电频率调节第一水泵b1；s53：获取电堆散热装置的进气口温度，并根据第一水泵b1的供电频率，和map2图，获取冷却风机组的供电频率；并按照所述冷却风机组的供电频率调节冷却风机。
6.根据权利要求1所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第五控制策略如下：s61:发送报警信号，以提示电堆降功率运行；s62：第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开；s63：第一水泵b1以最大供电频率运行；s64：冷却风机组以最大供电频率运行；直至t4＜t
4-3
‑△
t3℃时；其中，
△
t3为第三温度裕量。7.根据权利要求5所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述第一水泵b1的供电频率获取步骤如下：首先获取当前的氢燃料电池电堆发热功率q
h
如下：q
h
＝a
×
p
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：p—电堆发电功率；q
h
—电堆发热功率；a，b—均为计算电堆发热功率的拟合关系式常数；其次基于电堆发热功率q
h
，获取冷却液流量v
b1
如下：v
b1
＝3600
×
q
h
/(c
p
×
ρ
×△
t
ob
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：v
b1
—电堆换热系统的冷却液流量；c
p
—冷却液比热；ρ—冷却液密度；
△
t
ob
—电堆进出口冷却液温差指标；根据所述冷却液流量，获取第一水泵b1的最低需求供电频率f
b1min
如下：f
b1min
＝c
×vb1d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：f
b1min
—第一水泵b1的当前最低需求供电频率；c，d—均为计算最低冷却液流量的拟合关系式常数；最后根据所述第一水泵b1的最低需求供电频率，确定电堆换热系统用第一水泵b1的供电频率f
b1
。8.根据权利要求7所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述冷却风机组的供电频率获取方法如下：步骤一，根据所述电堆发热功率q
h
，当前冷却风机组进气口空气温度以及map2图，获取当电堆进液口温度为t4时的电堆散热器所需的冷却空气流量v
f1
，步骤二，获取冷却风机组的空气流量：v
f
＝(s1+s2)/s1×vf1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：s1—电堆换热系统散热器迎风面积；s2—空气供给核心部件换热系统和电力变换装置换热系统散热器迎风面积；v
f1
—电堆散热器所需的冷却空气流量；步骤三，获取冷却风机组中每个冷却风机所需空气流量v
fd
：v
fd
＝v
f
/n
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中：n
f
—冷却风机数量；步骤四，获取冷却风机的最低供电频率f
fmin
：f
fmin
＝e
×vfdf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：f
fmin
—冷却风机的最低供电频率；e，f—均为计算冷却风机最低供电频率的拟合关系式常数；步骤五，根据所述冷却风机的最低供电频率，确定冷却风机的供电频率f
b1
；
步骤六，按确定的f
f1
值，调节控制所述冷却风机的供电频率至f
f1
。9.根据权利要求7所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法，其特征在于，所述map2图获取方法如下：当第二电动三通阀f2的a-b通道完全关闭，a-c通道完全打开时；给定第一水泵b1的供电频率，在t
4-2
‑△
t2和t
4-3
区间，取第i个电堆进液口温度t
4i
，i＝1,2,
……
,i；当设定电堆进液口温度为第i个电堆进液口温度t
4i
时，给定电堆散热器的第m个进气口温度为度t
a-m
，m＝1,2,
……
,m时，分别给定第n个冷却空气流量v
fdn
，n＝1,2,
……
,n，获取q
ni-m
，于是可得当电堆进液口温度为第i个电堆进液口温度t
4i
时的map1
i
数据如下：q
1i-1
，
……
，q
ni-1
，
……
q
ni-1
q
1i-2
，
……
，q
ni-2
，
……
q
ni-2
……
q
1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……
q
ni-m
……
q
1i-m
，
……
，q
ni-m
，
……
q
ni-m
其中，q
ni-m
表示的是当电堆进液口温度t
4i
时，当散热器的进气口温度为t
a-m
时，给定冷却空气流量为v
fdn
时的电堆散热器的换热量；i为所取的电堆进液口温度的总数，i为所取的电堆进液口温度的编号；n为所给定的冷却空气流量的总数，n为所给定的冷却空气流量的编号；m为所给定的散热器进气口的温度的总数，m为所给定的进气口温度的编号；map1
i
表示的是当电堆进液口温度t
4i
时的map1图；根据所述电堆散热器的换热量q
ni-m
，水泵供电频率与水泵的冷却液流量，风机供电频率与风机冷却空气流量，将所述map1
i
数据转化为map2
i
数据；根据所述map2
i
数据即能够得到map2
i
图；于是得到map2图＝{map21图，
……
，map2
i
图，
……
，map2
i
图}。10.根据权利要求1～9任一项所述的一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法的热管理系统，其特征在于：包括电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统，监控系统，调节系统，温控系统和余热利用系统；所述电堆换热系统用于对所述电堆进行热量交换；所述空气供给核心部件换热系统用于对所述空气供给核心部件进行热量交换；所述电力变换装置换热系统用于对所述电力变换装置进行热量交换；所述监控系统用于获取包括温度，压力，流量，阀体开度，风机频率的监控数据；所述调节系统用于对电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统中的温度，压力，流量，阀体开度，风机频率进行调节；所述温控系统用于根据所述监控系统的监控数据对所述调节系统进行调节；所述电堆换热系统，空气供给核心部件换热系统，电力变换装置换热系统共同使用一个冷却风机组进行降温；所述余热利用系统用于当空调系统处于升温工作模式时，获取所述电堆换热系统的热量对客室环境进行升温。

技术总结

本发明公开了一种轨道交通装备用氢燃料电池温控方法及热管理系统，电堆启动前获取进液口冷却液温度T4；若T4＜T

技术研发人员：

贾红洋 蔡欢 闫春霆 袁磊 李斐 田长安 孔丽君

受保护的技术使用者：

中车大连机车研究所有限公司

技术研发日：

2022.08.18

技术公布日：

2022/11/25