用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法，其能夠通過進行基于車輛功率、各個季節的室外溫度等的多點溫度控制來改善燃料效率。
【專利說明】用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法，其通過適當地保持冷卻劑溫度而改進燃料效率。
【背景技術】
[0002]通常而言，燃料電池系統是通過氫與空氣中氧之間的電化學反應將氫燃料轉化為電能的設備，其優點在于，具有比內燃機更低的噪音和振動、能量效率高且沒有污染。因此，意在將燃料電池系統應用到下一代環保車輛上的大量研究和開發持續在進展。
[0003]具體而言，燃料電池系統通過電化學反應產生作為副產物的水以及熱和電能，因此必然包括熱管理系統(TMS)，其將熱從燃料電池組去除至燃料電池系統的外部、控制燃料電池組的運行溫度、并執行水管理功能。
[0004]圖1A是示出燃料電池車中燃料電池系統的常規熱管理系統的示意圖。用于燃料電池系統的熱管理系統包括:散熱器2(或熱交換器)，配置成將熱從流經燃料電池組I的冷卻劑中驅散至外部；冷卻劑泵3，配置成對冷卻劑進行抽吸；冷卻劑管路5和6，配置成提供冷卻劑用的流路；以及三通閥4，配置成基于冷卻劑的溫度來轉換流路。
[0005]冷卻劑管路5和6包括:循環管路5，其將燃料電池組I和散熱器2連接，從而冷卻劑經散熱器2進行循環；以及旁路6，其使得從燃料電池組I中排放的冷卻劑繞開散熱器2并輸送回燃料電池組I。三通閥4安裝在冷卻劑管路5和6中，在散熱器2的后方與旁路6相接。
[0006]此處，必須控制燃料電池組的運行溫度，以保持在最佳水平。通常而言，對經燃料電池組進口引入的冷卻劑的溫度進行測量，并將在燃料電池組進口的冷卻劑溫度控制在特
定溫度。
[0007]上述利用冷卻劑控制燃料電池系統的運行溫度的方法將在下面詳細描述。在燃料電池組的冷卻劑溫度上升至燃料電池組的最佳溫度時，使用三通閥4將冷卻劑控制成繞開散熱器2，當冷卻劑溫度上升至最佳溫度以上時，使用三通閥4 (例如，恒溫器)使冷卻劑流經散熱器2，從而通過散熱器與加熱的冷卻劑之間的熱交換來控制燃料電池組I的溫度。
[0008]圖1B是示出圖1A的泵的可替換位置的示意圖，如圖1B所示，泵3的位置可以位于三通閥4與燃料電池組I之間。
[0009]然而，在以上述方式通過三通閥將燃料電池系統的運行溫度(B卩，電池組進口的冷卻劑的溫度)控制在特定溫度時(即，一點溫度控制)的情況下，根據一年中時間(季節)和運行模式(市區、公路等)不同而出現燃料效率的偏離，成為一大問題。
[0010]以上在背景部分公開的信息僅用于加強對于本發明背景的理解，因而其可能包含不構成該國本領域技術人員所知的現有技術的信息。
【發明內容】
[0011]本發明提供一種裝置和方法，配置成控制燃料電池系統的冷卻劑溫度，其能根據車輛功率、各個季節的室外溫度等進行多點溫度控制，從而改善燃料效率。
[0012]一方面，本發明提供一種配置成控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置，該裝置包括:閥，安裝在冷卻劑管路中以提供冷卻劑用流路；燃料電池控制器，配置成根據控制因子可變地控制電池組進口冷卻劑目標溫度；以及控制器，配置成從燃料電池控制器接收控制信號并基于控制信號來控制閥；其中基于車輛的功率以及與各個季節相關的室外溫度通過多點溫度控制來控制燃料電池系統的運行溫度。
[0013]在示例性實施方式中，閥可以是經電力傳動機構操作的三通比例閥，并可以被配置成通過控制三通比例閥的打開程度來控制電池組進口的冷卻劑溫度。
[0014]在另一個示例性實施方式中，控制因子可以包括選自室外溫度、電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、持續時間及其組合中的至少一個。
[0015]在另一個方面，本發明提供用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的方法，該方法包括:測量在燃料電池組的進口處的冷卻劑溫度(即，電池組進口冷卻劑溫度)；基于控制因子可變地控制電池組進口冷卻劑目標溫度；對電池組進口冷卻劑溫度的測量值與電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值進行比較；并且當電池組進口冷卻劑溫度的測量值高于電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值時，控制三通比例閥的打開程度，使之跟隨冷卻劑目標溫度，其中基于車輛的功率和各個季節的室外溫度(即，熱擴散性能)，通過多點溫度控制來控制燃料電池系統的運行溫度，以改善燃料效率。另外，冷卻劑目標溫度可以根據室外溫度的不同而變化。
[0016]在另一示例性實施方式中，冷卻劑目標溫度可以根據電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、和該電池組產率熱和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間而變化。
[0017]在另一個示例性實施方式中，該方法還可以包括:測量電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間；和在燃料電池控制器接收電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間，當電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、和電池組產熱率和和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間滿足控制進入條件時，通過前饋控制來直接控制三通比例閥的打開程度，以跟隨打開的指令值。
[0018]在另一示例性實施方式中，可以通過將電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間分別與其參考值進行比較來建立控制進入條件。
[0019]在另一個示例性實施方式中，電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間、和打開指令值可以隨室外溫度而變。
[0020]本發明的其他方面和示例性實施方式在下文中進行討論。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]本發明的上述和其他特征將參考在附圖中示例的某些示例性實施方式來做詳細描述，這些示例性實施方式僅以說明的方式在以下給出，因此并不限制本發明，其中:
[0022]圖1A是示出燃料電池車中燃料電池系統的常規熱管理系統的示意圖；
[0023]圖1B是示出圖1A的泵的可替換位置的示意圖；
[0024]圖2是示出根據本發明的電子三通比例閥的示意圖；[0025]圖3是示出根據本發明示例性實施方式的基于電池組進口目標溫度的PI控制；
[0026]圖4是示出圖3中電池組進口的目標溫度的圖表；
[0027]圖5是示出根據本發明另一示例性實施方式的基于電池組產熱率的前饋控制的結構圖。
[0028]在附圖中的附圖標記包括對以下將要在下文中進一步討論的元件:
[0029]11:燃料電池組12:散熱器
[0030]13:三通比例閥14:冷卻劑泵
[0031]15:溫度傳感器16:循環管路
[0032]17:旁路18:FCU
[0033]19:控制器20:電力傳動機構
[0034]21:閥套22:第一冷卻劑進口
[0035]23:第二冷卻劑進口 24:冷卻劑出口 [0036]應當理解的是，附圖不必要成比例，而是呈現出闡明本發明基本原則的各種優選特征的略微簡化的表示。本文中公開的本發明的具體設計特征，例如具體尺寸、取向、位置和形狀，將部分地由特定意向的應用和使用環境來決定。
[0037]在附圖中，參考數字涉及貫穿附圖的本發明的相同或等同部分。
【具體實施方式】
[0038]在下文中，將會詳細做出對本發明多種實施方式的參考，其中的例子在附圖中圖解并在下面說明。盡管本發明將結合示例性實施方式進行描述，但應該理解，本說明書不意在將本發明局限于那些示例性實施方式。相反，本發明旨在不僅包括示例性實施方式，而且還包括多種替換、修改、同等物以及其他的實施方式，這些可以包括在所附權利要求限制的本發明的精神和范圍內。
[0039]應該理解的是，在本文中用到的術語“車輛”或“車輛的”或其他類似術語一般包括機動車輛，例如載客汽車，包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車和各種商用車輛；包括各種船和艇在內的水運工具；飛行器等；還包含混合動力車、電動車、插電式混合電動車、氫動力車和其他替代燃料車(例如，從非石油資源得來的燃料)。本文中提到的混合動力車是具有兩種或更多種動力來源的車，例如同時為汽油動力和電動力的車。
[0040]另外，應該理解的是，以下的方法通過至少一個控制器執行。術語“控制器”是指包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器配置成儲存模塊，處理器具體配置成執行這些模塊以執行下文中進一步說明的一種以上進程。
[0041 ] 此外，本發明的控制邏輯可以具體表現為，在含有由處理器、控制器等執行的可執行程序指令的計算機可讀介質上的非暫時性計算機可讀介質。計算機可讀介質的例子包括但不限于ROM、RAM、光盤(CD) -ROM、磁帶、軟盤、閃存驅動器、智能卡和光數據存儲裝置。計算機可讀記錄介質也可以分布在連接網絡的計算機系統中，從而計算機可讀媒體可以以這樣的分布方式，例如，通過遠程信息處理服務器或控制器局域網絡(CAN)存儲并執行。
[0042]本發明提供配置成控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法，其能夠基于多個參數，例如車輛的功率、室外溫度等而非在常規方法中使用的具體溫度等，通過控制在燃料電池車的燃料電池組進口處的冷卻劑溫度來改善燃料效率。[0043]圖2是示出根據本發明的閥(例如，電子三通比例閥)的透視圖。根據本發明的控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置包括溫度傳感器15、控制器19、燃料電池控制器(FCU)
18、散熱器12、冷卻劑泵14、控制閥13等。
[0044]溫度傳感器15安裝在燃料電池組11的進口處，以測量經由燃料電池組11的進口引入的冷卻劑的溫度，并且可以選自能夠測量冷卻劑溫度的那些溫度傳感器而沒有特別的限制。此外，散熱器12和冷卻劑泵14與包括在常規燃料電池系統用的熱管理系統中那些相同，因此將省略其詳細說明。
[0045]控制閥13可以是三通比例閥，包括閥套21、雙通冷卻劑進口、和單通冷卻劑出口
24。雙通冷卻劑進口包括:第一冷卻劑進口 22，與旁路連接，從燃料電池組11的出口排出的并繞開散熱器12的冷卻劑經該進口引入；以及第二冷卻劑進口 23，與循環管路16連接，從燃料電池組11的出口排出的并經過散熱器12的冷卻劑經該進口引入。單通冷卻劑出口24與燃料電池組11的進口相連，以將引入閥套21的冷卻劑供應至燃料電池組11的進口。
[0046]冷卻劑流動控制閥可以可旋轉地安裝在三通定量13閥中，以通過電力傳動機構20 (例如，電動機)進行轉動，從而基于轉動方向來控制閥的打開程度。例如，冷卻劑流動控制閥可以轉動打開第一冷卻劑進口 22或第二冷卻劑進口 23，當第一和第二冷卻劑進口 22和23都打開時，第一和第二冷卻劑進口 22和23的比率可以改變。此時，電動機可以從控制器19接收控制信號，以基于車輛的功率、各個季節的室外溫度等來控制冷卻劑流動控制閥的轉動角度。
[0047]F⑶18是高等級的控制器，其配置成基于燃料電池車中的燃料電池系統的運行條件來控制冷卻劑溫度的整體控制。另一方面，控制器19從TOU18接收控制信號，以對三通比例閥13的整體運行進行控制。
[0048]圖3是示出根據本發明示例性實施方式的基于電池組進口目標溫度的PI控制，圖4是示出圖3中電池組進口目標溫度曲線的圖表。本發明基于車輛的運行條件，通過多點溫度控制法來控制三通比例閥13，與現有技術相比，可以保持顯著的長時間的最大功率，并改善在市區模式下的燃料效率。
[0049]根據本發明示例性實施方式的用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的方法，在對于燃料電池系統的熱管理系統的控制過程中，通過比例-積分(PI)控制來控制電池組進口冷卻劑溫度，以跟隨電池組進口冷卻劑目標溫度。此處，電池組進口冷卻劑目標溫度可以隨室外溫度而變化。
[0050]例如，電池組進口目標溫度可以在56到66°C范圍中變化，該電池組進口冷卻劑目標溫度是從rcui8傳送至控制器19的控制信號。TOU18接收來自室外溫度傳感器的信號，以基于室外溫度來改變電池組進口冷卻劑目標溫度，控制器19基于從FCU18接收的控制信號來控制三通比例閥13的打開程度，從而電池組進口冷卻劑溫度T_FC跟隨電池組進口冷卻劑目標溫度T_FC_目標。
[0051]對于三通比例閥13的打開程度的控制，通過安裝在三通比例閥13上的電力傳動機構來完成，電力傳動機構20接收來自控制器19的信號，以控制安裝在閥套21中的冷卻劑流動控制閥的運行，從而控制流經旁路17和散熱器12的冷卻劑的流量，并以此控制電池組進口冷卻劑溫度T_FC。
[0052]例如，為了增加電池組進口冷卻劑溫度T_FC，三通比例閥13增加第一冷卻劑進口22 (其通過旁路17)的打開程度，使其大于第二冷卻劑進口 23 (其通過散熱器12)的打開程度，從而大量流經旁路17的較高溫的冷卻劑供應入燃料電池組11的進口。
[0053]此外，為了降低電池組進口的冷卻劑溫度T_FC，三通比例閥13增加第二冷卻劑進口 23 (其通過散熱器12)的打開程度，使其大于第一冷卻劑進口 22 (其通過旁路17)的打開程度，從而大量流經散熱器12的較低溫度的冷卻劑供應入燃料電池組11的進口。當然，為了更急劇地增加或降低電池組進口的冷卻劑溫度T_FC，可以選擇性地打開和關閉第一冷卻劑進口 22和第二冷卻劑進口 23。
[0054]以下將描述基于室外溫度來控制目標電池組進口冷卻劑溫度的方法。例如，夏天時，當室外溫度上升至較高的溫度，燃料電池系統的運行溫度和室外溫度之間的差異相對小于冬天。當溫差較小時，由室外溫度引起的燃料電池散熱率較小，因此可以通過降低電池組進口冷卻劑目標溫度，通過三通比例閥13降低電池組進口冷卻劑溫度，從而降低燃料電池系統的運行溫度。此時，三通比例閥13增加流經散熱器12的低溫冷卻劑的量，并將冷卻劑供應至燃料電池組11的進口。
[0055]此外，冬天時，當室外溫度降低至較低的溫度，燃料電池系統的運行溫度與室外溫度之間的差異大于夏天。當溫差較大時，由室外溫度引起的燃料電池系統散熱率較大，因此可以通過增加電池組進口冷卻劑目標溫度，通過三通比例閥13增加電池組進口冷卻劑溫度，從而增加燃料電池系統的運行溫度。
[0056]圖5是示出根據本發明示例性實施方式的基于電池組產熱率的前饋控制。根據本發明另一示例性實施方式的用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的方法，主動地通過基于電池組產熱率的前饋控制來控制三通比例閥13，以在加速和快速起動時需要相當功率時防止燃料電池組 的溫度上升。
[0057]前饋控制是指一種控制方法，其中，FCU18，即高等級控制器直接將打開指令傳送至三通比例閥13，以減少閥打開時間。換言之，TOU18還傳送打開指令ETS_角度_目標以及電池組進口冷卻劑目標溫度，而控制器19從TOU18接收相應信號，以控制三通比例閥13的打開，以跟隨打開指令值。
[0058]此處，打開指令值是指三通比例閥13的第二冷卻劑進口 23的打開程度。當打開指令值較大時，第二冷卻劑進口 23的打開程度更大，因此更大量的流經散熱器12的冷卻的冷卻劑可以供應至燃料電池組11的進口，從而降低燃料電池組11的溫度。
[0059]用于確定前饋控制的條件可以包括三個參數，例如電池組產熱率、電池組進口冷卻劑溫度、以及電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間。用于確定并控制前饋控制的方法將在下面說明。
[0060]電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度可以分別通過安裝在燃料電池組11的內部和外部的溫度傳感器15來測量，電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間可以通過計時器等進行測量。之后，rcuis基于電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及電池組產熱率的持續時間和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間來確定是否進入前饋控制。
[0061]當由溫度傳感器15測量的電池組產熱率高于參考值Pl(第一進入條件:電池組產熱率≥PD時，當電池組出口冷卻劑溫度高于參考值Ti (第二進入條件:電池組出口冷卻劑溫度> Tl)時，并當電池組產熱率和電池組出口冷卻劑溫度的持續時間持續預設時間SI(第三進入條件:持續時間=Sl)時，前饋(FF)控制啟動。當不滿足所有以上三個條件時，FF控制關閉。
[0062]接下來，當FF控制啟動時，FCU18產生FF打開指令值并將對應于打開指令值的控制信號傳送至控制器19。之后，控制器19接收來自F⑶18的控制信號，并控制三通比例閥13，以跟隨打開指令值。此處，最終的打開指令值包括基于電池組進口冷卻劑目標溫度的PI控制(即，基于目標溫度的PI控制)計算值和FF控制指令值。
[0063]此外，三通比例閥13的打開允許基于電池組進口冷卻劑目標溫度的PI控制在達到FF控制指令值之后執行。換言之，在FF控制過程中，將三通比例閥13的實際打開控制成不少于FF打開指令值。此處，電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、持續時間以及用來確定是否進入FF控制的FF控制值，可以隨室外溫度而改變。
[0064]例如，當室外溫度升高時，可以降低對于電池組產熱率的參考值P1，可以降低對于電池組出口冷卻劑溫度的參考值Tl，可以降低電池組產熱率和冷卻劑溫度的持續時間SI，可以增加對于FF控制關閉的持續時間S2，并且可以增加FF控制值。
[0065]如上所述，根據本發明的用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置和方法具有以下優點。
[0066]首先，對于三通比例閥打開的控制并不基于具體的溫度(B卩，單點溫度控制)而是基于考慮室外溫度、車輛功率、運行模式(例如，市區)等的多個溫度(即，多點溫度控制)，因此可以通過基于車輛運行條件控制三通比例閥而防止對于各個季節和對于各個運行模式(市區、公路等)的燃料效率的偏差，并改善燃料效率。
[0067]第二，可以基于電池組產熱率的前饋控制，由閥的強制打開來減少閥開啟時間，因此與常規技術相比(例如，3秒)，可以增加車輛在夏季的最大功率持續時間(例如，45秒)，并防止由過熱引起的拋錨。
[0068]本發明已經參考其示例性實施方式進行了詳細說明。然而，本領域技術人員應該意識到，可以在這些實施方式中做出改變而不脫離本發明的原理和精神，本發明的范圍由所附的權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的裝置，所述裝置包括: 閥，安裝在冷卻劑管路中，以提供冷卻劑用的流路； 燃料電池控制器，配置成基于控制因子可變地控制電池組進口冷卻劑目標溫度；以及 控制器，配置成接收來自所述燃料電池控制器的控制信號，并基于所述控制信號控制所述閥， 其中，基于車輛的功率和各個季節的室外溫度，通過多點溫度控制來控制所述燃料電池系統的運行溫度，從而提高燃料效率。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述閥是通過電力傳動機構操作的三通比例閥，并被配置成通過控制所述三通比例閥的打開程度來控制電池組進口的冷卻劑溫度。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制因子包括選自室外溫度、電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、持續時間及其組合中的至少一個。
4.一種用于控制燃料電池系統的冷卻劑溫度的方法，所述方法包括: 通過傳感器測量在燃料電池組的進口處的冷卻劑溫度； 通過燃料電池控制器，基于控制因子可變地控制電池組進口冷卻劑目標溫度； 通過所述燃料電池控制器，將所述電池組進口冷卻劑溫度的測量值與所述電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值進行比較；并且 在所述電池組進口冷卻劑溫度的測量值大于所述電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值時，控制器接收來自所述燃料電池控制`器的控制信號，控制三通比例閥的打開程度，以跟隨冷卻劑目標溫度， 其中基于車輛功率和各個季節的室外溫度，即，散熱性能，通過多點溫度控制來控制所述燃料電池系統的運行溫度，以提高燃料效率。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述冷卻劑目標溫度隨所述室外溫度而變化。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述冷卻劑目標溫度隨電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間而變化。
7.根據權利要求4所述的方法，還包括: 測量電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間；并且 在燃料電池控制器接收所述電池組產熱率、所述電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間，當所述電池組產熱率、所述電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間滿足控制進入條件時，通過前饋控制直接控制所述三通比例閥的打開程度，以跟隨打開指令值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中通過將所述電池組產熱率、所述電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間分別與其參考值比較，來建立所述控制進入條件。
9.根據權利要求7所述的方法，其中所述電池組產熱率、所述電池組出口冷卻劑溫度、所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間、以及所述打開指令值能夠隨所述室外溫度而變化。
10.一種非暫時性計算機可讀介質，包括由處理器或控制器執行的程序指令，所述計算機可讀介質包括:基于控制因子可變地控制電池組進口冷卻劑目標溫度的程序指令； 將所述電池組進口冷卻劑溫度的測量值與所述電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值進行比較的程序指令；以及 當所述電池組進口冷卻劑溫度的測量值大于所述電池組進口冷卻劑目標溫度的預設值時，控制三通比例閥的打開程度以跟隨冷卻劑目標溫度的程序指令， 其中基于車輛功率和各個季節的室外溫度，即，散熱性能，通過多點溫度控制來控制所述燃料電池系統的運行溫度，以提高燃料效率。
11.根據權利要求10所述的非暫時性計算機可讀介質，其中所述冷卻劑目標溫度隨所述室外溫度而變化。
12.根據權利要求10所述的非暫時性計算機可讀介質，其中所述冷卻劑目標溫度隨電池組產熱率、電池組出口冷卻劑溫度、以及所述電池組產熱率和所述電池組出口冷卻劑溫度的持續時間而變 化。
【文檔編號】H01M8/04GK103872354SQ201310129806
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年4月15日 優先權日:2012年12月14日
【發明者】羅盛煜, 權相旭, 樸勛雨 申請人:現代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社