防止燃料电池过热的控制系统和方法与流程

1.本公开涉及一种用于防止燃料电池过热的控制系统和方法。更具体地，本公开涉及一种通过基于循环冷却剂的冷却泵的运行状态自适应地限制燃料电池的发电来防止燃料电池过热的技术。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料氧化产生的化学能直接转化为电能的发电机。燃料电池与化学电池的基本相同之处在于它使用氧化和还原反应。然而，化学电池是一个封闭的反应系统，而燃料电池是一个开放的反应系统，反应物不断地供给系统，并且反应产物不断地从系统中排出。近年来，燃料电池已投入实际使用。此外，由于燃料电池的反应产物是纯水，因此已经积极进行了将这种燃料电池用作环保车辆的能源的研究。
3.一种燃料电池，包括通过化学反应产生电能的燃料电池堆、向燃料电池堆的空气极(阴极)供应空气的空气供应装置、以及向燃料电池堆的氢电极(阳极)供应氢的氢供应装置。即，向燃料电池堆的空气极(阴极)供应含氧的空气，向燃料电池堆的氢极(阳极)供应氢。
4.就热损伤而言，燃料电池堆在物理上不如传统的内燃机。由于热损伤，作为诊断和应对燃料电池堆过热的控制方法的故障安全策略，成为一个非常重要的问题。
5.通常，由于难以直接感测燃料电池堆的内部温度，所以基于从燃料电池堆的出口流出的冷却剂的温度来执行用于冷却燃料电池的控制。因此，当感测燃料电池堆出口处的冷却剂温度的温度传感器发生故障时，存在无法应对燃料电池堆过热的问题。
6.上述内容仅旨在帮助理解本公开的背景。前述并不意味着本公开落入本领域普通技术人员已知的本技术的范围内。


技术实现要素：

7.做出本公开是为了解决本技术中出现的问题。本公开的目的是提供一种通过基于循环冷却剂以冷却燃料电池的冷却泵的运行状态限制燃料电池的发电来防止燃料电池过热的技术。
8.根据本公开的一个方面，提供了一种用于防止燃料电池过热的控制系统，该系统包括：通过燃料气体和氧化气体之间的反应产生电能的燃料电池；连接至燃料电池使得流经冷却管路的冷却介质与燃料电池进行热交换的冷却管路；安装在冷却管路上并配置为在驱动冷却泵时使冷却介质循环通过冷却管路的冷却泵；基于燃料电池或冷却介质的温度控制冷却泵的运行状态的冷却控制器；以及基于冷却泵的运行状态限制燃料电池的发电量的发电控制器。
9.冷却管路可以设置有散热器，其中，冷却介质与外部空气进行热交换。冷却管路可以连接成使得散热器与燃料电池的出口和入口连通。冷却泵可以泵送冷却介质，使得从燃料电池的出口排出的冷却介质部分或全部流向散热器，或者使得从散热器排出的冷却介质
流向燃料电池的入口。
10.该系统还可包括安装在冷却管路上并定位在燃料电池出口附近的温度传感器。温度传感器可以被配置为感测冷却介质的温度。冷却控制器可以基于冷却介质的温度来控制冷却泵的运行状态。
11.冷却控制器可以控制冷却泵，使得冷却泵的实际转速遵循基于燃料电池的温度或冷却介质的温度设定的参考转速。发电控制器可基于冷却泵的实际转速与参考转速之间的速度差自适应地限制由燃料电池产生的电量。
12.发电控制器可以将燃料电池产生的电量限制为等于或小于根据燃料电池或冷却介质的温度预设的参考发电量。发电控制器还可以将基于速度差设置的第一偏移值应用于燃料电池或冷却介质的温度或参考发电量。
13.当速度差等于或大于预设速度差值时，发电控制器可以设置第一偏移值使得随着速度差的增加，燃料电池或冷却介质的温度逐渐降低或参考发电量而逐渐减小。
14.发电控制器可基于根据冷却泵的转速预设的参考功耗量与冷却泵的实际功耗量之间的功耗差，来限制由燃料电池产生的电量。
15.仅当冷却泵的实际转速等于或高于预设参考转速时，发电控制器才基于功耗差自适应地限制燃料电池产生的电量。
16.发电控制器可以根据燃料电池或冷却介质的温度将燃料电池产生的电量限制为等于或小于参考发电量。当冷却泵的实际功耗量等于或小于预设的参考功耗量时，发电控制器将基于功耗差设置的第二偏移值应用于燃料电池或冷却介质的温度或应用于参考发电量。
17.当功耗差等于或大于预设功耗差时，发电控制器可以设置第二偏移值，使得燃料电池或冷却介质的温度随着功耗差的增加而逐渐降低或参考发电量逐渐降低。
18.当冷却泵的实际功耗大于参考功耗差时，冷却控制器可以基于功耗差增加冷却泵的冷却量。
19.根据本公开的另一方面，提供一种防止燃料电池过热的控制方法，该方法包括：估计燃料电池的温度或感测冷却介质的温度；基于燃料电池的估计温度或冷却介质的感测温度，控制通过连接到燃料电池的冷却管路循环冷却介质的冷却泵的运行状态；并且根据冷却泵的运行状态自适应地限制燃料电池的发电量。
20.在运行状态的控制中，可以控制冷却泵，使得其实际转速遵循基于燃料电池或冷却介质的温度设定的参考转速。该方法还包括计算冷却泵的实际转速与参考转速之间的速度差，其中，在限制电量之前执行该计算。在电量限制中，基于计算出的速度差来限制燃料电池产生的电量。
21.在电量限制中，燃料电池的发电量被限制为等于或小于根据燃料电池或冷却介质的温度设定的参考发电量。另外，基于速度差设置的第一偏移值被应用于燃料电池或冷却介质的温度或者被应用于参考发电量。
22.该方法还可以包括计算功耗差，功耗差是冷却泵的实际功耗量与根据冷却泵的转速预设的参考功耗量之间的差值，其中在限制电量之前执行计算。在限制中，可以基于计算出的功耗差来限制燃料电池产生的电量。
23.在限制中，由燃料电池产生的电量被限制为等于或小于根据燃料电池或冷却介质
的温度预设的参考发电量。当冷却泵的实际功耗小于参考功耗时，将根据功耗差设置的第二偏移值应用于燃料电池或冷却介质的温度或应用于参考发电量。
24.该方法还可包括：当冷却泵的实际功耗大于参考功耗时，基于功耗差增加冷却泵的冷却量。可以在计算功耗差之后执行冷却量的增加。
25.即使燃料电池的温度和冷却介质的温度之间存在差异，根据本公开的控制系统和方法可以通过根据冷却泵的运行状态执行自适应控制来防止燃料电池过热。
附图说明
26.从以下结合附图的详细描述中，应该更清楚地理解本公开的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：
27.图1是示出根据本公开的一个实施例的用于燃料电池的过热控制系统的构造的示意图；
28.图2是示出根据本公开的一个实施例的速度差和第一偏移值之间的关系的曲线图；
29.图3是根据本公开的一个实施例的根据冷却泵的转速的功耗曲线图；
30.图4是示出根据本公开的一个实施例的示出功耗差和第二偏移值之间的关系的曲线图的流程图；
31.图5是根据本公开的一个实施例的根据冷却介质的温度而变化的电流限制的曲线图；以及
32.图6是示出根据本公开的一个实施例的用于燃料电池的过热控制方法的流程图。
具体实施方式
33.现在应该参考附图，其中在不同的附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。
34.本技术说明书中公开的本公开的实施例的具体结构或功能描述仅用于说明目的。本公开可以体现为各种形式，并且不应将本公开的实施例解释为仅限于本技术说明书中描述的实施例。
35.根据本公开的概念可以有多种实施例，并且在附图中仅示出了一些实施例，并且在下面的描述中详细描述了这些实施例。尽管下文描述了本公开的具体实施例，但它们仅用于说明目的，不应被解释为对本公开的限制。因此，本公开应当被设计为不仅涵盖具体的实施例，而且还涵盖落入本公开的概念和技术精神内的所有修改、等同物和替换。
36.说明书中使用的术语“第一”、“第二”等可用于区分一个元素与另一个元素，但除非特别说明，否则元素的顺序或优先级不受这些术语的限制。因此，一个实施例中的第一元素在另一个实施例中可以被称为第二元素。类似地，一个实施例中的第二元素在另一个实施例中可以称为第一元素，仅用于区分一个元素与另一个元素的目的，而不脱离所要求保护的本公开的范围。
37.应当理解，当任何元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，一个元件可以直接连接或耦接到另一个元件，或者它们之间可以存在中间元件。相反，应该理解，当一个元件被称为“直接耦接”或“直接连接”到另一个元件时，它们之间不存在中间元件。其他描述
元件之间关系的表达，例如“之间”、“直接之间”、“相邻”、“直接相邻”应以同样的方式解释。
38.本文使用的术语仅用于描述细节的目的，并非旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。应当进一步理解，当在本公开中使用时，术语“包括”、“包含”或“具有”指定所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或添加。
39.此外，除非另有定义，否则包括技术和科学术语在内的所有术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。应当进一步理解，术语，例如在常用词典中定义的那些，应当被解释为具有与其在本技术和本公开的上下文中的含义一致的含义。除非明确定义，否则不应以理想化或过于正式的形式意义来解释这些术语。
40.在下文中，将参考附图详细描述本公开的具体内容。通过附图，相同的参考符号表示相同的元件。
41.图1是示出根据本公开的一个实施例的用于燃料电池10的过热控制系统的构造的示意图。
42.参照图1，根据本公开的一个实施例，用于燃料电池10的过热控制系统包括：燃料电池10，用于通过燃料气体和氧化气体的反应产生电能；冷却管路20，与燃料电池10连接，并被配置为填充有与燃料电池10进行热交换的冷却介质；冷却泵30，安装在冷却管路20上，并被配置为在驱动冷却泵30时使冷却介质循环通过冷却管路20；冷却控制器40，用于根据燃料电池10的温度或冷却介质的温度控制冷却泵30的运行状态；以及发电控制器50，基于冷却泵30的运行状态来限制燃料电池10的发电量。
43.包括在本公开的一个实施例中的冷却控制器40和发电控制器50可以使用以下内容实现：非易失性存储器(未示出)被配置为存储与算法相关的数据，该算法被配置为控制车辆的各种组件的操作或与执行算法的软件指令相关联；以及处理器(未示出)被配置为使用存储在非易失性存储器中的数据来执行下面描述的操作。存储器和处理器分别用分立的芯片实现。或者，存储器和处理器可以用集成芯片来实现。在另一个替代方案中，处理器可以用处理器阵列来实现。
44.燃料电池10供应有燃料气体和氧化气体。具体地，燃料电池10的阳极和阴极分别供应有燃料气体和氧化气体。例如，燃料气体是氢气，且氧化气体是含氧的空气。燃料电池10通过氢和氧的化学反应产生电能和热能。
45.冷却管路20是冷却介质流过的管道，且冷却介质例如是水。换句话说，使用液体冷却类型。冷却介质通过流经冷却管路20，然后流入燃料电池10的入口，流经燃料电池10，并流出燃料电池10的出口而循环。
46.冷却泵30安装在冷却管路20上以当泵30被驱动时允许冷却介质流过冷却管路20。冷却控制器40控制冷却泵30的转速，从而调节冷却介质的流量。
47.冷却控制器40基于冷却介质或燃料电池10的温度来控制冷却泵30的驱动。在一个实施例中，冷却控制器40控制冷却泵30使得冷却介质的流速随着冷却介质或燃料电池10的温度升高而增加。
48.冷却控制器40控制控制阀以调节流经散热器21的冷却介质的流量，稍后将对散热器21进行描述。
49.发电控制器50控制燃料电池10的发电。具体地，发电控制器50基于冷却泵30的运行状态限制燃料电池10的发电量。更具体地，发电控制器50限制燃料电池10的输出电流或输出电压。
50.更具体地，发电控制器50基于燃料电池10或冷却介质的温度来限制燃料电池10的输出电流或输出电压。在一个实施例中，燃料电池10的输出电流可以被限制为等于或小于参考电流限制，参考电流限制被设定为根据燃料电池10或冷却介质的温度而变化。
51.具体地，发电控制器50根据冷却泵30的运行状态改变燃料电池10的参考电流限制。
52.因此，即使燃料电池10的温度与冷却介质的温度之间存在差异，也具有防止燃料电池过热的效果，因为在限制燃料电池的发电时考虑了冷却泵30的运行状态。
53.冷却管路20设有散热器21，冷却介质在其中与外部空气进行热交换。冷却管路20被安装成使得燃料电池10的入口和出口中的每一个都与散热器21连通。泵30使从燃料电池10的出口排出的冷却介质部分或全部流向散热器21，或者使从散热器排出的冷却介质流向燃料电池10的入口。
54.散热器21是例如使流过冷却管路20的冷却介质与外部空气进行热交换的装置。
55.根据本公开的一个实施例的控制系统还包括温度传感器22，其安装在冷却管路20上并且定位在燃料电池10的出口附近。温度传感器22测量流过冷却管路20的冷却介质的温度。冷却控制器40基于冷却介质的温度控制冷却泵30的运行状态。
56.冷却介质的温度沿冷却管路20局部变化，并且温度传感器22感测从燃料电池10的出口排出的冷却介质的温度。
57.此外，在本公开中，燃料电池10的温度是基于冷却介质的温度来估计的。具体地，燃料电池10的温度基于冷却介质的温度来估计，冷却介质的温度由温度传感器22在燃料电池10的出口附近的位置处测量。
58.在一个实施例中，冷却控制器40控制冷却泵30，使得冷却泵30的实际转速随着冷却介质的检测温度或燃料电池10的估计温度的增加而增加。
59.图2是示出在本公开的一个实施例中速度差和第一偏移值之间的关系的曲线图。
60.参考图2，冷却控制器40控制冷却泵30，使得冷却泵30的实际转速遵循基于燃料电池10或冷却介质的温度而设置的参考转速。发电控制器50基于冷却泵30的预设参考转速和实际转速之间的差值来控制燃料电池10的发电(即，电量)。
61.在一个实施例中，参考转速分别映射到燃料电池10的温度或分别映射到冷却介质的温度。
62.发电控制器50根据以下等式计算冷却泵30的参考转速(参考rpm)和冷却泵30的实际转速(实际rpm)之间的速度差。
63.△
rpm＝|参考rpm-实际rpm|，
64.在另一个实施例中，速度差可以通过不产生绝对值的等式“参考rpm命令-实际rpm”来计算。这仅在实际rpm不遵循参考rpm从而不能保证燃料电池10的冷却的情况下有限地使用。
65.发电控制器50基于计算出的速度差来限制燃料电池10的发电。具体地，发电控制器50根据计算出的速度差设置第一偏移值，该第一偏移值将应用于燃料电池10的发电功率
限制到的参考发电量。
66.发电控制器50限制燃料电池10的发电量，使得燃料电池10产生的电量等于或小于根据燃料电池或冷却介质的温度预设的参考发电量。此外，发电控制器将基于速度差设置的第一偏移值应用于燃料电池或冷却介质的温度或应用于参考发电量。
67.当速度差等于或大于预设速度差时，发电控制器设置第一偏移值t
ro
，使得随着速度差的增大，燃料电池或冷却介质的温度逐渐降低或参考发电量逐渐减小。
68.换言之，当速度差等于或大于预定速度差值时，发电控制器50设置第一偏移值t
ro
，使得第一偏移值随着速度差值的增加而逐渐增加。
69.换句话说，如图2所示，当速度差小于或等于预定速度差值a时，第一偏移值t
ro
被设置为0。另一方面，当速度差大于或等于预定速度差值a时，第一偏移随着速度差值的增加而增加。
70.第一偏移值t
ro
可以被设置为小于零的负值。
71.图3是示出冷却泵30的功耗和转速之间的关系的曲线图。图4是图示根据本公开的一个实施例的第二偏移值和功耗差之间的关系的曲线图。
72.参照图3和图4，发电控制器50基于冷却泵30的实际功耗与根据冷却泵30的转速预先确定的参考功耗之间的功耗差，来限制燃料电池10的发电。
73.具体而言，可以通过从预定参考功耗p
ref
中减去实际功耗p来计算功耗差δp。这里，参考功耗假定为当冷却泵30以预定转速正常运行时冷却泵30消耗的功率量。
74.△
p＝p
ref-p，
75.具体地，只有当冷却泵30的转速高于预设转速(p
ref
≥p，δp≥0)时，发电控制器50根据功耗差δp限制燃料电池10的发电。
76.更具体地，当功耗差δp大于c，即大于零时，发电控制器50设置基于功耗差的第二偏移值t
po
。发电控制器50还通过应用第二偏移值t
po
来限制燃料电池10的发电。
77.发电控制器50限制燃料电池10的发电，使得燃料电池10产生的电量等于或小于根据燃料电池10或冷却介质的温度预设的参考发电量。发电控制器将基于功耗差设置的第二偏移值t
po
应用于燃料电池10或冷却介质的温度或者应用于参考发电量。
78.如图4所示，当功耗差
△
p的值等于或大于预设功耗差值e时，发电控制器50设置第二偏移值t
po
，使得限制燃料电池10发电的燃料电池10或冷却介质的温度随着功耗差
△
p的增加而逐渐降低或参考发电量逐渐降低。
79.或者，当功耗差
△
p大于或等于预设功耗差值e时，发电控制器50设置第二偏移值t
po
，使得第二偏移值t
po
的值随着功耗差
△
p的增加而增加。
80.第二偏移值t
po
可以被设置为小于零的负值。
81.另外，发电控制器50基于第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
计算最终偏移值并且基于计算的最终偏移值控制燃料电池10的发电。在一个实施例中，发电控制器50通过将权重分别应用于第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
来计算最终偏移值。
82.当冷却泵30的实际功耗大于预设参考功耗时，冷却控制器40基于功耗差δp增加冷却泵30的冷却量。
83.具体地，当功耗差δp小于d，即小于零时，冷却控制器40增加冷却泵30的冷却量。
84.这里，冷却泵30可以通过额外的冷却液或空气的循环来冷却，并且冷却控制器40
可以通过增加电动冷却泵或电动散热器风扇的转速来增加冷却泵30的冷却量。
85.另外，当第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
中的每一个大于或等于预设值，或者第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
之和大于或等于预设值时，则这种情况被认为是由于过大的误差而不能进行冷却的状态。在这种情况下，发电控制器50关闭燃料电池10。
86.图5是根据本公开的一个实施例的根据冷却介质的温度而变化的电流限制的曲线图。
87.参照图5，发电控制器50限制燃料电池10的发电，使得燃料电池10产生的电量等于或小于参考电流值，该参考电流值根据冷却介质的温度而变化。
88.具体地，当冷却介质的温度低于或等于预设温度时，保持参考电流值。另一方面，当冷却介质的温度高于预设温度时，参考电流值逐渐减小。
89.在一个实施例中，发电控制器50计算作为第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
之和的温度偏移值并且将计算的温度偏移值t
offset
应用于燃料电池10或冷却介质的温度或应用于参考发电量。
90.更具体地，发电控制器50将根据冷却介质的温度变化的参考电流值曲线移动温度偏移值t
offset
。或者，发电控制器50可通过将温度偏移值t
offset
应用于冷却介质的感测温度或燃料电池10的估计温度来改变参考电流值。
91.在另一实施例中，发电控制器50通过将作为第一偏移值t
ro
和第二偏移值t
po
之和的温度偏移值t
offset
应用于冷却介质的检测温度或燃料电池10的估计温度来改变参考电流值。
92.图6是示出根据本公开的一个实施例的用于燃料电池的过热控制方法的流程图。
93.参照图6，根据本公开的一个实施例，一种防止燃料电池10过热的控制方法包括：步骤s100，估计燃料电池10的温度或检测冷却介质的温度；步骤s200，基于燃料电池10的估计温度或冷却介质的检测温度，驱动使冷却介质通过连接到燃料电池10的冷却管路20循环的冷却泵30；以及步骤s600，基于冷却泵30的运行状态限制燃料电池10的发电。
94.在驱动冷却泵30的步骤s200中，控制冷却泵30使得冷却泵30的实际转速遵循基于燃料电池10或冷却介质的温度设置的参考转速。该方法还包括步骤s300，其中，计算冷却泵30的实际转速与参考转速之间的速度差。在步骤s600中，基于计算出的速度差限制燃料电池10的发电量。
95.在限制燃料电池10的发电的步骤s600中，将燃料电池10的发电量限制为等于或小于根据燃料电池10或冷却介质的温度预设的参考发电量。另外，基于速度差设置的第一偏移值被应用于燃料电池或冷却介质的温度或者被应用于参考发电量。
96.该方法还包括步骤s400，其中计算功耗差。功耗差是冷却泵30的实际功耗与根据冷却泵30的转速预设的参考功耗之间的差值。在步骤s600之前执行步骤s400。在限制燃料电池10的发电的步骤s600中，基于计算出的功耗差来限制燃料电池10的发电量。
97.该方法还包括步骤s310，其中，确定冷却泵30的转速是否等于或高于预设参考转速(p
ref
≥p，
△
p≥0)。在步骤s400之前执行步骤s310。仅当冷却泵30的实际转速等于或高于预设参考转速时，才会根据功耗差
△
p限制燃料电池10的发电量。
98.在限制燃料电池10的发电的步骤s600中，燃料电池10的发电量被限制为等于或小于根据燃料电池10或冷却介质的温度预设的参考发电量。当冷却泵30的实际功耗等于或小
于预设参考功耗时(步骤s500)，将基于功耗差设定的第二偏移值应用于燃料电池10或冷却介质的温度或应用于参考发电量。
99.该方法还包括步骤s700，其中，当冷却泵30的实际功耗大于参考功耗时，基于功耗差增加冷却泵的冷却量。在步骤s400之后执行步骤s700。
100.虽然仅描述了特定的实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所要求保护的本公开的范围和精神的情况下，各种改变和变化是可行的。