一种燃料电池列车余热利用调控方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池列车余热利用调控方法。


背景技术：

2.氢燃料电池已逐渐在汽车、轨道列车等多个领域投入使用，其在工作时唯一排放物为水，对环境十分友好。
3.氢燃料电池在运行时约有50％的能量转化为电能，同时会产生大量热能，因此其散热是需要重点关注的。目前常采用的散热方式是通过冷却液将电堆内的热量带出至散热风机处，但此方案会导致热能完全浪费。而目前列车在冬季运行时需要依靠空调供暖，若能直接将燃料电池余热用于客舱取暖，将有效降低冬季列车制热能耗，能极大提高氢燃料电池能量利用率。
4.目前已有氢燃料电池余热利用相关专利，但其存在较多缺点。将燃料电池系统、冷却水泵、主散热器和鼓风式加热器串联，通过鼓风式加热器的散热端向客舱吹出热风，但其控制仅有开关两种状态，无法根据环境温度与目标温度对鼓风式加热器的出风口温度进行精确控制；系统成本较高，且占用体积较大。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池列车余热利用调控方法，充分利用燃料电池冷却液中的热量，在保证列车取暖需求的情况下降低电能消耗，提高整车能量利用效率，能实现根据环境温度精确控制客舱温度的目的。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池列车余热利用调控方法，包括步骤：
7.列车正常运行时氢燃料电池工作，发电的同时并产生热量，热量经冷却液带出，从燃料电池冷却液出口流向三通管路；
8.若主控单元收到列车发来非制热模式信号时，余热散热器不进行散热；若主控单元收到列车发来制热模式信号，空调系统打开通风风扇，通过功率和温度控制阀门调节流向余热散热器和燃料电池散热器的冷却液流量，利用余热散热器向客舱内供暖。
9.进一步的是，当列车的工作模式为非制热模式时，氢燃料电池运行产生的热量由燃料电池散热器排出，此时1号阀门接口开度调整为 0％，2号阀门接口开度调整为100％，使冷却液仅流向燃料电池散热器；
10.主控单元根据燃料电池散热器冷却液出口温度传感器检测到的冷却液温度控制散热风扇转速，保证氢燃料电池的冷却液进口温度达到最佳温度。
11.进一步的是，当氢燃料电池冷却液入口温度大于大于最佳温度时，燃料电池散热器开始运行，燃料电池散热器的转速控制方法为：
[0012][0013]
其中，n
target
为燃料电池散热器目标转速，t
act
为氢燃料电池冷却液入口温度，t
range
为燃料电池冷却液入口温度允许超出最佳温度的范围，n
max
为燃料电池散热器的最大转速。
[0014]
进一步的是，当列车的工作模式为制热模式时，主控单元接收氢燃料电池冷却液入口温度ty、设定温度ts、室内温度t
in
和室外温度 t
out
，根据采集的温度调节1号阀门和2号阀门的开度，同时空调风扇打开且保持全速运行。
[0015]
进一步的是，当列车关闭余热利用时，1号阀门开度调整为0％， 2号阀门开度调整为100％，此时氢燃料电池的热量全部由燃料电池散热器散发至空气中；当列车开启余热利用时，对1号阀门和2号阀门进行协调控制；
[0016]
所述协调控制方法为：
[0017]
当主控单元识别到室外温度低于低温阈值a时，根据氢燃料电池冷却液入口温度ty判断是否能开启1号阀门；
[0018]
若ty小于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则不可开启1号阀门；
[0019]
若ty大于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则根据余热散热能力进行分阶段调整。
[0020]
进一步的是，所述根据余热散热能力进行分阶段调整时，根据室内温度t
in
与设定温度ts，进行分阶段调整，包括：
[0021]
级别1状态：ts≤t
in
＜ts+1，对氢燃料电池的余热利用进行限制，最多允许余热利用50％的热量，剩余50％及以上的热量流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；
[0022]
级别2状态：ts≤t
in
＜ts+1，对客舱进行快速加热，则开启100％的余热利用能力；对于余热利用后剩余的热量，流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；
[0023]
余热关闭模式：t
in
≥ts+1，余热关闭。
[0024]
进一步的是，在级别1状态、级别2状态和余热关闭模式中，所述1号阀门和2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整。
[0025]
进一步的是，所述1号阀门和2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整，包括步骤：
[0026]
首先计算出设定温度与客舱实际温度之间的温差：t
diff
＝t
in
‑ꢀ
ts；
[0027]
若温差大于等于1，则表明客舱温度已超过设定温度，需关闭余热利用，此时为余热关闭模式；
[0028]
若温差大于等于0且小于等于1，表明客舱温度刚好达到设定温度，此时需减少余热利用，则需减小1号阀门开度，需增大2号阀门开度，为级别1状态；
[0029]
若温差小于0，表明客舱温度小于设定温度，需采用较大的余热利用能力；此时需增大1号阀门开度，减小2号阀门开度，为级别2 状态。
[0030]
进一步的是，在级别1状态时：
[0031]
1号阀门开度的计算方法为：
[0032]
[0033]
其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；
[0034]
由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故2号阀门的开度为：φc＝1-φb。
[0035]
进一步的是，在级别2状态时：
[0036]
2号阀门开度的计算方法为：
[0037][0038]
其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；
[0039]
由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故1号阀门的开度为：
[0040]
φb＝1-φc。
[0041]
采用本技术方案的有益效果：
[0042]
本发明通过阀门调节流向余热散热器和燃料电池散热器的冷却液流量，利用余热散热器向客舱内供暖，充分利用燃料电池冷却液中的热量，在保证列车取暖需求的情况下降低电能消耗，提高整车能量利用效率。
[0043]
本发明根据氢燃料电池一段时间内的平均功率及客舱温度需求自动实时调节两通阀开度，根据环境温度精确控制客舱温度。
[0044]
本发明可实现在冬季等低温环境下的客舱供暖，且由于直接采用了空调风扇对余热散热器散热的方式，避免了在客舱内铺设换热管道，减少了建设成本，且本发明的余热散热器可铺设于列车空调机组中，对空调机组的改造极小，提高了系统可靠性与灵活性，适合大量工程化实施。
[0045]
本发明采用氢燃料电池的余热作为客舱内的暖气来源，使氢燃料电池的能量利用率更高，有效节约了制热成本。
附图说明
[0046]
图1为本发明的一种燃料电池列车余热利用调控方法流程示意图；
[0047]
图2为本发明实施例中一种燃料电池列车余热利用调控方法的结构示意图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0049]
在实施例中，如图2所示，基于燃料电池列车余热利用系统，包括：氢燃料电池、燃料电池散热器、余热散热器、1号阀门、2号阀门和3号阀门；氢燃料电池冷却液出口连接到三通管路入口，三通管路出口一端连接1号阀门入口，三通管路另一端连接2号阀门入口； 1号阀门出口连接到余热散热器冷却液入口，余热散热器冷却液出口连接3号阀门入口，3号阀门出口与2号阀门出口汇合后连接到燃料电池散热器入口；燃料电池散热器出口的低温冷却液流向氢燃料电池。外界空气列车车厢内的空气混合后进入余热散热器空气入口，余热散热器气体出口空气进入车厢。
[0050]
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池列车余热利用调控方法，包括步骤：
[0051]
列车正常运行时氢燃料电池工作，发电的同时并产生热量，热量经冷却液带出，从燃料电池冷却液出口流向三通管路；
[0052]
若主控单元收到列车发来非制热模式信号时，余热散热器不进行散热；若主控单元收到列车发来制热模式信号，空调系统打开通风风扇，通过功率和温度控制阀门调节流向余热散热器和燃料电池散热器的冷却液流量，利用余热散热器向客舱内供暖。
[0053]
作为上述实施例的优化方案，当列车的工作模式为非制热模式时，氢燃料电池运行产生的热量由燃料电池散热器排出，此时1号阀门接口开度调整为0％，2号阀门接口开度调整为100％，使冷却液仅流向燃料电池散热器；
[0054]
主控单元根据燃料电池散热器冷却液出口温度传感器检测到的冷却液温度控制散热风扇转速，保证氢燃料电池的冷却液进口温度达到最佳温度。最佳温度tbest根据氢燃料电池电堆厂家制定。
[0055]
当氢燃料电池冷却液入口温度大于大于最佳温度时，燃料电池散热器开始运行，燃料电池散热器的转速控制方法为：
[0056][0057]
其中，n
target
为燃料电池散热器目标转速，t
act
为氢燃料电池冷却液入口温度，t
range
为燃料电池冷却液入口温度允许超出最佳温度的范围，n
max
为燃料电池散热器的最大转速。
[0058]
作为上述实施例的优化方案，当列车的工作模式为制热模式时，主控单元接收氢燃料电池冷却液入口温度ty、设定温度ts、室内温度 t
in
和室外温度t
out
，根据采集的温度调节1号阀门和2号阀门的开度，同时空调风扇打开且保持全速运行。
[0059]
当列车关闭余热利用时，1号阀门开度调整为0％，2号阀门开度调整为100％，此时氢燃料电池的热量全部由燃料电池散热器散发至空气中；当列车开启余热利用时，对1号阀门和2号阀门进行协调控制；
[0060]
所述协调控制方法为：
[0061]
当主控单元识别到室外温度低于低温阈值a时，根据氢燃料电池冷却液入口温度ty判断是否能开启1号阀门；
[0062]
若ty小于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则不可开启1号阀门；
[0063]
若ty大于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则根据余热散热能力进行分阶段调整。
[0064]
其中，所述根据余热散热能力进行分阶段调整时，根据室内温度 t
in
与设定温度ts，进行分阶段调整，包括：
[0065]
级别1状态：ts≤t
in
＜ts+1，对氢燃料电池的余热利用进行限制，最多允许余热利用50％的热量，剩余50％及以上的热量流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；
[0066]
级别2状态：ts≤t
in
＜ts+1，对客舱进行快速加热，则开启 100％的余热利用能力；对于余热利用后剩余的热量，流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；
[0067]
余热关闭模式：t
in
≥ts+1，余热关闭。
[0068]
在级别1状态、级别2状态和余热关闭模式中，所述1号阀门和 2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整。
[0069]
表1 动态调整方案
[0070][0071]
具体实现方式为，所述1号阀门和2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整，包括步骤：
[0072]
首先计算出设定温度与客舱实际温度之间的温差：t
diff
＝t
in
‑ꢀ
ts；
[0073]
若温差大于等于1，则表明客舱温度已超过设定温度，需关闭余热利用，此时为余热关闭模式；
[0074]
若温差大于等于0且小于等于1，表明客舱温度刚好达到设定温度，此时需减少余热利用，则需减小1号阀门开度，需增大2号阀门开度，为级别1状态；
[0075]
若温差小于0，表明客舱温度小于设定温度，需采用较大的余热利用能力；此时需增大1号阀门开度，减小2号阀门开度，为级别2 状态。
[0076]
其中，在级别1状态时：
[0077]
1号阀门开度的计算方法为：
[0078][0079]
其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；
[0080]
由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故2号阀门的开度为：φc＝1-φb。
[0081]
其中，在级别2状态时：
[0082]
2号阀门开度的计算方法为：
[0083][0084]
其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；
[0085]
由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故1号阀门的开度为：
[0086]
φb＝1-φc。
[0087]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，包括步骤：列车正常运行时氢燃料电池工作，发电的同时并产生热量，热量经冷却液带出，从燃料电池冷却液出口流向三通管路；若主控单元收到列车发来非制热模式信号时，余热散热器不进行散热；若主控单元收到列车发来制热模式信号，空调系统打开通风风扇，通过功率和温度控制阀门调节流向余热散热器和燃料电池散热器的冷却液流量，利用余热散热器向客舱内供暖。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，当列车的工作模式为非制热模式时，氢燃料电池运行产生的热量由燃料电池散热器排出，此时1号阀门接口开度调整为0％，2号阀门接口开度调整为100％，使冷却液仅流向燃料电池散热器；主控单元根据燃料电池散热器冷却液出口温度传感器检测到的冷却液温度控制散热风扇转速，保证氢燃料电池的冷却液进口温度达到最佳温度。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，当氢燃料电池冷却液入口温度大于大于最佳温度时，燃料电池散热器开始运行，燃料电池散热器的转速控制方法为：其中，n
target
为燃料电池散热器目标转速，t
act
为氢燃料电池冷却液入口温度，t
range
为燃料电池冷却液入口温度允许超出最佳温度的范围，n
max
为燃料电池散热器的最大转速。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，当列车的工作模式为制热模式时，主控单元接收氢燃料电池冷却液入口温度t
y
、设定温度t
s
、室内温度t
in
和室外温度t
out
，根据采集的温度调节1号阀门和2号阀门的开度，同时空调风扇打开且保持全速运行。5.根据权利要求4所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，当列车关闭余热利用时，1号阀门开度调整为0％，2号阀门开度调整为100％，此时氢燃料电池的热量全部由燃料电池散热器散发至空气中；当列车开启余热利用时，对1号阀门和2号阀门进行协调控制；所述协调控制方法为：当主控单元识别到室外温度低于低温阈值a时，根据氢燃料电池冷却液入口温度t
y
判断是否能开启1号阀门；若t
y
小于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则不可开启1号阀门；若t
y
大于燃料电池散热器启动温度t
start
时，则根据余热散热能力进行分阶段调整。6.根据权利要求5所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，所述根据余热散热能力进行分阶段调整时：根据室内温度t
in
与设定温度t
s
，进行分阶段调整，包括：级别1状态：t
s
≤t
in
＜t
s
+1，对氢燃料电池的余热利用进行限制，最多允许余热利用50％的热量，剩余50％及以上的热量流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；级别2状态：t
s
≤t
in
＜t
s
+1，对客舱进行快速加热，则开启100％的余热利用能力；对于余热利用后剩余的热量，流入氢燃料电池或由燃料电池散热器散发至空气中；余热关闭模式：t
in
≥t
s
+1，余热关闭。7.根据权利要求6所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，在级别1
状态、级别2状态和余热关闭模式中，所述1号阀门和2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整。8.根据权利要求7所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，所述1号阀门和2号阀门的开度根据氢燃料电池发电功率、客舱温度和设定温度动态调整，包括步骤：首先计算出设定温度与客舱实际温度之间的温差：t
diff
＝t
in-t
s
；若温差大于等于1，则表明客舱温度已超过设定温度，需关闭余热利用，此时为余热关闭模式；若温差大于等于0且小于等于1，表明客舱温度刚好达到设定温度，此时需减少余热利用，则需减小1号阀门开度，需增大2号阀门开度，为级别1状态；若温差小于0，表明客舱温度小于设定温度，需采用较大的余热利用能力；此时需增大1号阀门开度，减小2号阀门开度，为级别2状态。9.根据权利要求6-8任一所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，在级别1状态时：1号阀门开度的计算方法为：其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故2号阀门的开度为：φ
c
＝1-φ
b
。10.根据权利要求6-8任一所述的一种燃料电池列车余热利用调控方法，其特征在于，在级别2状态时：2号阀门开度的计算方法为：其中δt为时间段，∫p为δt时间内的功率积分，p
max
为燃料电池最大功率；由于1号阀门与2号阀门的总流量一定，故1号阀门的开度为：φ
b
＝1-φ
c
。

技术总结
本发明公开一种燃料电池列车余热利用调控方法，列车正常运行时氢燃料电池工作，发电的同时并产生热量，热量经冷却液带出，从燃料电池冷却液出口流向三通管路；若主控单元收到列车发来非制热模式信号时，余热散热器不进行散热；若主控单元收到列车发来制热模式信号，空调系统打开通风风扇，通过功率和温度控制阀门调节流向余热散热器和燃料电池散热器的冷却液流量，利用余热散热器向客舱内供暖。本发明充分利用燃料电池冷却液中的热量，在保证列车取暖需求的情况下降低电能消耗，提高整车能量利用效率，能实现根据环境温度精确控制客舱温度的目的。温度的目的。温度的目的。


技术研发人员：陈桥松 徐中来 申宇轩 张伟明 贺中立 张沁 王治安
受保护的技术使用者：四川荣创新能动力系统有限公司
技术研发日：2022.09.22
技术公布日：2023/1/31