CN114161901B - 一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法 - Google Patents

一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，涉及汽车空调领域；汽车空调制热控制方法包括如下步骤：S1、采集当前环境温度、车内温度和阳光强度；S2、判断汽车空调当前的制热模式；S3、根据所述环境温度、车内温度和/或阳光强度以及所述制热模式，计算汽车驾驶室的需求制热量；所述制热模式包括：除霜制热模式、除雾制热模式以及采暖制热模式；S4、计算燃料电池的最大余热利用热量Wy；S5、根据所述最大余热利用热量Wy和所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行；本发明能够有效地提高燃料电池余热的利用率和汽车空调的总体能效，避免因水暖回路PTC加热器过度加热而导致的能量浪费。

Description

一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法
技术领域
本发明涉及汽车空调领域，尤其涉及一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法。
背景技术
目前，氢能燃料电池汽车稳定运行时的动力总效率一般在50％左右；燃料电池冷却水温在70-80℃之间，大循环冷却水流量可达150L/min，输出动力为60kw的燃料电池***，其散热量也可达到80kw左右，如不加以利用，是对资源的极大浪费。由于燃料电池***冷却水有极其严格的电导率的要求，而一般空调厂家暂时不具备生产低导电率水暖芯体的工艺能力，所以市面上大多数车型都采用二次换热的形式，通过增加中间换热器(专业厂家生产的低电导率水-水板式换热器)，来间接利用燃料电池余热作为整车制热热源，无需对现有空调***进行改制。采用二次换热后，由于每级换热都需要在换热面两侧保证一定的温压，导致进入水暖芯体的冷却水温比传统一次换热的低，就需要在中间回路上增加水加热PTC进行辅助加热，提高低温工况下较大冷负荷时水暖芯体一次侧水温，保证整车制热量需求。同时水加热PTC还是燃料电池***大循环未开启时，驾驶室冷负荷主要加热热源，由于燃料电池发动机电堆对温度要求高于传统内燃机发动机，所以余热利用在大循环流路，而非传统的小循环流路上，防止余热利用过程对电堆产生不良温度冲击。
以上氢能燃料电池车型燃料电池余量利用的***回路复杂度较高，相关控制策略披露较少，目前一般纯电车型驾驶室水暖加热过程的控制相对简单，低温工况下有制热需求时PTC辅助加热参与度较高，仅水温加热到某一较高的温度阈值后，PTC加热才退出，大多数工况下往往存在过度加热的情况，造成一定的能量浪费。且此类车型相关控制方法一般不对各级传热情况和整车冷负荷情况做到精确计算，也就无法做到精确控制，只有在水温到达某一极限阈值或者车内空气温度达到人体体感偏热的情况下，才会降低或者退出PTC加热。
发明内容
本发明旨在提出一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，能够有效地提高燃料电池余热的利用率和汽车空调的总体能效，避免因水暖回路PTC加热器过度加热而导致的能量浪费。
本发明提供一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，包括如下步骤：
S1、采集当前环境温度、车内温度和阳光强度；
S2、判断汽车空调当前的制热模式；
S3、根据所述环境温度、车内温度和/或阳光强度以及所述制热模式，计算汽车驾驶室的需求制热量Q；所述制热模式包括：除霜制热模式、除雾制热模式以及采暖制热模式；
当所述制热模式为除霜制热模式时，所述需求制热量Q的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(1)
当所述制热模式为除雾制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(2)
当所述制热模式为采暖制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj-K1×I)/△Tb公式(3)
其中，Q为所述汽车驾驶室的需求制热量，单位为kw；Tc为空调箱目标出风温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为内循环模式时，Tj＝Tn，Tn为所述车内温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为外循环模式时，Tj＝Tw，Tw为所述环境温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/㎡；Qb为设计工况下△Tb对应的目标换热量，单位为kw；△Tb为设计工况下空调箱空气进出口的目标温差，单位为℃；K1为仿真标定参数；K1×I为所述阳光强度等效的温差，单位为℃；
S4、计算燃料电池的最大余热利用热量Wy；
S5、根据所述最大余热利用热量Wy和所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行。
进一步地，步骤S1中，所述制热模式的判断方法如下：
当所述汽车空调的前除霜按键激活时，如果环境温度小于等于0℃时，判断为除霜制热模式，如果环境温度大于0℃，判断为除雾制热模式；当所述汽车空调的前除霜按键未激活时，判断为采暖制热模式。
进一步地，步骤S4中，所述燃料电池的最大余热利用热量的计算公式如下：
其中，Wy为燃料电池的最大余热利用热量，单位为kw；Ts为燃料电池大循环中进入中间换热器的去离子水温度，单位为℃；K2和K3分别为仿真标定参数；a为燃料电池大循环工作时的水温上限温度，单位为℃；b为燃料电池大循环工作时的水温下限温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃。
进一步地，步骤S5中，根据所述最大余热利用热量Wy与所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行的具体方法如下：
当Wy为零时，控制水暖回路PTC加热器开启，并控制所述水暖回路水泵以最大流量运行；此时，所述需求制热量Q由所述水暖回路PTC加热器提供；
当Wy与Q的比值在0.95～1.05之间时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行，且不开启所述PTC加热器；
当Wy与Q的比值小于0.95时，根据公式(5)计算所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率W，并根据所述控制目标功率W运行所述水暖回路PTC加热器；同时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行；
Q＝K4×W+K2×(Ts-Tj)+K3公式(5)
当Wy与Q的比值大于1.05时，根据公式(6)计算所述水暖回路水泵的控制目标流量，并根据所述控制目标流量控制所述水暖回路水泵运行，且不开启所述水暖回路PTC加热器；
Q＝(qv/qvmax+1)/2×(K2×(Ts-Tj)+K3)公式(6)
其中，Wy为燃料电池的最大余热利用热量，单位为kw；Q为汽车驾驶室的需求制热量，单位为kw；qvmax为所述水暖回路水泵的最大流量，单位为L/min；qv所述水暖回路水泵的控制目标流量，单位为L/min；W为所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率，单位为kw；Ts为燃料电池大循环中进入中间换热器的去离子水温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；K2、K3和K4分别为仿真标定参数。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法根据空调的制热模式计算对应制热模式下的汽车驾驶室的需求制热量以及燃料电池的最大余热利用热量，并根据所述最大余热利用热量和所述需求制热量控制所述汽车空调的运行，能够有效地提高燃料电池余热的利用率和汽车空调的总体能效，避免因水暖回路PTC加热器过度加热而导致的能量浪费。
附图说明
图1为现有技术中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热***的结构示意图；
图2为本发明某一实施例中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法的流程示意图；
其中，1、燃料电池堆；2、节温器；3、燃料电池PTC加热器；4、比例三通阀；5、余热利用回路水泵；6、中间换热器；7、水暖回路PTC加热器；8、暖风水暖芯体；9、暖风鼓风机；10、水暖回路水泵；11、散热器。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
图1为现有技术中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热***；所述基于燃料电池余热利用的汽车空调制热***包括燃料电池堆1、节温器2、燃料电池PTC加热器3、比例三通阀4、余热利用回路水泵5、中间换热器6、水暖回路PTC加热器7、暖风水暖芯体8、暖风鼓风机9、水暖回路水泵10和散热器11；燃料电池堆1的去离子水出口通过节温器2分别与燃料电池PTC加热器3的进液口和比例三通阀4连通；燃料电池PTC加热器3的出液口与所述燃料电池堆1的去离子水入口连通；比例三通阀4的另外两个接头分别与余热利用回路水泵5的进液口和散热器11的进液口连通；散热器11的出液口与燃料电池电堆的去离子水入口连通；余热利用回路水泵5的出液口与中间换热器6的热介质入口连通；中间换热器6的热介质出口与散热器11的进液口连通；水暖回路水泵10的出液口与所述中间换热器6的冷介质入口连通；中间换热器6的冷介质出口与水暖回路PTC加热器7的进液口连通；水暖回路PTC加热器7的出液口与所述暖风水暖芯体8的进液口连通；暖风水暖芯体8的出液口与所述水暖回路水泵10的进液口连通；暖风鼓风机9的出风口与所述暖风水暖芯体8进风口连通，使空气在暖风水暖芯体8内吸热后进入汽车驾驶室，实现对所述汽车驾驶的制热。
需要说明的是基于燃料电池余热利用的汽车空调制热***属于现有技术；此处描述是为了更加清楚的说明本发明中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法。
参考图2，本发明的实施例提供了一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，包括如下步骤：
S1、采集当前环境温度、车内温度和阳光强度；
在此步骤中，分别通过环境温度传感器、车内温度传感器和阳光强度传感器采集所述环境温度、所述车内温度和所述阳光强度。
S2、判断汽车空调当前的制热模式；
在此步骤中，制热需求包括：采暖需求以及挡风窗的除霜需求和除雾需求；挡风窗的除霜、除雾的冷负荷锚定目标出风温度值Tc；采暖冷负荷锚定整车驾驶室冷负荷，需要综合考虑出风温度和阳光强度；各模式下需求制热量差异大，且控制策略不同，所以需要对制热模式进行判断。
示例性地，在本实施例中，所述制热模式的判断方法如下：当所述汽车空调的前除霜按键激活时，如果环境温度小于等于0℃时，判断为除霜制热模式，如果环境温度大于0℃，判断为除雾制热模式；当所述汽车空调的前除霜按键未激活时，判断为采暖制热模式。
S3、根据所述环境温度、车内温度和/或阳光强度以及所述制热模式，计算汽车驾驶室的需求制热量Q；所述制热模式包括：除霜制热模式、除雾制热模式以及采暖制热模式；
当所述制热模式为除霜制热模式时，所述需求制热量Q的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(1)
当所述制热模式为除雾制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(2)
当所述制热模式为采暖制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj-K1×I)/△Tb公式(3)
其中，Q为所述汽车驾驶室的需求制热量，单位为kw；Tc为空调箱目标出风温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为内循环模式时，Tj＝Tn，Tn为所述车内温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为外循环模式时，Tj＝Tw，Tw为所述环境温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/㎡；Qb为设计工况下△Tb对应的目标换热量，单位为kw；△Tb为设计工况下空调箱空气进出口的目标温差，单位为℃；K1为仿真标定参数；K1×I为所述阳光强度等效的温差，单位为℃；
示例性地，在本实施例中，氢燃料电池车驾驶室设计工况下的采暖和除雾的冷负荷Ql的值为5.5kw，除霜的冷负荷Qh的值为8.1kw；除霜制热模式的空调箱目标出风温度Tc的值为60℃；采暖制热模式和除雾制热模式下的空调箱目标出风温度Tc的值均为35℃；K1的值为0.028。
S4、计算燃料电池的最大余热利用热量Wy；
所述燃料电池的最大余热利用热量的计算公式如下：
其中，Wy为燃料电池的最大余热利用热量，单位为kw；Ts为燃料电池大循环中进入中间换热器的去离子水温度，单位为℃；K2和K3分别为仿真待标定参数，通过仿真试验获得；a为燃料电池大循环工作时的水温上限温度，单位为℃；b为燃料电池大循环工作时的水温下限温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；
此步骤中，根据中间换热器和水暖加热芯体两侧的燃料电池流路去离子水最大流量和进口温度、水暖回路冷却液最大流量以及风侧风量和进出口温度，计算各回路剩余未知温度并最终计算出最大余热利用热量Wy；其中，燃料电池流路去离子水最大流量不可调，维持最大温压，流量大温度下降小；水暖回路冷却液最大流量可调，燃料电池余热过剩时调节此回路水泵转速减小流量，降低部分能耗。
示例性地，在本实施例中，该车燃料电池去离子冷却水大循环开启的最低温度为70℃，最高运行温度为80℃，设计工况下中间换热器能力为6.8～7.5kw，PTC设计工况下功率5kw，当PTC全开时，中间换热器由于换热温差的降低，换热量下降到2.3～4.1kw，余热利用率下降到不开PTC时的45％左右；选型时中间换热器的能力要大于PTC的能力，PTC能力以满足设计工况下除雾需求为准，中间换热器与PTC同时工作时总加热量要满足设计工况下除霜要求；最大余热利用热量Wy(kw)，其拟合公式为：
S5、根据所述最大余热利用热量Wy和所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行。
此步骤中，根据所述最大余热利用热量Wy与所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行的具体方法如下：
当Wy为零时，控制水暖回路PTC加热器开启，并控制所述水暖回路水泵以最大流量运行；此时，所述需求制热量Q由所述水暖回路PTC加热器提供；
燃料电池大循环未开启时，燃料电池的最大余热利用热量为零，需要水暖回路PTC加热器独立供热
当Wy与Q的比值在0.95～1.05之间时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行，且不开启所述水暖回路PTC加热器；
当Wy与Q的比值小于0.95时，根据公式(5)计算所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率W，并根据所述控制目标功率W运行所述水暖回路PTC加热器；同时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行；
Q＝K4×W+K2×(Ts-Tj)+K3公式(5)
当Wy与Q的比值大于1.05时，根据公式(6)计算所述水暖回路水泵的控制目标流量，并根据所述控制目标流量控制所述水暖回路水泵运行，且不开启所述水暖回路PTC加热器；
Q＝(qv/qvmax+1)/2×(K2×(Ts-Tj)+K3)公式(6)
其中，Wy为燃料电池的最大余热利用热量，单位为kw；Q为汽车驾驶室的需求制热量，单位为kw；qvmax为所述水暖回路水泵的最大流量，单位为L/min；qv所述水暖回路水泵的控制目标流量，单位为L/min；W为所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率，单位为kw；Ts为燃料电池大循环中进入中间换热器的去离子水温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；K2、K3和K4分别为仿真待标定参数，通过仿真试验获得。
示例性地，在本实施例中，水暖回路水泵的最大流量为10L/min。
当大循环未开时，Wy为零，制热需求由所述水暖回路PTC加热器来满足，需求制热量为所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率，如需求制热量大于所述水暖回路PTC加热器的最大功率，所述水暖回路PTC加热器即按所述最大功率运行，水暖回路水泵始终以最大流量10L/min运行；
当Wy与Q的比值在0.95到1.05之间时，则以最大余热利用热量模式运行，水暖回路水泵以最大流量10L/min运行，且不开启所述水暖回路PTC加热器；
当Wy＜0.95Q时，令：
Q＝0.1109×W+0.0761×(Ts-Tj)+0.0342
计算得到所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率W，并根据所述控制目标功率运行所述水暖回路PTC加热器，且水暖回路水泵以最大流量10L/min运行；
(4)当Wy＞1.05Q时，不开启所述水暖回路PTC加热器，同时需要对水暖回路水泵降转速，在保证加热需求的前提下以降低***能耗，令：
Q＝(0.05×qv+0.5)×(0.0761×(Ts-Tj)+0.0342)
计算得到水泵控制目标流量qv，并根据所述控制目标流量运行所述水泵。
本实施例中基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法根据空调的制热模式计算对应制热模式下的汽车驾驶室的需求制热量以及燃料电池的最大余热利用热量，并根据所述最大余热利用热量和所述需求制热量控制所述汽车空调的运行，能够有效地提高燃料电池余热的利用率和汽车空调的总体能效，避免因水暖回路PTC加热器过度加热而导致的能量浪费。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集当前环境温度、车内温度和阳光强度；
S2、判断汽车空调当前的制热模式；
S3、根据所述环境温度、车内温度和/或阳光强度以及所述制热模式，计算汽车驾驶室的需求制热量Q；所述制热模式包括：除霜制热模式、除雾制热模式以及采暖制热模式；
当所述制热模式为除霜制热模式时，所述需求制热量Q的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(1)
当所述制热模式为除雾制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj)/△Tb公式(2)
当所述制热模式为采暖制热模式时，所述需求制热量的计算公式如下：
Q＝Qb×(Tc-Tj-K1×I)/△Tb公式(3)
其中，Q为所述汽车驾驶室的需求制热量，单位为kw；Tc为空调箱目标出风温度，单位为℃；Tj为空调箱进风温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为内循环模式时，Tj＝Tn，Tn为所述车内温度，单位为℃；当所述汽车空调的内外循环模式为外循环模式时，Tj＝Tw，Tw为所述环境温度，单位为℃；I为阳光强度，单位为w/㎡；Qb为设计工况下△Tb对应的目标换热量，单位为kw；△Tb为设计工况下空调箱空气进出口的目标温差，单位为℃；K1为仿真标定参数；K1×I为所述阳光强度等效的温差，单位为℃；
S4、计算燃料电池的最大余热利用热量Wy；
S5、根据所述最大余热利用热量Wy和所述需求制热量Q控制所述汽车空调运行，具体方法如下：
当Wy为零时，控制水暖回路PTC加热器开启，并控制水暖回路水泵以最大流量运行；此时，所述需求制热量Q由所述水暖回路PTC加热器提供；
当Wy与Q的比值在0.95～1.05之间时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行，且不开启所述水暖回路PTC加热器；
当Wy与Q的比值小于0.95时，根据公式(5)计算所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率W，并根据所述控制目标功率W运行所述水暖回路PTC加热器；同时，控制所述水暖回路水泵以最大流量运行；
Q＝K4×W+K2×(Ts-Tj)+K3公式(5)
当Wy与Q的比值大于1.05时，根据公式(6)计算所述水暖回路水泵的控制目标流量，并根据所述控制目标流量控制所述水暖回路水泵运行，且不开启所述PTC加热器；
Q＝(qv/qvmax+1)/2×(K2×(Ts-Tj)+K3)公式(6)
其中，Wy为燃料电池的最大余热利用热量，单位为kw；qvmax为所述水暖回路水泵的最大流量，单位为L/min；qv为所述水暖回路水泵的控制目标流量，单位为L/min；W为所述水暖回路PTC加热器的控制目标功率，单位为kw；Ts为燃料电池大循环中进入中间换热器的去离子水温度，单位为℃；K2、K3和K4分别为仿真标定参数。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述制热模式的判断方法如下：
当所述汽车空调的前除霜按键激活时，如果环境温度小于等于0℃时，判断为除霜制热模式，如果环境温度大于0℃，判断为除雾制热模式；当所述汽车空调的前除霜按键未激活时，判断为采暖制热模式。
3.根据权利要求1所述的基于燃料电池余热利用的汽车空调制热控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述燃料电池的最大余热利用热量的计算公式如下：
其中，a为燃料电池大循环工作时的水温上限温度，单位为℃；b为燃料电池大循环工作时的水温下限温度，单位为℃。
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