1.本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统及水热管理方法。
背景技术：2.目前大功率燃料电池成本过高，且单一电堆使用寿命短，一旦衰退程度超过20％整个系统就要退役，单一电堆中燃料电池单体出现故障会造成整个电堆无法使用。采用多个小功率燃料电池代替单一燃料电池可以有效提高系统的使用寿命，由于系统需求功率处于变化状态，多堆燃料电池不会一直全部启动，可以都通过有效的多堆能量分配方式实现多堆燃料电池的交替使用，进而延长整个系统的服役时间。同时单一电堆的变载能力有限，通过将需求功率分解到多堆燃料电池上，也可以提升整个系统的变载能力。当多堆燃料电池中某一个电堆出现故障可以将该电堆隔离，然后通过改写能量管理策略，整个系统依然可以正常使用。
3.相比于单一燃料电池系统，多堆燃料电池具有较多的优势，但是多堆燃料电池系统的进气系统更为复杂，其水热管理回路也更为复杂。水热管理回路的设计，需要保证每个电堆都能保持在其预热温度以上，否则电堆不能在下一刻需要其启动的时候因为温度不够造成无法启动。现有技术中多采用电加热的方式给多堆燃料电池系统保持温度，需要消耗额外的电能，而电堆本身运行产生的余热得不到有效利用，系统整体能量利用率有待提高。
技术实现要素：4.本发明针对现有的多堆燃料电池系统采用电加热方式保温，系统整体能量利用率有待提高的技术问题，提出一种系统成本低、能量利用率高的多堆燃料电池冷却系统及水热管理方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统，包括冷却水箱、水泵、ptc加热器和节温器，水泵的进水端连接冷却水箱，水泵的出水端连接ptc加热器；节温器的第一端口连接至水泵，第二端口连接冷却水混合箱，第三端口连接中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；
7.还包括连接ptc加热器和冷却水混合箱的三条冷却支路，每条冷却支路均包括经管路连接的开关阀、电堆、三通电磁阀和单向阀，电堆上连接有温度传感器，每两条冷却支路的电堆和三通电磁阀之间还通过单向阀连接。
8.作为优选，还包括控制器，控制器与开关阀、水泵、ptc加热器、三通电磁阀和温度传感器通过can网络进行通信和控制。
9.一种高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法，包括预热冷启动环节和多堆正常工作环节，当冷启动时运行预热冷启动环节，fcu控制开关阀一至三开启，三个三通电磁阀均关闭通往其他电堆的回路同时开启连同冷却水混合箱的回路，水泵和ptc加热器开启，
冷却水为三个电堆预热，当冷却水混合箱内温度达到预热温度tmin时运行进入多堆正常工作环节；
10.ptc加热器关闭，fcu计算需要工作的电堆个数和序号；
11.实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，使不工作的电堆温度维持在预热温度tmin和最佳工作温度tbest之间；其余三通电磁阀保持关闭通往其他电堆的回路同时开启连同冷却水混合箱的回路的状态。
12.作为优选，fcu计算需要工作的电堆个数和序号的方法为：获取动力电池荷电状态soc和需求功率preq，基于动力电池荷电状态soc和需求功率preq确定1～n个电堆的功率分配方式，其中n为3；
13.当soc＞a％时，由电池单独满足功率需求；
14.当电池a％≥soc＞b％时，若preq小于1个电堆的最大输出功率值，即pstack_max＞preq，由电池单独满足功率需求；若n*pstack_max≥preq＞(n-1)*pstack_max，则启动n-1个电堆，此n-1个电堆均输出最大功率，剩余功率需求由电池满足；
15.当电池b％≥soc时，若pstack_max＞preq，则启动1个电堆，该电堆输出最大功率，多余能量给电池充电直至soc》a％，关闭电堆；若n*pstack_max≥preq＞(n-1)*pstack_max，则启动n个电堆，此n个电堆均输出最大功率，多余能量给电池充电直至电池soc》a％，关闭电堆；
16.上述电堆的启动顺序由下述方法确定：
17.根据台架试验获得每个电堆出厂时标定的额定功率下的电压值ve，并在系统运行的过程中测量额定工况下电堆的实际输出电压值v’e，获得电堆电压的衰退百分比为d＝(ve-v’e)/ve；比较各个电堆的d值并排序，电堆衰退百分比小的电堆优先工作；
18.若d值相同，则进一步优选工作时长t小的电堆工作。
19.作为优选，a为80，b为20。作为优选，。
20.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
21.1、该多堆燃料电池冷却系统只需一个水泵、一个ptc加热器和一个中冷器和一个节温器，系统结构简单，成本低。
22.2、每个电堆均有自己的冷却支路，冷启动时可通过ptc加热器加热后的冷却水进行快速预热，迅速达到预热温度。
23.3、除了设置每个电堆所在的冷却支路外，三条冷却支路还通过管路连通，形成冷却液由电堆一流经电堆二流经电堆三，再回到电堆一的预热保温回路，因此当一个堆工作后产生的热量可以用来为第二个堆或者剩余堆保温，减少了第二个电堆或者剩余电堆保温所需要的额外热量，提高了系统的能量利用率。前端电堆正常工作后无需消耗额外电能即可实现后端电堆的快速启动，并且当后端电堆正常工作时也不会影响其正常的散热功能。
24.4、水热管理方法可以实现多个电堆的交替使用，保持多堆燃料电池动力系统中每一个电堆寿命的一致性，进而提升系统的使用寿命。当多堆燃料电池系统中某一个电堆出现故障时，系统依然可以继续供电，系统的稳定性高。
25.5、实现了多堆燃料电池的预热温度和工作温度都得到了的精确控制，避免了热量的堆积，保证了系统运行的稳定性，高效实用。
附图说明
26.图1为本发明多堆燃料电池冷却系统的结构示意图；
27.图2为本发明多堆燃料电池冷却系统的控制网络连接图；
28.图3为本发明多堆燃料电池冷却系统所涉及动力系统的结构示意图；
29.以上各图中：1、冷却水箱；2、水泵；3、ptc加热器；4、节温器；a、第一端口；b、第二端口；c、第三端口；5、中冷器；6、冷却水混合箱；7、开关阀一；8、电堆一；9、三通电磁阀一；10、单向阀一；11、温度传感器一；12、开关阀二；13、电堆二；14、三通电磁阀二；15、单向阀二；16、温度传感器二；17、开关阀三；18、电堆三；19、三通电磁阀三；20、单向阀三；21、温度传感器三；22、单向阀四；23、单向阀五；24、单向阀六。
具体实施方式
30.为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
31.实施例：如图1所示，一种高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统，包括冷却水箱1、水泵2、ptc加热器3和节温器4，水泵2的进水端连接冷却水箱1，水泵2的出水端连接ptc加热器3；节温器4的第一端口连接至水泵2，第二端口连接冷却水混合箱6，第三端口连接中冷器5，中冷器5的出水端连接冷却水箱1；
32.还包括连接ptc加热器3和冷却水混合箱6的三条冷却支路，第一冷却支路包括经管路连接的开关阀一7、电堆一8、三通电磁阀一9和单向阀一10，电堆一8上连接有温度传感器一11；第二冷却支路包括经管路连接的开关阀二12、电堆二13、三通电磁阀二14和单向阀二15，电堆二13上连接有温度传感器二16；第三冷却支路包括经管路连接的开关阀三17、电堆三18、三通电磁阀三19和单向阀三20，电堆三18上连接有温度传感器三21；三通电磁阀一9和电堆二13之间连接有单向阀四22，三通电磁阀二14和电堆三18之间连接有单向阀五23，三通电磁阀三19和电堆一8之间连接有单向阀六24，形成三条冷却支路之间的连通通道。
33.还包括燃料电池控制器(fcu)，fcu与三个开关阀、水泵2、ptc加热器3、三通电磁阀和温度传感器通过can网络进行通信和控制，can网络结构如图2所示。
34.该多堆燃料电池冷却系统的运行过程参照实施例二。
35.该多堆燃料电池冷却系统只需一个水泵、一个ptc加热器和一个中冷器和一个节温器，系统结构简单，成本低。系统内设置冷却水混合箱，多路冷却水在冷却水混合箱中混合后冷却水混合箱出水口水温不会波动太大，后端中冷器冷却风扇不会出现频繁改变转速的情况。同时冷却水混合箱本身也具有一定的散热功能，当工作电堆较少时甚至可以靠自身自然散热，从而无需启动中冷器风扇。当水路走小循环时，保证水泵入水口冷却水温度变化不大，否则会给电堆后端阀门调节增加困难度。
36.冷却系统设置三条冷却支路，每个电堆均有独立的冷却支路，冷启动时可通过ptc加热器加热后的冷却水进行快速预热，迅速达到预热温度。除了设置每个电堆所在的冷却支路外，三条冷却支路还通过管路连通，形成冷却液由电堆一流经电堆二流经电堆三，再回到电堆一的预热保温回路，因此当一个堆工作后产生的热量可以用来为第二个堆或者剩余堆保温，减少了第二个电堆或者剩余电堆保温所需要的额外热量，提高了系统的能量利用率。前端电堆正常工作后无需消耗额外电能即可实现后端电堆的快速启动，并且当后端电堆正常工作时也不会影响其正常的散热功能。
37.实施例二
38.一种高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法，包括预热冷启动环节和多堆正常工作环节。
39.预热冷启动环节：
40.当车辆冷启动时，此时电堆温度过低无法正常工作，车辆上低压电，电堆一～三开始预热，fcu控制开关阀一～三开启。fcu控制三通电磁阀一9关闭进入单向阀四22的回路同时开启进入单向阀一10的回路，冷却水从开关阀一7经过三通电磁阀一9、单向阀一10流入冷却水混合箱6；fcu控制三通电磁阀二14关闭进入单向阀五23的回路同时开启进入单向阀二15的回路，冷却水从开关阀二12经过三通电磁阀二14、单向阀二15流入冷却水混合箱6；fcu控制三通电磁阀三19关闭进入单向阀六24的回路同时开启进入单向阀三20的回路，冷却水从开关阀三17经过三通电磁阀三19、单向阀三20流入冷却水混合箱6；fcu控制水泵2开启，ptc加热器3开启。冷却水经过ptc加热后通过各自的单向阀回到冷却水混合箱6。并通过节温器4的小循环进入水泵2，加速电堆一～三的预热。随着预热的进行，冷却水混合箱6中的冷却水温逐渐达到节温器4大循环开启的温度值t
min
，t
min
也是电堆一～三的预热目标温度。此时节温器4大循环先开启，冷却水混合箱6中大部分的冷却水通过节温器4大循环、中冷器5流入冷却水箱1，少部分冷却水通过节温器4小循环流入水泵2。
41.多堆正常工作与保温环节：电堆一～三预热冷启动结束后，关闭ptc加热器3，fcu根据能量管理算法计算需要工作的电堆序号，并确定三通电磁阀一～三的工作状态。
42.常见的多堆燃料电池动力系统结构如图3所示其主要包括电堆一～三，电池，dc/dc一～三，电压传感器一～三，电机控制器，电机。电池与电堆一～三并联接入母线给电机控制器供电，电机控制器根据整车行驶需求控制电机的转速和和转矩，电压传感器一～三分别测量电堆一～三的电压。
43.所述能量管理算法具体如下：
44.首先获取动力电池荷电状态soc和需求功率p
req
，根据需求功率计算出需要工作的电堆个数。电堆一至三选型时满足系统需求功率最大值p
req_max
小于三个电堆的最大输出功率p
stack_max
之和，即3*p
stack_max
》p
req_max
。
45.当电池soc＞80％时，由电池单独满足系统功率需求，电池输出功率p
bat
＝p
req
。
46.当电池80％≥soc＞20％时，根据需求功率p
req
计算电池和电堆一至三的功率分配方式，若p
req
小于1个电堆的最大输出功率值，即p
stack_max
＞p
req
，此时仅电池工作，由电池单独满足功率需求；若p
req
大于等于1个电堆的最大输出功率并小于2个电堆的最大输出功率值之和，即2*p
stack_max
≥p
req
＞p
stack_max
，则启动1个电堆，该电堆输出最大功率，剩余功率需求由电池满足；若p
req
大于2个电堆的最大输出功率并小于3个电堆的最大输出功率值之和，即3*p
stack_max
≥p
req
＞2*p
stack_max
，则启动两个电堆，这两个电堆均输出最大功率，剩余功率需求由电池满足。
47.当电池20％≥soc时，根据需求功率p
req
计算电池和电堆一至三的功率分配方式。若p
req
小于1个电堆的最大输出功率值，即p
stack_max
＞p
req
，则启动1个电堆，该电堆输出最大功率一部分满足系统功率需求，多余能量给电池充电直至电池soc》80％，此后关闭电堆；若p
req
大于等于1个电堆的最大输出功率并小于2个电堆的最大输出功率值之和，即2*p
stack_max
≥p
req
＞p
stack_max
，则启动2个电堆，2个电堆均输出最大功率，两个电堆输出的功率一部分满
足系统功率需求，多余能量给电池充电直至电池soc》80％，此后关闭电堆；若p
req
大于2个电堆的最大输出功率并小于3个电堆的最大输出功率值之和，即3*p
stack_max
≥p
req
＞2*p
stack_max
，则启动3个电堆，这3个电堆均输出最大功率，3个电堆输出的功率一部分满足系统功率需求，多余能量给电池充电直至电池soc》80％，此后关闭电堆。
48.三个电堆的启动顺序由下述方法确定：
49.根据台架试验获得电堆一至三出厂时标定的额定功率下的电压值v
e1
，v
e2
，v
e3
，并在系统运行的过程中测量额定工况下电堆一至三的实际输出电压值v’e1
，v’e2
，v’e3
，获得电堆一至三电压的衰退百分比为d1＝(v
e1-v’e1
)/v
e1
，d2＝(v
e2-v’e2
)/v
e2
，d3＝(v
e3-v’e3
)/v
e3
。比较d1，d2，d3大小并排序，电堆衰退百分比越小的电堆优先工作。例如d3》d1》d2，若需要两个电堆工作则启动电堆一8和电堆二13，若仅需要一个电堆工作则启动电堆二13。
50.若d1＝d2＝d3，则根据电堆历史工作时长决定电堆开启。保存电堆历史工作时长为t1，t2，t3，工作时长越短的电堆优先工作，例如t3》t1》t2，若需要两个电堆工作则启动电堆一8和电堆二13，若仅需要1个电堆工作则启动电堆二13。若遇到另个电堆d值和t值均相同，则两个电堆随机择一运行。
51.下面根据具体电堆的工作情况，具体说明系统工作状态。
52.(1)若仅电堆一8需要工作，电堆二13、电堆三18无需工作，此时需要保持电堆二13和电堆三18的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀一7保持开启，开关阀二和三关闭，三通电磁阀三19关闭进入单向阀六24的回路，开启进入单向阀三20的回路。
53.冷却水通过开关阀一7流入电堆一8并吸收电堆一8的热量后流入三通电磁阀一9，此时三通电磁阀一9根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀一10及单向阀四22的流量。
54.冷却水流入三通电磁阀一9后一路通过单向阀一10流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀四22流入电堆二13。冷却水流入电堆二13给电堆二13保温后从出水口流入三通电磁阀二14，此时三通电磁阀二14根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二15及单向阀五23的流量。
55.冷却水流入三通电磁阀二14后一路通过单向阀二15流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀五23流入电堆三18。冷却水流入电堆三18给电堆三18保温后从出水口流入三通电磁阀三19。冷却水经过三通电磁阀三19通过单向阀三20流入冷却水混合箱6。
56.水热管理算法通过三通电磁阀一9控制进入的电堆二13流量进而保证电堆二13的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。水热管理算法通过三通电磁阀二14控制进入电堆三18的流量进而保证电堆三18的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
57.(2)若仅电堆二13需要工作，电堆一8、电堆三18无需工作，此时需要保持电堆一和三的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀二12保持开启，开关阀一7和开关阀三关闭，三通电磁阀一9关闭进入单向阀四22的回路，开启进入单向阀一10的回路。
58.冷却水通过开关阀二12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入三通电磁阀二14，此时三通电磁阀二14根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二15及单向阀五23的流量。
59.冷却水流入三通电磁阀二14后一路通过单向阀二15流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀五23流入电堆三18。冷却水流入电堆三18给电堆三18保温后从出水口流入三通电磁阀三19，此时三通电磁阀三19根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀三20及单向阀六24的流量。
60.冷却水流入三通电磁阀三19后一路通过单向阀三20流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀六24流入电堆一8。冷却水流入电堆一8给电堆一8保温后从出水口流入三通电磁阀一9。冷却水经过三通电磁阀一9通过单向阀一10流入冷却水混合箱6。
61.水热管理算法通过三通电磁阀二14控制进入的电堆三18流量进而保证电堆三18的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。水热管理算法通过三通电磁阀三19控制进入电堆一8的流量进而保证电堆一8的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
62.(3)若仅电堆三18需要工作，电堆一8、电堆二13无需工作，此时需要保持电堆一8和电堆二13的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀三17保持开启，开关阀一7和开关阀二关闭，三通电磁阀二14关闭进入单向阀五23的回路，开启进入单向阀二15的回路。
63.冷却水通过开关阀三17流入电堆三18并吸收电堆三18的热量后流入三通电磁阀三19，此时三通电磁阀三19根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀三20及单向阀六24的流量。
64.冷却水流入三通电磁阀三19后一路通过单向阀三20流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀六24流入电堆一8。冷却水流入电堆一8给电堆一8保温后从出水口流入三通电磁阀一9，此时三通电磁阀一9根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀一10及单向阀四22的流量。
65.冷却水流入三通电磁阀一9后一路通过单向阀一10流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀四22流入电堆二13。冷却水流入电堆二13给电堆二13保温后从出水口流入三通电磁阀二14。冷却水经过三通电磁阀二14通过单向阀二15流入冷却水混合箱6。
66.水热管理算法通过三通电磁阀三19控制进入的电堆一8流量进而保证电堆一8的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。水热管理算法通过三通电磁阀一9控制进入电堆二13的流量进而保证电堆二13的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
67.(4)若电堆一8和电堆二13需要工作，电堆三18无需工作，此时需要保持电堆三18的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀一7和开关阀二保持开启，开关阀三17关闭。三通电磁阀一9关闭进入单向阀四22的回路，开启进入单向阀一10的回路；三通电磁阀三19关闭进入单向阀六24的回路，开启进入单向阀三20的回路。
68.冷却水通过开关阀一7流入电堆一8并吸收电堆一8的热量后流入三通电磁阀一9，并通过单向阀一10流入冷却水混合箱6。
69.冷却水通过开关阀二12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入三通电磁阀二14，此时三通电磁阀二14根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二15及单向阀五23的流量。
70.冷却水流入三通电磁阀二14后一路通过单向阀二15流入冷却水混合箱6，一路通
过单向阀五23流入电堆三18。冷却水流入电堆三18给电堆三18保温后从出水口流出并通过三通电磁阀三19、单向阀三20流入冷却水混合箱6。
71.(5)若电堆一8和电堆三需要工作，电堆二13无需工作，此时需要保持电堆二13的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀一和开关阀三保持开启，开关阀二12关闭。三通电磁阀二14关闭进入单向阀五23的回路，开启进入单向阀一10的回路；三通电磁阀三19关闭进入单向阀六24的回路，开启进入单向阀三20的回路。
72.冷却水通过开关阀三17流入电堆三18并吸收电堆三18的热量后流入三通电磁阀三19，并通过单向阀三20流入冷却水混合箱6。
73.冷却水通过开关阀一7流入电堆一8并吸收电堆一8的热量后流入三通电磁阀一9，此时三通电磁阀一9根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀一10及单向阀四22的流量。
74.冷却水流入三通电磁阀一9后一路通过单向阀一10流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀四22流入电堆二13。冷却水流入电堆二13给电堆二13保温后从出水口流出并通过三通电磁阀二14、单向阀二15流入冷却水混合箱6。
75.(6)若电堆二13和电堆三18需要工作，电堆一8无需工作，此时需要保持电堆一8的温度处于预热温度t
min
及最佳工作温度t
best
之间，以便需要其工作时可以快速开始工作。开关阀二12和三保持开启，开关阀一7关闭。三通电磁阀二14关闭进入单向阀五23的回路，开启进入单向阀二15的回路；三通电磁阀一9关闭进入单向阀四22的回路，开启进入单向阀一10的回路。
76.冷却水通过开关阀二12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入三通电磁阀二14，并通过单向阀二15流入冷却水混合箱6。
77.冷却水通过开关阀三17流入电堆三18并吸收电堆三18的热量后流入三通电磁阀三19，此时三通电磁阀三19根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀三20及单向阀六24的流量。
78.冷却水流入三通电磁阀三19后一路通过单向阀三20流入冷却水混合箱6，一路通过单向阀六24流入电堆一8。冷却水流入电堆一8给电堆一8保温后从出水口流出并通过三通电磁阀一9、单向阀一10流入冷却水混合箱6。
79.(7)若电堆一8和电堆二13和三需要工作，此时无需考虑电堆一～三的预热保温，而仅需考虑三个电堆的散热，开关阀一～三均开启，三通电磁阀一9关闭进入单向阀四22的回路，开启进入单向阀一10的回路；三通电磁阀二14关闭进入单向阀五23的回路，开启进入单向阀二15的回路；三通电磁阀三19关闭进入单向阀六24的回路，开启进入单向阀三20的回路。
80.停机环节：水泵2关闭，开关阀一～三均关闭，系统停机。
81.多堆燃料电池动力系统包括电堆一～三，电池，dc/dc一～三，电压传感器一～三，电机控制器，电机。电池与电堆一～三并联接入母线给电机控制器供电，电机控制器根据整车行驶需求控制电机的转速和和转矩。电压传感器一～三分别测量电堆一～三的电压。多堆燃料电池动力系统如下：
82.三通电磁阀一至三的阀门开度控制算法主要如下：
83.当三个电堆中只有一个电堆不工作时，水热管理算法仅需实时调整该不工作电堆
前端三通电磁阀的阀门开度，并保持该电堆的温度在t
min
～t
best
之间。电堆一前端的三通电磁阀是三通电磁阀三，电堆二前端的三通电磁阀是三通电磁阀一，电堆三前端的三通电磁阀是三通电磁阀二。例如电堆一8不工作时，需要调整三通电磁阀三19的实时开度d3，温度传感一测量的电堆一8的温度t1。三通电磁阀三19的开度采用恒温器控制策略，当t
best
》t1时，三通电磁阀三19导通进入单向阀六24的回路关闭进入单向阀三20的回路。当t1≥t
best
时，三通电磁阀三19导通进入单向阀三20的回路关闭进入单向阀六24的回路。
84.当三个电堆中只有两个电堆不工作时，水热管理算法仅需实时调整这两个电堆各自前端两个三通电磁阀的阀门开度，并保持该电堆的温度在t
min
～t
best
之间。例如电堆二13和电堆三18不工作时，需要调整三通电磁阀一9的实时开度d1以及三通电磁阀二14的实时开度d2。由于经过预热环节或者电堆二13、电堆三18上一刻运行过，此时电堆二13和电堆三18的温度均高于t
min
，三通电磁阀一9的主要功能保证电堆二13的温度在t
min
～t
best
之间，同时从电堆二13出水口出来的冷却水足够将电堆三18的温度保持在在t
min
～t
best
之间，由于三通电磁阀一9的开度不仅会影响电堆二13的温度保持同时也会影响电堆三18的温度保持，因此需要控制电堆二13的温度恒定，并且从电堆二13出水口出来的冷却水可以保证电堆三18的温度处于t
min
～t
best
之间。固定电堆二13的温度等于(t
min
+t
best
)/2(当三通电磁阀一9完全打开冷却水进入单向阀四22的回路，关闭进入单向阀一10的回路，此时d1＝100％)。电磁阀的当前开度为d1’
，三通电磁阀一9的开度的变化量为d
1”，d
1”＝k1(λ)[t
2-(t
best
+t
min
)/2]，k1(λ)为阀门开度的非线性系数，由台架标定得出。三通电磁阀一9的阀门开度最终实时开度为d1＝d1’‑d1”。三通电磁阀三19的控制采用恒温器控制策略，当t
best
》t3时，三通电磁阀三19导通进入单向阀六24的回路关闭进入单向阀三20的回路。当t3≥t
best
时，三通电磁阀三19导通进入单向阀三20的回路关闭进入单向阀六24的回路。
[0085]
本实施例所述的高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法可以实现多个电堆的交替使用，保持多堆燃料电池动力系统中每一个电堆寿命的一致性，进而提升系统的使用寿命。当多堆燃料电池系统中某一个电堆出现故障时，系统依然可以继续供电，系统的稳定性高。实现了多堆燃料电池的预热温度和工作温度都得到了的精确控制，避免了热量的堆积，保证了系统运行的稳定性，高效实用。
[0086]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
技术特征：1.一种高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：包括冷却水箱、水泵、ptc加热器和节温器，水泵的进水端连接冷却水箱，水泵的出水端连接ptc加热器；节温器的第一端口连接至水泵，第二端口连接冷却水混合箱，第三端口连接中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；还包括连接ptc加热器和冷却水混合箱的三条冷却支路，每条冷却支路均包括经管路连接的开关阀、电堆、三通电磁阀和单向阀，电堆上连接有温度传感器，每两条冷却支路的电堆和三通电磁阀之间还通过单向阀连接。2.根据权利要求2所述的高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：还包括控制器，控制器与开关阀、水泵、ptc加热器、三通电磁阀和温度传感器通过can网络进行通信和控制。3.一种高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法，其特征在于：包括预热冷启动环节和多堆正常工作环节，当冷启动时运行预热冷启动环节，fcu控制开关阀一至三开启，三个三通电磁阀均关闭通往其他电堆的回路同时开启连同冷却水混合箱的回路，水泵和ptc加热器开启，冷却水为三个电堆预热，当冷却水混合箱内温度达到预热温度t
min
时运行进入多堆正常工作环节；ptc加热器关闭，fcu计算需要工作的电堆个数和序号；实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，使不工作的电堆温度维持在预热温度t
min
和最佳工作温度t
best
之间；其余三通电磁阀保持关闭通往其他电堆的回路同时开启连同冷却水混合箱的回路的状态。4.根据权利要求3所述的高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法，其特征在于，fcu计算需要工作的电堆个数和序号的方法为：获取动力电池荷电状态soc和需求功率p
req
，基于动力电池荷电状态soc和需求功率p
req
确定1～n个电堆的功率分配方式，其中n为3；当soc＞a％时，由电池单独满足功率需求；当电池a％≥soc＞b％时，若p
req
小于1个电堆的最大输出功率值，即p
stack_max
＞p
req
，由电池单独满足功率需求；若n*p
stack_max
≥p
req
＞(n-1)*p
stack_max
，则启动n-1个电堆，此n-1个电堆均输出最大功率，剩余功率需求由电池满足；当电池b％≥soc时，若p
stack_max
＞p
req
，则启动1个电堆，该电堆输出最大功率，多余能量给电池充电直至soc>a％，关闭电堆；若n*p
stack_max
≥p
req
＞(n-1)*p
stack_max
，则启动n个电堆，此n个电堆均输出最大功率，多余能量给电池充电直至电池soc>a％，关闭电堆；上述电堆的启动顺序由下述方法确定：根据台架试验获得每个电堆出厂时标定的额定功率下的电压值v
e
，并在系统运行的过程中测量额定工况下电堆的实际输出电压值v’e
，获得电堆电压的衰退百分比为d＝(v
e-v’e
)/v
e
；比较各个电堆的d值并排序，电堆衰退百分比小的电堆优先工作；若d值相同，则进一步优选工作时长t小的电堆工作。5.根据权利要求4所述的高能量利用率的多堆燃料电池水热管理方法，其特征在于：a为80，b为20。
技术总结本发明提出一种高能量利用率的多堆燃料电池冷却系统及水热管理方法，系统包括冷却水箱、水泵、PTC加热器和节温器，以及冷却水混合箱，还包括连接PTC加热器和冷却水混合箱的三条冷却支路，每条冷却支路均包括经管路连接的开关阀、电堆、三通电磁阀和单向阀，电堆上连接有温度传感器，每两条冷却支路的电堆和三通电磁阀之间还通过单向阀连接。该系统前端电堆正常工作后产生余热可为后端电堆保温，无需消耗额外电能即可实现后端电堆的快速启动，热能利用率高。通过水热管理方法可以提升系统的使用寿命，高效实用。高效实用。高效实用。
技术研发人员：谢佳平 朱维 匡金俊 于志浩
受保护的技术使用者：上海卓微氢科技有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
