1.本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种多堆燃料电池冷却系统与控制方法。
背景技术：2.随着汽车工业的进一步发展，传统内燃机车辆消耗了大量化石燃料，排放有害废气，导致空气污染、温室效应、酸雨等。能源危机与气候变暖已成为当下急需解决的全球性问题。将氢燃料电池作为电动汽车的储能解决方案是另一种减少充电时间和增加汽车行驶里程的方法。此外，氢气被视为一种清洁燃料，其来源较为广泛如：电解水、生物质能制氢、工业副产氢等，然而低耐久性和高成本是阻碍燃料电池商用化的两个主要原因。
3.单一大功率电堆使用寿命短，通过多个小功率电堆取代单一电堆，并结合能量管理算法可以有效提高燃料电池系统的使用寿命。多堆燃料电池系统一般采用独立的冷却回路，即每一个电堆冷却回路都包含一个独立的水泵、ptc加热器、散热器等器件，虽然可以很好的保证电堆工作温度，但系统成本高、能耗高，且冷却系统需要占据大量空间。另外，燃料电池在寒冷环境中冷启动需要一段时间，未经过预热的燃料电池冷启动需要2-5min，这会导致燃料电池多堆系统无法快速满足整车实时行驶的能量需求。现有技术中多采用ptc加热器为电堆预热，并为暂时不工作的电堆保温，需要消耗大量电能，而电堆余热得不到有效利用。
技术实现要素：4.本发明针对现有的多堆燃料电池采用独立冷却回路，系统成本高，且无法有效利用电堆余热的技术问题，提出一种有效利用电堆余热进行电堆预热和保温的多堆燃料电池冷却系统以及控制方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种多堆燃料电池冷却系统，包括中冷器、冷却水箱、水泵及ptc加热器，水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至ptc加热器，ptc加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；
7.第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一、单向阀七、电堆一、节温器一、三通电磁阀一、单向阀二，第二冷却支路包括开关阀二、单向阀八、电堆二、节温器二、三通电磁阀二、单向阀二，第三冷却支路包括开关阀三、单向阀九、电堆三、节温器三、三通电磁阀三、单向阀三，节温器一至三的第三端口均连接回水管二，回水管二连接至水泵；三通电磁阀一的第三接口与电堆二之间还连接有单向阀十一，三通电磁阀二的第三接口与电堆三之间还连接有单向阀十二，三通电磁阀三的第三接口与电堆一之间还连接有单向阀十。
8.作为优选，电堆一至三上均连接有温度传感器。
9.作为优选，节温器一至三的第三端口均经过单向阀后连接至回水管二。
10.本发明还提出一种多堆燃料电池冷却系统控制方法，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
磁阀均关闭通往回水管一的回路同时开启进入其他电堆的回路，水泵开启和ptc加热器开启，冷却水为三个电堆预热，当电堆一至三的温度均达到预热温度t
min
时运行进入多堆正常工作环节；
11.ptc加热器关闭，fcu计算需要工作的电堆个数和序号，
12.当只有一个电堆需要工作时，该电堆所在冷却支路的开关阀打开，其余两个开关阀关闭，fcu实时调整不工作的两个电堆前端的两个三通电磁阀的开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使不工作的两个电堆温度在预热温度t
min
和最佳工作温度t
best
之间；
13.当需要两个电堆工作时，工作的两个电堆所在冷却支路的开关阀开启，fcu实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使该电堆的温度在t
min
～t
best
之间；
14.当三个电堆均需要工作时，三个开关阀开启，三个三通电磁阀均关闭第三接口。
15.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；
16.当soc＞a％时，由电池单独满足功率需求；
17.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；
18.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；
19.上述电堆的启动顺序由下述方法确定：
20.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＝(v
e-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；
21.若d值相同，则进一步优选工作时长t小的电堆工作。
22.作为优选，a为80，b为20。
23.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
24.1、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，系统结构简单，成本低。
25.2、除了设置每个电堆所在的冷却支路外，还设置有一个由电堆一、电堆二、电堆三，再回到电堆一的循环保温回路，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，减少了第二个堆或者剩余堆预热所需要的额外热量，提高了系统的能量利用率。
26.3、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。
27.4、多堆燃料电池冷却系统控制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。
28.5、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
29.图1为本发明多堆燃料电池冷却系统的结构示意图；
30.图2为本发明多堆燃料电池冷却系统的控制网络连接图；
31.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；
32.以上各图中：1、冷却水箱；2、水泵；3、ptc加热器；4、开关阀一；5、单向阀七；6、电堆一；7、节温器一；8、三通电磁阀一；9、单向阀二；10、单向阀一；11、开关阀二；12、单向阀八；13、电堆二；14、节温器二；15、三通电磁阀二；16、单向阀四；17、单向阀三；18、开关阀三；19、单向阀九；20、电堆三；21、节温器三；22、三通电磁阀三；23、单向阀六；24、单向阀五；25、中冷器二；26、回水管一；27、回水管二；28、温度传感器一；29、温度传感器二；30、温度传感器三；31、单向阀十；32、单向阀十一；33、单向阀十二；a、第一接口；b、第二接口；c、第三接口。
具体实施方式
33.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。
34.实施例一
35.如图1所示，一种多堆燃料电池冷却系统，包括中冷器25、冷却水箱1、水泵2及ptc加热器3，水泵2进水口连接冷却水箱1，水泵2出水口连接至ptc加热器3，ptc加热器3的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一26连接至中冷器25，中冷器25的出水端连接冷却水箱1；
36.第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一4、单向阀七5、电堆一6、节温器一7、三通电磁阀一8、单向阀二9，节温器一7的第三端口经过单向阀一10后连接至回水管二27，回水管二27连接至水泵1；第二冷却支路包括开关阀二11、单向阀八12、电堆二13、节温器二14、三通电磁阀二15、单向阀二9，节温器二14的第三端口经过单向阀三17后连接至回水管二27；第三冷却支路包括开关阀三18、单向阀九19、电堆三20、节温器三21、三通电磁阀三22、单向阀三17，节温器三21的第三端口经过单向阀五24连接回水管二27；
37.三通电磁阀一8的第三接口c与电堆二13之间还连接有单向阀十一32，三通电磁阀二15的第三接口c与电堆三20之间还连接有单向阀十二33，三通电磁阀三22的第三接口c与电堆一6之间还连接有单向阀十31，形成一个由电堆一6、电堆二13、电堆三20，再回到电堆一6的循环预热回路。电堆一至三上分别连接有温度传感器一至三，用于测量电堆出水口处冷却水的温度。
38.还包括燃料电池控制器(fcu)，fcu与水泵2、开关阀一至三、ptc加热器3、温度传感器一至三、三通电磁阀一至三、电堆一至三均通过can网络进行通信与控制，can网络如图2所示。
39.该多堆燃料电池冷却系统的运行过程参照实施例二。
40.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，系统结构简单，成本低。除了设置每个电堆所在的冷却支路外，还设置有一个由电堆一、电堆二、电堆三，再回到电堆一的循环保温回路，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，减少了第二个堆或者剩余堆预热所需要的额外热量，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。
41.实施例二
42.一种多堆燃料电池冷却系统控制方法，包括预热冷启动环节、多堆正常工作环节以及停机环节。
43.预热冷启动环节：当车辆冷启动时，此时电堆温度过低无法正常工作。此时车辆上低压电，电堆一至三开始预热，fcu控制开关阀一至三开启。fcu控制三通电磁阀一8关闭进入单向阀二9的回路同时开启进入单向阀十一32的回路，三通电磁阀二15关闭进入单向阀四16的回路同时开启进入单向阀十二33的回路，三通电磁阀三22关闭进入单向阀六23的回路同时开启进入单向阀十31的回路；此后fcu控制水泵2开启，ptc加热器3开启。冷却水经过ptc加热后通过各个电堆所在的冷却支路的节温器一至三小循环回到水泵2。随着预热的进行，冷却水温逐渐达到节温器大循环开启的温度值t
min
，t
min
也是电堆一至三的预热目标温度。若节温器一7大循环先开启，则冷却水一部分通过单向阀一10回到水泵2，大部分冷却水通过三通电磁阀一8进入电堆二13，电堆二13接收从单向阀八12、单向阀十一32流入加热后的冷却水可以加快电堆二13达到预热温度t
min
。若节温器三21大循环先开启，则冷却水一部分通过单向阀五24回到水泵2，大部分冷却水通过三通电磁阀三22进入电堆一6，电堆一6接收从单向阀七5、单向阀十31流入加热后的冷却水可以加快电堆一6达到预热温度t
min
。
44.多堆正常工作环节：电堆一至三预热冷启动结束后，关闭ptc加热器3，并根据能量管理算法计算的需要工作的电堆序号来确定三通电磁阀一至三的工作状态。
45.常见的多堆燃料电池动力系统结构如图3所示，其主要包括电堆一至三、电池、dc/dc一至三、电压传感器一至三、电机控制器以及电机。电池与电堆一至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，电压传感器一至三分别测量电堆一至三的电压。
46.所述能量管理算法具体如下：
47.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
。
48.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
。
49.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2个电堆，这2个电堆均输出最大功率，剩余功率需求由电池满足。
50.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。
51.三个电堆的启动顺序由下述方法确定：
52.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一6和电堆二13，若仅需要一个电堆工作则启动电堆二13。
53.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一6和电堆二，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。
54.下面根据具体电堆运行的数量和序号进行说明：
55.(1)若仅电堆一6需要工作，电堆二13、电堆三20无需工作，此时需要保持电堆二13、电堆三20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。开关阀一4保持开启，开关阀二和三关闭，三通电磁阀三22关闭进入单向阀十31的回路，开启进入单向阀六23的回路。
56.冷却水通过单向阀七5流入电堆一6并吸收电堆一6的热量后流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8，此时三通电磁阀一8根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二9及单向阀十一32的流量。
57.冷却水流入三通电磁阀一8后一路通过单向阀二9、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十一32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节温器二14，节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15。此时三通电磁阀二15根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀四16及单向阀十二33的流量。
58.冷却水流入三通电磁阀二15后一路通过单向阀四16、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十二33流入电堆三20。冷却水流入电堆三20给电堆三20保温后从出水口流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀五24流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22。冷却水经过三通电磁阀三22通过单向阀六23、中冷器25流入水箱。
59.fcu通过水热管理算法控制三通电磁阀一8的阀门开度，从而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二15控制进入电堆三20的流量进而保证电堆三20的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
60.(2)若仅电堆二13需要工作，电堆一6、电堆三20无需工作，此时需要保持电堆一6
和电堆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。开关阀二11保持开启，开关阀一4和开关阀三关闭，三通电磁阀一8关闭进入单向阀十一32的回路，开启进入单向阀二9的回路。
61.冷却水通过单向阀八12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入节温器二14，节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15，此时三通电磁阀二15根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀四16及单向阀十二33的流量。
62.冷却水流入三通电磁阀二15后一路通过单向阀四16、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十二33流入电堆三20。冷却水流入电堆三20给电堆三20保温后从出水口流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀四16流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22。此时三通电磁阀三22根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀六23及单向阀十31的流量。
63.冷却水流入三通电磁阀三22后一路通过单向阀六23、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十31流入电堆一6。冷却水流入电堆一6给电堆一6保温后从出水口流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8。冷却水经过三通电磁阀一8通过单向阀二9、中冷器25流入水箱。
64.fcu通过水热管理算法控制三通电磁阀二15的阀门开度，从而控制进入的电堆三20流量进而保证电堆三20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三22控制进入电堆一6的流量进而保证电堆三20的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
65.(3)若仅电堆三20需要工作，电堆一6、电堆二13无需工作，此时需要保持电堆一6和电堆二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。开关阀三18保持开启，开关阀一4和开关阀二关闭，三通电磁阀三22关闭进入单向阀十二33的回路，开启进入单向阀四16的回路。
66.冷却水通过单向阀九19流入电堆三20并吸收电堆三20的热量后流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀五24流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22，此时三通电磁阀三22根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀六23及单向阀十31的流量。
67.冷却水流入三通电磁阀三22后一路通过单向阀六23、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十31流入电堆一6。冷却水流入电堆一6给电堆一6保温后从出水口流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8。此时三通电磁阀一8根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二9及单向阀十一32的流量。
68.冷却水流入三通电磁阀一8后一路通过单向阀二9、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十一32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节温器二14，节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15。冷却水经过三通电磁阀二15通过单向阀四16、中冷器25流入水箱。
69.fcu通过水热管理算法控制三通电磁阀一8的阀门开度，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
。fcu通过水热管理算法控制三通电磁阀三22的
阀门开度，进而保证电堆三20的温度大于t
min
并小于燃料电池最佳工作温度t
best
。
70.(4)若电堆一6和电堆二需要工作，电堆三20无需工作，此时需要保持电堆三20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。开关阀一4和开关阀二保持开启，开关阀三18关闭。三通电磁阀一8关闭进入单向阀十一32的回路，开启进入单向阀二9的回路；三通电磁阀三22关闭进入单向阀十31的回路，开启进入单向阀六23的回路。
71.冷却水通过单向阀七5流入电堆一6并吸收电堆一6的热量后流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8，并通过单向阀二9、中冷器25回到水箱；
72.冷却水通过单向阀八12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入节温器二14，节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15，此时三通电磁阀二15根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀四16及单向阀十二33的流量。
73.冷却水流入三通电磁阀二15后一路通过单向阀四16、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十二33流入电堆三20。冷却水流入电堆三20给电堆三20保温后从出水口流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀五24流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22并通过单向阀六23、中冷器25流入水箱。
74.(5)若电堆一6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。开关阀一4和开关阀三保持开启，开关阀二11关闭。三通电磁阀二15关闭进入单向阀十二33的回路，开启进入单向阀四16的回路；三通电磁阀三22关闭进入单向阀十31的回路，开启进入单向阀六23的回路。
75.冷却水通过单向阀九19流入电堆三20并吸收电堆三20的热量后流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀五24流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22，并通过单向阀六23、中冷器25回到水箱；
76.冷却水通过单向阀七5流入电堆一6并吸收电堆一6的热量后流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8，此时三通电磁阀一8根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀二9及单向阀十一32的流量。
77.冷却水流入三通电磁阀一8后一路通过单向阀二9、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十一32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节温器二14，节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15并通过单向阀四16、中冷器25流入水箱。
78.(6)若电堆二和电堆3需要工作，电堆一6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。开关阀一4和开关阀三保持开启，开关阀二11关闭。三通电磁阀一8关闭进入单向阀十一32的回路，开启进入单向阀二9的回路；三通电磁阀二15关闭进入单向阀十二33的回路，开启进入单向阀四16的回路。
79.冷却水通过单向阀八12流入电堆二13并吸收电堆二13的热量后流入节温器二14，
节温器二14流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀三17流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀二15，并通过单向阀四16、中冷器25回到水箱；
80.冷却水通过单向阀九19流入电堆三20并吸收电堆三20的热量后流入节温器三21，节温器三21流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀五24流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀三22，此时三通电磁阀三22根据水热管理算法分配冷却水进入单向阀六23及单向阀十31的流量。
81.冷却水流入三通电磁阀三22后一路通过单向阀六23、中冷器25流入水箱，一路通过单向阀十31流入电堆一6。冷却水流入电堆一6给电堆一6保温后从出水口流入节温器一7，节温器一7流出的冷却水小部分通过小循环中的单向阀一10流入水泵2，大部分冷却水进入三通电磁阀一8并通过单向阀二9、中冷器25流入水箱。
82.(7)若电堆一至三都需要工作，此时无需考虑电堆一至三的预热保温，而仅需考虑三个电堆的散热，开关阀一4至三均开启，三通电磁阀一8关闭进入单向阀十一32的回路，开启进入单向阀二9的回路；三通电磁阀二15关闭进入单向阀十二33的回路，开启进入单向阀四16的回路；三通电磁阀三22关闭进入单向阀十31的回路，开启进入单向阀六23的回路。
83.停机环节：水泵2关闭，开关阀一至三均关闭，系统停机。
84.控制三通电磁阀一、二、三的阀门开度的水热管理算法如下：
85.当三个电堆中只有一个电堆不工作时，fcu根据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tmin～tbest之间。电堆一6前端的三通电磁阀是三通电磁阀三22，电堆二13前端的三通电磁阀是三通电磁阀一8，电堆三20前端的三通电磁阀是三通电磁阀二15。
86.例如电堆一6不工作时，需要调整三通电磁阀三22的实时开度d3，温度传感1测量的电堆一6的温度t1。当t1远小于t
min
时，三通电磁阀三22完全打开冷却水进入单向阀十31的回路，关闭进入单向阀六23的回路，此时d3＝100％。随着保温环节的进行，t1逐渐接近t
min
并超过t
min
，此时需要减小三通电磁阀三22的开度d3，计算阀门开度的变化量d
3”，d
3”＝k3(λ)[t
1-(t
best
+t
min
)/2]，k3(λ)为阀门开度的非线性系数，由台架标定得出。三通电磁阀三22的阀门开度最终实时开度为d3＝d3’‑d3”，d3’
为三通电磁阀三22上一个控制动作的开度。
[0087]
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。
[0088]
例如电堆二和电堆3不工作时，需要调整三通电磁阀一8的实时开度d1以及三通电磁阀二15的实时开度d2。温度传感2测量的电堆二13的温度t2，温度传感3测量的电堆三20的温度t3。当t2远小于t
min
时，三通电磁阀一8完全打开冷却水进入单向阀十一32的回路，关闭进入单向阀二9的回路，此时d1＝100％。当t3远小于t
min
时，三通电磁阀二15完全打开冷却水进入单向阀十二33的回路，关闭进入单向阀四16的回路，此时d2＝100％。需要注意的是此刻仅电堆一6工作，电堆二和电堆3不工作，但可能电堆二13或者电堆三20上一刻处于工作状态，电堆二13或者电堆三20的温度较高。同时由于电堆二13保温的热源来自于电堆一6，而电堆三20保温的热源来自于电堆二13吸收完电堆一6冷却水的热量后的剩余热量，三通电磁阀一8的开度会同时影响电堆二和电堆3的保温温度，而三通电磁阀二15的开度仅影响电堆三20的保温温度。此时根据温度传感器测量的电堆二13和电堆三20的温度值t2和t3，当系统仅一个电堆工作时，需要固定第一个不工作电堆的保温温度，即电堆一6不工作时，固
定电堆二13的保温温度为(t
best
+t
min
)/2，三通电磁阀一8的开度的变化量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。三通电磁阀一8的阀门开度最终实时开度为d1＝d1’‑d1”，d1’
为三通电磁阀一8上一个控制动作的开度。三通电磁阀二15的开度的变化量d
2”，d
2”＝k2(λ){t
2-[(t
best
+t
min
)/2+t
min
]/2}，k2(λ)为阀门开度的非线性系数，由台架标定得出。三通电磁阀二15的阀门开度最终实时开度为d2＝d2’‑d2”，d2’
为三通电磁阀二15上一个控制动作的开度。
[0089]
本实施例所述的多堆燃料电池冷却系统控制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。
[0090]
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：1.一种多堆燃料电池冷却系统，包括中冷器、冷却水箱、水泵及ptc加热器，其特征在于：水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至ptc加热器，ptc加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱；第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一、单向阀七、电堆一、节温器一、三通电磁阀一、单向阀二，第二冷却支路包括开关阀二、单向阀八、电堆二、节温器二、三通电磁阀二、单向阀二，第三冷却支路包括开关阀三、单向阀九、电堆三、节温器三、三通电磁阀三、单向阀三，节温器一至三的第三端口均连接回水管二，回水管二连接至水泵；三通电磁阀一的第三接口与电堆二之间还连接有单向阀十一，三通电磁阀二的第三接口与电堆三之间还连接有单向阀十二，三通电磁阀三的第三接口与电堆一之间还连接有单向阀十。2.根据权利要求1所述的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：电堆一至三上均连接有温度传感器。3.根据权利要求1所述的多堆燃料电池冷却系统，其特征在于：节温器一至三的第三端口均经过单向阀后连接至回水管二。4.一种多堆燃料电池冷却系统控制方法，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回水管一的回路同时开启进入其他电堆的回路，水泵开启和ptc加热器开启，冷却水为三个电堆预热，当电堆一至三的温度均达到预热温度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，当只有一个电堆需要工作时，该电堆所在冷却支路的开关阀打开，其余两个开关阀关闭，fcu实时调整不工作的两个电堆前端的两个三通电磁阀的开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使不工作的两个电堆温度在预热温度t
min
和最佳工作温度t
best
之间；当需要两个电堆工作时，工作的两个电堆所在冷却支路的开关阀开启，fcu实时调整不工作的电堆前端的三通电磁阀的阀门开度，其余三通电磁阀关闭第三接口，使该电堆的温度在t
min
至t
best
之间；当三个电堆均需要工作时，三个开关阀开启，三个三通电磁阀均关闭第三接口。5.根据权利要求4所述的多堆燃料电池冷却系统控制方法，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。6.根据权利要求5所述的多堆燃料电池冷却系统控制方法，其特征在于：a为80，b为20。
技术总结本发明提出一种多堆燃料电池冷却系统及控制方法，冷却系统包括中冷器、冷却水箱、水泵及PTC加热器，水泵进水口连接冷却水箱，水泵出水口连接至PTC加热器，PTC加热器的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管一连接至中冷器，中冷器的出水端连接冷却水箱。每条冷却支路均包括开关阀、单向阀、电堆、节温器及三通电磁阀，支路之间通过管路连接构成预热循环回路。系统中一个堆工作后产生的热量可以用来预热第二个堆或者剩余堆，提高了系统的能量利用率。多堆燃料电池冷却系统控制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。使用寿命。使用寿命。
技术研发人员：谢佳平 朱维 匡金俊 王保存
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
