燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池热管理集成技术领域，尤其涉及燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统及其控制方法。


背景技术：

2.氢燃料电池系统作为一种发电装置，在车载领域，目前主要用于搭载在货车及卡车等高载重车辆上，但是因目前的技术限制，若将燃料电池直接用于汽车动力电机驱动，在高负载爬坡等功率工况时，对电堆功率要求极高，而目前的燃料电池最大功率难以满足最高要求，同时受到匹配技术等影响，一般采用增程式结构，该结构不但能增加总的巡航里程，同时对电池系统及其匹配要求较低，便于快速推广。目前一般采用电堆冷却、辅助冷却，增程电池及空调独立或者部分独立运行的方法，但是该方式零件较多，成本较高，同时由于冷却模块较多，噪声明显，同时故障率较高，对空间要求大。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统及其控制方法。
4.本发明提供一种燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，包括：由蓄水壶、水泵、电池冷却器、增程电池、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、散热单元依次串联形成的第一循环回路，由空调压缩机泵、热泵加热器、热泵蒸发器依次串联形成的第二循环回路，所述热泵加热器与所述散热单元并联，所述第一循环回路上第一三通阀，所述第一三通阀分别与所述电堆辅助冷却件、所述散热单元和所述热泵加热器连接并连通，所述第二循环回路上设有第二三通阀，所述第二三通阀分别与所述空调压缩机泵、所述热泵加热器和所述水冷冷凝器连接并连通，所述热泵蒸发器通过第三三通阀并联接入与所述电池冷却器和所述水冷冷凝器的回路中，所述热泵蒸发器设置在暖通空调总成内。
5.进一步地，所述电堆辅助冷却件包括中冷器、dcdc和空压机总成，所述dcdc和空压机总成串联接入所述水冷冷凝器和所述第一三通阀之间，所述中冷器与所述dcdc和空压机总成并联。
6.进一步地，所述散热单元为散热器，其一侧设有散热风扇。
7.进一步地，所述暖通空调总成包括空调鼓风机、所述热泵蒸发器、冷风风道、第四三通阀、暖风芯体、暖风风道和风向切换单元，所述空调鼓风机设置在所述热泵蒸发器的一侧，所述热泵蒸发器和所述暖风芯体串联，所述第四三通阀设置在冷风风道的出口，所述风向切换单元设置在所述冷风风道和所述暖风风道的出口，其用于切换空气的输送方向。
8.进一步地，所述第四三通阀为比例调节三通阀。
9.进一步地，述第三三通阀为比例调节三通阀。
10.一种汽车，包括上述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，所述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统与车身连接。
11.上述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，包括以下步骤：
12.s1、监测增程电池的工作温度和空调请求；
13.s2、当增程电池需要加热时，且空调请求为制冷、加热、自然风循环或无请求中一种时，启动循环水泵、电池冷却器、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件和热泵加热器，第一三通阀连通电堆辅助冷却件和热泵加热器，调节第二三通阀，使得冷却液依次经过电池冷却器、增程电池、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、第一三通阀、热泵加热器、循环水泵，冷媒依次经过空调压缩机泵、第二三通阀、热泵加热器、热泵蒸发器、空调压缩机泵；
14.s3、当增程电池需要降温时，且空调请求为制冷、加热、自然风循环或无请求中一种时，启动循环水泵、电池冷却器、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、散热单元、空调压缩机泵和热泵蒸发器，第一三通阀连通电堆辅助冷却件和散热单元，第二三通阀连通空调压缩机泵和水冷冷凝器，调节第三三通阀，控制冷媒分别进入热泵蒸发器和电池冷却器内的比例，使得冷却液依次经过电池冷却器、增程电池、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、第一三通阀、散热单元、水泵，冷媒依次经过空调压缩机泵、第二三通阀、水冷冷凝器、第三三通阀后，按比例分别进入电池冷却器和热泵蒸发器内，再进入空调压缩机泵。
15.进一步地，在s3中，当增程电池需要降温时，且空调请求为制冷时，使得冷却液依次经过电池冷却器、增程电池、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、第一三通阀、散热单元、水泵，冷媒依次经过空调压缩机泵、第二三通阀、水冷冷凝器、第三三通阀后，按比例分别进入电池冷却器和热泵蒸发器内，再进入空调压缩机泵；
16.当增程电池需要降温时，且空调请求为制冷时，调节第三三通阀，控制冷媒直接进入电池冷却器内，使得冷却液依次经过电池冷却器、增程电池、水冷冷凝器、电堆辅助冷却件、第一三通阀、散热单元、水泵，冷媒依次经过空调压缩机泵、第二三通阀、水冷冷凝器、第三三通阀、电池冷却器、空调压缩机泵。
17.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，通过集成热泵加热器及水冷冷疑器，实现了对整个系统加热或者降温的作用，通过热泵原理，在消耗极小的能量的情况下，实现从低温环境中去吸收热量，高温环境去放出热量，极大提高能量的利用率，比通过ptc加热方法实现加热，节约2-3倍的电能损失。并且通过该集成结构，提高系统的集成度，减小了零件数量及体积，在成本控制方向也具有一定优势。
附图说明
18.图1是本发明所述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统的结构示意图；
19.图2是本发明暖通空调总成的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
21.请参考图1-2，本发明的实施例提供了燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，包括：由蓄水壶(1)、水泵(2)、电池冷却器(3)、增程电池(4)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、散热单元依次串联形成的第一循环回路，由空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵
蒸发器(14)依次串联形成的第二循环回路，所述热泵加热器(11)与所述散热单元并联，所述第一循环回路上第一三通阀(9)，所述第一三通阀(9)分别与所述电堆辅助冷却件、所述散热单元和所述热泵加热器(11)连接并连通，所述第二循环回路上设有第二三通阀(12)，所述第二三通阀(12)分别与所述空调压缩机泵(13)、所述热泵加热器(11)和所述水冷冷凝器(5)连接并连通，所述热泵蒸发器(14)通过第三三通阀(15)并联接入与所述电池冷却器(3)和所述水冷冷凝器(5)的回路中，所述热泵蒸发器(14)设置在暖通空调总成内。
22.在本发明中，第一循环回路为冷却液的循环回路，第二循环回路为冷媒的循环回路，在第一三通阀(9)、第二三通阀(12)和第三三通阀(15)的作用下，改变冷却液和冷媒的流通路径，进而协助增程电池4完成降温和升温操作。本发明通过设置热泵加热器(11)和水冷冷凝器(5)，通过三通阀实现对不同回路的控制，实现热泵系统在不同工况下的对增程电池4的加热或者降温工作。需要说明的是，本发明中的蓄水壶(1)、水泵(2)、电池冷却器(3)、增程电池(4)、水冷冷凝器(5)、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵蒸发器(14)、第一三通阀(9)、第二三通阀(12)和第三三通阀(15)均为现有结构，其中，蓄水壶(1)用于存储冷却液，电池冷却器(3)用于增程电池的冷却效果，增程电池(4)用于增加整车的续航能力，水冷冷凝器(5)用于热泵系统制冷时散热，空调压缩机泵(13)用于泵送冷媒，热泵加热器(11)用于加热冷却液(同时给冷媒降温)，热泵蒸发器(14)用于冷却空调空气(同时为空调循环热交换)，第一三通阀(9)、第三三通阀(15)用于控制管路连通和断开，以达到改变冷却液或冷媒的流通路径的目的，第二三通阀(12)为比例调节三通阀，用以调节和控制进入热泵蒸发器(14)和电池冷却器(3)内冷媒的流量，以上零部件均被广泛应用于燃料汽车的车身结构中，因此，本发明对以上零部件的结构和工作原理不再进行赘述。
23.在上述实施例中，所述电堆辅助冷却件包括中冷器(6)、dcdc(7)和空压机总成(8)，所述dcdc(7)和空压机总成(8)串联接入所述水冷冷凝器(5)和所述第一三通阀(9)之间，所述中冷器(6)与所述dcdc(7)和空压机总成(8)并联。
24.在本发明中，中冷器(6)、dcdc(7)和空压机总成(8)为现有技术，其共同作为燃料电池反应堆系统的辅助系统，本发明对其结构和工作不再进行赘述。空压机总成(8)包括集成设置的空压机和空压机控制器。
25.在上述实施例中，所述散热单元为散热器(10)，其一侧设有散热风扇(11)。
26.在本发明中，散热器(10)和散热风扇(11)的组合使用可达到提高对冷却液散热效果和效率的目的。
27.在上述实施例中，所述暖通空调总成包括空调鼓风机(16)、所述热泵蒸发器(14)、冷风风道、第四三通阀(17)、暖风芯体(18)、暖风风道和风向切换单元(19)，所述空调鼓风机(16)设置在所述热泵蒸发器(14)的一侧，所述热泵蒸发器(14)和所述暖风芯体(18)串联，所述第四三通阀(17)设置在冷风风道的出口，所述风向切换单元(19)设置在所述冷风风道和所述暖风风道的出口，其用于切换空气的输送方向。
28.在本发明中，空调鼓风机(16)既可实现对热泵蒸发器(14)热量交换，还作为空调风的来源。第四三通阀(17)为比例调节三通阀，其用于控制冷后的空气经过暖风芯体(18)的流量，以达到调节进入乘员舱(20)内空气温度的目的。而风向切换单元(19)用于实现切换空调风的流通路径，当其选择所述冷风风道或所述暖风风道与所述乘员舱(20)连通时，可将冷却或加热后的空调风输送至乘员舱(20)内，当其选择所述冷风风道或所述暖风风道
时，通过风管与所需需求相连，空调风直接排入车内(20)或者风管(21)，以满足不同的请求。在本发明中，暖通空调总成的结构为现有技术，风向切换单元(19)控制空调风走向也为现有技术，现有汽车上的空调总成结构均能实现本发明中暖通空调总成的功能，因此，本发明对其具体结构和工作原理不再进行赘述。
29.本发明的燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统：
30.1、冷却液通过水泵(2)后依次进入电池冷却器(3)、增程电池(4)、水冷冷凝器(5)，然后再进入电堆辅助冷却件，然后通过第一三通阀(9)控制冷却液进入热泵加热器(11)或散热器(10)中；
31.2、冷媒经过空调压缩机泵(13)加热后，通过第二三通阀(12)选择，在增程电池4需要加热时，进入热泵加热器(11)，在增程电池4需要冷却时，进入水冷冷凝器(5)；
32.3、冷媒在经过水冷冷凝器(5)后或者热泵加热器(11)后通过第一三通阀(9)进行调节，使得冷媒进入电池冷却器(3)或者热泵加热器(11)。
33.本发明的燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统，通过集成热泵加热器及水冷冷疑器，实现了对整个系统加热或者降温的作用，通过热泵原理，在消耗极小的能量的情况下，实现从低温环境中去吸收热量，高温环境去放出热量，极大提高能量的利用率，比通过ptc加热方法实现加热，节约2-3倍的电能损失。并且通过该集成结构，提高系统的集成度，减小了零件数量及体积，在成本控制方向也具有一定优势。
34.一种包括燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统的汽车，所述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统与汽车的车身连接。
35.本发明所述燃料电池辅助系统与电池热管理集成系统的控制方法，包括以下步骤：
36.s1、同时监测电池的工作温度和空调请求；
37.s2、当增程电池4的工作温度小于15℃时，表明增程电池4需要加热，且空调有制冷请求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵蒸发器(14)和空调鼓风机(16)，第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和热泵加热器(11)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和热泵加热器(11)，风向切换单元(19)连通冷风风道和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
热泵加热器(11)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
热泵加热器(11)
→
热泵蒸发器(14)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动后，空气吹扫过热泵蒸发器(14)进行冷却处理后，经过冷风风道直接进入乘员舱(20)中；
38.s21、当增程电池4的工作温度小于15℃时，表明增程电池4需要加热，且空调有采暖请求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵蒸发器(14)和空调鼓风机(16)，第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和热泵加热器(11)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和热泵加热器(11)，调节第四三通阀(17)的开度，使空气全部经过暖风芯体(18)，风向切换单元(19)连通暖风风道和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
热泵加热器(11)后，返
回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
热泵加热器(11)
→
热泵蒸发器(14)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，全部空气依次吹扫过热泵蒸发器(14)和暖风芯体(18)处理后，经过暖风风道进入乘员舱(20)中；
39.s22、当增程电池4的工作温度小于15℃时，表明增程电池4需要加热，且空调设置为自然风循环时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵蒸发器(14)和空调鼓风机(16)，第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和热泵加热器(11)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和热泵加热器(11)，调节第四三通阀(17)的开度，风向切换单元(19)连通冷风风道、暖风风道和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
热泵加热器(11)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
热泵加热器(11)
→
热泵蒸发器(14)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，空气吹扫过热泵蒸发器(14)后，在第四三通阀(17)的作用下，分为两个移动路径，部分空气直接进入冷风风道，部分空气经过暖风芯体(18)进行暖风风道，冷暖空气汇合温度中和后，直接输送至乘员舱(20)内。
40.s23、当增程电池4的工作温度小于15℃时，表明增程电池4需要加热，且空调无开启需求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、热泵蒸发器(14)和空调鼓风机(16)，第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和热泵加热器(11)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和热泵加热器(11)，调节第四三通阀(17)的开度，风向切换单元(19)连通冷风风道、暖风风道和风管(21)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
热泵加热器(11)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
热泵加热器(11)
→
热泵蒸发器(14)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，空气吹扫过热泵蒸发器(14)后，在第四三通阀(17)的作用下，分为两个移动路径，部分空气直接进入冷风风道，部分空气经过暖风芯体(18)进行暖风风道，冷暖空气汇合后，直接输送至风管(21)排放到车外。
41.s3、当增程电池4的工作温度大于25℃时，表明增程电池4需要降温，且空调有制冷请求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、散热器(10)、散热风扇(11)和空调鼓风机(16)，第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和散热器(10)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和水冷冷凝器(5)，调节第三三通阀(15)，控制冷媒分别进入热泵蒸发器(14)和电池冷却器(3)内的比例，调节第四三通阀(17)的开度，使空气不经过暖风芯体(18)，风向切换单元(19)连通冷风风道和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
散热器(10)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
水冷冷凝器(5)
→
第三三通阀(15)以及按比例进入电池冷却器(3)、热泵蒸发器(14)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，空气吹扫过热泵蒸发器(14)后，经过冷风风道直接进入乘员舱(20)内。
42.s31、当增程电池4的工作温度大于25℃时，表明增程电池4需要降温，且空调有取暖请求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、散热器(10)、散热风扇(11)和空调鼓风机(16)、第一三通阀(9)
连通电堆辅助冷却件和散热器(10)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和水冷冷凝器(5)，调节第三三通阀(15)，控制冷媒直接进入电池冷却器(3)内，调节第四三通阀(17)的开度，使空气全部经过暖风芯体(18)，风向切换单元(19)连通暖风芯体(18)和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
散热器(10)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
水冷冷凝器(5)
→
第三三通阀(15)
→
电池冷却器(3)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，全部空气依次吹扫过热泵蒸发器(14)和暖风芯体(18)处理后，经过暖风风道进入乘员舱(20)中；
43.s32、当增程电池4的工作温度大于25℃时，表明增程电池4需要降温，且空调设置为自然风循环时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、散热器(10)、散热风扇(11)和空调鼓风机(16)、第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和散热器(10)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和水冷冷凝器(5)，调节第三三通阀(15)，控制冷媒直接进入电池冷却器(3)内，调节第四三通阀(17)的开度，控制空气经过暖风芯体(18)的比例，风向切换单元(19)连通冷风风道、暖风风道和乘员舱(20)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
→
增程电池(4)
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水冷冷凝器(5)
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(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
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第一三通阀(9)
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散热器(10)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
→
第二三通阀(12)
→
水冷冷凝器(5)
→
第三三通阀(15)
→
电池冷却器(3)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，空气吹扫过热泵蒸发器(14)后，在第四三通阀(17)的作用下，分为两个移动路径，部分空气直接进入冷风风道，部分空气经过暖风芯体(18)进行暖风风道，冷暖空气汇合后，直接输送至乘员舱(20)内。
44.s33、当增程电池4的工作温度大于25℃时，表明增程电池4需要降温，且空调无开启请求时，启动循环水泵(2)、电池冷却器(3)、水冷冷凝器(5)、电堆辅助冷却件、空调压缩机泵(13)、热泵加热器(11)、散热器(10)、散热风扇(11)和空调鼓风机(16)、第一三通阀(9)连通电堆辅助冷却件和散热器(10)，第二三通阀(12)连通空调压缩机泵(13)和水冷冷凝器(5)，调节第三三通阀(15)的开度，控制冷媒直接进入电池冷却器(3)内，调节第四三通阀(17)的开度，控制空气经过暖风芯体(18)的比例，风向切换单元(19)连通冷风风道、暖风风道和风管(21)，冷却液依次经过电池冷却器(3)
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增程电池(4)
→
水冷冷凝器(5)
→
(中冷器(6)，dcdc(7)
→
空压机及控制器(8))
→
第一三通阀(9)
→
散热器(10)后，返回水泵(2)内；同时，冷媒依次经过空调压缩机泵(13)
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第二三通阀(12)
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水冷冷凝器(5)
→
第三三通阀(15)
→
电池冷却器(3)后，返回至空调压缩机泵(13)内；空调鼓风机(16)启动，空气吹扫过热泵蒸发器(14)后，在第四三通阀(17)的作用下，分为两个移动路径，部分空气直接进入冷风风道，部分空气经过暖风芯体(18)进行暖风风道，冷暖空气汇合后，直接输送至风管到风管(21)。
45.本发明所述控制方法，在基于目前本发明的的系统架构方案下，控制方法与构架相互结合，实现了对该增程电池的加热或者降温作用，极大提高能量的利用率，同时能够精确的控制增程电池的工作温度，同时又能使得其余零件，如dcdc，空压机及其控制器等工作在所需的工作区间温度区间。
46.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技术请求保护的范围。
47.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。
48.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。