一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及车用燃料电池热管理技术领域，尤其涉及一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法。


背景技术：

2.作为21世纪对人类社会产生重大影响的高新技术之一，燃料电池凭借其零污染、高效率、噪音小等优势受到了世界各相关领域的高度重视。燃料电池是一种能将化学能直接转化为电能的装置，产生的电能可作为主要动力源驱动整车行驶，此外，在人类发展受限于环境条件逐渐恶化和能源逐渐枯竭的严峻情形下，燃料电池汽车的研发更具有重要意义及巨大的发展前景。燃料电池发动机的热管理系统是指通过控制流经电堆的冷却液流量进行燃料电池电堆的温度控制和热量传递，以达到降低系统能耗和提升电堆性能的目的，对燃料电池电堆的使用寿命和运行安全性都具有重要影响。
3.研究表明，质子交换膜燃料电池在80摄氏度左右的温度条件下能达到最佳工作工况，且同时对质子膜的湿润度也有一定要求。传统的燃油发动机的散热途径主要是以尾气的形式通过机体或排气管散出，而通过散热器只散发出少部分的热量。相对于此，燃料电池系统则主要依靠散热器释放出系统热量。一般地，相较于传统燃油发动机，在同种运行工况下，燃料电池的散热量要大很多，且燃料电池系统的运行温度较低，与环境的温差较小，这对燃料电池的水热管理系统提出了更高的技术要求。现有的燃料电池乘用车热管理技术中，存在以下不足：燃料电池水热管理系统部件繁多，空间体积占用较大，但由于燃料电池乘用车空间有限，因此要求燃料电池水热管理系统在满足高效工作的同时，对其体积及安装也提出更高要求，这对燃料电池冷却带来更大的挑战；节温器通常被用来调节电堆系统的运行温度，但节温器的开关控制方式易造成系统温度变化不平稳、波动较大，这会造成电堆的输出功率不稳定，从而降低电堆的工作性能和耐久性；现有热管理方案因电堆电导率要求，热管理系统中的零部件全都要求采用去离子清洗工艺，增加零部件成本；现有热管理方案常采用低压风扇和低压水泵，对于燃料电池系统散热需求远远不够。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法，成本低，不仅能更精确的控制燃料电池的温度，避免传统大小循环回路切换带来的温度剧烈波动影响燃料电池输出，还能提高去离子器的使用寿命。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种车用燃料电池热管理系统，包括低压水泵、板式换热器、散热器、四通阀、ptc加热器、暖风芯体、高压水泵、燃料电池电堆、第一温度-压力传感器、第二温度-压力传感器和控制模块；所述低压水泵、ptc加热器、暖风芯体和板式换热器依次相连构成暖风循环回路；所述四通阀的第一输出端、板式换热器、高压水泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成余热回收回路；其中，板式换热器将暖风循环回路中冷却液和余热回收回路中冷却液分离开；所述四通阀的第二输出端、散热器、高压水
泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成大循环回路；所述四通阀的第三输出端、高压水泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成小循环回路；其中，所述四通阀的第三输出端到高压水泵之间的管路长度小于所述四通阀的第二输出端到高压水泵之间的管路长度；所述第一温度-压力传感器设置在燃料电池电堆输出端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆输出端冷却液的温度和压力，所述第二温度-压力传感器设置在燃料电池电堆输入端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆输入端冷却液的温度和压力；所述低压水泵、四通阀、ptc加热器、高压水泵、第一温度-压力传感器和第二温度-压力传感器分别与控制模块连接，并通过控制四通阀三个输出端的开闭控制余热回收回路、大循环回路和小循环回路的开闭。
6.进一步，还包括处于常通状态的去离子器和膨胀水壶集成装置，所述去离子器和膨胀水壶集成装置的输出端与高压水泵的输入端连接，且其输入端与燃料电池电堆的输出端连接。
7.进一步，还包括中冷器，所述中冷器与燃料电池电堆并联。
8.进一步，所述暖风循环回路中还包括膨胀水壶，所述膨胀水壶与板式换热器并联。
9.进一步，还包括过滤器，所述过滤器设置在高压水泵的输入端侧且与高压水泵串联，所述板式换热器的输出端、散热器的输出端和四通阀的第三输出端均与过滤器的输入端连接。
10.进一步，所述散热器带有双高压风扇，所述高压风扇与控制模块连接。
11.本发明还提供了一种车用燃料电池热管理控制方法，用于所述的车用燃料电池热管理系统，其控制方法包括：在燃料电池停机模式下时，高压水泵关闭，当乘员舱需要采暖时，开启低压水泵和ptc加热器，使暖风循环回路中的冷却液进行内部循环，冷却液经过ptc加热器加热后将热量传递给暖风芯体，用于向乘员舱提供暖风；在冷启动工作模式下时，控制四通阀阀芯关闭大循环回路，开启小循环回路和余热回收回路，开启低压水泵和ptc加热器通过板式换热器提供辅助加热，冷却液在燃料电池电堆内被加热，然后流入四通阀，最后冷却液流入小循环回路和余热回收回路，经高压水泵进入燃料电池电堆，依据第一温度-压力传感器和第二温度-压力传感器采集燃料电池电堆输出端和输入端冷却液的温度和压力状态进行分析，若燃料电池电堆输出端和输入端冷却液温差偏大，则增加高压水泵的转速，若冷却液需要更快速的升温，则打开低压水泵和ptc并通过板式换热器进行辅助加热，直至采集到的燃料电池电堆输出端冷却液温度达到燃料电池系统正常工作温度范围，则进入下一个工作模式；在小功率工作模式下时，控制四通阀阀芯关闭余热回收回路，冷却液从燃料电池电堆输出端流出后分别进入大循环回路和小循环回路，再经过高压水泵加压进入燃料电池电堆；根据第一温度-压力传感器和第二温度-压力传感器的温度信号，通过控制四通阀阀芯的转动角度来控制分别进入大循环回路和小循环回路的冷却液流量，从而高效控制燃料电池内部的温度；若乘员舱还需要采暖时，还需控制四通阀阀芯开启余热回收回路循环，同时打开ptc加热器和低电压泵，使暖风循环回路中的冷却液进行内部循环，冷却液经过ptc加热器加热后将能量传递给暖风芯体，用于向乘员舱提供暖风；
在大功率工作模式下时，控制四通阀阀芯关闭小循环回路，开启大循环回路，冷却液经过大循环回路进行冷却，根据第一温度-压力传感器和第二温度-压力传感器的温度信号，控制散热器和高压水泵的转速来进行散热；若乘员舱还需要采暖时，还需开启低压水泵，并开启余热回收回路，通过板式换热器进行燃料电池电堆的冷却液换热降温，并将热量通过板式换热器传递到暖风循环回路，然后将热量传递给暖风芯体，用于向乘员舱提供暖风。
12.在本实施例中，从高压水泵输出的冷却液一部分进入燃料电池电堆，另一部分进入中冷器。
13.在本实施例中，小循环回路、大循环回路和余热回收回路中的冷却液在流经高压水泵之前均需先通过过滤器。
14.本发明与现有技术相比较具有以下优点：本发明的车用燃料电池热管理系统及其控制方法，通过采用流量可控的四通阀取代传统节温器，不仅能够对燃料电池的温度进行更精确的控制，还能够避免传统大小循环切换带来的温度剧烈波动，影响燃料电池输出，并且还具备冷启动加速、余热回收等功能；通过采用将膨胀水壶和去离子器集成化，一方面简化了系统的布置结构，减小了系统占用空间体积，另一方面，集成后的装置在系统里处于常通状态，极大程度上降低了冷却剂的电导率，冷却水流量小，增加了去离子器的使用寿命；通过采用板式换热器将电堆热管理冷却液和暖风循环冷却液分离开，降低了冷却液中的离子析出率，从而提高去离子器的使用寿命；暖风循环回路中的零部件及冷却水可借用现有产品，不需要额外的去离子工艺，降低成本；通过采用的小循环回路、余热回收回路实现高效的冷启动策略，一方面能够减少燃料电池冷启动的时间，另一方面，通过更短的小循环管道，能够增大冷却循环水的流量，避免燃料电池内部温差的加大导致的局部启动失败现象；在高压水泵前加上过滤器，过滤冷却回路中的杂质，延长燃料电池的使用寿命。采用带有高压双风扇的散热器和高压水泵，能够实现更大更均匀的散热空气流量以及更高水流量，满足燃料电池更大的散热需求。
附图说明
15.图1为本发明燃料电池车辆热管理系统停机采暖模式冷却回路示意图；图2是本发明燃料电池车辆热管理系统冷启动模式冷却回路示意图；图3是本发明燃料电池车辆热管理系统小功率模式冷却回路示意图；图4是本发明燃料电池车辆热管理系统小功率模式采暖的冷却回路示意图；图5是本发明燃料电池车辆热管理系统大功率模式冷却回路示意图。
16.图中：1-低压水泵，2-膨胀水壶，3-板式换热器，4-散热器，5-双高压风扇，6-四通阀，7-去离子器和膨胀水壶集成装置，8-第一温度-压力传感器，9-ptc加热器，10-暖风芯体，11-过滤器，12-高压水泵，13-中冷器，14-第二温度-压力传感器，15-燃料电池电堆。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
18.参见图1至图5所示，本实施例公开了一种车用燃料电池热管理系统，包括低压水
泵1、板式换热器3、散热器4、四通阀6、ptc加热器9、暖风芯体10、高压水泵12、燃料电池电堆15、第一温度-压力传感器8、第二温度-压力传感器14和控制模块；所述低压水泵1、ptc加热器9、暖风芯体10和板式换热器3依次相连构成暖风循环回路；所述四通阀6的第一输出端、板式换热器3、高压水泵12、燃料电池电堆15和四通阀6的输入端依次连接构成余热回收回路；其中，板式换热器3将暖风循环回路中冷却液和余热回收回路中冷却液分离开；所述四通阀6的第二输出端、散热器4、高压水泵12、燃料电池电堆15和四通阀6的输入端依次连接构成大循环回路；所述四通阀6的第三输出端、高压水泵12、燃料电池电堆15和四通阀6的输入端依次连接构成小循环回路，其中，所述四通阀的第三输出端到高压水泵之间的管路长度小于所述四通阀的第二输出端到高压水泵之间的管路长度；所述第一温度-压力传感器8设置在燃料电池电堆15输出端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆15输出端冷却液的温度和压力，所述第二温度-压力传感器14设置在燃料电池电堆15输入端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆15输入端冷却液的温度和压力；所述低压水泵1、四通阀6、ptc加热器9、高压水泵12、第一温度-压力传感器8和第二温度-压力传感器14分别与控制模块连接；并通过控制四通阀6三个输出端的开闭控制余热回收回路、大循环回路和小循环回路的开闭。
19.在本实施例中，控制模块为整车控制器。四通阀6受控于整车控制器，起到调节各个回路流量的作用，由于对于四通阀6的控制是基于占空比的线性控制，相较于现有的基于节温器的大小循环切换策略，一方面能保证系统温度控制的精确性，另一方面，不易出现由于频繁切换而产生的温度波动现象，从而提高了电堆功率输出的稳定性。
20.四通阀6为一个入口端，三个出口端由球阀结构控制流量，采用可控流量的四通阀6能够实现对燃料电池系统温度的准确控制，能够实现冷启动加速、余热回收等功能；采用板式换热器3将余热回收回路中冷却液和暖风循环回路中的冷却液分离开，暖风循环回路与余热回收回路不共用循环水，降低了冷却水中的离子析出率，从而提高了去离子器的使用寿命，同时暖风循环回路中的零部件（不包括板式换热器）可以直接借用现有汽车零部件，不需要采用额外的去离子清洗工艺，降低零部件成本；小循环回路管道短，流阻小，流量大，不仅减少了热量损失，在（冷）启动时候，ptc的热量也可通过板式换热器3提供辅助加热，使得燃料电池系统能以更快的速度到达合适的电堆工作温度，另外可以尽快减少燃料电池内部的温差，避免冷启动失败，有益于提高燃料电池系统冷启动效率，降低冷启动时间，一定程度上改善了系统的工作性能，提高了电堆的使用寿命。通过高压水泵12的加压作用使得冷却液在系统冷却管道和所述三个回路中循环流动，在冷启动时起到给系统加速升温的作用，并在电堆正常运行时起到散热恒温的作用。
21.在本实施例中，还包括处于常通状态的去离子器和膨胀水壶集成装置7，所述去离子器和膨胀水壶集成装置7的输出端与高压水泵12的输入端连接，且其输入端与燃料电池电堆15的输出端连接。
22.所述去离子器和膨胀水壶集成装置7采用中国专利申请cn103339777a公开的一种用于液态流体的平衡容器，平衡容器具有至少一用于流体的流体入口和至少一流体出口，并且具有用于净化流体的离子交换器；离子交换器包括离子交换容器，离子交换容器具有至少一用于要被净化的流体的入口和至少一用于净化的流体的出口，在离子交换容器里面在入口与出口之间流体技术地设置颗粒状的离子交换介质。离子交换容器可更换地设置在
平衡容器里面，入口与流体入口对应且出口与流体出口对应。在平衡容器里面设置用于冷却流体的防溅挡板，它们将平衡容器分成多个腔室，防溅挡板起到提高强度的作用并且用于平静冷却流体。防溅挡板分别在下部具有通流孔，通过它们冷却流体可以在腔室之间流动。防溅挡板在其上部具有平衡孔，通过它们尤其可以在腔室之间流动空气，用于平衡压力。
23.在本实施例中，还包括中冷器13，所述中冷器13与燃料电池电堆15并联。中冷器13能够保证电堆的进气温度和进水温度相差不大。
24.在本实施例中，所述暖风循环回路中还包括膨胀水壶2，所述膨胀水壶2与板式换热器3并联。暖风循环回路中的膨胀水壶2能够达到溢气补水的作用。
25.在本实施例中，还包括过滤器11，所述过滤器11设置在高压水泵12的输入端侧且与高压水泵12串联，所述板式换热器3的输出端、散热器4的输出端和四通阀6的第三输出端均与过滤器11的输入端连接。
26.在本实施例中，所述四通阀6的第三输出端到过滤器11之间的管路长度均小于所述四通阀6的第二输出端到过滤器11之间的管路长度。
27.在本实施例中，所述散热器4带有双高压风扇5，所述高压风扇5与控制模块连接。采用具有两个高压风扇的散热器，以及高压水泵12，极大程度上提高了系统的散热能力。大循环回路的四通阀6出口端与带有高压双风扇5的散热器4连接，能够实现更大更均匀的散热空气流量，在系统处于大功率工况时能够高效运行，及时散热，使系统保持在合适的温度环境下工作，提高了整车性能和部件耐用性。
28.本实施例还公开了一种车用燃料电池热管理控制方法，用于上述的车用燃料电池热管理系统，其控制方法包括：在燃料电池停机模式下时，高压水泵12关闭，当乘员舱需要采暖时，开启低压水泵1和ptc加热器9，使暖风循环回路中的冷却液进行内部循环，冷却液经过ptc加热器9加热后将热量传递给暖风芯体10，用于向乘员舱提供暖风。在燃料电池停机模式下时，高压水泵12关闭，燃料电池热管理系统散热循环不工作。
29.在冷启动工作模式下时，控制四通阀6阀芯关闭大循环回路，开启小循环回路和余热回收回路，开启低压水泵1和ptc加热器9通过板式换热器3提供辅助加热，冷却液在燃料电池电堆15内被加热，然后流入四通阀6，最后冷却液流入小循环回路和余热回收回路，经高压水泵12进入燃料电池电堆15；依据第一温度-压力传感器8和第二温度-压力传感器14采集燃料电池电堆15输出端和输入端冷却液的温度和压力状态进行分析，若燃料电池电堆15输出端和输入端冷却液温差偏大，则增加高压水泵12的转速，若冷却液需要更快速的升温，则打开低压水泵1和ptc9并通过板式换热器3进行辅助加热，直至采集到的燃料电池电堆15输出端冷却液温度达到燃料电池系统正常工作温度范围，则进入下一个工作模式；小循环回路管道短，流阻小，流量大，不仅减少了热量损失，在（冷）启动时候，ptc的热量也可通过板式换热器3提供辅助加热，使得燃料电池系统能以更快的速度到达合适的电堆工作温度，另外可以尽快减少燃料电池内部的温差，避免冷启动失败，一定程度上改善了系统的工作性能，提高了电堆的使用寿命。在冷启动工作模式下时，燃料电池系统温度需要快速达到正常运行温度，执行上述步骤能够使燃料电池系统温度快速达到正常运行温度。
30.在小功率工作模式下时，控制四通阀6阀芯关闭余热回收回路，冷却液从燃料电池
电堆15输出端流出后分别进入大循环回路和小循环回路，再经过高压水泵12加压进入燃料电池电堆15；根据第一温度-压力传感器8和第二温度-压力传感器14的温度信号，通过控制四通阀6阀芯的转动角度来控制分别进入大循环回路和小循环回路的冷却液流量，从而高效控制燃料电池内部的温度；若乘员舱还需要采暖时，还需控制四通阀6阀芯开启余热回收回路循环，同时打开ptc加热器9和低电压泵1，使暖风循环回路中的冷却液进行内部循环，冷却液经过ptc加热器9加热后将能量传递给暖风芯体10，用于向乘员舱提供暖风。
31.在大功率工作模式下时，控制四通阀6阀芯关闭小循环回路，开启大循环回路，冷却液经过大循环回路进行冷却，根据第一温度-压力传感器8和第二温度-压力传感器14的温度信号，控制散热器4和高压水泵12的转速来进行散热；若乘员舱还需要采暖时，还需开启低压水泵1，并开启余热回收回路，通过板式换热器3进行燃料电池电堆15的冷却液换热降温，并将热量通过板式换热器3传递到暖风循环回路，然后将热量传递给暖风芯体10，用于向乘员舱提供暖风。在系统处于大功率工况时能够高效运行，及时散热，使系统保持在合适的温度环境下工作，提高了整车性能和部件耐用性。
32.在本实施例中，从高压水泵12输出的冷却液一部分进入燃料电池电堆15，另一部分进入中冷器13。
33.在本实施例中，小循环回路、大循环回路和余热回收回路中的冷却液在流经高压水泵12之前均需先通过过滤器11。
34.本发明的车用燃料电池热管理系统及其控制方法，通过采用流量可控的四通阀取代传统节温器，不仅能够对燃料电池的温度进行更精确的控制，还能够避免传统大小循环切换带来的温度剧烈波动，影响燃料电池输出，并且还具备冷启动加速、余热回收等功能；通过采用将膨胀水壶和去离子器集成化，一方面简化了系统的布置结构，减小了系统占用空间体积，另一方面，集成后的装置在系统里处于常通状态，极大程度上降低了冷却剂的电导率，冷却水流量小，增加了去离子器的使用寿命；通过采用板式换热器将电堆热管理冷却液和暖风循环冷却液分离开，降低了冷却液中的离子析出率，从而提高去离子器的使用寿命；暖风循环回路中的零部件及冷却水可借用现有产品，不需要额外的去离子工艺，降低成本；通过采用的小循环回路、余热回收回路实现高效的冷启动策略，一方面能够减少燃料电池冷启动的时间，另一方面，通过更短的小循环管道，能够增大冷却循环水的流量，避免燃料电池内部温差的加大导致的局部启动失败现象；在高压水泵前加上过滤器，过滤冷却回路中的杂质，延长燃料电池的使用寿命。采用带有高压双风扇的散热器和高压水泵，能够实现更大更均匀的散热空气流量以及更高水流量，满足燃料电池更大的散热需求。
35.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。