一种基于涡流管的燃料电池热管理系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种基于涡流管的燃料电池热管理系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着燃料电池系统在汽车行业的搭载逐步成熟，其在工作过程中暴露出来的散热问题也日益显著，如散热需求高、散热器笨重及散热风扇噪音大等。这一系列问题严重影响了客户驾驶体验，并且在大功率燃料电池系统的开发和搭载中会尤为突出，故对新型高效热管理系统的开发甚是迫切。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种基于涡流管的燃料电池热管理系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
4.为解决上述技术问题所采用的技术方案：
5.一种基于涡流管的燃料电池热管理系统，包括：电池电堆、热管理装置、空气装置、氢气装置、排出装置和涡流管组件；
6.所述电池电堆具有：氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、热管理进口和热管理出口；所述热管理进口和热管理出口均与所述热管理装置相连，所述氢气进口和氢气出口均与所述氢气装置相连，所述空气进口和空气出口均与所述空气装置相连，所述空气装置和氢气装置均与所述排出装置相连；
7.所述空气装置包括空压组件，所述空压组件的一端与大气相连通，另一端与空气进口相连；所述涡流管组件包括：涡流管通断阀、制冷涡流管和喷射器；所述制冷涡流管的入口通过所述涡流管通断阀连通于所述空压组件和空气进口之间，所述制冷涡流管的冷端出口与所述喷射器相连。
8.本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，至少具有如下的有益效果：所述空气装置和氢气装置分别为燃料电池电堆提供所需的空气和氢气，电池电堆的反应产物通过氢气出口和空气出口输送到所述排出装置。而所述热管理装置能够与电池电堆的热管理入口和热管理出口形成循环回路，通过控制回路中的冷却液温度来实现燃料电池系统的温度调节。所述涡流管组件中，涡流管通断阀能够控制制冷涡流管与空压组件的通断。当制冷涡流管与空压组件连通时，空压组件能够驱动压缩空气进入制冷涡流管，在制冷涡流管的冷端出口形成冷气流，从而对燃料电池系统进行降温；而热端出口则将热气流排放到燃料电池系统外的大气中。本发明的燃料电池热管理系统，除了通过热管理装置进行温度调节外，还通过涡流管组件生成冷气流对电池系统进行降温，降低了对散热器或散热风扇的需求，从而达到减小散热噪音、提升用户体验的目的。
9.作为上述技术方案的进一步改进，所述热管理装置包括：水泵、加热器、散热器和节温器；所述散热器设有散热风扇，所述热管理出口与所述节温器的入口相连，所述节温器
的两个出口分别与所述加热器的入口和散热器的入口相连，所述加热器的出口和散热器的出口经所述水泵与热管理进口相连。通过上述技术方案，水泵能够带动冷却液流动，从而实现热量交换。所述节温器的两个出口分别与加热器和散热器相连，使得加热器和散热器相互并接，实现对冷却液的加热升温或散热降温。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述空气装置包括中冷器，所述氢气装置包括氢气换热器，所述热管理出口、所述中冷器的冷却液通道、所述氢气换热器的冷却液通道、所述水泵的进口依次相连通。通过上述技术方案，所述热管理装置与电池电堆的热管理入口和热管理出口形成冷却液的循环流道。所述中冷器和氢气换热器也连通道该循环流道上，实现燃料电池系统热量的整合处理。中冷器能够对压缩空气进行降温，氢气换热器能够对氢气进行升温，压缩氢气膨胀吸热造成的冷量能够与空气压缩产生的热量，通过循环流动的冷却液实现热量交换，降低空气装置和氢气装置的热管理需求。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述中冷器的入口与所述空压组件相连，所述中冷器的出口与空气进口相连、且两者之间设有节气门，所述涡流管通断阀与所述中冷器的入口或出口相连。通过上述技术方案，所述节气门可以控制中冷器出口与空气进口的通断，实现电池电堆空气供应的启停。涡流管通断阀与所述中冷器的入口相连时，压缩空气直接通入制冷涡流管内，可以降低对中冷器的性能需求。而涡流管通断阀与所述中冷器的出口相连时，压缩空气经中冷器冷却后再通入到制冷涡流管，对制冷涡流管的性能需求较低。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述热管理装置还包括离子过滤器和颗粒过滤器，所述离子过滤器的一端与所述热管理出口相连，另一端与所述水泵的入口相连；所述颗粒过滤器连通于所述散热器和水泵之间。通过上述技术方案，所述离子过滤器和颗粒过滤器能够对热管理系统内各部件产生的离子或颗粒进行过滤，从而控制冷却液的电导率，确保燃料电池系统正常运行。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述热管理装置还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱具有补水口和进气口；所述补水口与所述水泵的入口相连通，所述散热器和/或所述热管理出口均设有与所述进气口相连的排气口。通过上述技术方案，所述膨胀水箱在供热系统中容纳系统冷却液的膨胀量，同时还起到定压作用和为系统补水的作用。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述涡流管组件还包括增压泵，所述增压泵的入口与所述制冷涡流管的冷流出口相连，所述增压泵的出口与所述喷射器和/或所述空气进口相连通。通过上述技术方案，通过增压阀对经制冷涡流管处理的冷气流进行增压处理，使得冷气流能够从喷射器喷出或从空气进口进入到燃料电池电堆内。
15.本发明还提供了一种燃料电池热管理系统的控制方法，所述控制方法基于上述的燃料电池热管理系统，所述控制方法具体如下：
16.预设燃料电池电堆的稳定工作最低温度和最高温度分别为t1和t3，燃料电池冷却液标准温度为t4，燃料电池冷却液关机温度为t6；
17.在开机过程中，从而将冷却液温度控制在t1至t3之间；
18.在关机过程中，保持热管理装置的运作直至冷却液温度降低至t6以下，再完全关停燃料电池系统。
19.本发明所提供的控制方法，通过检测冷却液温度来控制热管理系统的各个部件运作，实现冷却液的温度调节，从而使燃料电池系统能够保持在适宜的温度环境下工作。
20.作为上述技术方案的进一步改进，预设燃料电池冷却液温度上限为t5，燃料电池系统的工作过程中，当冷却液温度在t3和t5之间时，散热器运作、并调节水泵和涡流管通断阀；当冷却液温度不小于t5时，执行燃料电池系统关机操作。当冷却液温度较高时，通过热管理系统和涡流管组件共同调节燃料电池系统温度；而当冷却液温度超出设定上限时，燃料电池系统能够及时停止工作，确保燃料电池系统不会超出安全范围，提高安全性。
21.作为上述技术方案的进一步改进，燃料电池系统的暖机过程具体如下：预设燃料电池电堆的最低启动温度为t2，检测冷却液温度并与t2比较，当冷却液温度小于t2时，启动水泵和加热器，并持续检测冷却液温度；当冷却液温度在t2和t1之间时，以低效率模式运行燃料电池系统；直至冷却液温度不小于t1之后，再进行燃料电池系统开机操作。通过上述技术方案，对于环境温度较低的使用场景，在燃料电池系统启动前，能够控制加热器和水泵对冷却液和燃料电池系统进行加热升温，避免燃料电池系统在过低温度启动而损坏。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
23.图1是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其一实施例的结构示意图；
24.图2是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其一实施例的结构示意图；
25.图3是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
26.图4是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
27.图5是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
28.图6是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
29.图7是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
30.图8是本发明所提供的基于涡流管的燃料电池热管理系统，其另一实施例的结构示意图；
31.图9是本发明所提供的控制方法，其一实施例的流程示意图。
32.图中：11、电池电堆；20、热管理装置；21、水泵；22、节温器；23、离子过滤器；24、加热器；25、散热器；26、颗粒过滤器；27、膨胀水箱；28、散热风扇；30、空气装置；31、空气滤清器；32、空压机；33、中冷器；34、节气门；35、增湿器；36、背压阀；37、旁通阀；40、氢气装置；41、储氢瓶；42、截止阀；43、减压阀；44、安全阀；45、氢气换热器；46、引射器；47、液气分离器；48、引射回流单向阀；49、氢气循环泵；410、氢循环单向阀；411、排水阀；412、排氢阀；50、涡流管组件；51、涡流管通断阀；52、制冷涡流管；53、增压泵；54、喷射器；60、排出装置；61、混排管；62、消音器。
具体实施方式
33.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
36.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
37.参照图1至图9，本发明的基于涡流管的燃料电池热管理系统作出如下实施例：
38.一种基于涡流管的燃料电池热管理系统，包括：电池电堆11、热管理装置20、空气装置30、氢气装置40、排出装置60和涡流管组件50。
39.所述电池电堆11具有：氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、热管理进口和热管理出口。
40.所述热管理进口和热管理出口均与所述热管理装置20相连。所述氢气进口和氢气出口均与所述氢气装置40相连。所述空气进口和空气出口均与所述空气装置30相连。所述空气装置30和氢气装置40均与所述排出装置60相连。
41.所述空气装置30包括：空压组件、中冷器33和增湿器35。所述增湿器35具有干侧入口、干侧出口、湿侧入口和湿侧出口。所述增湿器35具有干侧通道和湿侧通道。所述干侧入口和干侧出口分别设于所述干侧通道的两端，所述湿侧入口和湿侧出口分别设于所述湿侧通道的两端。
42.所述空压组件与中冷器33的入口相连，所述中冷器33的出口与所述干侧入口相连。所述干侧出口与所述空气进口相连。在空气进堆前通过增湿器35对其进行外增湿，从而保证质子交换膜含有适量的水分。所述空压组件将外界空气压缩后，经所述中冷器33降温处理并通过所述增湿器35进行增湿处理，再通入到电池电堆11中。所述中冷器33的出口与干侧入口之间设有节气门34。所述中冷器33的出口经旁通阀37与所述排出装置60相连。
43.所述空气出口与所述湿侧入口相连通，所述湿侧出口与所述排出装置60相连。所述增湿器35的湿侧出口通过背压阀36与排出装置60相连。
44.所述空压组件包括：空气滤清器31和空压机32。所述空气滤清器31与所述空压机32的入口相连通，所述空压机32的出口与所述中冷器33的入口相连通。
45.在本实施例中，所述空气滤清器31集成有环境温度传感器和空气流量计，其入口可直接与大气相通，其出口经管道与所述空压机32的入口相连通。在所述空压机32的工作过程中，其入口处会产生负压，为避免造成空压机32和空气滤清器31之间的连接管路出现吸瘪现象，应保证空气滤清器31出口与空压机32入口之间的连接管路至少满足
±
50kpa的
耐压力，具体压力值可根据具体系统而定。
46.所述氢气装置40包括：储氢组件、氢气换热器45、引射器46、氢气循环泵49和液气分离器47。
47.所述储氢组件包括：储氢瓶41、截止阀42、减压阀43和安全阀44。所述储氢瓶41、截止阀42、减压阀43、安全阀44和氢气换热器45依次相互连接。所述截止阀42的入口与储氢瓶41的出口连接，所述截止阀42的出口与减压阀43的入口连接。所述安全阀44的入口与减压阀43的出口连接，所述安全阀44的出口与氢气换热器45的入口连接。
48.所述引射器46具有引射入口、引射出口和引射回流口。所述氢气换热器45的出口与所述引射入口相连通。所述引射出口与所述电池电堆11的氢气进口相连。
49.所述液气分离器47具有排水口和排氢口。所述液气分离器47的入口与所述电池电堆11的氢气出口相连，所述排氢口接有四通管。所述四通管的其中一路管口与所述氢气循环泵49的入口连通，另一路管口经排氢阀412与所述脱氧瓶的氢气入口连通，其余一路管口经引射回流单向阀48与所述引射回流口相连通。所述排水口经排水阀411与所述排出装置60相连。
50.所述氢气循环泵49的出口和所述氢气进口之间还设有氢循环单向阀410。所述氢循环单向阀410的入口与氢气循环泵49的出口相连通。所述氢气进口、氢循环单向阀410的出口和引射出口通过三通管相连通。
51.所述排出装置60包括：混排管61和消音器62。所述混排管61的入口分别与所述背压阀36、旁通阀37、排水阀411和排氢阀412相连通。所述消音器62设于所述混排管61的出口。在本实施例中，所述混排管61具备排水功能，避免因过量液态水或水汽流入所述消音器62，从而导致啸叫或所述消音器62的性能衰减。
52.所述热管理装置20包括：水泵21、节温器22、离子过滤器23、加热器24、散热器25、颗粒过滤器26和膨胀水箱27。
53.所述水泵21可以根据燃料电池系统的需求选择高压泵或低压泵。
54.所述散热器25设有散热风扇28。在本实施例中，所述加热器24为ptc加热器24。ptc加热器24又叫ptc发热体，采用ptc陶瓷发热元件与铝管组成。该类型ptc发热体有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器24。所述ptc加热器24的进出口之间连接有并流管路，所述并流管路的两端分别与ptc加热器24的进出口相连通。所述并流管路可以根据空间需求布置在ptc加热器24上或外接于ptc加热器24。通过设置并流管路能够改善ptc加热器24的流阻情况，减少冷却液循环负载，降低所述水泵21的性能需求。
55.所述电池电堆11的热管理出口与所述节温器22的入口相连。所述节温器22的两个出口分别与加热器24的入口以及散热器25的入口相连。所述加热器24的出口和散热器25的出口相互连通并与所述水泵21的入口相连。所述水泵21的出口与所述电池电堆11的热管理入口相连。打开所述节温器22时，其入口与所述散热器25的入口相连通；关闭所述节温器22时，其入口与所述加热器24的入口相连通。
56.所述离子过滤器23的一端通过三通管连接于所述热管理出口和节温器22入口之间，另一端通过三通管连接于所述水泵21的入口和加热器24出口之间。电池系统中高压器件较多，要控制冷却液的电导率。通过并联设置的离子过滤器23，既能控制热管理系统中各个零部件在工作过程中析出的各类离子，又不会造成流阻过大的问题，避免影响系统工作，
且降低了离子过滤器23的可靠性依赖。
57.所述颗粒过滤器26连通于所述散热器25和水泵21之间。所述颗粒过滤器26的入口与散热器25的出口相连，所述颗粒过滤器26的出口与所述加热器24的出口相连。在其他一些实施例中，所述颗粒过滤器26可以连通于所述加热器24的出口和水泵21的入口之间。
58.所述膨胀水箱27具有补水口和进气口。所述补水口通过三通管与所述水泵21的入口相连通。所述进气口分别与所述散热器25的排气口以及所述热管理出口处的排气口相连。溶解在冷却液的空气，经压力温度变化后，从冷却液里析出，通过热管理出口处的排气口以及所述散热器25的排气口输送到膨胀水箱27内。
59.由于供热系统水的热胀冷缩作用，当热水升温时，系统中的水容积增加，当无处容纳水的这部分膨胀量时，供热系统内的水压增高，将影响正常运行。由膨胀水箱27容纳系统的水膨胀量，可减小系统因水的膨胀而造成的水压波动，提高了系统运行的安全、可靠性，当系统由于某种原因漏水或系统降温时，膨胀水箱27水位下降，为系统补水。膨胀水箱27还可以起到稳定系统的压力和排除水在加热过程中所释放出来的空气。
60.所述涡流管组件50包括：涡流管通断阀51、制冷涡流管52、增压泵53和喷射器54。在本实施例中，所述涡流管通断阀51、制冷涡流管52、增压泵53和喷射器54依次相连。所述制冷涡流管52的入口通过所述涡流管通断阀51连通于所述中冷器33的出口和节气门34之间，所述增压泵53连通于所述制冷涡流管52的冷端出口与所述喷射器54之间。
61.本发明的所述涡流管组件50，通过变型和替换能够得出但不限于以下的另外几种实施例：
62.实施例2如图3所示，所述增压泵53可以根据空压组件的性能来设置。若所述制冷涡流管52冷气出口的压力和流量能够满足散热需求，则可以取消增压泵53，所述制冷涡流管52的冷气出口直接与所述喷射器54相连通。
63.实施例3如图4所示，所述涡流管通断阀51可以通过三通管连通于所述空压机32和中冷器33之间。若所述空压机32所压缩的空气先通过中冷器33再经涡流管通断阀51通入到制冷涡流管52中，中冷器33能够对压缩升温的空气进行冷却，但对中冷器33的性能要求较高。所述空压机32所压缩的空气经涡流管通断阀51通入制冷涡流管52中，压力衰减小，能够降低增压泵53或中冷器33的性能需求，节约成本。
64.实施例4如图5所示，所述增压泵53的出口通过三通阀既与所述喷射器54相连，又与所述中冷器33的出口相连。经制冷涡流管52冷却后的空气，一部分经增压泵53通往喷射器54对燃料电池系统进行冷却，另一部分能够与经中冷器33冷却后的空气汇流，从而降低系统对中冷器33的冷却性能需求。
65.实施例5如图6所示，所述制冷涡流管52有两个，以两个所述制冷涡流管52分别为一级涡流管和二级涡流管。所述涡流管通断阀51、一级涡流管、增压泵53、二级涡流管和喷射器54依次相连通。空气经过两级涡流管制冷，降低两个制冷涡流管52的制冷性能需求，从而降低系统开发难度。容易想到的是，所述制冷涡流管52的数量还可以是两个以上。所述制冷涡流管52的热端出口与大气环境连接，所述制冷涡流管52的冷端出口依次串接形成多级制冷降温结构，制冷效果更为优越。
66.在实施例5的基础上结合实施例4，能够得到如图7所示的实施例6、以及如图8所示的实施例7。在实施例6中，所述增压泵53的入口与一级涡流管的冷端出口相连，增压泵53的
出口和喷射器54之间设有二级涡流管，增压泵53的出口还通过三通管与中冷器33的出口相连。而实施例7中，二级涡流管设于所述增压泵53和中冷器33的出口之间，对从一级涡流管通往中冷器33出口的空气进行二级降温。
67.参照图9，本发明还提供了一种上述燃料电池热管理系统的控制方法。
68.所述控制方法具体地：
69.首先，根据燃料电池电堆11的耐温性能，预设燃料电池电堆11的稳定工作最低温度和最高温度分别为t1和t3，燃料电池电堆11的最低启动温度为t2，燃料电池冷却液标准温度为t4，燃料电池冷却液温度上限为t5，燃料电池冷却液关机温度为t6。
70.可以想到的是：其中t2小于t1，t4在t1和t3之间，t5大于t3。一般地，t6小于t1。在本实施例中，燃料电池电堆11的稳定工作最低温度和最高温度t1和t3分别配置为60℃和80℃，燃料电池冷却液标准温度t4配置为70℃，燃料电池电堆11的最低启动温度t2配置为5℃，燃料电池冷却液温度上限t5配置为92℃，燃料电池冷却液关机温度t6配置为60℃。
71.在开机过程中：
72.将燃料电池的冷却液温度tc与t1对比，判断是否执行燃料电池系统暖机操作。
73.若燃料电池冷却液温度tc小于t1，则执行燃料电池系统暖机指令。
74.燃料电池系统的暖机过程具体如下：检测冷却液温度并与t2比较。当冷却液温度小于t2时，启动水泵21和加热器24，并持续检测冷却液温度；当冷却液温度在t2和t1之间时，以低效率模式运行燃料电池系统；直至冷却液温度不小于t1之后，再进行燃料电池系统开机操作。
75.在燃料电池系统的工作过程中，根据t4控制水泵21、节温器22和散热器25，从而将冷却液温度控制在t1至t3之间：
76.若燃料电池冷却液温度tc小于t4，则开启水泵21，调节节温器22开度来维持燃料电池系统冷却液温度，并检测是否收到燃料电池系统关机指令。
77.若燃料电池冷却液温度tc不小于t4，则开启水泵21和节温器22，调节风扇转速，在维持燃料电池系统冷却液温度的同时检测是否收到燃料电池系统关机指令。
78.在燃料电池系统的工作过程中，若燃料电池冷却液温度tc不小于t3，则判断燃料电池冷却液温度tc是否不小于t5。
79.若燃料电池冷却液温度tc不小于t5，则上报故障，并关闭燃料电池系统。具体故障上报策略可根据燃料电池系统的敏感度来判定，如燃料电池电堆11的热管理入口温度，燃料电池电堆11的热管理出口温度以及燃料电池电堆11的热管理入口和出口之间的温差等。
80.若燃料电池冷却液温度tc小于t5，则开启节温器22，调节风扇转速，对水泵21转速和涡流管通断阀51开度进行解耦调节，并检测是否收到燃料电池系统关机指令。水泵21和涡流管通断阀51相互实现解耦控制，也即水泵21转速和涡流管通断阀51开度既共同作用实现燃料电池冷却液的降温，也根据彼此的功率相互调节。
81.在燃料电池系统的工作过程中，持续检测燃料电池冷却液温度和燃料电池系统关机指令。
82.在收到燃料电池系统关机指令时，则关闭燃料电池系统。
83.在关机过程中，保持热管理装置20的运作直至冷却液温度降低至t6以下，再完全关停燃料电池系统：
84.首先，关闭涡流管通断阀51，再判断燃料电池温度tc是否不大于t6。若燃料电池冷却液温度tc大于t6，则开启水泵21，调节节温器22，调节风扇转速，并持续检测燃料电池冷却液温度。若燃料电池冷却液温度tc不大于t6，则关闭风扇，关闭水泵21，完成燃料电池系统关机。
85.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
86.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下还可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。