一種燃料電池汽車整車溫度管理系統的製作方法

2023-06-08 10:37:41

本實用新型涉及一種燃料電池汽車整車溫度管理系統，屬於燃料電池系統及整車散熱系統技術領域。

背景技術：

在能源與環境的雙重壓力下，燃料電池汽車成為未來汽車工業發展的方向，也是汽車領域研究的重點。在燃料電池汽車的研究和開發過程中，對其燃料電池系統的冷熱管理和整車的節能效果是重點研究方向。燃料電池發電系統具有在一定溫度範圍內性能達到最佳的特點，由於燃料電池結構及工藝不同，其最佳工作溫度區域有所差異，一般燃料電池最佳工作溫度區域為60～75℃。對於一個化學反應來說，溫度是影響其化學反應進程的一個重要因素，當燃料電池處於低溫的情況下，其化學反應進程會變慢，也就是性能會變差，加載速度變慢，而一般燃料電池發電系統都是以散熱為主，燃料電池的升溫依賴自身的廢熱通過循環冷卻液不斷循環流動而實現緩慢的提高。

公布號為CN 103326048 A的中國專利公開了一種燃料電池快速升溫系統及控制方法，該系統包括小循環加熱系統和大循環冷卻系統，小循環加熱系統包括燃料電池堆、設置在燃料電池堆冷卻水出口的溫度傳感器、水箱、水泵、節溫器、三通和電加熱器；大循環冷卻系統包括燃料電池堆、設置在燃料電池堆冷卻水出口的溫度傳感器、水箱、水泵、節溫器、流量計、具有風扇的散熱器、三通和電加熱器。該系統雖然解決了燃料電池堆的散熱問題，同時又能快速升溫燃料電池堆，但該實用新型沒有將燃料電池持續工作過程中的廢熱有效利用，在增大大氣廢熱排放量的同時，降低了能源的利用率。另外，該專利由於散熱系統的散熱器、水泵、水管路零部件材質無法達到完全不析出離子化合物，導致燃料電池水裝置內水電導率上升，冷卻水內離子幹擾燃料電池裝置內電子生成，導致燃料電池裝置電子損耗，單體輸出功率下降，影響燃料電池輸出整體效率。同樣，散熱系統也沒有對水質的檢測，因此無法對燃料電池散熱系統中的水進行有效的管理。

公告號為CN 104078694 A的中國專利公開了一種餘熱利用方法及裝置，其中的餘熱利用方法包括：控制對燃料電池堆散熱後的冷卻液從燃料電池堆的輸出端流入第一三通閥，將從第一三通閥流出的冷卻液輸入散熱模塊，以使散熱模塊對輸入的冷卻液散熱，將散熱模塊對輸入的冷卻液散熱後產生的散熱量送入空調風道，以使空調風道將散熱量送入客室用於冬季供暖，該本實用新型使熱量資源得到有效利用，並降低了車輛運行能耗；但是並沒有考慮到燃料電池低溫啟動時快速升溫的問題和水質監控的問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種燃料電池汽車整車溫度管理系統，用於解決車內保溫以及燃料電池的廢熱排放造成熱量資源浪費的問題。

為解決上述技術問題，本實用新型提供一種燃料電池汽車整車溫度管理系統，包括以下方案：

系統方案一：該系統包括燃料電池冷卻幹路，所述燃料電池冷卻幹路中串設有燃料電池加熱支路，所述燃料電池加熱支路並聯有車內散熱支路，所述車內散熱支路中串設有第一控制閥；所述燃料電池加熱支路中串設有第二控制閥。

系統方案二：在系統方案一的基礎上，所述燃料電池加熱支路還並聯有車外散熱支路，所述車外散熱支路中串設有第三控制閥。

系統方案三：在系統方案二的基礎上，所述第一控制閥、第二控制閥和第三控制閥為三通閥。

系統方案四、五、六：分別在系統方案一、二、三的基礎上，所述管理系統還包括用於連接動力電池以從動力電池取電的電加熱器，所述電加熱器設置在所述燃料電池冷卻幹路或燃料電池加熱支路上。

系統方案七、八、九：分別在系統方案四、五、六的基礎上，所述燃料電池冷卻幹路中還串設有用於給動力電池加熱的保溫部分。

系統方案十、十一、十二：分別在系統方案七、八、九的基礎上，所述保溫部分為換熱器或散熱器。

系統方案十三、十四、十五：分別在系統方案十、十一、十二的基礎上，所述燃料電池冷卻幹路還串設有過濾系統。

本實用新型的有益效果是：

通過在燃料電池冷卻幹路中串設車內散熱支路，將燃料電池的廢熱通過該車內散熱支路對車內進行加熱保溫，不僅有效解決了車內保溫問題，同時解決了燃料電池的散熱問題，實現了廢熱再利用，減小了對大氣的廢熱排放量，提高了能源的有效利用率。

進一步的，通過在燃料電池冷卻幹路或燃料電池加熱支路中串設用於連接動力電池以從動力電池取電的電加熱器，在燃料電池低溫啟動的情況下，採用動力電池給燃料電池冷卻管路中的冷卻介質加熱以提升燃料電池的溫度，有效解決了燃料電池的低溫啟動問題。

進一步的，通過在燃料電池冷卻幹路中串設保溫部分，採用該保溫部分給動力電池加熱保溫，有效提高了動力電池在低溫環境下的工作性能。

進一步的，通過在燃料電池冷卻幹路中串設過濾系統，對燃料電池冷卻幹路中冷卻介質進行過濾，保證了冷卻介質的純淨，避免影響燃料電池的冷卻性能。

附圖說明

圖1是小循環、車內循環以及車外循環的結構圖；

圖2是小循環、車內循環以及車外循環的控制邏輯。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型進行詳細說明。

燃料電池汽車整車溫度管理系統的結構示意圖如圖1所示，包括燃料電池溫度傳感器、動力電池溫度傳感器、車內溫度傳感器、溫控系統以及燃料電池冷卻幹路。其中，燃料電池冷卻幹路中串設有車內散熱支路，車內散熱支路中設置有車內散熱系統9；車內散熱支路並聯有燃料電池加熱支路，燃料電池加熱支路中設置有加熱系統5；車內散熱支路還並聯有車外散熱支路，車外散熱支路中設置有車外散熱系統10。

在圖1中，由水箱1、燃料電池系統2、循環水泵3、第二可控三通4、加熱系統5，過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分構成了小循環。冷卻介質從水箱1進入循環水泵3，流經第二可控三通4，然後由加熱系統5進行加熱，再流經過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分進入燃料電池系統2的冷卻入口，最後經燃料電池系統2的冷卻出口重新進入循環水泵3。

其中，在小循環中，燃料電池冷卻管路中的冷卻介質可以是水也可以是其他合適的冷卻劑。

加熱系統5可以是簡單的電加熱器及其輔助設備，主要採用動力電池系統7中的電能供電，以給冷卻管道中的冷卻介質加熱，當然該加熱系統也可以採用其他電源設備進行供電。另外，加熱系統5也可以設置在燃料電池冷卻幹路上，此時燃料電池加熱支路只是一條單獨的管路。

過濾系統6主要用於對冷卻介質進行過濾，保證冷卻介質的純淨以使電導率長期控制在較低的工作範圍。

用於給動力電池系統7加熱的保溫部分可以是一段管道，該管道穿過動力電池的內部，當燃料電池冷卻幹路中的高溫冷卻介質流經該管道時，通過該高溫管道給動力電池加熱保溫。為了提高保溫效果，該管道上還可以設有保溫散熱器，燃料電池冷卻管路中的高溫冷卻介質流經該散熱器，散熱器通過自身散熱片進行散熱直接給動力電池加熱，或者是通過給動力電池的冷卻管道中的冷卻介質加熱來給動力電池加熱。該保溫部分也可以是換熱器，燃料電池冷卻幹路中的冷卻介質經過該換熱器給與給動力電池冷卻管道中的冷卻介質進行熱交換給動力電池保溫，提升動力電池的低溫環境適應性。

由水箱1、燃料電池系統2、循環水泵3、第二可控三通4、第一可控三通8、車內散熱系統9、過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分構成了車內循環。冷卻介質從水箱1進入循環水泵3，流經第二可控三通4、第一可控三通8、車內散熱系統9、過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分進入燃料電池系統2的冷卻入口，最後經燃料電池系統2的冷卻出口重新進入循環水泵3。

其中，在車內循環中，車內散熱系統由散熱風扇和散熱器組成，該散熱器設置在車內合適的位置，燃料電池冷卻管路中的高溫冷卻介質通過該散熱器給車內散熱升溫。散熱風扇用於加開散熱過程，風扇的開啟受溫控系統控制，溫控系統根據車內溫度傳感器的溫度值決定風扇是否開啟。當然，車內散熱系統也可以是單獨的散熱管道。

由水箱1、燃料電池系統2、循環水泵3、第二可控三通4、第一可控三通8、車外散熱系統10、過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分構成了車外循環，冷卻介質從水箱1進入循環水泵3，流經第二可控三通4、第一可控三通8、車外散熱系統10、過濾系統6以及用於給動力電池系統7加熱的保溫部分進入燃料電池系統2的冷卻入口，最後經燃料電池系統2的冷卻出口重新進入循環水泵3。

其中，在車外循環中，由於車外散熱系統屬於現有技術，此處不再贅述。

燃料電池溫度傳感器、動力電池溫度傳感器和車內溫度傳感器分別用於檢測燃料電池、動力電池和車內的溫度，並將檢測到的溫度信息發送給溫控系統。溫控系統對接收到的動力電池的溫度、燃料電池的溫度以及車內的溫度進行判斷比較，以確定小循環、車內循環以及車外循環的控制策略。其中，小循環、車內循環以及車外循環的控制策略如圖2所示。

在車輛啟動前，通過插入車輛鑰匙，準備啟動車輛。燃料電池溫度傳感器、動力電池溫度傳感器和車內溫度傳感器將檢測到的溫度信息發送給溫控系統。判斷動力電池、燃料電池以及車內的溫度是否滿足第一設定點，若滿足，即當動力電池、燃料電池以及車內的溫度均低於各自對應的第一設定溫度時，例如，燃料電池的第一設定溫度為0℃，動力電池的第一設定溫度為40℃，車內溫度的第一設定溫度為18℃，此時燃料電池的溫度低於其允許啟動的最低設定溫度，溫控系統通過控制第二可控三通4的流通方向只開啟小循環，採用燃料電池加熱支路中的加熱系統5給燃料電池系統和動力電池系統加熱。由於在小循環中冷卻介質的流程最小，相較於小循環、車內循環和車外循環均開啟的情況，降低了加熱系統能耗，加快了燃料電池啟動速度。當小循環使得燃料電池溫度達到啟動溫度後，燃料電池開始啟動工作。

當然，當動力電池和燃料電池的溫度較高時，燃料電池的環境溫度高於其允許啟動的最低設定溫度時，此時燃料電池無需加熱即可直接啟動，此時小循環不開啟。

燃料電池啟動後，燃料電池的溫度逐漸升高，溫控系統對接收到的來自燃料電池溫度傳感器、動力電池溫度傳感器以及車內溫度傳感器的溫度信息進行判斷，判斷動力電池、燃料電池以及車內的溫度是否滿足第二設定點，若滿足，即當燃料電池高於燃料電池第一設定溫度且低於燃料電池第二設定溫度，且動力電池和車內溫度依舊均低於各自對應的第一設定溫度時，例如，燃料電池的第二設定溫度為40℃，溫控系統通過控制第二可控三通4和第一可控三通8的流通方向開啟車內循環給車內散熱，此時小循環和車內循環共同工作。其中，小循環的開啟實現燃料電池系統的繼續升溫，車內循環的開啟實現車內的快速制熱。另外，溫控系統可根據車內實時溫度控制第二可控三通4的流量分配，實現小循環和車內循環的協調工作。

隨著小循環的開啟，動力電池系統和燃料電池系統的溫度不斷上升，判斷動力電池、燃料電池以及車內的溫度是否滿足第三設定點，若滿足，即當燃料電池高於燃料電池電池第二設定溫度且低於燃料電池第三設定溫度、動力電池高於動力電池第一設定溫度且低於動力電池第二設定溫度、車內溫度低於車內第一設定溫度時，例如，當動力電池的第三設定溫度為60℃，動力電池的第二設定溫度為60℃，溫控系統通過控制第二可控三通4的流通方向關閉小循環，動力電池和燃料電池不再進行加熱，此時只開啟車內循環，用於車內升供暖。

隨著車內循環的開啟，車內溫度不斷上升，判斷動力電池、燃料電池以及車內的溫度是否滿足第四設定點，若滿足，即當燃料電池高於燃料電池電池第二設定溫度且低於燃料電池第三設定溫度，動力電池高於動力電池第一設定溫度且低於動力電池第二設定溫度，車內溫度高於車內第一設定溫度且低於車內第二設定溫度時，例如，車內第二設定溫度為25℃，溫控系統通過控制第一可控三通8的流通方向開啟車外循環，此時車內循環和車外循環共同工作。其中，車內循環的開啟用於車內的繼續制熱，車外循環用於燃料電池的輔助散熱。另外，溫控系統可根據車內實時溫度控制第二可控三通4的流量分配，實現車內循環和車外循環的協調工作。

隨著車內溫度的繼續升高，判斷動力電池、燃料電池以及車內的溫度是否滿足第五設定點，若滿足，即當燃料電池高於燃料電池電池第二設定溫度且低於燃料電池第三設定溫度、動力電池高於動力電池第一設定溫度且低於動力電池第二設定溫度、車內溫度高於車內第二設定溫度時，溫控系統通過控制第一可控三通8的流通方向關閉車內循環，此時只開啟車外循環，用於燃料電池的散熱。當然，在只開啟車外循環的情況下，若燃料電池和動力電池的溫度繼續升高，而車內溫度高於車內第二設定溫度時，也仍舊保持只開啟車外循環。

另外，該溫度管理系統還包括水質檢測儀器，該水質檢測儀器放置於水箱或水泵的輸入端，並將水質預警信息實時傳輸給儀錶盤，當水質檢測量值超過預警值時，儀錶盤報警，提示司機換水。

需要指出的是，溫控系統內存儲的燃料電池、動力電池以及車內溫度的各個設定溫度可根據用戶需求進行設定，並不局限於上述實施例中給出的具體數值。