CN101453026B - 燃料电池车的冷却剂温度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池车的冷却剂温度控制器，包括：壳体，其包括设置在其一侧的第一和第二进入口、和在第一进入口的水平方向上设置在其另一侧的排出口；活塞操作部，其包括能在壳体的第一和第二进入口和排出口之间垂直移动以适当控制第一和第二进入口的打开程度的操作活塞；装配在活塞操作部顶部的电动机；和电动机轴，其连接到电动机并且从电动机向活塞操作部的底部延伸以连接到操作活塞，其中操作活塞的垂直运动由在电动机操作时通过电动机轴传送的旋转力驱动。控制器可将冷却剂保持在为燃料电池组的最优操作预设的温度。

Description

燃料电池车的冷却剂温度控制器

相关申请的交叉引用

本申请按照35U.S.C§119(a)要求于2007年12月4日提交的韩国专利申请第10-2007-0124729号的优先权，其全部内容结合在本文中作为参考。

技术领域

本发明涉及燃料电池车的冷却剂温度控制器。更具体地，本发明涉及燃料电池车的冷却剂温度控制器，其中在燃料电池组的进入口设置温度控制阀，并且该温度控制阀被适当地控制，使得来自旁路的加热的冷却剂和/或来自散热器的冷却的冷却剂根据电池组入口的冷却剂温度被引入电池组，由此能够在电池组的最优操作所需的温度下提供冷却剂。

背景技术

燃料电池系统是直接将燃料的化学能转换为电能的电生成系统。

燃料电池系统一般包括用于生成电的燃料电池组、用于将燃料(氢)供应到燃料电池组的燃料供应系统、用于向燃料电池组供应作为电化学反应所需的氧化剂的空气中的氧气的空气供应系统、和用于将燃料电池组的反应热量移除到燃料电池系统外部并且控制燃料电池组的操作温度的热和水管理系统。

具有上述配置的燃料电池系统通过作为燃料的氢与空气中的氧气的电气化学反应生成电，并且将热和水排出作为反应的副产品。

通过接收空气中的氧气和作为燃料的氢生成电的燃料电池组，被用作燃料电池车的主要电力供应源。

由于当在最优温度下控制的冷却剂被供应到电池组时，燃料电池组显示出最优输出，所以将引入到电池组中的冷却剂保持在特定温度是重要的。

因此，燃料电池车包括装配在燃料电池组冷却回路中的冷却剂温度控制器，以控制引入电池组的冷却剂的温度。

图1是显示出燃料电池车中的燃料电池组冷却回路的示意图。在燃料电池系统初始启动时，当冷却剂温度由于电池组10的低热量生成速度而较低时，冷却剂按以下顺序流动：电池组10→泵11→温度控制阀13→电池组10。也就是说，由于较低的冷却剂温度，不必将冷却剂传送到散热器12。

然而，电池组10的热量生成速度随时间而增加，并且因此如果流过旁路回路的冷却剂的温度快速增加，则温度控制阀13适当地切断旁路回路并且开启散热器回路，使得在散热器12中冷却的冷却剂(以如下顺序：10→11→12→13→10)被引入电池组10。

考虑到应用到燃料电池车的电池组入口中所需的冷却剂温度是大约65℃，温度控制阀接收电池组10的入口温度T1的信号以适当控制两个回路的开放程度，使得预定温度的冷却剂被供应到电池组而不管外界环境。

图2是显示出常规旋转式温度控制阀130的示意图，其中使用如下控制方法：通过装配在阀130的顶部的电动机使用流控制器134。

温度控制阀130包括通过其引入来自旁路管线(电池组出口)的冷却剂的第一进入口131、通过其引入来自散热器的冷却剂的第二进入口132、通过其使冷却剂排出到电池组入口的排出口133。此外，流控制器134设置在阀130中，使得冷却剂可同时通过第一和第二进入口131和132被引入。

上述控制方法是这样的方法，其中，这里设置的流控制器134由电动机向左和右旋转，以通过调整来自散热器的冷却的冷却剂和来自旁路管线的冷却剂的混合比来控制在电池组10中流动的冷却剂的温度。由流控制器134的均衡控制，该控制方法可将恒定量的冷却剂供应到电池组10。

然而，上述温度控制阀130具有的缺点在于，在通过电动机的流控制器134的旋转在多于200LPM的高流条件下被控制的情况下，电动机转矩由于由冷却剂流生成的压力而过度地增加，并且精确控制由此变得不可能。此外，由于旋转式温度控制阀价格高，其不适于车辆。

同时，图3是显示出常规的直接作用的温度控制阀230的示意图。直接作用温度控制阀230以旋转式阀130相同的方式由电动机234操作。其包括壳体，该壳体包括通过其引入来自旁路管线的冷却剂的第一进入口231、通过其引入来自散热器的冷却剂的第二进入口232、通过其将冷却剂排到电池组入口的排出口233、和其中设置的并且选择性打开和关闭第一和第二进入口231和232的隔膜。

与直接作用阀230相关的控制方法根据系统的冷却剂温度，按照与旋转式阀130相关的相同方式控制电动机234；然而，不同之处在于，其使来自电池组出口的加热的冷却剂和来自散热器的冷却的冷却剂交替经过以控制系统的冷却剂温度。

在此情况下，设置在阀壳体内部的隔膜使来自电池组出口的冷却剂和来自散热器的冷却剂在电动机的驱动下选择性地流动。

上述直接作用温度控制阀230即使在与旋转式阀130相比的高流条件下，也显示出较好的电动机控制性能；然而，其缺点在于，由于不可能适当地控制来自散热器的冷却的冷却剂和来自电池组的加热的冷却剂，其难以为了电池组输出的稳定性而精确地控制冷却剂温度。

在背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景技术的理解，并因此其可包含不形成对于本国家的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为了解决与现有技术相关的上述问题而做出本发明。本发明涉及燃料电池车的冷却剂温度控制器，其中在电池组的进入口设置温度控制阀，其具有能够适当地控制冷却剂流动的旋转式阀的优点和即使在高流条件下也能够平稳地控制电动机的直接作用式阀的优点，并且该温度控制阀可被适当地控制使得来自旁路的加热的冷却剂和/或来自散热器的冷却的冷却剂根据电池组入口的冷却剂温度被引入电池组。

在一个方面中，本发明提供了燃料电池车的冷却剂温度控制器，该冷却剂温度控制器包括：壳体，该壳体包括设置在其一侧上的第一和第二进入口、和与第一进入口处于水平方向的设置在其另一侧的排出口；活塞操作部，该活塞操作部包括能在壳体的第一和第二进入口和排出口之间垂直移动以适当控制第一和第二进入口的打开程度的操作活塞；装配在活塞操作部顶部的电动机；以及连接到电动机并且从电动机延伸到活塞操作部的底部以连接到操作活塞的电动机轴，其中操作活塞的垂直运动由通过电动机轴在电动机操作时传送的旋转力驱动。

优选地，第二进入口可位于相对于活塞操作部中的第一进入口倾斜的位置。

同样优选地，第一和第二进入口可位于活塞操作部中，使得通过第一进入口从散热器引入的冷却剂与通过第二进入口从电池组出口引入的冷却剂汇合。

适当地，操作活塞可被垂直地设置在活塞操作部内部，并且电动机轴穿透操作活塞的中心以与之螺纹连接。

同样适当地，操作活塞可形成为椭圆形。

根据本发明的优选实施方式，通过第一进入口引入的冷却剂和通过第二进入口引入的冷却剂中的至少一个可通过操作活塞的垂直运动经排出口口供应到电池组入口。

可以理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车，例如载客汽车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车，包括各种船和艇的水运工具，飞机，等等。

本发明的上述特性和优点将从附图和以下详细说明中变得明显或在其中更详细地说明，附图结合在此说明书中并且形成此说明书的一部分，以下详细说明一起被用作通过实施例说明本发明的原理。

附图说明

本发明的上述和其它特性将参考其某些示例性的实施方式详细说明，该实施方式由附图举例说明，下文提供的附图仅仅出于举例说明的目的，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是显示出燃料电池车中的燃料电池组冷却回路的示意图；

图2是显示出常规的旋转式温度控制阀的示意图；

图3是显示出常规的直接作用温度控制阀的示意图；

图4是显示出根据本发明的优选实施方式的冷却剂温度控制器的前视图；

图5是显示出上壳体被移除状态下的图4的冷却剂温度控制器的前视图；

图6是图5的冷却剂温度控制器的俯视图；

图7是图4的冷却剂温度控制器的截面视图；

图8是显示出图4的冷却剂温度控制器的压力下降的图表；且

图9是显示出热滞后曲线的图表。

附图中列出的参考数字包括如下面进一步讨论的以下元件：

10：电池组           11：泵

12：散热器           13、330：温度控制阀

331：电动机          332：操作活塞

333：第一进入口      334：第二进入口

335：排出口          336：活塞操作部

337：电动机轴

应该理解的是，附图不必然呈比例，而只是表示本发明的基本原理的各种优选特性图例的简化表示。包括例如特定尺寸、方向、位置和形状的本文所公开的本发明的特定设计特性，将通过特定应用和使用环境被部分地确定。

具体实施方式

现在将参照本发明的优选实施方式详细说明，其实施例在以下附图中举例说明，其中类似的参考数字表示类似的元件。以下说明实施方式从而通过参照附图来解释本发明。

图4是显示出根据本发明的优选实施方式的冷却剂温度控制器的前视图，图5是显示出上壳体被移除的状态下的图4的冷却剂温度控制器的前视图，图6是图5的冷却剂温度控制器的俯视图，并且图7是图4的冷却剂温度控制器的截面视图。

为了准确和快速控制冷却剂温度，本发明提供如下结构，其中温度控制阀330装配在电池组10的进入口，以根据引入电池组入口的冷却剂的温度，由电动机331的操作上下移动操作活塞332，来适当地控制来自旁路管线的冷却剂和来自散热器12的冷却剂的流动。

也就是说，根据本发明的优选实施方式的温度控制阀330具有能够适当地控制冷却剂流动的旋转式阀的优点和即使在高流条件下也能平稳地控制电动机的直接作用式阀的优点。

温度控制阀330包括壳体，该壳体包括通过其引入来自散热器12的冷却剂的第一进入口333、通过其引入来自电池组出口的冷却剂的第二进入口334、和通过其将冷却剂排出到电池组入口的排出口335。

第一进入口333被水平设置在壳体的左侧，排出口335被设置在与第一进入口333呈直线的壳体右侧，并且第二进入口334被设置在与第一进入口333结合的倾斜角上。

活塞操作部336被垂直设置在壳体中部，处于第一和第二进入口333和334与排出口335之间。能上下移动的操作活塞332被安装在活塞操作部336中。螺纹连接到电动机轴337的操作活塞332，通过设置在壳体顶部的电动机331的操作，不旋转而是上下移动。

也就是说，在电动机331以一个方向旋转时，通过沿操作活塞332的形状形成的活塞操作部336的形状，螺纹连接到电动机轴337的操作活塞332不旋转。在具有内螺纹的操作活塞332连接到具有外螺纹的电动机轴337时，当电动机轴337沿一个方向旋转时，操作活塞332向上移动，并且当电动机331沿另一方向旋转时，操作活塞332向下移动。

在此情况下，活塞操作部336可具有由圆(弯曲的表面)和直线(平面)共同形成的椭圆形，并且由于此处设置具有与活塞操作部336相同形状的操作活塞332，操作活塞332的旋转受到限制。

此外，操作活塞332具有略大于其内直径的高度，从而能完全关闭第一和第二进入口333和334的任何一个。操作活塞332具有一个空间，其中冷却剂流动以促使冷却剂从第二进入口334流到出口端335。操作活塞332的一侧表面由垂直弯曲表面形成，从而能打开和关闭第一和第二进入口333和334，并且其另一侧表面具有开口，从而能够将经过第二进入口334引入的冷却剂放出到排出口335。

也就是说，通过第一进入口333引入的冷却剂直接经过操作活塞332的顶部并流出到排出口335，并且经过第二进入口334引入的冷却剂经由操作活塞332的内部空间流动并随后经开口流出到排出口335。

以下将说明具有上述配置的冷却剂温度控制器的操作状态。

首先，在测量了电池组入口内的冷却剂的温度后，冷却剂温度控制器根据测量的温度由操作电动机331控制操作活塞332的位置，从而适当地控制通过第一和第二进入口333和334引入的冷却剂，由此将冷却剂保持在预定温度。

更具体地，电动机轴337通过电动机331的操作而旋转，并且由于旋转的限制，操作活塞332上下移动。此时，如果操作活塞332与第一和第二进入口333和334相邻的一侧表面打开第一进入口333并且关闭第二进入口334，则来自散热器12的冷却的冷却剂通过排出口335被供应到电池组入口。

类似地，在操作活塞332的操作表面覆盖第一进入口333的一部分和第二进入口334的一部分的情况下，来自散热器12的冷却的冷却剂和来自电池组出口的加热的冷却剂被同时供应到电池组入口。在此情况下，如果第一进入口333更加开放，则更多的冷却的冷却剂被引入，而如果第二进入口334更加开放，则更多的加热的冷却剂被引入。

也就是说，如果引入到电池组入口的冷却剂的温度高于预定温度(例如，65℃)，操作活塞332的位置被调整以增加第一进入口333的开放程度，而如果其低于预定温度，操作活塞332的位置被调整以增加第二进入口334的开放程度。通过控制电动机331的操作，能够实现对操作活塞332的位置控制。

随后，如果第一进入口333关闭并且第二进入口334打开，则来自电池组出口的加热的冷却剂通过排出口335被供应到电池组入口。

图8是显示出图4的冷却剂温度控制器的压力下降的图表。如图8所示，由于实现了冷却剂流的适当控制，系统的压力下降在100LPM下为5kPa。考虑到在常规的直接作用式阀的情况下，对于相同流有20kPa的压力下降，可以理解通过根据本发明的控制方法改善了压力下降。

图9是显示出热滞后曲线的图表。由于电动机是根据本发明优选实施方式的电池组入口中的冷却剂的温度信号而被驱动的，并不出现在常规直接作用式阀中典型地出现的热滞后，并且因此有可能准确地和快速地控制冷却剂温度。因此，即使由于外部环境而使冷却条件发生改变，也能够在数秒内向电池组供应预定温度的冷却剂。

如上所述，根据本发明的燃料电池车的冷却剂温度控制器，其适用常规直接作用式阀和旋转式阀的优点，能够根据电池组入口中的冷却剂的温度信号，通过驱动电动机实时控制冷却剂温度，并且因此能够改善电池组输出的有效性和性能。此外，通过减少压力下降以降低泵的放出负载(discharge load)，即使在低输出时也能够供应足够的冷却剂。

本发明参考其优选实施方式进行了详细地说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。

Claims (5)

1.一种燃料电池车的冷却剂温度控制器，所述冷却剂温度控制器包括：

壳体，所述壳体包括设置在其一侧的第一和第二进入口、以及相对于所述第一进入口在水平方向设置在其另一侧的排出口；

活塞操作部，所述活塞操作部包括能够在所述壳体的第一和第二进入口和排出口之间上下移动以适当地控制所述第一和第二进入口的打开程度的操作活塞；

装配在所述活塞操作部的顶部的电动机；和

电动机轴，所述电动机轴连接到所述电动机，并且从所述电动机向所述活塞操作部的底部延伸以连接到所述操作活塞，

其中所述操作活塞的上下移动由在所述电动机操作时通过所述电动机轴传输的旋转力驱动，

其中所述操作活塞设置在所述活塞操作部的内部，并且所述电动机轴穿透所述操作活塞的中心以与之螺纹连接。

2.如权利要求1所述的冷却剂温度控制器，其中所述第二进入口位于相对于所述壳体的所述第一进入口倾斜的位置。

3.如权利要求2所述的冷却剂温度控制器，其中在所述活塞操作的操作表面覆盖所述第一进入口的一部分和第二进入口的一部分的情况下，经所述第一进入口从散热器引入的冷却剂和经所述第二进入口从电池组出口引入的冷却剂汇合。

4.如权利要求1所述的冷却剂温度控制器，其中所述操作活塞形成为椭圆形。

5.如权利要求3所述的冷却剂温度控制器，其中经所述第一进入口引入的冷却剂和经所述第二进入口引入的冷却剂中的至少一个，通过所述操作活塞的上下移动经所述排出口被供应到电池组入口。

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