CN101522447A - 空调控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种空调控制系统，其包括冷却装置和对车辆的车室内的空调进行控制的空调控制装置，并能够在冷却装置和空调控制装置之间进行热交换，该冷却装置通过利用主循环泵使冷却液在燃料电池内循环而对该燃料电池进行冷却，在该空调控制系统中，在燃料电池间歇运转时，使主循环泵连续工作。

Description

空调控制系统
技术领域
本发明涉及一种利用燃料电池的空调控制系统。
背景技术
燃料电池在低温时不能获得充分的发电能力。因而，具有在燃料电池起动时等低温时，利用燃料电池的电力对其冷却水进行加热并对燃料电池进行预热的技术(例如参考专利文献1)。而且，在燃料电池系统中，为了将燃料电池保持在适合运转的温度下，设置了使冷却水循环、利用散热器释放燃料电池产生的不需要的热量的冷却装置。
另一方面，在将燃料电池用作其动力源的移动体(例如混合动力汽车或电动汽车)中，搭载了能够向室内提供冷气或暖气的空调控制装置。在空调控制系统中，例如有时利用使低温侧的热量向高温侧移动的蒸汽压缩式热泵。
此外，提出了一种以空调控制装置利用由燃料电池系统产生的热量或将热量排出的技术。例如具有由暖气用热交换器对燃料电池组产生的热量进行回收并用作暖气装置的热源的技术。在将燃料电池的冷却水通入加热器芯部而进行供暖的车辆用空调装置中，存在下述技术：当由燃料电池产生的燃料电池所不需要的热量比空调所需要的热量小时，为了补充不足的热量而对电加热器进行发热控制的技术。而且，还存在利用空调系统所具有的散热器把来自燃料电池主体的余热放出到大气中的技术。而且，还存在下述系统：通过利用再生制动器所产生的剩余电力对燃料电池的冷却水进行加热而消耗剩余电力、并在空调中利用燃料电池的冷却水的热量。
发明内容
在组合燃料电池的冷却装置和空调控制装置而成的系统中，在燃料电池的所需输出功率降低时，有时使燃料电池间歇运转。在这种情况下，空调控制装置的空气压缩机的周边温度升高，有时空调控制装置会产生异常。为了将空气压缩机的周边温度保持得较低，在空调控制装置一侧必须配置用于使燃料电池冷却装置中使用的冷却液循环的大型循环泵。
本发明的目的在于提供一种空调控制系统，其包括冷却装置和对车辆的车室内的空调进行控制的空调控制装置，并能够在上述冷却装置和上述空调控制装置之间进行热交换，上述冷却装置通过利用主循环泵使冷却液在燃料电池内循环而对该燃料电池进行冷却，在该空调控制系统中，在上述燃料电池间歇运转时，使上述主循环泵工作。
附图说明
图1是显示符合本发明实施例的空调控制系统的构成的视图；
图2是符合本发明实施例的空调控制方法的流程图。
具体实施方式
〔结构〕
图1是显示符合本发明的空调控制系统的构成的视图。空调控制系统包括燃料电池系统和空调控制装置。在图1中表示了搭载在车辆上的燃料电池系统和空调控制装置。燃料电池系统产生作为车辆驱动力的电力。空调控制装置用于对车辆的室内温度进行调整。
<燃料电池系统>
燃料电池系统包括燃料电池10和燃料电池10的冷却装置。
燃料电池10是通过层叠分别作为发电单位的多个单电池而构成的。各个单电池包括电解质、从两侧夹持电解质的燃料极(阳极)及空气极(阴极)、夹持燃料极和空气极的燃料极侧隔板和空气极侧隔板。
燃料极具有扩散层和催化剂层。氢气等燃料气体由燃料供给装置(图中未示)供给到燃料极。供给到燃料极的燃料气体在扩散层进行扩散后到达催化剂层。在催化剂层，通过氧化反应，氢气分离为质子(氢离子)和电子。氢离子通过电解质并移动到空气极，电子通过外部电路并移动到空气极。
空气极具有扩散层和催化剂层。由氧化剂供给装置(图中未示)将空气等氧化剂气体供给到空气极。供给到空气极的氧化剂气体在扩散层进行扩散后到达催化剂层。在催化剂层，氧化剂气体、通过电解质并移动到空气极的氢离子以及通过外部电路并移动到空气极的电子产生还原反应。由此，生成了水。
在燃料极中的氧化反应和空气极中的还原反应时，通过外部电路的电子作为对于连接在燃料电池10的电池组的两端子之间的负载的电力被输出。
在燃料电池10中，随着发电而产生热量。另一方面，存在适合燃料电池10的电化学反应的温度，在燃料电池10中同时设有冷却装置，以使燃料电池10在适合运转的温度下运转。作为冷却装置，通常采用使冷却液向设置在燃料电池10中的冷却液通路循环的方法。
本实施例的冷却装置具有下述结构。在燃料电池10上设置了与燃料电池10的冷却液通路相通的冷却液入口和冷却液出口。冷却液入口通过配管A与使冷却液循环的循环泵(水泵)12的出口相连。另一方面，燃料电池10的冷却液出口通过配管B与对冷却液进行冷却的散热器(冷却器)16的入口相连。
散热器16的冷却液出口通过配管C与三通阀18的第2入口相连。自中途分叉的旁通管D的一端与配管B相连。旁通管D的另一端与三通阀18的第1入口相连。三通阀18的出口通过配管E与循环泵12的入口相连。
冷却装置包括冷却液经由散热器16而进行循环的第1循环路径以及冷却液不经由散热器16而通过旁通管D进行循环(绕过冷却器)的第2循环路径。流过第1循环路径和第2循环路径的冷却液的量由三通阀18对应燃料电池10的温度进行调整。
具体地说，在配管A、B、C上设置有对从燃料电池10排出的冷却液的温度进行检测的温度传感器20。根据由温度传感器20检测到的冷却液的温度，对三通阀18的工作进行控制。
例如，当第1和第2入口的冷却液温度低于认定为需要对燃料电池1进行预热的第1温度时，打开三通阀18的第1入口，并关闭第2入口，冷却液未被散热器16冷却。当冷却液温度超过燃料电池能够稳定运转的上限温度时，关闭三通阀18的第1入口，并打开第2入口，冷却液由散热器16冷却。
离子交换器22设置成跨越燃料电池10的冷却液入口和冷却液出口。离子交换器22将在燃料电池的冷却装置中循环的冷却液内所包含的不纯物去除而对冷却液进行净化。由此，能够提高冷却液的电绝缘耐压。
冷却装置包括用于与空调控制装置组合的配管系统。三通阀24的第1入口与配管B相连，三通阀24的第2入口通过配管F与配管E相连，并且与带有发热体的热交换器14的冷却液出口相连。三通阀24的出口通过配管G与循环泵26的入口相连。循环泵26的出口通过配管H与第1室内热交换器(室内气体冷却器GC)28的热传递部的入口相连。第1室内热交换器28的热传递部的出口通过配管I与带有发热体的热交换器14的入口相连。第1室内热交换器28设置在向室内送出的空气的空气通路30上，以对由循环泵26输送的冷却液和由送风机32向室内送出的空气进行热交换。
<空调控制装置>
车室内的空调控制装置如下构成。对制冷剂进行吸入压缩的电动压缩机34的出口通过配管a与冷气用电磁阀36的入口相连。冷气用电磁阀36的出口通过配管b与暖气用膨胀阀38的入口相连。暖气用膨胀阀38的出口通过配管c与室外热交换器40的入口相连。
在配管a的中途连接有配管d，以从配管a形成分叉。配管d与带有发热体的热交换器14的制冷剂入口相连。带有发热体的热交换器14的制冷剂出口通过配管e与配管b的中部相连。这样一来，在电动压缩机34和室外热交换器40之间形成了设有并列的2个制冷剂流路的状态。通过冷气用电磁阀36的打开、关闭操作，对流经2个制冷剂流路的制冷剂量进行调整。
室外热交换器40的出口通过配管f与内部热交换器42的室外侧制冷剂入口相连。内部热交换器42对来自室外热交换器40的制冷剂和由电动压缩机34吸入的制冷剂进行热交换。内部热交换器42的室外侧制冷剂出口通过配管g与冷气用膨胀阀44的入口相连。冷气用膨胀阀44的出口通过配管h与第2室内热交换器(蒸发器)46的入口相连。
第2室内热交换器46在空气通路30中设置得比第1室内热交换器28靠近空气流向的上游侧，对于应送出到室内的空气和制冷剂进行热交换。第2室内热交换器46的出口通过配管i与储能器(气液分离器)48的入口相连。储能器48将在制冷剂通路(热泵)中循环的制冷剂分离为气相制冷剂和液相制冷剂，并使液相制冷剂流出。储能器48的出口通过配管j与内部热交换器42的室内侧制冷剂入口相连，内部热交换器42的室内侧制冷剂出口通过配管k与电动压缩机34的入口相连。
旁通管m的一端与配管i的中间部分相连，另一端与暖气用电磁阀50的入口相连。暖气用电磁阀50的出口通过旁通管n与内部热交换器42的室外侧制冷剂入口相连。
在空气通路30内，设有将从室内外导入的空气向空气流向的下游侧送出的送风机32。而且，在第1室内热交换器28上，安装用于对通过第1室内热交换器28的空气量进行调整的空气混合阀门(图中未示)。空气混合阀门的开度越大，则通过第1室内热交换器28的空气量越大。
而且，带有发热体的热交换器14包括具有通过通电而发热的加热器的发热体(图中未示)、具有冷却液流路的冷却液侧部52以及具有制冷剂流路的制冷剂侧部54。流过冷却液流路的冷却液和流过制冷剂流路的制冷剂分别通过发热体的发热而被加热。此外，在流过冷却液流路的冷却液和流过制冷剂流路的制冷剂之间进行热交换。
<控制部>
下文将介绍对上述燃料电池系统和空调控制装置进行控制的结构。如图1所示，在本发明实施例的车辆上设有燃料电池10、与燃料电池10并联的蓄电池60、向车辆提供驱动力的电动机(马达)62、其驱动电路64、将来自燃料电池10和蓄电池60的电力供给到驱动电路64并对电动机62的动作进行控制的控制部66。
电动机62在车辆减速时(车辆的制动器工作时等)暂时作为发电机使用。由此，在车辆上设置了再生制动器。由再生制动器所产生的再生能量(再生电力)被蓄电池60回收。不能被蓄电池60回收的剩余电力通过发热体的发热而被消耗。
控制部66设置在燃料电池10及蓄电池60与驱动电路64之间。控制部66通过电力供给线与带有发热体的热交换器14的各个发热体(图中未示)相连。控制部66由下述部件构成：把来自燃料电池10和蓄电池60的直流电转换为交流电的逆变器(图中未示)、接收来自燃料电池系统和空调控制装置的各部分的信号并对燃料电池系统和空调控制装置进行控制的控制装置ECU(电子控制装置)68等。
蓄电池残存容量计70与蓄电池60的端子相连。根据蓄电池的电压或电流的测量值，蓄电池残存容量计70向控制部66输出蓄电池60的充电率。控制部66对蓄电池60的充电率进行监控。当由再生制动器产生了电力时，在充电率不大于规定值的情况下，控制部66使从驱动电路64接收的由再生制动器产生的电力(电流)向蓄电池60一侧流动并对蓄电池60进行充电，在充电率大于规定值的情况下，使上述电力(电流)向带有发热体的热交换器14的发热体一侧流动并使发热体发热。
ECU68由CPU(中央处理单元)、存储器、输入输出接口等构成。通过执行被储存在存储器内的规定的控制程序，对发热体发热的开启及关闭进行控制，同时实施与该开启及关闭控制相关联、且涉及燃料电池10的温度调整、室内暖气、剩余的再生能量的消耗的处理。而且，ECU68对三通阀18、24、冷气用电磁阀36、暖气用膨胀阀38、冷气用膨胀阀44和暖气用电磁阀50进行开闭或进行开度调整。此外，ECU68还对散热器16的风扇转速、室外热交换器40的风扇转速和送风机32的风量进行控制。
〔动作说明〕
燃料电池的冷却装置和空调控制装置的空调控制系统中，可以将燃料电池发电所产生的热量利用于车室内的空调的暖气。下文将对本实施例的空调控制系统中的暖气和冷气的控制进行说明。空调控制系统的控制按照图2所示的流程图进行。
在步骤S10中，进行冷气或暖气的选择。控制部66接收设置在车辆的车室内的空调控制面板的操作信号，判断是否需要进行冷气运转或暖气运转。当进行冷气运转时，进入步骤S12；当进行暖气运转时，进入步骤S14。
在步骤S12中，由空调控制系统实施冷气运转。控制部66的ECU68使冷气用电磁阀36打开并使暖气用电磁阀50关闭。此外，ECU68使冷气用膨胀阀44工作并使暖气用膨胀阀38停止工作。由此形成下述状态，来自电动压缩机34的制冷剂不经过带有发热体的热交换器14、且不受暖气用膨胀阀38的影响地抵达室外热交换器40。来自室外热交换器40的制冷剂通过冷气用膨胀阀44被引导到第2室内热交换器46。
在此状态下，电动压缩机34对制冷剂进行压缩并将其送出到配管a中，由此，制冷剂按照冷气用电磁阀36→暖气用膨胀阀38→室外热交换器40→内部热交换器42→冷气用膨胀阀44→第2室内热交换器46→储能器48→内部热交换器42→电动压缩机34的顺序进行循环。
而且，ECU68将设置在空气通路30内的空气混合阀门控制为关闭状态。由此，流过空气通路30的空气不通过第1室内热交换器28地被引导向车室内。
ECU68向三通阀24发送控制信号，以对三通阀24进行切换，由此形成配管F和配管G相连、配管B和配管G被切断的状态。由此，燃料电池的冷却装置的冷却液循环系和空调控制装置的制冷剂循环系统处于分离状态。
此时，在室外热交换器40中，通过室外空气和制冷剂的热交换进行放热。而且，在第2室内热交换器46中，通过应送出到室内的空气和制冷剂的热交换，制冷剂从空气中吸热而蒸发。由此，冷却后的空气被送出到室内。另一方面，冷却液按照循环泵26→第1室内热交换器28→带有发热体的热交换器14→三通阀24→循环泵26的顺序，流过与燃料电池10的冷却无关的循环路径。
另外，在冷气运转时，与燃料电池10连续运转或间歇运转无关地，由燃料电池的冷却装置使冷却液向冷却液通路循环，对燃料电池10进行冷却。而且，在燃料电池10停止运转的情况下，与用于向燃料电池10供给燃料气体(氢气等)和氧化剂气体(空气等)的泵一起，循环泵12也停止运转。由此，抑制了空调控制系统整体的能量消耗。
在步骤S14中，对应燃料电池10的排热量的大小，控制燃料电池10的冷却装置和空调控制装置的连接。当由温度传感器20等判断为燃料电池10的温度在规定温度TR以上时，ECU68向三通阀24发送控制信号，以对三通阀24进行转换，由此形成配管B和配管G相连、配管F和配管G被切断的状态。由此，对应燃料电池10的运转状态，当判断为来自燃料电池10的排热量大时，燃料电池的冷却液循环路径和空调控制装置的制冷剂循环路径被热连接。
另一方面，当由温度传感器20等判断为燃料电池10的温度小于规定温度TR时，向三通阀24发送控制信号，以对三通阀24进行转换，由此形成配管F和配管G相连、配管B和配管G被切断的状态。由此，当判断为来自燃料电池10的排热量小时，燃料电池的冷却液循环路径和空调控制装置的制冷剂循环路径被热切断。
另外，虽然在本实施例中，由温度传感器20对燃料电池10的温度进行检测，但是并不局限于此。例如，也可以在燃料电池10上设置温度传感器，直接测定燃料电池10的温度。
在步骤S16中，判断燃料电池10是处于连续运转状态还是间歇运转状态。ECU68对应燃料电池10的所需输出功率来控制燃料电池10的运转状态。例如，如果燃料电池10所需的输出功率在燃料电池的额定输出功率的10％以上时，则作为连续运转；不到10％时，则作为间歇运转。如果燃料电池10处于连续运转状态，则进入步骤S18。如果燃料电池10处于间歇运转状态，则进入步骤S20。
在步骤S18中，执行燃料电池10连续运转时的暖气运转。控制部66的ECU68使冷气用电磁阀36关闭并使暖气用电磁阀50打开。此外，ECU68使冷气用膨胀阀44停止工作并使暖气用膨胀阀38工作。由此，来自电动压缩机34的制冷剂经过带有发热体的热交换器14、且受到暖气用膨胀阀38工作的影响而抵达室外热交换器40。来自室外热交换器40的制冷剂通过暖气用电磁阀50，并被引导到储能器48，而没有被引导到第2室内热交换器46内。
在此状态下，电动压缩机34对制冷剂进行压缩并将其送出到配管a中，制冷剂按照热交换器14→暖气用膨胀阀38→室外热交换器40→暖气用电磁阀50→储能器48→内部热交换器42→电动压缩机34的顺序进行循环。
而且，ECU68将设置在空气通路30内的空气混合阀门控制为关闭状态。由此，流过空气通路30的空气通过第1室内热交换器28后被引导到车室内。
当燃料电池10的温度小于规定温度TR时，燃料电池10的冷却液循环路径和第1室内热交换器28的冷却液循环路径被三通阀24热切断。从燃料电池10的出口排出的冷却液被散热器16冷却，并被循环泵12再次返送到燃料电池10。另一方面，流经第1室内热交换器28的冷却液借助循环泵26通过第1室内热交换器28、热交换器14、三通阀24后返回到循环泵26。
当燃料电池10的温度在规定温度TR以上时，从燃料电池10的出口排出的冷却液的一部分通过三通阀24、循环泵26、第1室内热交换器28、热交换器14，并被循环泵12再次返送到燃料电池10内。此时，来自燃料电池10的排热从第1室内热交换器28传递到由送风机32送入车室内的空气中，对车室内进行供暖。在热交换器14中，热量从冷却液传递到在空调控制装置中循环的制冷剂中。
此时，由于燃料电池10处于连续运转状态，因此，用于向燃料电池10供给燃料气体的燃料气体供给泵(图中未示)和氧化剂气体供给泵(图中未示)也连续运转。
在步骤S20中，执行燃料电池10间歇运转时的暖气运转。暖气运转时的空调控制装置与步骤S18基本相同。
当燃料电池10的温度小于规定温度TR时，燃料电池10的冷却液循环路径和第1室内热交换器28的冷却液循环路径被三通阀24热切断。从燃料电池10的出口排出的冷却液被散热器16冷却，并被循环泵12再次返送到燃料电池10。另一方面，流经第1室内热交换器28的冷却液借助循环泵26通过第1室内热交换器28、热交换器14、三通阀24并返回到循环泵26。
当燃料电池10的温度在规定温度TR以上时，从燃料电池10出口排出的冷却液的一部分通过三通阀24、循环泵26、第1室内热交换器28、热交换器14，并被循环泵12再次返送到燃料电池10。此时，来自燃料电池10的排热从第1室内热交换器28传递到由送风机32送入车室内的空气中，对车室内进行供暖。在热交换器14中，热量从冷却液传递到在空调控制装置中循环的制冷剂中。
此时，对应燃料电池10的间歇性停止，间歇性停止向燃料电池10供给燃料气体和氧化剂气体中的至少一种气体。即，用于向燃料电池10供给燃料气体的燃料气体供给泵(图中未示)和氧化剂气体供给泵(图中未示)中的至少一方进行间歇运转。
另一方面，循环泵12与燃料电池10的间歇停止无关地进行连续运转。通过使循环泵12连续运转，在燃料电池10停止运转时，也能由循环泵12连续地向第1室内热交换器28供给冷却液，能够减轻循环泵26的负载的负担。
通过使以往在燃料电池10停止时也同时停止的循环泵12在燃料电池10停止时仍进行工作，能够使循环泵12也承担以往在燃料电池10停止时仅由循环泵26所承担的使冷却液在第1室内热交换器28循环的任务。因而，仅设置额定输出功率小的循环泵26即可。具体地说，循环泵26的最大流量可以小于循环泵12的1/10。即，主循环泵(循环泵12)的最大输出流量优选为副循环泵(循环泵26)的额定输出功率的2倍以上。此外，循环泵26的额定输出功率也可以小于循环泵12的额定输出功率的1/2。即，主循环泵(循环泵12)的额定输出功率优选为副循环泵(循环泵26)的额定输出功率的2倍以上。
这样，通过减小循环泵26的额定输出功率，在燃料电池10完全停止运转、将燃料电池10的冷却装置和空调控制装置热切断的情况下，能够抑制使循环泵26工作时的系统整体的消耗电力。
另一方面，在使燃料电池10间歇运转、并将燃料电池10的排热用于空调控制装置中时，即使循环泵26的额定输出功率较小，也可以使冷却液以如下程度向第1室内热交换器28循环，即，可以从燃料电池10的冷却装置的冷却液向空调控制装置的制冷剂充分进行热交换的程度。即，在使燃料电池间歇运转的情况下，即使在空调控制装置一侧没有设置大型冷却液循环泵，也能够抑制空调控制装置的空气压缩机的温度升高。由此，能够减轻空调控制装置的电动压缩机34的负担。
如上所述，在供暖时，燃料电池10的冷却装置的冷却液循环系和空调控制装置的制冷剂循环系统之间能够进行热交换。由此，可以将来自燃料电池10的排热用于车室空调的暖气。

Claims (6)

1.一种空调控制系统，其包括冷却装置和对车辆的车室内的空调进行控制的空调控制装置，并能够在所述冷却装置和所述空调控制装置之间进行热交换，所述冷却装置通过利用主循环泵使冷却液在燃料电池内循环而对该燃料电池进行冷却，
所述空调控制系统的特征在于：
在所述燃料电池间歇运转时，使所述主循环泵工作。
2.根据权利要求1所述的空调控制系统，其特征在于：
在停止向所述燃料电池供给燃料气体和氧化剂气体中的至少一种气体的期间，使所述主循环泵工作。
3.根据权利要求1所述的空调控制系统，其特征在于，包括：
在所述冷却装置和所述空调控制装置之间进行热交换的热交换器；
三通阀，该三通阀在使冷却液从所述冷却装置向所述热交换器循环的状态和相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的状态之间进行切换；和
相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的副循环泵，
所述主循环泵的额定输出功率是所述副循环泵的额定输出功率的2倍以上。
4.根据权利要求2所述的空调控制系统，其特征在于，包括：
在所述冷却装置和所述空调控制装置之间进行热交换的热交换器；
三通阀，该三通阀在使冷却液从所述冷却装置向所述热交换器循环的状态和相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的状态之间进行切换；和
相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的副循环泵，
所述主循环泵的额定输出功率是所述副循环泵的额定输出功率的2倍以上。
5.根据权利要求1所述的空调控制系统，其特征在于，包括：
在所述冷却装置和所述空调控制装置之间进行热交换的热交换器；
三通阀，该三通阀在使冷却液从所述冷却装置向所述热交换器循环的状态和相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的状态之间进行切换；和
相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的副循环泵，
所述主循环泵的最大输出流量是所述副循环泵的最大输出流量的10倍以上。
6.根据权利要求2所述的空调控制系统，其特征在于，包括：
在所述冷却装置和所述空调控制装置之间进行热交换的热交换器；
三通阀，该三通阀在使冷却液从所述冷却装置向所述热交换器循环的状态和相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的状态之间进行切换；和
相对所述冷却装置独立地使冷却液向所述热交换器循环的副循环泵，
所述主循环泵的最大输出流量是所述副循环泵的最大输出流量的10倍以上。
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