CN104752742A - 燃料电池车辆的温度管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了燃料电池车辆的温度管理系统及方法。其中，燃料电池车辆的温度管理系统，包括：散热器、水泵、离子过滤器、流量控制阀、状态检测器和控制器。散热器被配置为经由冷却水排出燃料电池组产生的热，水泵被配置为循环冷却水通过该系统。另外，在连接燃料电池组和散热器的冷却水循环线路分支的分支线路中设置离子过滤器。状态检测器被配置为检测冷却水状态信息，流量控制阀被配置为选择性地阻断冷却水向离子过滤器的流动；控制器被配置为根据状态检测器检测的冷却水状态信息控制流量控制阀的操作。

Description

燃料电池车辆的温度管理系统及方法

技术领域

本公开内容涉及燃料电池车辆的温度管理系统及方法。更具体来说，本公开内容涉及燃料电池车辆的温度管理系统及方法，其通过增加冷却水流速并相应地增加散热器中的散热量来减少进入高温限流模式的次数。

背景技术

一种按照燃料电池车辆构造的燃料电池系统，包括：1)通过反应气体的电化学反应产生电能的燃料电池组，2)给燃料电池组供应氢气(即，燃料)的氢气供应装置，3)给燃料电池组供应含氧空气的空气供应装置，以及4)把燃料电池组产生的热量驱散到外部从而最佳控制工作温度并管理水量(water production)的温度和水管理系统。

通常，燃料电池组将作为(例如)氢气和氧气(即，常见反应气体)的电化学反应过程中产生的副产物的热和水排出。但是，为了使燃料电池组呈现最佳输出性能，需要在点火和工作过程中，燃料电池组的温度需要被管理处于最佳温度。

因此，使用在点火过程中快速增加燃料电池组的温度而在工作期间将燃料电池组的温度仍维持在最佳温度的温度管理系统是必要的。

图1中示出了燃料电池车辆的常规温度管理系统。图1为示出了燃料电池车辆的温度管理系统中冷却水环路的示意图，其中，燃料电池车辆的温度管理系统包括：将燃料电池组1产生动力时产生的热排出到外部的散热器2，连接在燃料电池组1和散热器2之间从而能在其间循环冷却水的冷却水循环线路3，选择性旁路冷却水从而防止冷却水经过散热器2的旁路线路4和三通阀5，泵送并循环冷却水的水泵6，以及增加冷却水的温度从而使燃料电池组变暖的加热器7。此外，为了使冷却水的电导率维持在预定的水平以下，在冷却水环路的分支线路8中设置有过滤冷却水中存在的离子的软化器(DMN)9。

图1中的温度管理系统将燃料电池组工作过程中产生的热排出到外部，同时沿着散热器2至三通阀5、然后至水泵6、随后是加热器7、最终回到燃料电池组1的路线循环冷却水。

由于聚合物电解质燃料电池(PEFMC)(其是燃料车辆中常用的燃料电池)在低温下工作，因此需要散热面积大的散热器以使燃料维持在低温下，但是，在暖和天气下，散热器排出的热量少于燃料电池组产生的热量，这样，散热器在这些条件下通常不能充分冷却燃料电池。

因此，如图2所示，当燃料电池组出口处的冷却水的温度增加并因此达到设定温度时，燃料电池控制器(FCU)限制燃料电池组的电流输出从而保护燃料电池组并防止冷却水的温度高于设定温度，这被称为高温限流。

在暖和天气下，当车辆持续急加速和高输出工作(例如，在高速公路或上坡行驶)或冷却水的流速不够时，冷却水增加到高温，并因此经常会出现这种高温限流。因此，在该限流时段中，当司机踩加速踏板时，燃料电池组的输出是不够的。

由于需要增加不足的散热能力从而防止经常出现高温限流，需要考虑额外增加散热器的散热面积的方法，但是由于车辆布局而存在诸多限制。

此外，应当使用高性能/高流速泵来最大化散热性能，但是，在泵高输出其间，在泵送冷却水的同时压力超过燃料电池组的内压力水平时，由于燃料电池组的结构，可能由于该增加压力而造成燃料电池组的泄漏。

上述背景技术公开的信息只是为了增进对本公开内容背景技术的了解，因此，可包含不构成该国本领域技术人员已经熟知的当前技术的信息。

发明内容

做出本公开内容，以解决相关技术涉及的上述问题，并提供燃料电池车辆的温度管理系统及方法，其能够通过增加冷却水流速以及散热器中的散热量来减少进入高温限流模式的次数(频率)。

此外，做出本公开内容，以提供燃料电池车辆的温度管理系统及方法，其在改进燃料电池车辆的散热性能的同时减少限流到达时延和限制时间，从而有助于提高车辆的性能和质量。

在一方面，本公开内容提供一种燃料电池车辆的温度管理系统，包括：散热器，被配置为通过冷却水将燃料电池组产生的热排到外部；水泵，被配置为循环冷却水；离子过滤器，设置在从连接燃料电池组和散热器的冷却水循环线路分支的分支线路，从而使冷却水流过该离子过滤器；状态检测器(例如，传感器)，被配置为检测冷却水状态信息；流量控制阀，被配置为选择性阻断冷却水流至离子过滤器；以及，控制器，被配置为根据状态检测器检测的冷却水状态信息控制流量控制阀的操作。

在另一方面，本公开内容提供燃料电池车辆的温度管理方法，包括：在由水泵将冷却水沿着燃料电池组和散热器之间的冷却水循环线路循环的同时由状态检测器检测冷却水状态信息；由控制器根据状态检测器检测的冷却水状态信息来控制流量控制阀的操作，其中，流量控制阀设置为选择性阻断到离子过滤器的冷却水流。

因此，根据本公开内容的温度管理系统和方法，根据冷却水的电导率或冷却水的温度来选择性地使用离子过滤器，从而可提高离子过滤器的耐用性，延长其使用寿命。

此外，通过使用离子过滤器阻断冷却水路径可增加冷却水的流速以及散热器中的散热量(即，热传导率)，因此可降低车辆进入高温限流模式的次数。

另外，通过控制离子过滤器路径的冷却水可提高燃料电池车辆的散热性能，因此，可降低限流到达时延和限制时间，从而有助于提高车辆的性能和质量。

此外，在电导率不高的条件下可增加散热器中冷却水的流速，因此，可降低水泵的驱动损耗，从而有助于提高燃料电池车辆的燃料效率。

附图说明

下面将结合附图所示的本公开内容具体示例性实施方式对本公开内容的上述和其他特征进行描述，这些附图只是说明性的，因此并不限制本公开内容，其中，

图1为燃料电池车辆的温度管理系统中冷却水循环的示意图；

图2为燃料电池系统的限流处理的示图；

图3为根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统的示意图；以及

图4为控制根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统中阀的系统的配置的方框图。

附图中参考数字表示下面将要说明的元件：

1：燃料电池组           2：散热器

3：冷却水循环线路       4：旁路线路

5：三通阀               6：水泵

7：加热器               8：分支线路

9：离子过滤器           11：电导率传感器

12：温度传感器          20：燃料电池控制单元(控制器)

31：流量控制阀

应理解的是，附图不一定符合比例，而是以简化的方式体现表示本公开内容基本原理的各个示例性特征。这里公开的本公开内容的特殊设计特征(例如：包括特殊尺寸、方向、位置和形状)将部分取决于具体特定应用和使用环境。

在附图中，参考数字表示本公开内容相同或等同的部分。

具体实施方式

在下文中，将详细引用本公开内容的各个实施方式，其示例如附图所示并描述如下。尽管将结合示例性实施方式对本公开内容进行描述，但是，将理解的是，描述并不是使本公开内容限于这些示例性实施方式。相反，本公开内容不仅涵盖了示例性实施方式，还有各种变化、修改、等同物和其他实施方式，这些可包含在如附属权利要求定义的本公开内容的精神和范围内。

应当理解的是，在此使用的术语“车辆”或者“车辆的”或者其他类似术语通常包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车(SUV)的客车、公共车辆、卡车、各种商用车辆、包括各种船舶的船只、飞机等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、内燃机式车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其他可替代燃料车辆(例如，源自不同于石油的资源的燃料)。如本文中所指的，混合动力车辆为具有两个以上动力源的车辆，例如，汽油-动力和电-动力车辆。

另外，应理解的是，由至少一个控制器执行以下方法。术语控制器是指包括被配置为执行一个或多个应理解为其算法结构的步骤的处理器和存储器。存储器被配置为存储算法步骤，处理器具体被配置为执行所述算法步骤从而进行一个或多个下面所述的处理。此外，控制器可被配置为插入从状态检测器接收的数据以供在控制逻辑中相应地使用。

而且，本发明的控制逻辑可体现为非易失性计算机可读介质，在计算机可读介质上包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的实例包括但并不限于：ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络耦接的计算机系统中，从而以分布式方式存储并且例如由车载通信服务器(telematics server)或控制器局域网络(CAN)执行该计算机可读介质。

在下文中，将结合附图对本公开内容的示例性实施方式进行详细描述，从而使得本公开内容所属领域的技术人员易于实践。

图3为根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统的示例图，示出了燃料电池车辆的冷却水环路的配置，图4为示出了用于控制根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统中的阀的配置的方框图。

如图所示，根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统包括：散热器2，将燃料电池组(即，发电过程中)产生的热排出/驱散到外部；冷却水循环线路3，连接在燃料电池组1和散热器2之间，该冷却水循环线路在其间循环冷却水；旁路线路4和三通阀5，选择性地旁路冷却水从而防止冷却水通过散热器2；水泵6，循环冷却水；以及加热器7，升高冷却水的温度。

在该配置中，在从冷却水循环线路3分支的分支线路8设置离子过滤器9。另外，根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统被配置为还包括流量控制阀31，选择性地阻断冷却水流通过分支线路8和离子过滤器9。

流量控制阀31可以是根据控制器(即，燃料电池控制单元(FCU)20)的控制信号而工作的电子控制阀，从而打开和关闭设置有离子过滤器9的分支线路8的通道，还可被配置为控制到离子过滤器的流量使得在阻断操作期间可阻断水流。

在根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统中，燃料电池控制单元20根据冷却水状态信息来控制流量控制阀31的操作，其中，由状态检测器获得冷却水状态信息。具体地，根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统可包括作为状态传感器的电导率传感器11，其检测冷却水的电导率从而获得冷却水状态信息。这样，来自电导率传感器11的检测值输入到燃料电池控制器20。

在燃料电池系统中，燃料电池组的出口位置，即，燃料电池组1的冷却水出口歧管，设置有例如可以是安全传感器的电导率传感器，因此，可使用先前设置的电导率传感器11而没有添加单独的传感器。

如图4所示，燃料电池控制器20接收电导率传感器11的信号，从而根据电导率传感器检测的冷却水的电导率控制流量控制阀31的打开和关闭操作。在这种情况下，燃料电池控制器20进行控制，从而在检测的电导率大于等于预设参考值的条件下打开流量控制阀31，在电导率小于参考值的条件下阻断流量控制阀31。即，当冷却水的电导率达到参考值并因此处在高状态时，燃料电池控制器20打开流量控制阀31，使得冷却水通过离子过滤器9，从而降低冷却水的电导率。

另一方面，当电导率低于参考值并因此处在低状态时，不必去除离子，因此，燃料电池控制单元20关闭流量控制阀31以防止冷却水流入分支线路8和离子过滤器9。

在根据本公开内容的示例性实施方式的温度管理系统中，燃料电池控制单元20控制冷却水，从而实时地根据传感器11检测的冷却水的电导率选择性地使冷却水通过离子过滤器9，具体地，当电导率低并因此不用去除离子时，即使全部冷却水只在燃料电池组1和散热器2之间循环，也阻断分支线路8的通道，防止冷却水通过离子过滤器9。根据相关技术的温度管理系统以下结构，在该结构中，通过离子过滤器的冷却水路径(分支线路路径)一直打开，因此，在使得全部数量的冷却水的一部分在燃料电池组和散热器之间循环的同时，仍使得一些冷却水始终通过离子过滤器。

因此，根据相关技术，即使不用过滤时(即，当电导率小于参考值时)，也一直使用离子过滤器(高温冷却水始终通过离子过滤器)，其结果是，离子过滤器的使用寿命可能不必要地被缩短。

此外，当一部分水流被允许始终通过离子过滤器路径(分支线路路径)时，系统中会出现一定的流速损失，其结果是，影响通过散热器的流速，因此降低系统的热传导率。

因此，在本公开内容的示例性实施方式中，当冷却水的电导率小于(由高级研究验证和设置的)参考值时，燃料电池控制单元20触发流量控制阀31，以关闭到离子过滤器9的分支线路，从而防止一部分冷却水沿着离子过滤器路径流动，从而防止到散热器2的流速损失和散热器2中的散热量的降低。

因此，根据本公开内容的上述示例性实施方式的温度管理系统，可在降低离子过滤器中离子树脂与高温冷却水的接触时间的同时，提高离子过滤器的耐用性并延长离子过滤器的使用寿命。具体地，可降低当由于冷却水的流速和散热器2的散热量不够(例如，在暖和的天气)导致冷却水的温度增加到一定温度之上时出现的车辆进入高温限流模式的次数。

此外，可通过控制离子过滤器路径的冷却水提高燃料电池车辆的散热性能，因此，可降低限流到达时延和限制时间，从而有助于提高车辆的性能和质量。

此外，在电导率不高的条件下可增加散热器2中冷却水的流速，因此，可降低水泵的驱动力损失，即，可降低由于水泵6驱动导致的功率损失和能量损失，从而有助于提高燃料电池车辆的燃料效率。即，由于到散热器2的流速增加，可减少水泵6的工作量，即使相同散热要求下水泵6的RPM比相关技术的低，也可满足散热器2的散热性能和所需的冷却性能。

同时，根据本公开内容的另一示例性实施方式，温度管理系统还可包括作为状态检测器检测冷却水温度的温度传感器12，燃料电池控制单元20可被施加有用于检测冷却水温度的逻辑/程序指令作为额外变量，从而控制流量控制阀31的打开和关闭操作。

在该配置中，燃料电池控制单元20控制流量控制阀31，从而当温度传感器12检测的冷却水温度大于等于预设参考温度时进行阻断。在这种情况下，当冷却水的温度达到参考温度时，不管电导率传感器11检测的电导率值如何，燃料电池控制单元20关闭流量控制阀31，从而增加冷却水到散热器2的流速。

由于分配给在保护燃料电池组的同时降低车辆进入限流模式的次数的优先级高于给配给电导率(电稳定性)的优先级，因此当冷却水温度达到参考温度时，车辆不直接进入限流模式，优先阻断冷却水的离子过滤器路径从而首先执行增加热传导率(通过散热器的冷却水总量)和较快降低燃料电池组的温度的处理。

此外，燃料电池控制器20进行控制，从而当冷却水的温度增加时，不管冷却水的电导率如何，阻断流量控制阀31，这样可预测车辆进入高温限流模式的次数。即，当冷却水的温度达到参考温度时。另一方面，在其中冷却水的温度小于参考温度的低温下，控制流量控制阀，从而根据电导率传感器11检测的电导率打开和关闭流量控制阀31。此外，当冷却水的温度达到比参考温度(即，限流模式进入设定温度)高的温度时，类似于现有技术，车辆进入限流模式。

尽管描述的示例性实施方式是将优先级分配给降低限流频率而不是电导率，但也可以颠倒地分配优先级。即，当冷却水的温度达到限流模式进入设定温度时，车辆进入限流模式，但是在达到限流模式进入设定温度前，优先级是分配给冷却水温度的电导率(电稳定性)。另外，如果确定电导率大于等于参考值，燃料电池控制单元20打开流量控制阀31，即使冷却水的温度已经达到参考温度。这样，冷却水通过离子过滤器，从而由于离子过滤可降低冷却水的电导率。

此外，当电导率小于参考值，当冷却水的温度达到参考温度时，燃料电池控制单元20关闭流量控制阀31，从而增加散热量，以阻断冷却水流向离子过滤器，并增加冷却水到散热器2的流速。

已经结合示例性实施方式对本公开内容进行了详细描述。但是，本领域的技术人员应理解到，在不脱离本公开内容的原则和精神的情况下，可对这些实施方式进行任何改变，附属权利要求及其等同物定义了本公开内容的范围。

Claims (18)

1.一种燃料电池车辆的温度管理系统，包括：

燃料电池组；

散热器，被配置为经由冷却水排出所述燃料电池组产生的热；

水泵，被配置为循环所述冷却水；

冷却水循环线路，连接所述燃料电池组和所述散热器；

离子过滤器，设置在从所述冷却水循环线路分支的分支线路中；

状态检测器，被配置为检测冷却水状态信息；

流量控制阀，被配置为选择性地阻断所述冷却水到所述离子过滤器的流动；以及

控制器，被配置为根据所述状态检测器检测的所述冷却水状态信息控制所述流量控制阀的操作。

2.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，所述状态检测器包括以下各项中的至少一项：被配置为检测所述冷却水的电导率的电导率传感器；以及被配置为检测所述冷却水的温度的温度传感器。

3.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，所述状态传感器为电导率传感器，并且所述控制器被进一步配置为：

在所述电导率传感器检测的电导率小于参考值时关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述电导率大于或等于所述参考值时打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

4.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，所述状态传感器为温度传感器，并且所述控制器被进一步配置为：

在所述温度传感器检测的所述冷却水的温度大于或等于参考温度时关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

5.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，所述状态传感器包括电导率传感器和温度传感器两者，并且所述控制器被进一步配置为：

在所述温度传感器检测的所述冷却水的温度大于或等于参考温度时，关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，根据所述电导率传感器检测的电导率打开及关闭所述流量控制阀。

6.根据权利要求5所述的温度管理系统，其中，在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，所述控制器被进一步配置为：

在所述电导率小于所述参考值时关闭所述流量控制阀；以及

在电导率大于或等于所述参考值时打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

7.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，所述状态传感器为电导率传感器和温度传感器两者，并且所述控制器被进一步配置为：

在所述电导率传感器检测的所述电导率大于或等于参考值时打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述电导率小于所述参考值时根据所述温度传感器检测的所述冷却水的温度打开及关闭所述流量控制阀。

8.根据权利要求7所述的温度管理系统，其中，在电导率小于所述参考值时，所述控制器被进一步配置为：

在所述冷却水的温度大于或等于所述参考温度时关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时打开所述流量控制阀。

9.根据权利要求1所述的温度管理系统，其中，在所述分支线路中，所述流量控制阀在所述离子过滤器之前。

10.一种燃料电池车辆的温度管理方法，包括：

在由水泵将冷却水在燃料电池组和散热器之间的冷却水循环线路中循环的同时由状态检测器检测冷却水状态信息；以及

由控制器根据所述状态检测器检测的所述冷却水状态信息来控制流量控制阀的操作，

其中，所述流量控制阀被配置为选择性地阻断所述冷却水到离子过滤器的流动。

11.根据权利要求10所述的温度管理方法，其中，所述状态检测器包括以下各项中的至少一项：被配置为检测冷却水的电导率的电导率传感器；以及被配置为检测所述冷却水的温度的温度传感器。

12.根据权利要求10所述的温度管理方法，其中，所述状态传感器为电导率传感器，并且所述方法进一步包括：

在所述电导率传感器检测的电导率小于参考值时，由所述流量控制阀阻断所述冷却水向所述离子过滤器的流动；以及

在电导率大于或等于所述参考值时，打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

13.根据权利要求10所述的温度管理方法，所述状态传感器为温度传感器，并且所述方法进一步包括：

在所述温度传感器检测的所述冷却水的温度大于或等于参考温度时，阻断所述冷却水向所述离子过滤器的流动，从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

14.根据权利要求10所述的温度管理方法，其中，所述状态传感器是电导率传感器和温度传感器两者，并且所述方法进一步包括：

在所述温度传感器检测的所述冷却水的温度大于或等于参考温度时，关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，根据所述电导率传感器检测的电导率打开及关闭所述流量控制阀。

15.根据权利要求14所述的温度管理方法，其中，在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，所述方法进一步包括：

在所述电导率小于所述参考值时，关闭所述流量控制阀；以及

在电导率大于或等于所述参考值时，打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器。

16.根据权利要求10所述的温度管理方法，其中，所述状态传感器为电导率传感器和温度传感器两者，并且所述方法进一步包括：

在所述电导率传感器检测的电导率大于或等于预定的参考值时，打开所述流量控制阀从而使所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在电导率小于所述参考值的情况下，根据所述温度传感器检测的所述冷却水的温度打开及关闭所述流量控制阀。

17.根据权利要求16所述的温度管理方法，其中，在电导率小于所述参考值时，所述方法还包括：

在所述冷却水的温度大于或等于所述预定的参考温度时，关闭所述流量控制阀从而防止所述冷却水通过所述离子过滤器；以及

在所述冷却水的温度小于所述参考温度时，打开所述流量控制阀。

18.一种包含由控制器执行的程序指令的非易失性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

在由水泵将冷却水在燃料电池组和散热器之间的冷却水循环线路中循环的同时插入来自状态检测器的冷却水状态信息的程序指令；以及

根据所述状态检测器检测的所述冷却水状态信息来控制流量控制阀的操作的程序指令，

其中，所述流量控制阀被配置为根据所述冷却水状态信息选择性地阻断所述冷却水到离子过滤器的流动。