CN106374122B - 一种燃料电池余热利用系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池余热利用系统及控制方法，该燃料电池余热利用系统包括：控制器；第一端与燃料电池电堆连接的第一管路；设置在第一管路上的第一温度传感器和水泵；第一三通阀；第二三通阀；第二管路；第三三通阀；第三管路；第三管路上设有第二温度传感器；第四三通阀；第四管路；第四三通阀的第一端通过第五管路与燃料电池电堆连接；设置在第四管路上的散热器；以及，暖风集成装置，暖风集成装置包括电加热器PTC组和设置在第三管路上的热交换器。本发明实施例的燃料电池余热利用系统及控制方法，保证了燃料电池电堆的工作温度，有效利用燃料电池电堆反应产生的余热用于车厢内的暖风供热，并且节能环保、结构简单、适用区域限制小。

Description

一种燃料电池余热利用系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车设计技术领域，特别涉及一种燃料电池余热利用系统及控制方法。
背景技术
电动汽车的燃料电池电堆在工作时会产生大量的热能，但是现有的电动汽车对这部分热能的利用较少，基本采用冷却液带走多余的热能，保持燃料电池电堆的工作温度。这种系统无法对燃料电池电堆耗散的热量进行二次利用，只能浪费掉。另外，这种只通过冷却液流量来控制燃料电池电堆的热量，受限于水泵的能力，水泵转速如果不能足够的高，水流量就会受限，可能导致系统温度高出范围的风险。
发明内容
本发明实施例要解决的技术问题是提供一种燃料电池余热利用系统及控制方法，用以实现对燃料电池电堆反应产生的热量进行二次利用。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种燃料电池余热利用系统，包括：
控制器；
第一端与燃料电池电堆连接的第一管路；
设置在所述第一管路上的第一温度传感器和水泵；
第一三通阀，所述第一三通阀的第一端与所述第一管路的第二端连接，
第二三通阀，所述第二三通阀的第一端通过第二管路与所述第一三通阀的第二端连接；
第三三通阀，所述第三三通阀的第三端通过第三管路与所述第二三通阀的第二端连接；
所述第三管路上设有第二温度传感器；
第四三通阀，所述第四三通阀的第二端通过第四管路与所述第三三通阀的第一端连接，所述第四三通阀的第一端通过第五管路与所述燃料电池电堆连接；
设置在所述第四管路上的散热器；以及，
暖风集成装置，所述暖风集成装置包括电加热器PTC组和设置在所述第三管路上的热交换器，其中，所述第一温度传感器、第二温度传感器、水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀，均分别与所述控制器电连接。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括与所述散热器连接的水箱。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
第六管路，所述第一三通阀的第三端通过第六管路与所述第四三通阀的第三端连接；
第七管路，所述第二三通阀的第三端通过第七管路与所述第三三通阀的第二端连接。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
与所述散热器相对设置的第一风扇；
与所述热交换器相对设置的第二风扇，其中，所述第一风扇和第二风扇分别与所述控制器电连接。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
设置在所述第一管路上的故障诊断器，所述故障诊断器与所述控制器电连接。
本发明实施例还提供了一种控制如上所述的燃料电池余热利用系统的控制方法，所述控制方法包括：
获取暖风开关的状态；
当所述暖风开关处于开启状态时，检测第一位置的第一水温；
当所述第一水温大于第一预设值且小于第二预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第一预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
进一步的，当所述暖风开关处于开启状态时，所述控制方法还包括：
当所述第一水温小于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述电加热器PTC组按第二预设功率运行，其中，第二预设功率大于第一预设功率，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
进一步的，所述控制方法还包括：
当所述第一水温大于第二预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第三预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
进一步的，所述控制方法还包括：
控制第一风扇高速运转。
进一步的，所述控制方法还包括：
当持续运行时间大于第三预设值时，获取第二水温；
当所述第二水温大于第四预设值时，将第二水温与第二预设值进行比较；
当第二水温大于第二预设值时，所述控制器向整车控制器发出水温高故障信息，其中，所述第四预设值小于第二预设值。
进一步的，所述控制方法还包括：
当持续运行时间大于第三预设值，第二水温小于第四预设值时；
控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第四预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
进一步的，在获取暖风开关的状态的步骤前，所述控制方法还包括：
获取系统故障信息；
当所述系统故障信息指示当前有故障时，所述控制器向整车控制器发出故障信息；
当所述系统故障信息指示当前无故障时，获取冷却液电导率；
当所述冷却液电导率大于第五预设值时，控制所述系统停机，并向整车控制器发出预设信息。
进一步的，所述控制方法还包括：
当所述暖风开关处于关闭状态时，将第一水温与第一预设值进行比较；
当第一水温大于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开；
当第一水温小于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，其中，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种燃料电池余热利用系统及控制方法，至少具有以下有益效果：本发明实施例的燃料电池余热利用系统及控制方法，保证了燃料电池电堆的工作温度，有效利用燃料电池电堆反应产生的余热用于车厢内的暖风供热，并且节能环保、结构简单、适用区域限制小。同时在一定程度上解决了电动车冬季采暖导致的电池电量消耗大的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的燃料电池余热利用系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的燃料电池余热利用系统的控制方法的流程图之一；
图3为本发明实施例的燃料电池余热利用系统的控制方法的流程图之二。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
参见图1，本发明实施例提供了一种燃料电池余热利用系统，包括：
控制器(图中未示出)；
第一端与燃料电池电堆1连接的第一管路；
设置在所述第一管路上的第一温度传感器2和水泵3；
第一三通阀4，所述第一三通阀4的第一端与所述第一管路的第二端连接，
第二三通阀5，所述第二三通阀5的第一端通过第二管路与所述第一三通阀4的第二端连接；
第三三通阀6，所述第三三通阀6的第三端通过第三管路与所述第二三通阀5的第二端连接；
所述第三管路上设有第二温度传感器7；
第四三通阀8，所述第四三通阀8的第二端通过第四管路与所述第三三通阀6的第一端连接，所述第四三通阀8的第一端通过第五管路与所述燃料电池电堆1连接；
设置在所述第四管路上的散热器9；以及，
暖风集成装置10，所述暖风集成装置包括电加热器PTC组120和设置在所述第三管路上的热交换器110，其中，所述第一温度传感器2、第二温度传感器7、水泵3、第一三通阀4、第二三通阀5、第三三通阀6和第四三通阀8，均分别与所述控制器电连接。
在本发明实施例的燃料电池余热利用系统中，暖风集成装置10包括电加热器PTC组120和热交换器110，冷空气先经过热交换器110进行一级加热，空气温度升高，再经过电加热器PTC组120进行二级加热，高效提升空气温度，以保证暖风供给。电加热器PTC组120通过高压线束与外部电源连接(例如车辆动力电池)，可实现电能与热能转换，并且电加热器PTC组120功率可调节。当燃料电池余热利用系统启动初期，水温很低时，电加热器PTC组120大功率工作，当水温达到工作水温，降低电加热器PTC组120功率。通过配合使用可以防止启动初期热交换器110供能不足，满足用户此时对暖风的需求，能够快速响应启动初期供暖需求，一定程度解决了电动汽车冬季采暖电耗大的问题，同时对原车供暖系统结构改动较小，更合理的利用燃料电池发动机的余热，具有节能、结构简单、适用区域限制小等优点。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括与所述散热器连接的水箱11。水箱11主要用于向燃料电池余热利用系统中添加冷却液。此外，燃料电池余热利用系统中的冷却液在工作时可能会发生一定的波动，水箱11能够作为缓冲，还可以将燃料电池余热利用系统管路中的多余的气体排出，提高燃料电池余热利用系统的安全性。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
第六管路，所述第一三通阀4的第三端通过第六管路与所述第四三通阀8的第三端连接；
第七管路，所述第二三通阀5的第三端通过第七管路与所述第三三通阀6的第二端连接。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
与所述散热器9相对设置的第一风扇12；
与所述热交换器110相对设置的第二风扇(图中未示出)，其中，所述第一风扇12和第二风扇分别与所述控制器电连接。
第一风扇12主要用于在燃料电池余热利用系统温度过高时，启动第一风扇12，加快与之相对的散热器9进行散热。第二风扇主要用于将冷空气经过热交换器110和电加热器PTC组120吹入车厢内。
进一步的，所述燃料电池余热利用系统还包括：
设置在所述第一管路上的故障诊断器(图中未示出)，所述故障诊断器与所述控制器电连接。
设置故障诊断器可以对燃料电池余热利用系统进行有效监控，当系统出现故障或问题时，便于及时处理。
参见图2，本发明实施例还提供了一种控制如上所述的燃料电池余热利用系统的控制方法，所述控制方法包括：
步骤101，获取暖风开关的状态；
当所述暖风开关处于开启状态时，执行步骤102，检测第一位置的第一水温；
步骤103，将第一水温与第一预设值和第二预设值进行比较；
当所述第一水温大于第一预设值且小于第二预设值时，执行步骤104，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第一预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
需要注意的是，第一水温即为第一温度传感器测得的燃料电池电堆的出水口的温度，下文将提到的第三水温为经过热交换器的第二温度传感器测得的温度。此外，本系统包括大循环、小循环和供暖循环，其中，大循环为所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端；小循环为所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端；供暖循环为所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端。文中提到的第一预设值为满足供暖要求的水温值，第二预设值为系统高温预警值，需要进行散热的水温值，第二预设值大于第一预设值，这些预设值均可根据实际情况进行设置。
当所述第一水温大于第一预设值且小于第二预设值时，水温满足供暖要求且不超过高温预警值，控制系统进行供暖循环。
参见图3，当所述暖风开关处于开启状态时，所述控制方法还包括：
当所述第一水温小于第一预设值时，执行步骤205，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述电加热器PTC组按第二预设功率运行，其中，第二预设功率大于第一预设功率，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
当所述第一水温小于第一预设值时，水温较低，进行小循环提高水温。
进一步的，所述控制方法还包括：
当所述第一水温大于第二预设值时，执行步骤206，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第三预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。进一步的，步骤206，还包括：控制第一风扇高速运转。
当所述第一水温大于第二预设值时，水温超过预警值，此时需要进行降温，保证系统和用户的安全，此时进行大循环，经过散热器进行散热。还可以启动第一风扇提高散热效率。
进一步的，所述控制方法还包括：
步骤207，当持续运行时间大于第三预设值时，获取第二水温；
当所述第二水温大于第四预设值时，执行步骤208，将第二水温与第二预设值进行比较；
当第二水温大于第二预设值时，执行步骤209，所述控制器向整车控制器发出水温高故障信息，其中，所述第四预设值小于第二预设值。
需要注意的是，此步骤为第一水温大于第二预设值，散热后的步骤，因为系统工作时可能产生一定温度波动，可能偶然情况下超出高温预警值，但此情况持续时间较短，为保证系统工作平稳，持续散热一段时间后再次比较，以作出判断。
第二水温仍为第一温度传感器2测得的燃料电池电堆的出水口的温度。当散热一段时间后水温仍高于预警值，需要报出水温高故障。
进一步的，所述控制方法还包括：
当持续运行时间大于第三预设值，第二水温小于第四预设值时；
执行步骤210，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第四预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
需要注意的是，第四预设值小于第二预设值，大于第一预设值，通过引入第四预设值进行再次确认，排除偶然情况下超出高温预警值的情况，保证系统工作平稳。
进一步的，在获取暖风开关的状态的步骤前，所述控制方法还包括：
步骤201，获取系统故障信息；
当所述系统故障信息指示当前有故障时，执行步骤202，所述控制器向整车控制器发出故障信息；
当所述系统故障信息指示当前无故障时，执行步骤203，获取冷却液电导率；
当所述冷却液电导率大于第五预设值时，执行步骤204，控制所述系统停机，并向整车控制器发出预设信息。
主要利用故障诊断器进行故障诊断，对系统故障和冷却液电导率进行判断。当检测到系统故障时，上报整车控制器协调处理。检测到冷却液电导率超标时，为了保护电堆直接停机，并提示更换冷却液，所述预设信息即包括“更换冷却液”或其他与之相同含义的表达。在本发明的实施例中，只有判定均正常后才会进行其他工作。
进一步的，所述控制方法还包括：
当所述暖风开关处于关闭状态时，执行步骤211，将第一水温与第一预设值进行比较；
当第一水温大于第一预设值时，执行步骤212，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开；
当第一水温小于第一预设值时，执行步骤213，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，其中，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
当第一水温大于第一预设值时，进行大循环散热。当第一水温小于第一预设值时，进行小循环，提高温度，当用户需要时，开启暖风开关可以尽快供暖，降低电加热器PTC组的耗电。
综上，本发明实施例的燃料电池余热利用系统及控制方法，保证了燃料电池电堆的工作温度，有效利用燃料电池电堆反应产生的余热用于车厢内的暖风供热，并且节能环保、结构简单、适用区域限制小。同时在一定程度上解决了电动车冬季采暖导致的电池电量消耗大的问题。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种燃料电池余热利用系统，其特征在于，包括：
控制器；
第一端与燃料电池电堆连接的第一管路；
设置在所述第一管路上的第一温度传感器和水泵；
第一三通阀，所述第一三通阀的第一端与所述第一管路的第二端连接，
第二三通阀，所述第二三通阀的第一端通过第二管路与所述第一三通阀的第二端连接；
第三三通阀，所述第三三通阀的第三端通过第三管路与所述第二三通阀的第二端连接；
所述第三管路上设有第二温度传感器；
第四三通阀，所述第四三通阀的第二端通过第四管路与所述第三三通阀的第一端连接，所述第四三通阀的第一端通过第五管路与所述燃料电池电堆连接；
设置在所述第四管路上的散热器；以及，
暖风集成装置，所述暖风集成装置包括电加热器PTC组和设置在所述第三管路上的热交换器，其中，所述第一温度传感器、第二温度传感器、水泵、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀，均分别与所述控制器电连接；
所述燃料电池余热利用系统还包括：
第六管路，所述第一三通阀的第三端通过第六管路与所述第四三通阀的第三端连接；
第七管路，所述第二三通阀的第三端通过第七管路与所述第三三通阀的第二端连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，还包括：与所述散热器连接的水箱。
3.根据权利要求1所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，还包括：
与所述散热器相对设置的第一风扇；
与所述热交换器相对设置的第二风扇，其中，所述第一风扇和第二风扇分别与所述控制器电连接。
4.根据权利要求1所述的燃料电池余热利用系统，其特征在于，还包括：
设置在所述第一管路上的故障诊断器，所述故障诊断器与所述控制器电连接。
5.一种控制如权利要求1～4任一项所述的燃料电池余热利用系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
获取暖风开关的状态；
当所述暖风开关处于开启状态时，检测第一位置的第一水温，其中所述第一位置为燃料电池电堆的出水口；
当所述第一水温大于第一预设值且小于第二预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第一预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当所述暖风开关处于开启状态时，所述控制方法还包括：
当所述第一水温小于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述电加热器PTC组按第二预设功率运行，其中，第二预设功率大于第一预设功率，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当所述第一水温大于第二预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第三预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
控制第一风扇高速运转。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当持续运行时间大于第三预设值时，获取第一温度传感器测得的第二水温；
当所述第二水温大于第四预设值时，将第二水温与第二预设值进行比较；
当第二水温大于第二预设值时，所述控制器向整车控制器发出水温高故障信息，其中，所述第四预设值小于第二预设值。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当持续运行时间大于第三预设值，第二水温小于第四预设值时；
控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第三三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述电加热器PTC组按第四预设功率运行，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
11.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在获取暖风开关的状态的步骤前，所述控制方法还包括：
获取系统故障信息；
当所述系统故障信息指示当前有故障时，所述控制器向整车控制器发出故障信息；
当所述系统故障信息指示当前无故障时，获取冷却液电导率；
当所述冷却液电导率大于第五预设值时，控制所述系统停机，并向整车控制器发出预设信息。
12.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当所述暖风开关处于关闭状态时，将第一水温与第一预设值进行比较；
当第一水温大于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第二三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第三三通阀打开第二端，关闭第三端，控制所述第四三通阀打开第二端，关闭第三端，其中，所述第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀和第四三通阀的第一端均打开；
当第一水温小于第一预设值时，控制所述第一三通阀打开第三端，关闭第二端，控制所述第四三通阀打开第三端，关闭第二端，其中，所述第一三通阀和第四三通阀的第一端均打开。
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