CN108615911B - 一种车用燃料电池水热管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种车用燃料电池水热管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池水热管理系统及其控制方法，车用燃料电池水热管理系统包括并联在燃料电池上的小循环加热系统，大循环冷却系统、湿度调节系统以及控制系统,燃料电池上分别设有进气管路和排气管路，进气管路上分别设有氢气泵和空气泵，控制系统包括ECU，各温度传感器和各湿度传感器的信号线分别并联在ECU的信号输入端，水泵、三通阀、比例阀、加热器和风扇的电控线分别并联在ECU的信号输出端。本发明，可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿的水热管理系统，利用尾气中的热量和水分，通过热交换器对冷却液进行加热，并通过比例阀将尾气中的部分水蒸气引回到阴极对空气进行加湿。

Description

一种车用燃料电池水热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及车用燃料电池，具体涉及一种车用燃料电池水热管理系统及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，由于其具有排放无污染，工作噪声小，效率高等优点，已成为新能源汽车动力装置的主要来源。
但是氢燃料电池在工作时需要保持在一定温度范围内，并且对反应气体的湿度也有一定的要求。若在低温环境下启动时，需要使燃料电池尽快达到工作温度以保证汽车的正常启动；当燃料电池在大功率工况下工作时，会产生大量的热量并随尾气带走阴极较多的水分，导致阴极湿度下降而无法正常工作。
对于上述问题,现有技术中大多采用对冷却液直接进行电加热的方式使燃料电池快速升温，其弊端是会额外消耗大量的电能。此外，燃料电池在工作过程中排放的尾气会带走大部分的热量和水分，从而造成较多的能量损失。
综上所述，需要研制一种能够调节燃料电池的温度与湿度，可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿的水热管理系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的燃料电池耗能大，并且温度与湿度不易灵活高效调节的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种车用燃料电池水热管理系统，包括并联在燃料电池上的小循环加热系统，大循环冷却系统、湿度调节系统以及控制系统,所述燃料电池上分别设有进气管路和排气管路，所述进气管路上分别设有氢气泵和空气泵，
所述小循环加热系统由水泵、三通阀、第一温度传感器、热交换器、第二温度传感器、加热器和第三温度传感器顺次串联在所述燃料电池上，冷却液沿所述水泵引出于所述燃料电池并由所述第三温度传感器引入所述燃料电池，所述排气管路的前端穿过所述热交换器；
所述大循环冷却系统由所述水泵、所述三通阀、风扇和所述第三温度传感器顺次串联在所述燃料电池上，且所述风扇与所述第一温度传感器、热交换器、第二温度传感器和加热器所组成的小循环管路并联；
所述湿度调节系统由第一湿度传感器、比例阀、所述空气泵和第二湿度传感器顺次串联在所述燃料电池上，且所述第一湿度传感器和第二湿度传感器分别设置在所述进气管路的进气口和所述排气管路的排气口处；
所述控制系统包括ECU，各所述温度传感器和各所述湿度传感器的信号线分别并联在所述ECU的信号输入端，所述水泵、三通阀、比例阀、加热器和风扇的电控线分别并联在所述ECU的信号输出端。
在上述方案中，在所述小循环加热系统中，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别布置于所述热交换器的进、出口处，所述ECU根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的温度信号控制所述加热器的功率大小。
在上述方案中，在所述小循环加热系统中，所述加热器布置于所述热交换器之后。
在上述方案中，所述第三温度传感器布置于所述燃料电池的冷却液入口处，所述ECU由所述第三温度传感器的温度信号控制所述三通阀切换所述大循环冷却系统和小循环加热系统。
在上述方案中，所述湿度调节系统从所述热交换器之前的排气管路引出至所述比例阀。
在上述方案中，所述湿度调节系统的加湿回路与所述进气管路交汇于所述空气泵之前。
本发明还提供了一种上述车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其中，温度的控制方法为：所述第三温度传感器采集所述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度，若温度小于设定的最低工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述小循环加热系统进行加热，若温度大于设定的最高工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述大循环加热系统进行散热；
湿度控制方法为：所述第二湿度传感器采集进气湿度，若湿度小于设定的最小工作湿度，则所述ECU打开所述比例阀使部分尾气回流进入所述进气管路进行加湿；当所述第二湿度传感器采集进气湿度大于设定的最大工作湿度时，所述ECU关闭所述比例阀。
在上述方案中，在温度的控制方法中，所述第二温度传感器采集所述热交换器出口处的冷却液温度，若温度升高，则所述ECU降低所述加热器的功率，直到温度达到所述燃料电池的最佳工作温度时，所述ECU关闭所述加热器，并完全由所述热交换器进行加热。
在上述方案中，在湿度控制方法中，加湿时所述ECU不断增大所述比例阀的开度直到湿度达到所述燃料电池的最佳工作湿度。
在上述方案中，在湿度控制方法中，在最佳工作湿度时，若湿度仍继续增加，则所述ECU减小所述比例阀的开度，直到湿度维持在最佳湿度附近。
本发明，可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿的水热管理系统，利用尾气中的热量和水分，通过热交换器对冷却液进行加热，并通过比例阀将尾气中的部分水蒸气引回到阴极对空气进行加湿。
附图说明
图1为本发明的系统回路原理示意图；
图2为本发明的控制系统流程图；
图3为本发明的温度控制流程示意图；
图4为本发明的湿度控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。
如图1、图2所示，本发明提供的一种车用燃料电池水热管理系统，包括并联在燃料电池4上的小循环加热系统，大循环冷却系统、湿度调节系统以及控制系统,燃料电池4上分别设有进气管路和排气管路，进气管路上分别设有氢气泵6和空气泵2。
其中小循环加热系统：由水泵9、三通阀13、第一温度传感器8、热交换器14、第二温度传感器1、加热器12和第三温度传感器10顺次串联在燃料电池4上而成，冷却液沿水泵9引出于燃料电池4并由第三温度传感器10引入燃料电池4，排气管路的前端穿过热交换器14，冷却液管路通过热交换器14与排气管路进行热交换；
大循环冷却系统：由水泵9、三通阀13、风扇11和第三温度传感器10顺次串联在燃料电池4上，且风扇11与第一温度传感器8、热交换器14、第二温度传感器1和加热器12所组成的小循环管路并联；
湿度调节系统：由第一湿度传感器7、比例阀5、空气泵2和第二湿度传感器3顺次串联在燃料电池4上，且第一湿度传感器7和第二湿度传感器3分别设置在进气管路的进气口和排气管路的排气口处；湿度调节系统从热交换器14之前的排气管路引出至比例阀5，以保证水汽未凝结，尾气具有较高的湿度；并且湿度调节系统的加湿回路与进气管路交汇于空气泵2之前，以保证交汇处气压小于大气压，从而使尾气能够顺利回流入进气管路。
控制系统为ECU，各个温度传感器和各个湿度传感器的信号线分别并联在ECU的信号输入端，水泵9、三通阀13、比例阀5、加热器12和风扇11的电控线分别并联在ECU的信号输出端。
小循环加热系统用于给燃料电池在低温启动工况下进行加热以及维持一定工作温度。大循环冷却系统用于给燃料电池在大功率工作情况下进行散热。湿度调节系统用于给燃料电池在大功率工作时进行加湿并维持一定湿度。
进一步优选的，在小循环加热系统中，第一温度传感器8和第二温度传感器1分别布置于热交换器14的进、出口处，ECU根据第一温度传感器8和第二温度传感器1的温度信号控制加热器12的功率大小。加热器12布置于热交换器14之后，以保证热交换器14中的冷却液与尾气具有较大的温差，从而提高热交换效率。
第三温度传感器10布置于燃料电池4的冷却液入口处，ECU由第三温度传感器10的温度信号控制三通阀13切换大循环冷却系统和小循环加热系统。
如图3、图4所示，本发明还提供了一种上述车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其中，
温度的控制方法为：第三温度传感器10采集燃料电池4的冷却液入口处的冷却液温度，若温度小于设定的最低工作温度，则ECU控制三通阀13打开小循环加热系统进行加热，若温度大于设定的最高工作温度，则ECU控制三通阀13打开大循环加热系统进行散热；第二温度传感器1采集热交换器14出口处的冷却液温度，若温度升高，则ECU降低加热器12的功率，直到温度达到燃料电池4的最佳工作温度时，ECU关闭加热器12，并完全由热交换器14进行加热。
湿度控制方法为：第二湿度传感器3采集进气湿度，若湿度小于设定的最小工作湿度，则ECU打开比例阀5使部分尾气回流进入进气管路进行加湿，同时ECU不断增大比例阀5的开度直到湿度达到燃料电池4的最佳工作湿度，若此时湿度仍继续增加，则ECU减小比例阀5的开度，直到湿度维持在最佳湿度附近；当第二湿度传感器3采集进气湿度大于设定的最大工作湿度时，ECU关闭所述比例阀5。
本发明，在低温启动工况下，先由加热器对冷却液进行加热，使燃料电池快速启动。当尾气温度逐渐升高时，尾气中更多的热量将通过热交换器传递给冷却液，此时可逐渐降低加热器的功率，直到完全由热交换器给冷却液传递热量，而不需要加热器进行加热。当燃料电池处于大功率工况时，阴极大量水分被尾气带走导致湿度下降，此时打开比例阀让部分尾气流回阴极，并根据当前湿度实时调节比例阀的开度，保证进入的空气处于最佳湿度状态。加湿回路要从通过热交换器之前的尾气管路段引出，由于通过热交换器之后的尾气温度下降，会有部分水蒸气液化，导致尾气中的含水量降低，因此从热交换器之前引出加湿管路可以保证用于加湿的尾气具有足够的湿度。空气泵应置于加湿管路与空气管路交汇处之后，这样可使交汇处的压强低于大气压，从而无需在加湿回路中额外增加气泵；又由于加湿回路只在燃料电池大功率工作时开启，因此空气泵进气口处温度低的问题不会出现，从而不会产生空气入口处水汽凝结导致湿度下降的问题。
本发明，可根据燃料电池不同工况进行加热和加湿的水热管理系统，利用尾气中的热量和水分，通过热交换器对冷却液进行加热，并通过比例阀将尾气中的部分水蒸气引回到阴极对空气进行加湿。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车用燃料电池水热管理系统，包括并联在燃料电池上的小循环加热系统，大循环冷却系统、湿度调节系统以及控制系统, 所述燃料电池上分别设有进气管路和排气管路，所述进气管路上分别设有氢气泵和空气泵，其特征在于，
所述小循环加热系统由水泵、三通阀、第一温度传感器、热交换器、第二温度传感器、加热器和第三温度传感器顺次串联在所述燃料电池上，冷却液沿所述水泵引出于所述燃料电池并由所述第三温度传感器引入所述燃料电池，所述排气管路的前端穿过所述热交换器，冷却液管路通过所述热交换器与所述排气管路进行热交换；
所述大循环冷却系统由所述水泵、所述三通阀、风扇和所述第三温度传感器顺次串联在所述燃料电池上，且所述风扇与所述第一温度传感器、热交换器、第二温度传感器和加热器所组成的小循环管路并联；
所述湿度调节系统由第一湿度传感器、比例阀、所述空气泵和第二湿度传感器顺次串联在所述燃料电池上，且所述第一湿度传感器和第二湿度传感器分别设置在所述进气管路的进气口和所述排气管路的排气口处；
所述控制系统包括ECU，各所述温度传感器和各所述湿度传感器的信号线分别并联在所述ECU的信号输入端，所述水泵、三通阀、比例阀、加热器和风扇的电控线分别并联在所述ECU的信号输出端，在所述小循环加热系统中，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别布置于所述热交换器的进、出口处，所述ECU根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的温度信号控制所述加热器的功率大小，所述第三温度传感器布置于所述燃料电池的冷却液入口处，所述ECU由所述第三温度传感器的温度信号控制所述三通阀切换所述大循环冷却系统和小循环加热系统，所述第三温度传感器采集所述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度，若温度小于设定的最低工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述小循环加热系统进行加热，若温度大于设定的最高工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述大循环冷却系统进行散热；所述第二湿度传感器采集进气湿度，若湿度小于设定的最小工作湿度，则所述ECU打开所述比例阀使部分尾气回流进入所述进气管路进行加湿；当所述第二湿度传感器采集进气湿度大于设定的最大工作湿度时，所述ECU关闭所述比例阀。
2.如权利要求1所述的车用燃料电池水热管理系统，其特征在于，在所述小循环加热系统中，所述加热器布置于所述热交换器之后。
3.如权利要求1所述的车用燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述湿度调节系统从所述热交换器之前的排气管路引出至所述比例阀。
4.如权利要求1所述的车用燃料电池水热管理系统，其特征在于，所述湿度调节系统的加湿回路与所述进气管路交汇于所述空气泵之前。
5.一种如权利要求1至4任意一项所述的车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其特征在于，温度的控制方法为：所述第三温度传感器采集所述燃料电池的冷却液入口处的冷却液温度，若温度小于设定的最低工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述小循环加热系统进行加热，若温度大于设定的最高工作温度，则所述ECU控制所述三通阀打开所述大循环冷却系统进行散热；
湿度控制方法为：所述第二湿度传感器采集进气湿度，若湿度小于设定的最小工作湿度，则所述ECU打开所述比例阀使部分尾气回流进入所述进气管路进行加湿；当所述第二湿度传感器采集进气湿度大于设定的最大工作湿度时，所述ECU关闭所述比例阀。
6.如权利要求5所述的车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其特征在于，在温度的控制方法中，所述第二温度传感器采集所述热交换器出口处的冷却液温度，若温度升高，则所述ECU降低所述加热器的功率，直到温度达到所述燃料电池的最佳工作温度时，所述ECU关闭所述加热器，并完全由所述热交换器进行加热。
7.如权利要求6所述的车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其特征在于，在湿度控制方法中，加湿时所述ECU不断增大所述比例阀的开度直到湿度达到所述燃料电池的最佳工作湿度。
8.如权利要求7所述的车用燃料电池水热管理系统的控制方法，其特征在于，在湿度控制方法中，在最佳工作湿度时，若湿度仍继续增加，则所述ECU减小所述比例阀的开度，直到湿度维持在最佳湿度附近。
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