CN111284302B - 燃料电池车辆的空调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池车辆的空调装置。该燃料电池车辆的空调装置包括：加热器芯，以从FC堆排出的冷却水作为热源，对车厢内的空气进行加热；加热水用加热器，对冷却水进行加热；加热空气用加热器，对由加热器芯加温后的空气进一步进行加热；以及车辆ECU，进行如下控制：在基于目标吹出温度的加热器芯出口水温T为FC堆入口目标温度以上的情况下，使加热空气用加热器以基于加热器芯出口水温所设定的输出功率进行工作，并且使加热水用加热器以基于根据该设定的加热空气用加热器的输出功率而计算出的加热器芯入口目标水温所设定的输出功率进行工作。

Description

燃料电池车辆的空调装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车辆的空调装置。
背景技术
作为一个例子，燃料电池车辆以通过使空气中的氧与作为燃料的氢反应的燃料电池(以下，略记为“FC”)获得的电力来行驶。氢与氧的反应是发热反应，因此发电中的FC变得比外部环境温度高。对于FC而言，存在最适合发电的温度范围，因此需要进行冷却，以使FC的温度变为最适合的温度范围。为了使FC本身不会因热而损伤，也需要进行冷却。作为一个例子，在燃料电池车辆中，像搭载了内燃机的车辆那样，将水作为制冷剂来对FC进行冷却。
通过对FC进行冷却，作为制冷剂的冷却水的温度上升。在燃料电池车辆中，有时将由FC加温后的冷却水用作车厢内的制暖的热源。该冷却水的使用类似于在搭载了内燃机的车辆中将由内燃机加温后的冷却水用作车厢内的制暖的热源的情况。
然而，最适合FC的工作的温度范围是比工作中的内燃机的冷却水的温度低的温度，因此存在难以仅通过FC的排热来对车厢内进行制暖的问题。
在日本特开2011-098670中，公开了一种车辆的空调装置的发明，该发明在导入至加热器芯的冷却水的温度低的情况下，使用加热水用加热器对作为制暖的热源的冷却水进行加热，并且通过加热空气用加热器对流经空调装置的送风通路的空气进行加热。
然而，对于在日本特开2011-098670中公开的车辆的空调装置而言，当为了使车厢内的制暖充足而通过加热水用加热器对冷却水进行加热时，加热后的冷却水的温度恐怕会超过FC的冷却水入口温度的目标值。在这种情况下，需要通过散热器对加温后的冷却水进行冷却来供给至FC，因此变成由散热器对由加热水用加热器加热后的冷却水进行冷却，不能说能量效率是良好的，其结果是恐怕会使燃料电池车辆的燃料效率恶化。
发明内容
本发明考虑到上述事实，其目的在于提供一种能量效率良好的燃料电池车辆的空调装置。
第一方案包括：燃料电池，通过在水路中循环的冷却水而被冷却；加热器芯，设于所述水路上，以从所述燃料电池排出的冷却水作为热源，对车厢内的空气进行加热；加热水用加热器，设于所述燃料电池与所述加热器芯之间的所述水路上，对所述冷却水进行加热；加热空气用加热器，对由所述加热器芯加热后的空气进一步进行加热；以及控制部，进行如下控制：在基于空调设定温度的所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度为所述燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度以上的情况下，使所述加热空气用加热器以基于所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度所设定的输出功率进行工作，并且使所述加热水用加热器以基于根据所述设定的所述加热空气用加热器的输出功率而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度所设定的输出功率进行工作。
根据第一方案，在基于空调设定温度而推定出的加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度达到燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度以上这样的空调设定温度高的情况下，使与加热水用加热器相比热效率良好的加热空气用加热器工作，通过加热水用加热器的工作来弥补燃料电池的冷却水和加热空气用加热器所进行的加热的不足的量，由此能在车辆的能量效率良好的状态下对车厢内进行制暖。
第二方案可以具备如下特征，即，所述控制部进行如下控制：在所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度低于所述燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度的情况下，使所述加热水用加热器以基于根据空调设定温度而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度所设定的输出功率进行工作。
根据第二方案，在基于空调设定温度而推定出的加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度低于燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度这样的空调设定温度低的情况下，进行使加热水用加热器工作而不使会令空调装置的负荷变高的加热空气用加热器工作的控制，由此，确保燃料电池车辆的空调装置的可靠性。
第三方案可以具备如下特征：所述控制部基于根据空调设定温度而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度、外部空气温度以及空调装置的送风机的输出功率，推定所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度。
根据第三方案，能通过作为实测值的空调设定温度、外部空气温度以及空调装置的送风机的输出功率，推定加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度。
第四方案可以具备如下特征：所述控制部通过比例控制和微分控制对所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度与由水温传感器检测到的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的温度之差进行处理，设定所述加热水用加热器的输出功率。
根据第四方案，能通过在比例控制中并用微分控制来精度良好地设定加热水用加热器的输出功率。
根据本发明，起到能提供一种能量效率良好的燃料电池车辆的空调装置的效果。
附图说明
以下，参照附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义进行说明，其中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是表示本实施方式的燃料电池车辆的空调装置的一个例子的框图。
图2是表示本实施方式的空调装置的供空气流动的通风路的一个例子的概略图。
图3是表示本实施方式的空调装置中的加热水用加热器的输出功率计算处理的一个例子的流程图。
图4是表示加热器芯入口目标水温(THCO)相对于目标吹出温度(TAO)的变化的一个例子的概略图。
图5是表示加热器芯的热导(thermal conductance)相对于作为AC鼓风机的输出功率的指标的鼓风机电压的变化的一个例子的概略图。
图6是表示加热空气用加热器的功率相对于加热器芯出口水温(THCout)与FC堆入口目标温度(TFCO)之差的变化的一个例子的概略图。
图7是表示加热空气用加热器工作时加热器芯入口目标水温(THCO′)相对于加热空气用加热器的功率的变化的一个例子的概略图。
图8是表示根据加热空气用加热器工作时加热器芯入口目标水温(THCO′)与加热器芯入口水温的实测值(THCin)之差计算所需的加热水用加热器的功率的处理的一个例子的概略图。
具体实施方式
以下，使用图1～图8，对本实施方式的燃料电池车辆的空调装置10进行说明。图1是表示本实施方式的燃料电池车辆的空调装置10(以下，略记为“空调装置10”)的构成的一个例子的框图。图1所示的空调装置10是将层叠有多个FC的FC堆22的排热用于车厢内的制暖的装置。
如图1所示，空调装置10具有：FC冷却回路20，其为包括FC堆22、主散热器24、副散热器26以及中间冷却器30的水路；加热器回路40，其为包括加热器芯42和加热水用加热器46的水路；以及车辆ECU(ElectronicControlUnit：电子控制单元)12，对包括在FC冷却回路20和加热器回路40中的构成进行控制。
FC冷却回路20还具备：水泵28，用于使冷却水在FC冷却回路20内循环；空调三通阀32，变更FC冷却回路20内的冷却水的流路；散热器阀34；FC堆入口水温传感器36，检测FC堆22的冷却水入口的冷却水温度；以及FC堆出口水温传感器38，检测FC堆22的冷却水出口的冷却水温度。
加热器回路40还具备：水泵44，使从FC堆22的冷却水出口排出的冷却水在加热水用加热器46和加热器芯42循环；加热器芯入口水温传感器48，检测加热器芯42的冷却水入口的冷却水温度；以及加热器芯出口水温传感器50，检测加热器芯42的冷却水出口的冷却水温度。
空调三通阀32是能使从FC堆22的冷却水出口排出的冷却水的流路在经由加热器回路40的情况与经由散热器阀34的情况之间切换的电磁阀。空调三通阀32被车辆ECU12分别控制，使得在车厢内的温度高而不需要制暖的情况下冷却水流向散热器阀34方向，在需要制暖的情况下冷却水流向加热器回路40。
散热器阀34是能使分别从FC堆22的冷却水出口和加热器芯42的冷却水出口排出的冷却水的流路在经由主散热器24和副散热器26(以下，略记为“散热器24、26”)的情况与不经由散热器24、26的情况之间切换的电磁阀。在由FC堆入口水温传感器36检测到的冷却水温度为最适合FC堆22的冷却的温度范围的上限以上的情况下，散热器阀34被车辆ECU12控制，使得分别从FC堆22的冷却水出口和加热器芯42的冷却水出口排出的冷却水流经散热器24、26。
此外，在由FC堆入口水温传感器36检测到的冷却水温度为最适合FC堆22的冷却的温度范围的上限以下且下限以上的情况下，散热器阀34被车辆ECU12控制，使得分别从FC堆22的冷却水出口和加热器芯42的冷却水出口排出的冷却水分别流经彼此并列地配置的中间冷却器30和FC堆22而不经由散热器24、26。
中间冷却器30是容量比散热器24、26小的冷却器，如前述那样，在由FC堆入口水温传感器36检测到的冷却水温度为最适合FC堆22的冷却的温度范围的上限以下且下限以上的情况下，为了将对FC堆22进行冷却而变暖的冷却水的温度维持在最适合FC堆22的冷却的温度范围内而进行冷却。
加热器回路40的加热水用加热器46对从FC堆22的冷却水出口排出的冷却水进行加热，使冷却水温度上升至能用作车厢内的制暖的热源的程度。由加热水用加热器46加热后的冷却水流经加热器芯42，加热器芯42对从车厢外导入的外部空气或在车厢内循环的内部空气进行加温。
车辆ECU12基于由FC堆入口水温传感器36、FC堆出口水温传感器38、加热器芯入口水温传感器48以及加热器芯出口水温传感器50分别检测到的冷却水温度，控制加热水用加热器46和后述的加热空气用加热器64各自的输出功率，并且控制空调三通阀32和散热器阀34各自的开闭。
图2是表示本实施方式的空调装置10的供空气流动的通风路的一个例子的概略图。如图2所示，在本实施方式的空调装置10的通风路中，使AC鼓风机60旋转，将导入的外部空气68或在车厢内循环的内部空气70经由蒸发器62、加热器芯42以及加热空气用加热器64作为吹出空气送风至车厢内。通风路在AC鼓风机60的上游部具有能对外部空气68的导入或内部空气70的循环进行切换的内外空气风门(damper)66。
在对车厢内进行制冷的情况下或进行除湿的情况下，蒸发器62使由压缩机(未图示)压缩后的液状制冷剂气化，由此对穿过通风路内的空气进行冷却，并且通过该冷却使包含在该空气中的水分凝聚来进行除湿。通过蒸发器62而凝聚的水分经由排出路(未图示)被放出车外。
在加热器芯42的前段设有能对是否使通风路的空气经由加热器芯42向车厢内喷出进行切换的空气混合风门72。在不需要制暖的情况下，空气混合风门72能通过切换为图2的虚线所示的状态来阻止空气向加热器芯42的导入。在需要制暖的情况下，空气混合风门72通过切换为图2的实线所示的状态，向加热器芯42导入空气。此外，空气混合风门72能通过设为图2的实线所示的状态与虚线所示的状态之间的状态，将穿过通风路的空气的一部分导入加热器芯42，其结果是，能调整吹出空气74的温度。
加热空气用加热器64是在加热器芯42处空气的加热不充分的情况下通过通电来发热的装置。如后述那样，加热空气用加热器64的输出功率基于由加热器芯入口水温传感器48等检测到的冷却水温度，由车辆ECU12进行控制。
接着，对本实施方式的空调装置10的作用进行说明。图3是表示本实施方式的空调装置10中的加热空气用加热器64和加热水用加热器46的输出功率计算处理的一个例子的流程图。在车辆的制暖正在工作的情况下，图3所示的加热水用加热器输出功率计算处理按车辆ECU12的每个控制周期来执行。
在步骤S300中，根据目标吹出温度(TAO)计算出加热器芯入口目标水温(THCO)。TAO是吹出空气74的目标值，基于由车辆的乘坐者执行的空调装置10的操作来设定。例如，如果空调装置10的温度设定高，则TAO变高，如果空调装置10的温度设定低，则TAO变低。THCO是实现所设定的TAO所需的加热器芯42的入口的水温的目标值。TAO与THCO具有相关关系，因此在步骤S300中，基于该相关关系计算出THCO。
图4是表示THCO相对于TAO的变化的一个例子的概略图。在步骤S300中，使用图4计算出相对于TAO的THCO。如图4所示，THCO相对于TAO单调增加。THCO相对于TAO的变化的方式因空调装置10的规格而异，因此通过空调装置10的性能仿真或使用实际机器进行的实验，确定如图4所示的THCO相对于TAO的变化的方式。
在步骤S302中，根据外部气温(Tain(℃))、AC鼓风机60的输出功率以及THCO，推定出作为从加热器芯的出口排出的冷却水的温度的加热器芯出口水温(THCout(℃))。在步骤S302中，使用下述算式来推定THCout。Tain通过装备于车辆的外部气温传感器(未图示)来检测。此外，在将空调装置10用于内部空气导入的情况下，Tain也可以是车厢内的气温。
Figure BDA0002273071700000071
上述算式中的KF是加热器芯42的热导(W/K)，ρ是冷却水的密度(kg/m3)，Cp是冷却水的比热(J/K/kg)，Vw是加热器芯42的冷却水的通过流量(m3/s)。在上述算式中的KF和Cp的单位中包括表示绝对温度的K，因此THCO和Tain原则上也应该以K为单位。然而，对于上述算式而言，在右边第二项计算THCO与Tain的差分，因此在该项，THCO和Tain的单位即使是℃也没有问题。在该项，将THCO与Tain的差分乘以单位为W/K的KF，但在该项的分母中存在单位为J/K/kg的Cp，因此存在于KF和Cp的单位中的K被消掉。因此，THCout通过上述算式以单位℃被计算出。
上述算式的右边第二项表示通过加热器芯42，作为热源的冷却水的温度会降低何种程度。右边第一项是作为加热器芯入口目标水温的THCO，因此右边第一项与右边第二项之差为加热器芯出口水温THCout。
图5是表示KF相对于作为AC鼓风机60的输出功率的指标的鼓风机电压的变化的一个例子的概略图。AC鼓风机60的输出功率根据施加于驱动AC鼓风机60的马达(未图示)的鼓风机电压而变化，KF与鼓风机电压相应地单调增加。在步骤S302中，使用图5计算出相对于鼓风机电压的KF。KF相对于鼓风机电压的变化的方式因空调装置10的规格而异，因此通过空调装置10的性能仿真或使用实际机器进行的实验，确定如图5所示的KF相对于鼓风机电压的变化的方式。
在步骤S304中，判定在步骤S302中推定出的THCout是否为FC堆入口目标温度TFCO以上。TFCO例如是最适合FC堆22的工作的温度范围的上限。在步骤S304中THCout为TFCO以上的情况下，将流程移至步骤S306，在步骤S304中THCout低于TFCO的情况下，将流程移至步骤S312。
在步骤S306中，根据THCout与TFCO之差计算出加热空气用加热器64的输出功率。图6是表示加热空气用加热器64的功率相对于THCout与TFCO之差的变化的一个例子的概略图。加热空气用加热器64的功率有时会台阶式地变化，而不表现出与THCout与TFCO之差相应的单调增加或单调减少。在步骤S306中，使用图6计算出相对于THCout与TFCO之差的加热空气用加热器64的功率。加热空气用加热器64的功率相对于THCout与TFCO之差的变化的方式因空调装置10的规格而异，因此通过空调装置10的性能仿真或使用实际机器进行的实验，确定如图6所示的加热空气用加热器64的功率相对于THCout与TFCO之差的变化的方式。
在步骤S308中，根据在步骤S306中计算出的加热空气用加热器64的功率，计算出加热空气用加热器工作时加热器芯入口目标水温THCO′。THCO′由于通过加热空气用加热器64对穿过加热器芯42的空气进行加热的关系而比THCO低。图7是表示THCO′相对于加热空气用加热器64的功率的变化的一个例子的概略图。在步骤S308中，使用图7计算出相对于加热空气用加热器64的功率的THCO′。THCO′相对于加热空气用加热器64的功率的变化的方式因空调装置10的规格而异，因此通过空调装置10的性能仿真或使用实际机器进行的实验，确定如图7所示的THCO′相对于加热空气用加热器64的功率的变化的方式。
在步骤S310中，根据在步骤S307中计算出的THCO′和作为由加热器芯入口水温传感器48检测到的加热器芯入口水温的实测值的THCin，计算出加热水用加热器46的输出功率。图8是表示根据THCO′与THCin之差计算出所需的加热水用加热器46的功率的处理的一个例子的概略图。
在使加热器芯42的入口的水温为THCO′的情况下所需的加热水用加热器46的功率通常和THCO′与THCin之差成比例。在本实施方式中，如图8所示，通过比例控制部80进行基于使THCO′与THCin之差乘以比例系数Kp而得到的积来计算加热水用加热器46的功率的比例控制。
然而，在THCO′与THCin之差，也就是从作为实测值的THCin到作为目标值的THCO′的变化量大的情况下，上述比例控制有时难以准确地计算出加热水用加热器46的功率。例如，若在THCin低且从THCin到THCO′的变化量大的情况下，使用在THCin高且从THCin到THCO′的变化量小的情况下能准确地计算出加热水用加热器46的输出功率的比例系数Kp，则有可能计算出比使加热器芯42的入口的水温为THCO′的情况下所需的加热水用加热器46的功率低的功率。
在本实施方式中，与由比例控制部80进行的比例控制并行地进行由微分控制部82进行的微分控制，计算加热水用加热器46的功率。在微分控制中，通过从作为实测值的THCin到作为目标值的THCO′的变化量相对于时间的微分值，即该变化量的变化的大小与微分系数Ki之积来对应变化量。
在步骤S310中，将在微分控制部82的运算结果加至在比例控制部80的运算结果，由此计算出加热水用加热器46的功率并使处理返回。
在步骤S304中THCout低于TFCO的情况下，在步骤S312中，根据THCO(在步骤S300中计算出)和作为由加热器芯入口水温传感器48检测到的加热器芯入口水温的实测值的THCin，计算出加热水用加热器46的输出功率并使处理返回。步骤S312中的运算处理在使用THCO计算出加热水用加热器46的输出功率这一点上与步骤S310不同，但其他部分与步骤S310相同，通过图8所示的比例控制部80和微分控制部82计算出加热水用加热器46的输出功率。
在使加热水用加热器46以在步骤S310、S312中计算出的输出功率进行工作的情况下，从加热器芯42排出的冷却水经由散热器阀34被导入至散热器24、26，并被冷却至最适合FC堆22的冷却的温度范围。
如以上所说明的，根据本实施方式的燃料电池车辆的空调装置10，在基于目标吹出温度(TAO)而推定出的加热器芯出口水温(THCout)达到FC堆入口目标温度(TFCO)以上这样的目标吹出温度(TAO)高的情况下，使与加热水用加热器46相比热效率良好的加热空气用加热器64工作，通过加热水用加热器46的工作来弥补FC堆22的冷却水和加热空气用加热器64所进行的加热的不足的量，由此能在车辆的能量效率良好的状态下对车厢内进行制暖。
此外，本实施方式的燃料电池车辆的空调装置10在基于目标吹出温度(TAO)而推定出的加热器芯出口水温(THCout)低于FC堆入口目标温度(TFCO)这样的目标吹出温度(TAO)低的情况下，进行使加热水用加热器46工作而不使会令空调装置10的负荷变高的加热空气用加热器64工作的控制，由此，确保燃料电池车辆的空调装置10的可靠性。
此外，本实施方式的燃料电池车辆的空调装置10能通过比例控制和微分控制对加热器芯入口目标水温(THCO)与由加热器芯入口水温传感器48检测到的加热器芯入口水温的实测值(THCin)之差进行处理，精度良好地设定加热水用加热器的输出功率。
需要说明的是，在技术方案的构成中，水路与FC冷却回路20和加热器回路40对应，燃料电池与FC堆22对应，空调设定温度与目标吹出温度(TAO)对应，加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度与加热器芯出口水温(THCout)对应，燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度与FC堆入口目标温度(TFCO)对应，加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度与加热器芯入口目标水温(THCO)对应，控制部与车辆ECU12对应，外部空气温度与外部气温(Tain)对应，送风机与AC鼓风机60对应，水温传感器与加热器芯入口水温传感器48对应。

Claims (4)

1.一种燃料电池车辆的空调装置，包括：
燃料电池，通过在水路中循环的冷却水而被冷却；
加热器芯，设于所述水路上，以从所述燃料电池排出的冷却水作为热源，对车厢内的空气进行加热；
加热水用加热器，设于所述燃料电池与所述加热器芯之间的所述水路上，对所述冷却水进行加热；
加热空气用加热器，对由所述加热器芯加热后的空气进一步进行加热；以及
控制部，进行如下控制：在基于空调设定温度的所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度为所述燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度以上的情况下，使所述加热空气用加热器以基于所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度所设定的输出功率进行工作，并且使所述加热水用加热器以基于根据所述设定的所述加热空气用加热器的输出功率而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度所设定的输出功率进行工作。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的空调装置，其中，
所述控制部进行如下控制：在所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度低于所述燃料电池的冷却水入口的冷却水的目标温度的情况下，使所述加热水用加热器以基于根据空调设定温度而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度所设定的输出功率进行工作。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆的空调装置，其中，
所述控制部基于根据空调设定温度而计算出的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度、外部空气温度以及空调装置的送风机的输出功率，推定所述加热器芯的冷却水出口的冷却水的推定温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池车辆的空调装置，其中，
所述控制部通过比例控制和微分控制对所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的目标温度与由水温传感器检测到的所述加热器芯的冷却水入口的冷却水的温度之差进行处理，设定所述加热水用加热器的输出功率。
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