CN111554954A - 一种燃料电池冷启动总成、车辆及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池冷启动总成、车辆及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池冷启动总成及控制方法，涉及车辆领域。本发明中包括由水泵、节温器的入口、节温器的第一出口、PTC加热装置、控制器和电机依次连接形成的第一循环回路，并且还包括燃料电池箱，其一端与PTC加热装置连接，另一端与水泵连接。其中，水泵、节温器的入口、节温器的第一出口、PTC加热装置和燃料电池箱依次连接形成第二循环回路，冷却液可在第一循环回路和第二循环回路中循环流动，以提高燃料电池箱的温度。本发明利用电机和控制器产生的余热对燃料电池冷启动总成中的冷却液进行加热，通过冷却液直接进行热量传递，从而辅助燃料电池在低温环境下快速启动。

Description

一种燃料电池冷启动总成、车辆及控制方法
技术领域
本发明涉及车辆领域，特别是涉及一种燃料电池冷启动总成、车辆及控制方法。
背景技术
燃料电池系统是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置，内部集成燃料电池系统所需的辅助零部件。
现有技术中，燃料电池系统在低温情况下不能实现快速启动，难以满足人们在日常生活中对燃料电池增程式汽车快速充电的使用需求。因燃料电池的特点，在燃料电池低温冷启动前，为防止燃料电池损坏，需要PTC加热器持续运行将燃料电池热管理系统内冷却液温度加热至零度以上，之后燃料电池再进行启动。因此，PTC加热器的功率就决定了燃料电池冷启动的时间，考虑空间布置和安全等问题，PTC加热器的功率不能无限增大。因此，燃料电池增程式汽车冷启动问题成为制约燃料电池发展的瓶颈。
现有的燃料电池增程式汽车中，燃料电池热管理系统和电机热管理系统是独立运行的。燃料电池热管理系统和电机热管理系统中均设有水泵和散热器。燃料电池热管理系统和电机热管理系统相互独立运行，各自的余热通过散热器散发到空气中，造成能量的浪费，并且系统结构复杂等问题。
发明内容
本发明第一方面的目的是要提供一种燃料电池冷启动总成，解决现有技术中不能利用驱动电机的余热快速地给燃料电池加热的问题。
本发明第一方面的进一步目的是简化整车热管理系统。
本发明第二方面的目的是要提供一种车辆。
本发明第三方面的目的是要提供一种应用于燃料电池冷启动总成的控制方法。
根据本发明第一方面的目的，本发明提供了一种燃料电池冷启动总成，包括水泵、节温器、PTC加热装置、控制器、电机和燃料电池箱；其中，
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第一出口、所述PTC加热装置、所述控制器和所述电机依次连接，所述电机和所述水泵相连，以形成供冷却液流动的第一循环回路；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第一出口、所述PTC加热装置和所述燃料电池箱依次连接，所述燃料电池箱和所述水泵相连，以形成供所述冷却液流动的第二循环回路。
可选地，还包括：
散热器，其一端与所述节温器的第二出口连接，另一端与所述控制器连接；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第二出口、所述散热器、所述控制器和所述电机依次连接，所述电机与所述水泵相连，以形成供所述冷却液流动的第三循环回路。
可选地，所述散热器与所述控制器连接的一端还与所述燃料电池箱连接；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第二出口、所述散热器和所述燃料电池箱依次连接，所述燃料电池箱与所述水泵连接，以形成供所述冷却液流动的第四循环回路。
可选地，还包括：
电磁阀，与所述控制器相连，设置在所述PTC加热装置和所述燃料电池箱之间，用于在受控下导通或断开所述第二循环回路。
可选地，还包括：
温度传感器，与所述控制器连接，且设置在邻近所述燃料电池箱处，用于检测所述冷却液的温度。
可选地，还包括：
离子吸附装置，设置在所述电机和所述水泵之间，用于吸附所述冷却液中的离子。
可选地，还包括：
水箱，具有与所述水泵连接的第一端以及与所述散热器连接的第二端。
根据本发明第二方面的目的，本发明还提供了一种车辆，其安装有上述的燃料电池冷启动总成。
根据本发明第三方面的目的，本发明还提供了一种应用于上述的燃料电池冷启动总成的控制方法，其特征在于，包括：
接收开启所述燃料电池箱的触发指令；
获取所述燃料电池冷启动总成中冷却液的温度；
循环地判断所述冷却液的温度是否小于第一预设阈值温度；
若是，则控制所述水泵驱动所述冷却液在所述第一循环回路和所述第二循环回路中循环流动，以提高所述燃料电池箱的温度；
若否，则启动所述燃料电池箱。
可选地，启动所述燃料电池箱之后，还包括：
判断所述冷却液的温度是否不小于第二预设阈值温度，其中，所述第二预设阈值温度大于所述第一预设阈值温度；
若是，则控制所述水泵驱动所述冷却液在所述第三循环回路和所述第四循环回路中循环流动。
本发明包括水泵、节温器、PTC加热装置、控制器、电机和燃料电池箱。其中，水泵、节温器的入口、节温器的第一出口、PTC加热装置、控制器和电机依次连接，电机和水泵相连，以形成供冷却液流动的第一循环回路。水泵、节温器的入口、节温器的第一出口、PTC加热装置和燃料电池箱依次连接，燃料电池箱和水泵相连，以形成供冷却液流动的第二循环回路。本发明将现有技术中燃料电池热管理系统和电机热管理系统进行了整合，利用电机和控制器产生的余热对燃料电池冷启动总成中的冷却液进行加热，从而辅助燃料电池箱在低温环境下快速启动。另外，电机和燃料电池箱两者使用同一个水泵，通过冷却液直接进行热量传递，避免了能量损失，可以快速地提高燃料电池箱的温度。
本发明中散热器的一端与节温器的第二出口连接，另一端与控制器连接，水泵、节温器的入口、节温器的第二出口、散热器、控制器和电机依次连接，电机与水泵相连，以形成供冷却液流动的第三循环回路。散热器与控制器连接的一端还与燃料电池箱连接，水泵、节温器的入口、节温器的第二出口、散热器和燃料电池箱依次连接，燃料电池箱与水泵连接，以形成供冷却液流动的第四循环回路。本发明中电机和燃料电池箱共用一个散热器，大大地简化了整车热管理系统的结构，减少了零部件的数量，便于整车热管理系统的布置。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池冷启动总成的示意性结构图；
图2是根据本发明另一个实施例的燃料电池冷启动总成的示意性结构图；
图3是根据本发明一个实施例的燃料电池冷启动控制方法的示意性流程图；
图4是根据本发明另一个实施例的燃料电池冷启动控制方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1是根据本发明一个实施例的燃料电池冷启动总成100的示意性结构图，其中，图中的箭头方向表示第一循环回路和第二循环回路的流向。如图1所示，在一个具体地实施例中，燃料电池冷启动总成100一般性地可包括水泵1、节温器2、PTC加热装置3、控制器4、电机5和燃料电池箱6。其中，水泵1、节温器2的入口、节温器2的第一出口、PTC加热装置3、控制器4和电机5依次连接，电机5和水泵1相连，以形成供冷却液流动的第一循环回路。水泵1、节温器2的入口、节温器2的第一出口、PTC加热装置3和燃料电池箱6依次连接，燃料电池箱6和水泵1相连，以形成供冷却液流动的第二循环回路。其中，水泵1为冷却液的循环流动提供动力，节温器2是控制冷却液流向的执行装置，PTC加热装置3可以为冷却液进行加热。
本发明将现有技术中燃料电池热管理系统和电机热管理系统进行了整合，可以利用电机5和控制器4等产生的余热对燃料电池冷启动总成100中的冷却液进行加热，从而辅助燃料电池箱6在低温环境下快速启动。另外，电机5和燃料电池箱6两者使用同一个水泵1，通过冷却液直接进行热量传递，避免了能量损失，可以快速地提高燃料电池箱6的温度。
图2是根据本发明另一个实施例的燃料电池冷启动总成100的示意性结构图，其中，图中的箭头方向表示第三循环回路和第四循环回路的流向。如图2所示，并参见图1，在一个实施例中，燃料电池冷启动总成100还包括散热器7，散热器7的一端与节温器2的第二出口连接，另一端与控制器4连接，水泵1、节温器2的入口、节温器2的第二出口、散热器7、控制器4和电机5依次连接，电机5与水泵1相连，以形成供冷却液流动的第三循环回路。散热器7与控制器4连接的一端还与燃料电池箱6连接，水泵1、节温器2的入口、节温器2的第二出口、散热器7和燃料电池箱6依次连接，燃料电池箱6与水泵1连接，以形成供冷却液流动的第四循环回路。另外，散热器7与控制器4连接，控制器4控制散热器7的开启与关闭。
本发明中电机5和燃料电池箱6共用一个散热器7，大大地简化了整车热管理系统的结构，减少了零部件的数量，便于整车热管理系统的布置，并且节约了整车成本及后期的维修费用。
进一步地，燃料电池冷启动总成100还包括与控制器4连接的电磁阀8，其设置在PTC加热装置3和燃料电池箱6之间，用于在受控下导通或断开第二循环回路。具体地，在未接受到开启燃料电池箱6的指令时，电磁阀8处于断开状态，在接收到开启燃料电池箱6的指令时，此时，控制器4控制电磁阀8开启从而处于导通状态。在电磁阀8处于断开状态时，冷却液在第一循环回路中循环流动，在电磁阀8处于导通状态时，冷却液同时在第一循环回路和第二循环回路中循环流动。
具体地，燃料电池冷启动总成100还包括温度传感器9，其与控制器4连接，且设置在邻近燃料电池箱6处，用于检测冷却液的温度。将温度传感器9设置在靠近燃料电池箱6的位置处，能够更准确地知道燃料电池箱6的温度。另外，在电磁阀8关闭的情况下冷却液在第一循环回路中循环流动时，此时，燃料电池箱6中也有冷却液，因此，温度传感器9所测得冷却液的温度也是燃料电池箱6内的温度。
在一个优选地实施例中，燃料电池冷启动总成100还包括离子吸附装置10，设置在电机5和水泵1之间，用于吸附冷却液中的离子。由于电机5和控制器4在运行过程中会析出大量离子，流经电机5和控制器4的冷却液的离子浓度会很高，而燃料电池箱6中冷却液离子浓度过高的话，燃料电池箱6会出现绝缘故障，导致燃料电池箱6乃至整车无法正常运行。因此，本发明通过设置离子吸附装置10，从而可以将冷却液中的离子过滤掉，从而降低燃料电池箱6出现绝缘现象的风险。
进一步地，燃料电池冷启动总成100还包括用于将由燃料电池箱6输出的电流进行升压的燃料电池直流升压器12以及用于补充冷却液的水箱11，燃料电池直流升压器12的一端与控制器4相连，另一端与PTC加热装置3和散热器7均相连。水箱11具有与水泵1连接的第一端以及与散热器7连接的第二端。具体地，水箱11的一端与水泵1连接，其另一端与散热器7的进水口连接。另外，水箱11也与控制器4连接，控制器4还用于控制水箱11对燃料电池冷启动总成100中的冷却液进行补充，并且水箱11还具有排出燃料电池冷启动系统100中内部气体的作用。
进一步地，本发明中冷却液的管道选择316不锈钢型号或304不锈钢型号，这两种不锈钢型号可以降低电机5和控制器4运行过程中离子的析出量。另外，本发明中冷却液采用离子量少的燃料电池专用冷却液。
图3是根据本发明一个实施例的燃料电池冷启动控制方法的示意性流程图。如图3所示，本发明还提供了一种应用于上述任一项实施例中的燃料电池冷启动总成100的控制方法，在一个具体地实施例中，一般性地包括以下步骤：
S10，接收启动燃料电池箱6的触发指令；
S20，获取燃料电池冷启动总成中冷却液的温度T；
S30，循环地判断冷却液的温度T是否小于第一预设阈值温度T1，若否，则执行S40；若是，则执行S50；
S40，启动燃料电池箱6；
S50，控制水泵1驱动冷却液在第一循环回路和第二循环回路中循环流动，以提高燃料电池箱6的温度。
其中，第一预设阈值温度T1为燃料电池箱6的开启温度，在一个实施例中，第一预设阈值温度T1为5℃。
本发明在需要启动燃料电池箱6但达不到燃料电池箱6的开启温度时，通过冷却液在第一循环回路和第二循环回路中循环流动，同时利用电机5的余热和PTC加热装置3给冷却液加热，从而可以使得燃料电池箱6快速的升温，从而快速启动。
图4是根据本发明另一个实施例的燃料电池冷启动控制方法的示意性流程图。如图4所示，并参见图3，启动燃料电池箱6之后，还包括：
S60，判断冷却液的温度T是否不小于第二预设阈值温度T2，其中，第二预设阈值温度T2大于第一预设阈值温度T1；若是，则执行S70；若否，则执行S50；
S70，控制水泵1驱动冷却液在第三循环回路和第四循环回路中循环流动。
另外，在接收开启燃料电池箱6的触发指令之前，还包括以下步骤：
步骤一，判断冷却液的温度T是否小于第二预设阈值温度T2；若是，则执行步骤二；若否，则执行步骤三；
步骤二，控制水泵1驱动冷却液在第一循环回路中循环流动，其中，PTC加热装置3不启动；
步骤三，控制水泵1驱动冷却液在第三循环回路中循环流动。
这里，第二预设阈值温度T2为节温器2的开启温度，一个具体地实施例中，第二预设阈值温度T2为50℃。
本发明中当燃料电池箱6未接收到开启的触发指令，电磁阀8处于关闭状态，PTC加热装置3处于不工作状态，在温度传感器9检测到的温度低于节温器2的开启温度时，控制器4控制水泵1驱动冷却液在第一循环回路中循环流动，此时，控制器4控制散热器7不工作。在温度传感器9检测到的温度不低于节温器2的开启温度时，冷却液在水泵1的驱动下在第三循环回路中循环流动，此时，控制器4控制散热器7开始运行，以对燃料电池冷启动总成100进行降温。
进一步地，当燃料电池箱6接收到开启的触发指令时，此时，控制器4控制电磁阀8开启，在温度传感器9检测到的温度低于燃料电池箱6的启动温度时，燃料电池箱6不工作，控制器4控制PTC加热装置3开始工作，冷却液在水泵1的驱动在第一循环回路和第二循环回路中循环流动。由电机5、控制器4以及PTC加热装置3对冷却液进行加热。在冷却液的温度达到燃料电池箱6的开启温度时启动燃料电池箱6。在燃料电池箱6启动后一段时间内可以将PTC加热装置3关闭。由于电机5和控制器4一直在工作，所以冷却液的温度会一直上升，在冷却液的温度高于节温器2的开启温度时，冷却液在水泵1的驱动下在第三循环回路和第四循环回路中循环流动，散热器7开始工作，从而对燃料电池冷启动系统进行散热。这里，控制器4还与节温器2连接，控制节温器2第一出口和第二出口的开启和关闭。
本发明利用电机5和控制器4等部件在运行过程中产生的废热加热冷却液，节省了整车的电能，提高了整车的续航里程。并且，本发明电机5和燃料电池箱6只使用一种冷却液，可以降低现有技术中两者的冷却液误加后导致燃料电池箱6损坏的风险。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种燃料电池冷启动总成，其特征在于，包括水泵、节温器、PTC加热装置、控制器、电机和燃料电池箱；其中，
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第一出口、所述PTC加热装置、所述控制器和所述电机依次连接，所述电机和所述水泵相连，以形成供冷却液流动的第一循环回路；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第一出口、所述PTC加热装置和所述燃料电池箱依次连接，所述燃料电池箱和所述水泵相连，以形成供所述冷却液流动的第二循环回路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，还包括：
散热器，其一端与所述节温器的第二出口连接，另一端与所述控制器连接；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第二出口、所述散热器、所述控制器和所述电机依次连接，所述电机与所述水泵相连，以形成供所述冷却液流动的第三循环回路。
3.根据权利要求2所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，
所述散热器与所述控制器连接的一端还与所述燃料电池箱连接；
所述水泵、所述节温器的入口、所述节温器的第二出口、所述散热器和所述燃料电池箱依次连接，所述燃料电池箱与所述水泵连接，以形成供所述冷却液流动的第四循环回路。
4.根据权利要求1所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，还包括：
电磁阀，与所述控制器相连，设置在所述PTC加热装置和所述燃料电池箱之间，用于在受控下导通或断开所述第二循环回路。
5.根据权利要求1所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，还包括：
温度传感器，与所述控制器连接，且设置在邻近所述燃料电池箱处，用于检测所述冷却液的温度。
6.根据权利要求1所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，还包括：
离子吸附装置，设置在所述电机和所述水泵之间，用于吸附所述冷却液中的离子。
7.根据权利要求1所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，还包括：
水箱，具有与所述水泵连接的第一端以及与所述散热器连接的第二端。
8.一种车辆，其特征在于，所述车辆安装有如权利要求1-7中任一项所述的燃料电池冷启动总成。
9.一种应用于权利要求1-7中任一项所述的燃料电池冷启动总成的控制方法，其特征在于，包括：
接收开启所述燃料电池箱的触发指令；
获取所述燃料电池冷启动总成中冷却液的温度；
循环地判断所述冷却液的温度是否小于第一预设阈值温度；
若是，则控制所述水泵驱动所述冷却液在所述第一循环回路和所述第二循环回路中循环流动，以提高所述燃料电池箱的温度；
若否，则启动所述燃料电池箱。
10.根据权利要求9所述的燃料电池冷启动总成，其特征在于，启动所述燃料电池箱之后，还包括：
判断所述冷却液的温度是否不小于第二预设阈值温度，其中，所述第二预设阈值温度大于所述第一预设阈值温度；
若是，则控制所述水泵驱动所述冷却液在所述第三循环回路和所述第四循环回路中循环流动。
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