CN111619407A - 汽车燃料电池的冷却系统、冷却系统的控制方法及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车燃料电池的冷却系统，该冷却系统包括水泵、第一控制阀、加热装置、散热装置、暖风装置、膨胀水箱、第一温度传感器、第二控制阀以及控制器，水泵的出水口与燃料电池的进水口连通，水泵的进水口分别与加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的出水口连通，加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的进水口还分别与第一控制阀的四个出口连通，第一控制阀的入口与燃料电池的出水口连通；第一温度传感器位于水泵的出水口处；膨胀水箱的出水口通过第二控制阀与水泵的进水口连通。本发明缩短了冷却液由散热装置至燃料电池的路径，从而有利于提高燃料电池的响应速度。此外，本发明还公开一种冷却系统的控制方法及汽车。

Description

汽车燃料电池的冷却系统、冷却系统的控制方法及汽车

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种汽车燃料电池的冷却系统、冷却系统的控制方法及汽车。

背景技术

燃料电池是一种高效的发电装置，具有功率密度高、能量转换效率高以及工作过程安静等优点，并在汽车领域取得了成功应用，在燃料电池在运行时一般需要利用冷却系统对冷却液进行加热或散热，从而保证燃料电池在最佳的工作状态。

现有的冷却系统一般包括依次连通的散热装置、水泵和加热器，且加热器的出水口与燃料电池的进水口连通，而燃料电池的出水口分别与散热装置和水泵的进水口连通。但是，这种对冷却液输送的方式导致由散热装置至燃料电池内的冷却液输送路径较长，不利于燃料电池的快速响应。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种汽车燃料电池的冷却系统，旨在解决现有由散热装置至燃料电池内的冷却液输送路径较长的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种汽车燃料电池的冷却系统，该冷却系统包括水泵、第一控制阀、加热装置、散热装置、暖风装置、膨胀水箱、第一温度传感器、第二控制阀以及控制器，所述水泵的出水口与燃料电池的进水口连通，所述水泵的进水口分别与所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的出水口连通，所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的进水口还分别与所述第一控制阀的四个出口连通，所述第一控制阀的入口与所述燃料电池的出水口连通；所述第一温度传感器位于所述水泵的出水口处；所述膨胀水箱的出水口通过所述第二控制阀与所述水泵的进水口连通；所述控制器分别与所述水泵、第一控制阀、暖风装置、散热装置、第二控制阀以及第一温度传感器电性连接。

优选地，所述膨胀水箱的出水口还通过所述第二控制阀与所述散热装置的进水口连通。

优选地，所述控制器通过CAN模块分别与所述水泵、第一控制阀、暖风装置、散热装置、第二控制阀以及第一温度传感器电性连接。

优选地，所述冷却系统还包括设置在所述入口处并与所述控制器电性连接的第二温度传感器。

优选地，所述冷却系统还包括离子过滤器、第三控制阀和电导率传感器，所述离子过滤器的进水口通过所述第三控制阀与所述水泵的出水口连通，所述离子过滤器的出水口与所述水泵的进水口连通，所述电导率传感器位于所述燃料电池的进水口处并与所述控制器电性连接。

本发明进一步提出一种冷却系统的控制方法，该控制方法包括：

第一温度传感器采集进入燃料电池的冷却液的温度以形成第一温度参数；

控制器根据所述第一温度参数控制第一控制阀运行，

若所述第一温度参数小于0℃时，则所述第一控制阀控制冷却液依次通过加热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述加热装置将冷却液加热至2℃；

若所述第一温度参数大于2℃，且小于58℃时，则所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述加热装置和水泵输送至燃料电池内；

若所述第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述加热装置和水泵输送至燃料电池内或所述第一控制阀控制冷却液分别通过所述加热器和散热装置输送至所述水泵内，并由所述水泵将冷却液输送至燃料电池内，且利用所述加热装置对冷却液加热或利用所述散热装置对冷却液散热；

若所述第一温度参数大于等于75℃时，所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述散热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述散热装置对冷却液散热。

优选地，所述控制方法还包括：

所述控制器接收到开启暖风装置的指令；

若所述第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀可控制冷却液分别通过所述加热装置和暖风装置输送至所述水泵内，并由所述水泵将冷却液输送至燃料电池内，且所述加热装置对冷却液进行加热，以利用所述加热装置对冷却液进行加热和所述暖风装置为车厢内供暖。

优选地，所述控制方法还包括：

第二温度传感器采集燃料电池排出冷却液的温度以形成第二温度参数；

所述第二温度参数与所述第一温度参数之差小于等于10℃。

优选地，所述控制方法还包括：

若所述第一温度参数大于等于75℃时，所述第一控制阀还通过膨胀水箱将冷却液输送至所述水泵内。

本发明进一步提出一种汽车，该汽车包括汽车燃料电池的冷却系统，该冷却系统包括水泵、第一控制阀、加热装置、散热装置、暖风装置、膨胀水箱、第一温度传感器、第二控制阀以及控制器，所述水泵的出水口与燃料电池的进水口连通，所述水泵的进水口分别与所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的出水口连通，所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的进水口还分别与所述第一控制阀的四个出口连通，所述第一控制阀的入口与所述燃料电池的出水口连通；所述第一温度传感器位于所述水泵的出水口处；所述膨胀水箱的出水口通过所述第二控制阀与所述水泵的进水口连通；所述控制器分别与所述水泵、第一控制阀、暖风装置、散热装置、第二控制阀以及第一温度传感器电性连接。

本发明实施例提供的汽车燃料电池的冷却系统，通过第一控制阀上的四个出口分别连接加热装置、暖风装置、散热装置以及膨胀水箱，从而使每个部件均具备独立的冷却液输送路径，从而有利于利用第一控制阀根据实际情况分配向不同的部件分配适当的冷却液量，以此利用各个部件共同对冷却液进行处理以提高燃料电池的响应速度。

附图说明

图1为本发明中汽车燃料电池的冷却系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中所示的冷却系统中部分部件与CAN模块电性连接的示意图；

图3为本发明中汽车燃料电池的冷却系统另一实施例的结构示意图；

图4为图3中所示的冷却系统中部分部件与CAN模块电性连接的示意图。

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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种汽车燃料电池的冷却系统，如图1所示，该冷却系统包括水泵2、第一控制阀3、加热装置4、散热装置5、暖风装置6、膨胀水箱7、第一温度传感器8、第二控制阀9以及控制器10，所述水泵2的出水口与燃料电池1的进水口连通，所述水泵2的进水口分别与所述加热装置4、散热装置5、暖风装置6和膨胀水箱7的出水口连通，加热装置4、散热装置5、暖风装置6和膨胀水箱7的进水口还分别与第一控制阀3的四个出口连通，第一控制阀3的入口与燃料电池1的出水口连通；所述第一温度传感器8位于燃料电池1的进水口处；所述膨胀水箱7的出水口通过所述第二控制阀9与所述水泵2的进水口连通；所述控制器10分别与所述水泵2、第一控制阀3、暖风装置6、散热装置5、第二控制阀9以及第一温度传感器8电性连接。

本实施例中，加热装置4优选为PTC加热器，第一控制阀3具体可为具有一个入口和多个出口的节温阀，散热装置5、暖风装置6和膨胀水箱7可根据实际情况选择相应功率的部件，至于控制器10的类型可以是汽车的控制装置，也可以是采用燃料电池1的控制装置(即FCU，Fuel-Cell Engine Control Unit)。在燃料电池1运行时，冷却系统内的冷却液由第一控制阀3根据第一温度传感器8采集的温度情况冷却液输送至加热装置4、散热装置5、暖风装置6或膨胀水箱7，从而不管是需要对冷却液进行加热还是对冷却液进行散热均设置有独立的管路，以此有利于燃料电池1的快速响应。同时，通过合理调节第一控制阀3各个出口的出水量，从而有利于合理利用各个部件同步对冷却液的温度进行调节，以此使冷却液保持快速保持在燃料电池1的最佳工作温度内(55-70℃)。本实施例中，通过第一控制阀3上的四个出口分别连接加热装置4、暖风装置6、散热装置5以及膨胀水箱7，从而使每个部件均具备独立的冷却液输送路径(即缩短了冷却液由散热装置5至燃料电池1的路径)，从而有利于利用第一控制阀3根据实际情况分配向不同的部件分配适当的冷却液量，以此利用各个部件共同对冷却液进行处理以提高燃料电池1的响应速度。

在一较佳实施例中，如图3所示，为了方便增加冷却系统对冷却液的散热性能，还将膨胀水箱7的出水口通过第二控制阀9与散热装置5的进水口连通，此时即第二控制阀9具备两个出口，且两个出口可自动开合，其中一个与散热装置5连通，另一个与水泵2连通。此时，需要对冷却液进行散热时，可通过第一控制阀3向散热装置5输送冷却液，从而对冷却液进行降温，还可以是通过第一控制阀3向膨胀水箱7输送冷却液，然后由膨胀水箱7向散热装置5输送冷却液，从而有利于利用膨胀水箱7内存储的冷却液对第一控制阀3输出的冷却液进行混合以此进行第一次降温，然后利用散热装置5对膨胀水箱7输出的冷却液进行二次降温，从而有利于降低散热装置5的工作强度，同时也有利于加快对冷却液降温的效率。

在一较佳实施例中，如图2所示，为了方便减少外界对控制信号的影响，优选控制器10通过CAN模块11分别与水泵2、第一控制阀3、暖风装置6、散热装置5、第二控制阀9以及第一温度传感器8电性连接，以此组合形成一个局域网，通过CAN模块11对局域网内的每个部件分配标识符识别对方(地址识别)，其中包含消息的优先级、保留位、协议数据单元、源地址等信息。采用的是ISO11898-国际标准化组织标准ISO，道路车辆数字信息交换-高速通信控制器10局域CAN2.0规范，参考SAE J1939-SAE标准制定相关通讯协议。其中还规定通讯周期为250kbps(kilobyte per second)，消息中数据传输排布按照INTEL(英特尔)模式传输，低字节在前，高位在前。其中，CAN模块11的头和尾各匹配一个120欧姆的电阻，以保证CAN模块11正常通讯。同时，相较于现有利用电压信号控制的方式，本实施例中，通过设置CAN模块11与各个部件形成一个局域网，从而可通过数字信号的方式控制各个部件，从而有利于提高控制的精度。

在一较佳实施例中，如图3所示，为了进一步方便冷却液的温度处于燃料电池1的稳态范围内，优选第一控制的入口处设置有第二温度传感器12，从而便于采集燃料电池1排出的冷却液的温度。此时，即可通过获取第一温度传感器8和第二温度传感器12采集的温度，以此通过第一控制阀3合理冷却液输送的路径，从而使进入燃料电池1的冷却液和燃料电池1排出的冷却液的温度之间的差值控制10℃内，即第二温度传感器12采集的温度减去第一温度传感器8采集的温度小于等于10℃，以此有利于使燃料电池1维持在稳态。

在一较佳实施例中，如图3所示，为了方便除去冷却液中的离子，还包括离子过滤器13、第三控制阀14和电导率传感器15。其中，离子过滤器13的进水口通过第三控制阀14与水泵2的出水口连通，离子过滤器13的出水口与水泵2的进水口连通，电导率传感器15位于燃料电池1的进水口处并控制器10电性连接。此时，在电导率传感器15采集的数据超过预设数据时，控制器10即控制第三控制阀14打开，从而利用离子过滤器13对水泵2排出的部分冷却液进行过滤，至于第三控制阀14开启的程度可以是根据电导率传感器15采集的数据进行设置，如第三控制阀14在收到开启信号后完全开启，然后若电导率传感器15检测到数据持续降低，则逐步减小第三控制阀14的开启程度直至电导率传感器15检测的数据达到预设值时关闭即可。

基于上述冷却系统，本发明进一步提出一种冷却系统的控制方法，该控制方法包括：

第一温度传感器采集进入燃料电池的冷却液的温度以形成第一温度参数；

控制器根据所述第一温度参数控制第一控制阀运行，

若所述第一温度参数小于0℃时，则所述第一控制阀依次通过加热装置和水泵将冷却液输送至燃料电池内，并利用所述加热装置将冷却液加热至2℃；

若所述第一温度参数大于2℃，且小于58℃时，则所述第一控制阀依次通过加热装置和水泵将冷却液输送至燃料电池内；

若所述第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀依次通过加热装置和水泵将冷却液输送至燃料电池内或所述第一控制阀分别通过加热器和散热装置将冷却液输送至所述水泵内，并由所述水泵将冷却液输送至燃料电池内，且利用所述加热装置对冷却液加热或利用所述散热装置对冷却液散热；

若所述第一温度参数大于等于75℃时，所述第一控制阀控制冷却液依次通过散热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述散热装置对冷却液散热。

本步骤中，通过第一温度传感器采集进入燃料电池的冷却液的温度以形成第一温度参数，从而便于了解燃料电池当前的工作环境，然后控制器根据第一温度参数控制第一控制阀运行，即：

若第一温度参数小于0℃时，此时控制器(即FCU)会报警并提示温度过低，此时需启动加热装置对冷却液进行加热，让整个冷却液快速达到燃料系统的启动条件(一般为2℃以上)。此时加热装置全功率工作，第一控制阀控制冷却液依次通过加热装置和水泵并将冷却液输送至燃料电池内，待冷却液的温度提高至启动条件后，关闭加热装置。此时冷却液的温度下限可设置为-40℃，即若冷却液的温度位于-40-0℃范围呢内即执行上述操作。此冷却液必须使用满足-40℃配方的乙二醇与去离子水，保证电堆与管路中的冷却液不会结冰。

若所述第一温度参数大于2℃，且小于58℃时，则第一控制阀控制冷却液依次通过加热装置和水泵输送至燃料电池内。此时，可无需对冷却液进行加热，利用燃料电池工作时产生的热量让冷却液升温。当然，为缩短冷去液升温的时间，还可使利用加热装置对冷却液进行加热以使冷却液的温度达到55℃以上，从而有利于降低燃料电池进入稳态的时间。

若第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃(即燃料电池热机运行)时，控制器控制第一控制阀将冷却液分别输送至加热装置和散热装置内，然后根据冷却液的实际温度利用加热装置或散热装置对冷却液维持在55-70℃范围内。此时，控制器根据内置的PID控制第一控制阀调节开度，以通过精准控制各个路径冷却液的流量来调节冷却液的温度。

若第一温度参数大于等于75℃时，第一控制阀控制冷却液依次通过散热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述散热装置对冷却液散热。同时，水泵和散热装置也调节至最大功率，以此冷却液进行降温。如果冷却液的温度仍然无法下降至燃料电池的稳态温度范围内，此时，控制器将报警并自动下降燃料电池运行的功率直至达到稳态工作温度后回复正常。

在一较佳实施例中，控制方法还包括：

控制器接收到开启暖风装置的指令；

若第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀可控制冷却液分别通过加热装置和暖风装置输送至水泵内，并由水泵将冷却液输送至燃料电池内，且加热装置对冷却液进行加热，以利用加热装置对冷却液进行加热和暖风装置为车厢内供暖。

本步骤中，当控制器接收到开启暖风装置的指令后，控制器判断第一温度参数是否达到预设的供暖条件，若第一温度参数达到58℃以上时(即达到供暖条件)，控制器即可控制第一控制阀将冷却液输送至暖风装置内，从而利用暖风装置将冷却液的热量输送至车厢内。此时，控制器还需将一部分冷却液输送至加热装置内，以方便根据实时采集的第一温度参数对冷却液进行加热，以使燃料电池维持稳态。当然，若在燃料电池大功率长时间运行时，即可关闭输送至加热装置内的冷却液，并将部分冷却液输送至散热装置内，以利用散热装置对暖风装置无法消耗的热量进行散热。

在一较佳实施例中，控制方法还包括：

第二温度传感器采集燃料电池排出的冷却液的温度以形成第二温度参数；

所述第二温度参数与所述第一温度参数之差小于等于10℃。

本实施例中，通过第二温度传感器采集燃料电池的冷却液温度，以形成第二温度参数，从而有利于控制器根据第二温度参数控制输入燃料电池的冷却液的温度(即第一温度传感器采集的第一温度参数)。其中，优选当燃料电池处于稳态(即第一温度参数为大于55℃，且小于70℃)时，第二温度参数与第一温度参数之差小于等于10℃，从而有利于维持燃料电池的稳态。

在一较佳实施例中，控制方法还包括：

若第一温度参数大于等于75℃时，第一控制阀还通过膨胀水箱将冷却液输送至水泵内。

本实施例中，在控制器接收到第一温度参数大于等于75℃时，为了增加冷却系统的散热性能，第一控制阀将冷却液输送至膨胀水箱内，利用膨胀水箱内的冷却液与输入的冷却液混合，从而对冷却液进行第一次降温，然后将混合后的冷却液输入至散热器内，以对冷却液进行第二次散热，最后利用水泵将预设温度的冷去液输入至燃料电池内。

在一较佳实施例中，控制方法还包括：

电导率传感器检测冷却液中的离子浓度；

若离子浓度超过预设的启动标准数值，则控制器控制第三控制阀开启，至于开启的程度可根据实际情况进行设置，从而方便供部分冷却液输入离子过滤器中，以此消除冷却液中的离子。当离子浓度低于预设的停止标准数值时，控制器控制第三控制阀关闭。其中，启动标准数值与停止标准数值之间由低到高设置有多个等级，如低、中、高三个浓度等级；而第三控制阀的开启程度也可对应由低到高设置有多个等级，如低、中、高三个流量等级，对应的关系可以是高浓度等级对应高流量等级、中浓度等级对应中流量等级、低浓度等级对应低流量等级，即当冷却液中的离子浓度处于某一浓度等级时，第三控制阀则开启相应的冷却液流量等级。

本发明进一步提出一种汽车，该汽车包括上述实施例中的汽车燃料电池的冷却系统，该冷却系统的具体结构参照上述实施例，由于本汽车采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (10)

1.一种汽车燃料电池的冷却系统，其特征在于，包括水泵、第一控制阀、加热装置、散热装置、暖风装置、膨胀水箱、第一温度传感器、第二控制阀以及控制器，所述水泵的出水口与燃料电池的进水口连通，所述水泵的进水口分别与所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的出水口连通，所述加热装置、散热装置、暖风装置和膨胀水箱的进水口还分别与所述第一控制阀的四个出口连通，所述第一控制阀的入口与所述燃料电池的出水口连通；所述第一温度传感器位于所述水泵的出水口处；所述膨胀水箱的出水口通过所述第二控制阀与所述水泵的进水口连通；所述控制器分别与所述水泵、第一控制阀、暖风装置、散热装置、第二控制阀以及第一温度传感器电性连接。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述膨胀水箱的出水口还通过所述第二控制阀与所述散热装置的进水口连通。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述控制器通过CAN模块分别与所述水泵、第一控制阀、暖风装置、散热装置、第二控制阀以及第一温度传感器电性连接。

4.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括设置在所述入口处并与所述控制器电性连接的第二温度传感器。

5.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，还包括离子过滤器、第三控制阀和电导率传感器，所述离子过滤器的进水口通过所述第三控制阀与所述水泵的出水口连通，所述离子过滤器的出水口与所述水泵的进水口连通，所述电导率传感器位于所述燃料电池的进水口处并与所述控制器电性连接。

6.一种冷却系统的控制方法，其特征在于，包括：

第一温度传感器采集进入燃料电池的冷却液的温度以形成第一温度参数；

控制器根据所述第一温度参数控制第一控制阀运行，

若所述第一温度参数小于0℃时，则所述第一控制阀控制冷却液依次通过加热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述加热装置将冷却液加热至2℃；

若所述第一温度参数大于2℃，且小于58℃时，则所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述加热装置和水泵输送至燃料电池内；

若所述第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述加热装置和水泵输送至燃料电池内或所述第一控制阀控制冷却液分别通过所述加热器和散热装置输送至所述水泵内，并由所述水泵将冷却液输送至燃料电池内，且利用所述加热装置对冷却液加热或利用所述散热装置对冷却液散热；

若所述第一温度参数大于等于75℃时，所述第一控制阀控制冷却液依次通过所述散热装置和水泵输送至燃料电池内，并利用所述散热装置对冷却液散热。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

所述控制器接收到开启暖风装置的指令；

若所述第一温度参数大于等于58℃，且小于70℃时，所述第一控制阀可控制冷却液分别通过所述加热装置和暖风装置输送至所述水泵内，并由所述水泵将冷却液输送至燃料电池内，且所述加热装置对冷却液进行加热，以利用所述加热装置对冷却液进行加热和所述暖风装置为车厢内供暖。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

第二温度传感器采集燃料电池排出冷却液的温度以形成第二温度参数；

所述第二温度参数与所述第一温度参数之差小于等于10℃。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

若所述第一温度参数大于等于75℃时，所述第一控制阀还通过膨胀水箱将冷却液输送至所述水泵内。

10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1至5任意一项所述的汽车燃料电池的冷却系统。

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