CN112208392A - 一种氢燃料电池汽车水热管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池汽车水热管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氢燃料电池汽车水热管理系统，包括通过管路依次连通形成循环回路的燃料电池、主水泵和加热器，还包括三通阀一，三通阀一的进口通过管路与燃料电池的出口连通，其中一出口通过管路与主水泵连通，另一出口通过管路与汽车客舱内的供暖设备的进口连通，供暖设备的出口通过管路与三通阀一和主水泵之间的管路连通；燃料电池和加热器之间的管路与三通阀一和供暖设备之间的管路通过加热回路连通，加热回路上安装有阀门；本发明还提供一种氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法。本发明的有益效果是优化了汽车客舱无需供暖时冷却液的流动路径，保证系统正常运行的同时提升了汽车客舱内的供暖能力，节约能耗。

Description

一种氢燃料电池汽车水热管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车水热管理系统,具体涉及一种氢燃料电池汽车水热管理系统及其控制方法。
背景技术
燃油车利用发动机水循环的余热进行取暖的技术已经非常普遍，随着氢燃料电池汽车技术的发展，其取暖方式由开始的单独的ptc水暖回路(电加热)，到现在的将其整合到氢燃料电池的水热管理系统，利用了燃料电池堆运行时产生的余热，从而更加节能环保。
目前，现有技术中的车用燃料电池的热循环管理系统中，换热器热端入口液体温度不会高于电堆出口温度，而且参与客舱供暖的是流经与换热器串联的暖风芯体的冷端流体，由于换热器冷端液体与热端液体存在一定温差，所以换热效率低下，供暖回路绝大部分能量由与换热器并联的PTC加热器提供，余热利用的效果有限；同时，独立的客舱供暖回路中暖风芯体由于必须靠近客舱，不能集成到燃料电池系统中，因而这部分回路的管路较长，增加了元部件数量，使得整个水热管理系统变得更加复杂，运行维护难度上升；另外，客舱的取暖效果受到了循环水路冷却液温度的限制，能耗较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种氢燃料电池汽车水热管理系统及其控制方法，旨在解决上述技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种氢燃料电池汽车水热管理系统，包括通过管路依次连通形成循环回路的燃料电池、主水泵和加热器，还包括三通阀一，所述三通阀一的进口通过管路与所述燃料电池的出口连通，其中一出口通过管路与所述主水泵连通，另一出口通过管路与汽车客舱内的供暖设备的进口连通，所述供暖设备的出口通过管路与所述三通阀一和所述主水泵之间的管路连通；所述燃料电池和所述加热器之间的管路与所述三通阀一和所述供暖设备之间的管路通过加热回路连通，所述加热回路上安装有阀门。
本发明的有益效果是：当汽车客舱内的温度高于设定温度(此时，客舱供暖无需打开)或系统管路中冷却液的温度低于燃料电池的最佳工作温度时，三通阀一的其中一出口开启，另一出口关闭，燃料电池内的冷却液直接送至主水泵；加热器启动，使得管路中冷却液的温度逐渐上升至第一预设温度后关闭，燃料电池启动并利用其自身产生的热量加热冷却液至最佳工作温度，保证系统正常运行；当汽车客舱内的温度低于设定温度时，三通阀一的其中一个出口关闭，另一出口开启，燃料电池中的冷却液经过供暖设备后再送至主水泵；供暖时，阀门开启，加热器工作，可保证加热回路内的冷却液水温高于燃料电池出口的冷却液温度，使得供暖设备入口的冷却液温度高于燃料电池的最佳工作温度，与现有技术相比提高了供暖设备给客舱供暖的能力。本发明优化了汽车客舱无需供暖时冷却液的流动路径，保证系统正常运行的同时提升了汽车客舱内的供暖能力，节约能耗。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括散热器，所述燃料电池与所述加热回路之间的管路上安装有机械式节温器，所述机械式节温器的出口通过管路与所述燃料电池的进口连通，其中一入口通过管路与所述阀门和所述加热器之间的管路连通，所述散热器分别通过管路与所述机械式节温器的另一入口以及所述主水泵和所述加热器之间的管路连通。
采用上述进一步方案的有益效果是通过散热器对管路中的冷却液进行适度的散热降温，避免系统中冷却液的温度过高而影响其正常运行。
进一步，所述三通阀一和/或所述阀门。
采用上述进一步方案的有益效果是实现自动化控制。
进一步，所述散热器为电子风机水箱。
采用上述进一步方案的有益效果是结构简单，散热效果较佳。
进一步，所述燃料电池的进口、所述加热器的出口以及汽车客舱内分别安装有温度传感器。
采用上述进一步方案的有益效果是通过三个温度传感器实时监测对应点的温度，以便精准的控制系统各个设备的温度，保证系统正常运行。
进一步，所述供暖设备包括气体-液体换热器和风机，所述换热器液体端的进口和出口分别通过管路与所述三通阀一的另一出口以及所述三通阀一和所述主水泵之间的管路连通；所述风机安装在所述换热器的一侧，用于将所述换热器的热量送至汽车客舱内。
采用上述进一步方案的有益效果是通过换热器直接获取高温冷却液的热量，并通过风机将上述热量送至汽车客舱内进行取暖，相较于与液液换热器冷端(液液换热器热端流体为系统内的冷却液，冷端液体为供暖回路的液体)串联的供暖设备，更能充分利用系统中冷却液的余热，节约能耗。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
一种氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，具体包括以下步骤：
S1：检测所述燃料电池进口冷却液的温度Tn，判断温度Tn与所述燃料电池的期望温度的大小；
S2：当温度Tn小于期望温度时，所述加热器加热系统中的冷却液至0℃后，所述燃料电池启动，系统正常运行。
采用上述进一步方案的有益效果是通过实时监测系统中冷却液的温度，并与燃料电池的最佳工作温度进行对比，分析判断是否需要启动加热器，保证燃料电池的正常启动，从而保证系统的正常运行。
进一步，所述步骤S1中，期望温度的范围为60-70℃。
采用上述进一步方案的有益效果是与燃料电池的最佳工作温度保持一致，保证燃料电池的正常运行和汽车客舱的供暖。
进一步，还包括步骤S3，检测汽车客舱内的温度Tk，判断温度温度Tk与供暖预设温度t3的大小，判断是否供暖；当温度Tk小于供暖预设温度t3时，进行供暖。
采用上述进一步方案的有益效果是通过实时监测汽车客舱内的温度，并与系统中供暖预设温度进行比较，判断分析是否需要供暖。
进一步，所述步骤S3中，供暖预设温度t3的范围为28-30℃。
采用上述进一步方案的有益效果是与人体皮肤感知冷暖的温度保持一致，保证汽车客舱内的舒适度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、燃料电池，2、主水泵，3、加热器，4、三通阀一，5、加热回路，6、阀门，7、散热器，8、机械式节温器，9、换热器，10、风机，11、系统控制器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明提供一种氢燃料电池汽车水热管理系统，包括通过管路依次连通形成循环回路的燃料电池1、主水泵2和加热器3，还包括三通阀一4，三通阀一4的进口通过管路与燃料电池1的出口连通，其中一出口通过管路与主水泵2连通，另一出口通过管路与汽车客舱内的供暖设备的进口连通，供暖设备的出口通过管路与三通阀一4和主水泵2之间的管路连通；燃料电池1和加热器3之间的管路与三通阀一4和供暖设备之间的管路通过加热回路5连通，加热回路5上安装有阀门6。当系统管路中冷却液的温度低于燃料电池12的最佳工作温度时，三通阀一4的其中一出口开启，另一出口关闭，燃料电池1内的冷却液直接送至主水泵2；加热器3启动使得管路中冷却液的温度逐渐上升至燃料电池1的最佳工作温度，保证系统正常运行；当汽车客舱内的温度低于设定温度时，三通阀一4的其中一个出口关闭，另一出口开启，燃料电池1中的冷却液经过供暖设备后再送至主水泵2；供暖时，阀门6开启，加热器3工作，可保证加热回路内的冷却液水温高于燃料电池1出口的冷却液温度，使得供暖设备入口的冷却液温度高于燃料电池的最佳工作温度，与现有技术相比提高了供暖设备给客舱供暖的能力。本发明优化了汽车客舱无需供暖时冷却液的流动路径，保证系统正常运行的同时提升了汽车客舱内的供暖能力，节约能耗。
需要说明的是，三通阀一4是对燃料电池1和主水泵2之间连通关系的进一步详述，并不是在的燃料电池1、主水泵2和加热器3通过管路依次连通形成循环回路之外的部件。
实施例1
在上述结构的基础上，本实施例还包括散热器7，燃料电池1与加热回路5之间的管路上安装有机械式节温器8，机械式节温器8的出口通过管路与燃料电池1的进口连通，其中一入口通过管路与阀门6和加热器3之间的管路连通，散热器7分别通过管路与机械式节温器8的另一入口以及主水泵2和加热器3之间的管路连通。运行时，通过散热器7对管路中的冷却液进行适度的散热降温，避免系统中冷却液的温度过高而影响其正常运行。
优选地，本实施例中，三通阀一4和/或阀门6为电磁阀，且分别通过线路与系统控制器11连接，控制器控制各个阀门的启闭，以进行相应的作业，实现自动化控制。
实施例2
在上述结构的基础上，本实施例中，散热器7优选为电子风机水箱，结构简单，散热效果较佳。
除上述结构外，也可以采用其他可行类型的散热器。
实施例3
在上述结构的基础上，本实施例中，燃料电池1的进口、加热器3的出口以及汽车客舱内分别安装有温度传感器。运行时，通过三个温度传感器实时监测对应点的温度，以便系统控制器11精准的控制系统各个设备的温度，保证系统正常运行。
实施例4
在上述结构的基础上，本实施例中，供暖设备包括安装在汽车壳体内的换热器9和风机10，换热器9的进口和出口分别通过管路与三通阀一4的另一出口以及三通阀一4和主水泵2之间的管路连通；风机10安装在换热器9的一侧，用于将换热器9的热量送至汽车客舱内，汽车壳体内侧上设有连通汽车客舱的开口。运行时，通过换热器9获取高温冷却液的热量，并通过风机10将上述热量送至汽车客舱内，以进行取暖，充分利用系统中冷却液的余热，节约能耗。
另外，如图2所示，本发明还提供一种氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，具体包括以下步骤：
S1：检测所述燃料电池1进口冷却液的温度Tn，判断温度Tn与所述燃料电池1的期望温度的大小；
S2：当温度Tn小于期望温度时，所述加热器3加热系统中的冷却液至0℃后，所述燃料电池1启动，系统正常运行。
通过实时监测系统中冷却液的温度，并与燃料电池的最佳工作温度进行对比，分析判断是否需要启动加热器，保证燃料电池的正常启动，从而保证系统的正常运行。
进一步，所述步骤S1中，期望温度的范围为60-70℃。与燃料电池的最佳工作温度保持一致，保证燃料电池的正常运行和汽车客舱的供暖。
进一步，本发明还包括步骤S3，检测汽车客舱内的温度Tk，判断温度温度Tk与供暖预设温度t3的大小，判断是否供暖；当温度Tk小于供暖预设温度t3时，进行供暖。通过实时监测汽车客舱内的温度，并与系统中供暖预设温度进行比较，判断分析是否需要供暖。
进一步，所述步骤S3中，供暖预设温度t3的范围为28-30℃。与人体皮肤感知冷暖的温度保持一致，保证汽车客舱内的舒适度。
本发明中，氢燃料电池汽车水热管理系统控制方法的具体原理如下(参见图2)：
当对应的温度传感器监测到燃料电池1进口的冷却液温度Tn小于最佳工作温度值t1(60-70℃)时，循环燃料电池1—主水泵2—加热器3—机械式节温器8—燃料电池1运行，系统中的冷却液处于升温过程，此时三通阀一4的其中一出口1开启(即图1中的a号出口)、另一出口关闭(即图1中的b号出口)，机械式节温器8其中一入口(即图1中的d号入口)开启、另一入口(即图1中的2e号入口)关闭，同时阀门6关闭；
当系统中的冷却液水温达到60℃时，机械式节温器8从其中一入口缓慢切换至另一入口(即从图1中d号入口缓慢切换至e号入口)，循环燃料电池1—主水泵2—散热器7—机械式节温器8—燃料电池1运行，此时加热器3不加热，且三通阀一4的其中一出口1开启(即图1中的a号出口)、另一出口关闭(即图1中的b号出口)，同时阀门6关闭；
天气较冷，例如冬季，对应的温度传感器实时监测汽车客舱内的温度Tk小于供暖预设温度t3(28-30℃)时，三通阀一4其中一出口1关闭(即图1中的a号出口)、另一出口开启(即图1中的b号出口)，循环燃料电池1—三通阀一4—供暖设备—主水泵2—散热器7—机械式节温器8—燃料电池1运行；同时，阀门6开启，循环加热器3—阀门6—供暖设备—主水泵2—加热器3运行，保证加热回路5内的冷却液温度高于燃料电池1出口的冷却液温度，使得供暖设备出口的冷却液温度高于燃料电池1的最佳工作温度，从而提高供暖设备的供暖能力，冷却液进入电堆前经散热水箱冷却达到期望温度，保证系统的正常运行。
本发明具体的工作原理流程如下：
S101、首先设置电堆(即燃料电池1)进口冷却液第一预设温度t1，低于该温度时系统需要先进入冷启动的过程(一般设置为0℃)；
S102、设置加热器3出口冷却液第二预设温度t2，该冷却液温度不高于于电堆的最高可持续工作温度，但是大于电堆出口冷却液温度(范围在75至83℃)；
S103、设置期望温度，电堆正常工作时的最佳工作温度(范围在60至70℃)；
S104、设置阀门6的第一预设开度；
S105、设置阀门6的第二预设开度，两预设开度决定了换热器9的从加热器3出口流出的冷却液流量，需根据实际应用自定义数值；
S106、系统控制器11获取电堆进口冷却液温度Tn；
S107、三通阀一4导通c→a，燃料电池1出口冷却液不流经供暖设备，阀门6全关，冷却液经电加热器3和机械式节温器8后全部进入电堆；
S108、判断电堆入口冷却液温度Tn是否小于第一预设温度，若小于第一预设温度，加热器3工作，换热器9和风机10不工作，则电堆处于冷启动状态(即电堆处于不启动状态)，跳到步骤S109，若大于第一预设温度，执行步骤S110；
S109、打开加热器3，功率升至最高，冷却液快速升温；
S110、系统控制器11检测燃料电池1进口冷却液温度是否大于期望温度，若小于，则返回至步骤S109，若大于，则执行下一步骤；
S111、关闭加热器3，此时随着系统冷却液温度升至期望温度，机械式节温器8逐渐由f→d转换至3f→e，系统切换到大循环；
S112、系统控制器11检测燃料电池1进口冷却液温度大于期望温度时，检测客舱温度Tk，读取空调取暖信号，计算客舱实际温度与取暖温度的差值Δt；
S113、判断差值Δt是否在允许的温差范围内，若是，则无需取暖，三通阀一4开度保持不变，换热器9内的流量依然为零，跳到步骤S118，若否，则执行下一步骤；
S114、打开换热器9，三通阀一4由c→a转换至3c→b全开，电堆出来之后的冷却液都流入暖风芯体，开启客舱供暖；
S115、打开加热器3，其出口冷却液温度保持在第二预设温度t2；
S116、阀门6打开至第一预设开度，加热器3加热之后的冷却液经过阀门与电堆出口冷却液混合后进入换热器9，进一步提高换热器进口冷却液温度，提高供暖效率，执行步骤S118；
S117、减小散热器7中电子风机开度直至关闭；
S118、系统控制器11检测燃料电池1进口冷却液温度是否大于期望温度，若小于，则返回步骤S117，若大于，则执行下一步；
S119、判断客舱实际温度与取暖温度的差值Δt是否在允许的温差范围内，若否，这执行步骤S125，若是，则执行下一步骤；
S120、判断换热器9是否打开，若否，则执行步骤S114，若是，则执行下一步骤；
S121、判断空气加热器3是否打开，若否，则执行步骤S123，若是，则执行下一步骤；
S122、减小空气加热器3的功率，降低能耗，执行步骤S118；
S123、系统控制器11检测阀门6开度是否大于第一预设开度，若否，则执行步骤S125，若是，则执行下一步骤；
S124、加大散热器7中电子风机开度，执行步骤S118；
S125、判断风机10是否打开，若否，则执行步骤S114，若是，则执行下一步骤；
S126、判断阀门6开度是否小于第二预设开度，若否，则执行步骤S128，若是则执行下一步骤；
S127、增大阀门6的开度，执行步骤S118；
S128、增加加热器3的功率，执行步骤S118。
需要说明的是，本发明所涉及到的风机(型号HF200P)、水泵(型号MP-40R)、电磁阀11(型号ZCT)和温度传感器1(型号PT100)均采用现有技术，并且上述各个部件与控制器(型号TC-SCR)电连接，控制器与各个部件之间的控制电路为现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：包括通过管路依次连通形成循环回路的燃料电池(1)、主水泵(2)和加热器(3)，还包括三通阀一(4)，所述三通阀一(4)的进口通过管路与所述燃料电池(1)的出口连通，其中一出口通过管路与所述主水泵(2)连通，另一出口通过管路与汽车客舱内的供暖设备的进口连通，所述供暖设备的出口通过管路与所述三通阀一(4)和所述主水泵(2)之间的管路连通；所述燃料电池(1)和所述加热器(3)之间的管路与所述三通阀一(4)和所述供暖设备之间的管路通过加热回路(5)连通，所述加热回路(5)上安装有阀门(6)。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：还包括散热器(7)，所述燃料电池(1)与所述加热回路(5)之间的管路上安装有机械式节温器(8)，所述机械式节温器(8)的出口通过管路与所述燃料电池(1)的进口连通，其中一入口通过管路与所述阀门(6)和所述加热器(3)之间的管路连通，所述散热器(7)分别通过管路与所述机械式节温器(8)的另一入口以及所述主水泵(2)和所述加热器(3)之间的管路连通。
3.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：所述三通阀一(4)和/或所述阀门(6)为电磁阀。
4.根据权利要求2所述的氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：所述散热器(7)为电子风机水箱。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：所述燃料电池(1)的进口、所述加热器(3)的出口以及汽车客舱内分别安装有温度传感器。
6.根据权利要求1-4任一项所述的氢燃料电池汽车水热管理系统，其特征在于：所述供暖设备包括换热器(9)和风机(10)，所述换热器(9)的进口和出口分别通过管路与所述三通阀一(4)的另一出口以及所述三通阀一(4)和所述主水泵(2)之间的管路连通；所述风机(10)安装在所述换热器(9)的一侧，用于将所述换热器(9)的热量送至汽车客舱内。
7.一种氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：检测所述燃料电池(1)进口冷却液的温度Tn，判断温度Tn与所述燃料电池(1)的期望温度的大小；
S2：当温度Tn小于期望温度时，所述加热器(3)加热系统中的冷却液至0℃后，所述燃料电池(1)启动，系统正常运行。
8.根据权利要求7所述的氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，期望温度的范围为60-70℃。
9.根据权利要求7所述的氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，其特征在于：还包括步骤S3，检测汽车客舱内的温度Tk，判断温度温度Tk与供暖预设温度t3的大小，判断是否供暖；当温度Tk小于供暖预设温度t3时，进行供暖。
10.根据权利要求9所述的氢燃料电池汽车水热管理系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，供暖预设温度t3的范围为28-30℃。
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