CN112490468B - 一种集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统，包括壳体以及在所述壳体的两个侧面开设有向外延展的气路接口，所述气路接口包括气体入口和气体出口，所述壳体的内部还设有用于热交换的换热芯体，所述换热芯体上设有气室和水室，所述换热芯体与壳体固定连接，所述气室分别与气体入口和气体出口连通用于形成气体热交换回路；本发明提供的集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统，采用电动球阀可以控制流过集成式中冷器的冷却水流量，从而实现集成式中冷器气体出口的气体温度控制，提升电堆入口空气温度的可控性，在低温启动过程中，电动球阀可以完全关闭，减少低温启动阶段的热量损失。

Description

一种集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统发动机是用于一种新能源汽车用的动力系统。燃料电池系统发动机包括核心零部件(燃料电池电堆)、电辅件(空压机、增湿器、传感器、阀类零件、DCDC等)、热管理系统零部件(阳极热交换器、中冷器、节温器等)、连接的管路接头、机械结构等。燃料电池系统的核心零部件，燃料电池电堆，是利用燃料氢气和氧化剂空气的电化学反应产生电能的电化学装置。

燃料电池电堆在发电的过程中会产生大量的热量，需要通过冷却液带走热量以控制电堆的温度。冷却液流量、温度的控制系统即为燃料电池系统的热管理子系统，主要包括电堆、过滤器、冷却水循环泵、阳极换热器、去离子器、膨胀水箱、中冷器、流量控制阀、散热器等。框内为燃料电池系统内部的热管理子系统。燃料电池系统冷却液因需直接冷却电堆内双极板，因安全和效率方面考虑，需限制冷却液电导率。另外，燃料电池系统的一些其他电附件，如空压机、DC/DC转换器等，需要与整车共用整车热管理系统，以实现零部件散热的目的。整车用冷却液无电导率限制的需求。

现有的中冷器集成设计方案的主要目的是在中冷器中集成其他功能，现有方案如下：

CN111370733A，在中冷器中集成了消音器的功能，通过在空气流道增设抗性消音器板，以便于中冷器壳体的内壁形成共振腔，降低呻吟持续传递，达到消音的效果；此方案在中冷器中集成消音功能可以在一定程度上减少空压机产生的噪声，但是无法解决空气经过燃料电池电堆后混入水蒸气，在尾排处蒸汽噪声问题。中冷器需要使用燃料电池系统内有特殊要求的冷却液(电导率限制)。

CN111022344A，将中冷器的功能集成在空压机中，在空压机内实现扩压器冷却及量级增压的级间冷却，达到了压缩空气冷却的目的；因空压机结构较为复杂，此方案将中冷器集成到空压机内会增加空压机设计的负责性，增大空压机的整体空间尺寸。

CN210956851U，将管路端口与中冷器集成，减少了燃料电池系统中冷器所需的布置空间，使燃料电池系统更加紧凑；此方案只是简单在中冷器上集成接口，实现更高集成度的目的，并没有对中冷器的功能做出其他改变。中冷器需要使用燃料电池系统内有电导率限制的冷却液。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统，旨在解决现有中冷器空气温度的可控性、需要使用有电导率限制的冷却液的问题。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种集成式中冷器，包括：

壳体以及在所述壳体的两个侧面开设有向外延展的气路接口，所述气路接口包括气体入口和气体出口，所述壳体的内部还设有用于热交换的换热芯体，所述换热芯体上设有气室和水室，所述换热芯体与壳体固定连接，所述气室分别与气体入口和气体出口连通用于形成气体热交换回路；

在所述壳体的一个侧面还设有冷却水入口和冷却水出口，所述水室从壳体内部分别与冷却水入口和冷却水出口连通用于形成内部冷却水回路；

四通热交换装置，所述四通热交换装置在壳体外部分别与冷却水入口和冷却水出口连通，用于连通内部冷却水回路；所述四通热交换装置还开设有水路接头，包括入水接头和出水接头，用于接入外部冷却水管路。

作为优选，所述四通热交换装置包括：入口三通接头和出口三通接头，所述冷却水入口与入口三通接头的一个接头连通并固定，所述冷却水出口与出口三通接头的一个接头连通，所述入口三通接头还设有用于接入冷却水的入水接头，所述出口三通接头还设有用于输出冷却水的出水接头，所述入口三通接头与出口三通接头之间通过室间接管连通，所述入口三通接头上还设有用于调节冷却水流量的电动球阀。

作为优选，所述气室由两组以上的锯齿柱状气道组成，所述水室由一组以上的水道组成，所述水道布置在每两组锯齿柱状气道之间。

作为优选，所述室间接管为硅胶软管，用于消除出水接头和入水接头之间的位置公差。

本发明还提供一种热管理装置，包括如上所述的集成式中冷器，还包括：空压机、电器附件、暖风机、PTC水加热器、第一水泵、第一流量控制阀、换热器、电池包、第二水泵、第二流量控制阀、第三流量控制阀、驱动电机、第三水泵、散热器和第四流量控制阀；

所述集成式中冷器的一个水路接头通过管道与空压机的一个水路接头连通，所述空压机的另一个水路接头通过管道分别与电器附件的一个水路接头、暖风机的一个水路接头、第一流量控制阀的第一水路接头和第二流量控制阀的第一水路接头连通；

所述集成式中冷器的另一个水路接头通过管道分别与电器附件的另一个水路接头、暖风机的另一个水路接头、PTC水加热器的一个水路接头、换热器的第一水路接头和第三流量控制阀的第一水路接头连通；

所述PTC水加热器的另一个水路接头和第一水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第一水泵的另一个水路接头与第一流量控制阀的第二水路接头通过管道连通；

所述换热器的第二水路接头分别与第一流量控制阀的第三水路接头、第二流量控制阀的第二水路接头通过管道连通，所述换热器的第三水路接头与电池包的一个水路接头通过管道连通，所述电池包的另一个水路接头与第二水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第二水泵的另一个水路接头与换热器的第四水路接头通过管道连通；

所述第二流量控制阀的第三水路接头与第三流量控制阀的第二个水路接头通过管道连通，所述第三流量控制阀的第三个水路接头与驱动电机的一个水路接头通过管道连通，所述驱动电机的另一个水路接头与第三水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第三水泵的另一个水路接头与第四流量控制阀的第一水路接头通过管道连通，所述第四流量控制阀的第二水路接头与散热器的一个水路接头通过管道连通，所述散热器的另一个水路接头以及第四流量控制阀的第三水路接头均与第三流量控制阀的第四个水路接头通过管道连通。

作为优选，所述电器附件包括：DC/DC转换器。

本发明还提供一种燃料电池系统，包括如上所述的热管理装置,还包括：

空滤、电堆和尾排；所述空滤的一端用于吸入空气，另一端与空压机的一个气路接口通过管道连通，所述空压机的另一个气路接口与集成式中冷器的一个气路接口通过管道连通，所述集成式中冷器的另一个气路接口与电堆的一个气路接口通过管道连通，所述电堆的另一个气路接口与尾排的一个气路接口通过管道连通，所述尾排的另一个气路接口用于排出混合气体。

本发明的优点：

本发明提供的集成式中冷器、热管理装置及燃料电池系统，采用电动球阀可以控制流过集成式中冷器的冷却水流量，从而实现集成式中冷器气体出口的气体温度控制，提升电堆入口空气温度的可控性，在低温启动过程中，电动球阀可以完全关闭，减少低温启动阶段的热量损失；中冷器水室接入整车的热管理系统，减少了燃料电池系统内电导率限制的冷却液的需求。

附图说明

图1为本发明所述的集成式中冷器的结构示意图；

图2为本发明所述的换热芯体的结构示意图；

图3为本发明所述的热管理装置的结构框图；

图4为本发明所述的燃料电池系统的结构框图。

图中：100-集成式中冷器，101-壳体，102-气体入口，103-气体出口，104-气室，105-水室，107-换热芯体，110-四通热交换装置，111-出口三通接头，112-入口三通接头，113-室间接管，114-出水接头，115-入水接头，116-电动球阀，120-空压机，121-空滤，130-电器附件，140-暖风机，150-PTC水加热器，160-第一水泵，170-第一流量控制阀，180-换热器，190-电池包，200-第二水泵，210-第二流量控制阀，220-第三流量控制阀，230-驱动电机，240-第三水泵，250-第四流量控制阀，260-散热器，270-电堆，280-尾排。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的实施例提供了一种集成式中冷器，如图1所示，包括：

壳体101以及在壳体101的两个侧面开设有向外延展的气路接口，气路接口包括气体入口102和气体出口103，用于接入外部气体热交换回路；壳体101的内部还设有用于气体和冷却水进行热交换的换热芯体107，换热芯体107上设有气室104和水室105，换热芯体107与壳体101固定连接，气室104分别与气体入口102和气体出口103连通用于形成内部气体热交换回路；

在壳体101的一个侧面还设有冷却水入口和冷却水出口(图中未示出)，水室105从壳体101内部分别与冷却水入口和冷却水出口连通用于形成内部冷却水回路；

四通热交换装置110，四通热交换装置110在壳体101外部分别与冷却水入口和冷却水出口连通，用于连通内部冷却水回路；四通热交换装置还开设有水路接头，包括入水接头和出水接头，用于接入外部冷却水管路。

在一个实施例中，请继续参考图1，四通热交换装置可以包括：入口三通接头112和出口三通接头111，冷却水入口与入口三通接头112的一个接头连通并固定，冷却水出口与出口三通接头111的一个接头连通，入口三通接头112还设有用于接入冷却水的入水接头115，出口三通接头111还设有用于输出冷却水的出水接头114，入口三通接头112与出口三通接头111之间通过室间接管113连通，入口三通接头112上还设有用于调节冷却水流量的电动球阀116，电动球阀116可以控制流过集成式中冷器100的冷却水流量，从而实现集成式中冷器100气体出口103的气体温度控制，提升电堆入口空气温度的可控性，在低温启动过程中，电动球阀116可以完全关闭，减少低温启动阶段的热量损失。

在一些实施例中，如图2所示，气室104由两组以上的锯齿状气道组成，每一组锯齿柱状气道由多个三角柱状气道构成，锯齿柱状气道可以实现气体与换热芯体107的充分热交换；水室105由一组以上的水道组成，水道布置在每两组锯齿柱状气道之间，水道的布置可以使得冷却水通过换热芯体107与气体实现热交换。

在一个实施例中，室间接管113采用硅胶软管，用于消除出水接头114和入水接头115之间的位置公差。

为了实现对热交换的管理和控制，本发明还提供一种热管理装置，如图3所示，包括上述实施例中提供的集成式中冷器100，还包括以下组件：空压机120、电器附件130、暖风机140、PTC水加热器150、第一水泵160、第一流量控制阀170、换热器180、电池包190、第二水泵200、第二流量控制阀210、第三流量控制阀220、驱动电机230、第三水泵240、散热器260和第四流量控制阀250；(其中：第一流量控制阀170、第二流量控制阀210、第四流量控制阀250均为三通阀门，具有三个水路接头，第三流量控制阀220为四通阀门，具有四个水路接头；换热器180具有四个水路接头)；

在连接方式上，集成式中冷器100的一个水路接头通过管道与空压机120的一个水路接头连通，空压机120的另一个水路接头通过管道分别与电器附件130的一个水路接头、暖风机140的一个水路接头、第一流量控制阀170的第一水路接头和第二流量控制阀210的第一水路接头连通；

集成式中冷器100的另一个水路接头通过管道分别与电器附件130的另一个水路接头、暖风机140的另一个水路接头、PTC水加热器150的一个水路接头、换热器180的第一水路接头和第三流量控制阀220的第一水路接头连通；

PTC水加热器150的另一个水路接头和第一水泵160的一个水路接头通过管道连通，第一水泵160的另一个水路接头与第一流量控制阀170的第二水路接头通过管道连通；第一流量控制阀170用于调节其第一水路接头与第二水路接头流入冷却水之间的流量比；

换热器180的第二水路接头分别与第一流量控制阀170的第三水路接头、第二流量控制阀210的第二水路接头通过管道连通，换热器180的第三水路接头与电池包190的一个水路接头通过管道连通，电池包190的另一个水路接头与第二水泵200的一个水路接头通过管道连通，第二水泵200的另一个水路接头与换热器180的第四水路接头通过管道连通；

第二流量控制阀210的第三水路接头与第三流量控制阀220的第二个水路接头通过管道连通，第二流量控制阀210用于调节其第一水路接头与第三水路接头流入冷却水之间的流量比；

第三流量控制阀220的第三个水路接头与驱动电机230的一个水路接头通过管道连通，驱动电机230的另一个水路接头与第三水泵240的一个水路接头通过管道连通，第三水泵240的另一个水路接头与第四流量控制阀250的第一水路接头通过管道连通，第四流量控制阀250的第二水路接头与散热器260的一个水路接头通过管道连通，散热器260的另一个水路接头以及第四流量控制阀250的第三水路接头均与第三流量控制阀220的第四个水路接头通过管道连通；第三流量控制阀220用于调节其第一水路接头流入、第二水路接头流出、第三水路接头流出、第四水路接头流入冷却水之间的流量比；第四流量控制阀250用于调节其第一水路接头流入、第二水路接头流出、第三水路接头流出冷却水之间的流量比。

在一个实施例中，电器附件包括：DC/DC转换器。

为了提升电堆入口空气温度的可控性,本发明还提供一种燃料电池系统，包括上述实施例中提供的热管理装置,还包括以下组件：

空滤121、电堆270和尾排280；空滤121的一端用于吸入空气，另一端与空压机120的一个气路接口通过管道连通，空压机120的另一个气路接口与集成式中冷器100的一个气路接口通过管道连通，集成式中冷器100的另一个气路接口与电堆270的一个气路接口通过管道连通，电堆270的另一个气路接口与尾排280的一个气路接口通过管道连通，尾排280的另一个气路接口用于排出混合气体；该燃料电池系统的其余部分请参考现有技术，在此不再赘述。

本说明书中针对“一些实施例”、“一个实施例”、或“实施例”等的参考指代的是结合所述实施例所描述的特定特征、结构、或性质包括在至少一个实施例中。因此，短语“在一些实施例中”、“在一个实施例中”、或“在实施例中”等在整个说明书中各地方的出现并非必须指代相同的实施例。此外，特定特征、结构、或性质可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。因此，结合一个实施例中所示出或描述的特定特征、结构或性质可以整体地或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构、或性质无限制地组合，只要该组合不是非逻辑性的或不能工作。另外，本申请附图中的各个元素仅仅为了示意说明，并非按比例绘制。

由此描述了本发明的至少一个实施例的几个方面，可以理解，对本领域技术人员来说容易地进行各种改变、修改和改进。这种改变、修改和改进意于在本发明的精神和范围内。

Claims (6)

1.一种热管理装置，包括集成式中冷器，所述集成式中冷器包括：壳体以及在所述壳体的两个侧面开设有向外延展的气路接口，所述气路接口包括气体入口和气体出口，所述壳体的内部还设有用于热交换的换热芯体，所述换热芯体上设有气室和水室，所述换热芯体与壳体固定连接，所述气室分别与气体入口和气体出口连通用于形成气体热交换回路；

在所述壳体的一个侧面还设有冷却水入口和冷却水出口，所述水室从壳体内部分别与冷却水入口和冷却水出口连通用于形成内部冷却水回路；

四通热交换装置，所述四通热交换装置在壳体外部分别与冷却水入口和冷却水出口连通，用于连通内部冷却水回路；所述四通热交换装置还开设有水路接头，包括入水接头和出水接头，用于接入外部冷却水管路；

其特征在于，还包括：空压机、电器附件、暖风机、PTC水加热器、第一水泵、第一流量控制阀、换热器、电池包、第二水泵、第二流量控制阀、第三流量控制阀、驱动电机、第三水泵、散热器和第四流量控制阀；

所述集成式中冷器的一个水路接头通过管道与空压机的一个水路接头连通，所述空压机的另一个水路接头通过管道分别与电器附件的一个水路接头、暖风机的一个水路接头、第一流量控制阀的第一水路接头和第二流量控制阀的第一水路接头连通；

所述集成式中冷器的另一个水路接头通过管道分别与电器附件的另一个水路接头、暖风机的另一个水路接头、PTC水加热器的一个水路接头、换热器的第一水路接头和第三流量控制阀的第一水路接头连通；

所述PTC水加热器的另一个水路接头和第一水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第一水泵的另一个水路接头与第一流量控制阀的第二水路接头通过管道连通；

所述换热器的第二水路接头分别与第一流量控制阀的第三水路接头、第二流量控制阀的第二水路接头通过管道连通，所述换热器的第三水路接头与电池包的一个水路接头通过管道连通，所述电池包的另一个水路接头与第二水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第二水泵的另一个水路接头与换热器的第四水路接头通过管道连通；

所述第二流量控制阀的第三水路接头与第三流量控制阀的第二个水路接头通过管道连通，所述第三流量控制阀的第三个水路接头与驱动电机的一个水路接头通过管道连通，所述驱动电机的另一个水路接头与第三水泵的一个水路接头通过管道连通，所述第三水泵的另一个水路接头与第四流量控制阀的第一水路接头通过管道连通，所述第四流量控制阀的第二水路接头与散热器的一个水路接头通过管道连通，所述散热器的另一个水路接头以及第四流量控制阀的第三水路接头均与第三流量控制阀的第四个水路接头通过管道连通。

2.如权利要求1所述的热管理装置，其特征在于，所述四通热交换装置包括：

入口三通接头和出口三通接头，所述冷却水入口与入口三通接头的一个接头连通并固定，所述冷却水出口与出口三通接头的一个接头连通，所述入口三通接头还设有用于接入冷却水的入水接头，所述出口三通接头还设有用于输出冷却水的出水接头，所述入口三通接头与出口三通接头之间通过室间接管连通，所述入口三通接头上还设有用于调节冷却水流量的电动球阀。

3.如权利要求1或2所述的热管理装置，其特征在于：所述气室由两组以上的锯齿柱状气道组成，所述水室由一组以上的水道组成，所述水道布置在每两组锯齿柱状气道之间。

4.如权利要求2所述的热管理装置，其特征在于：所述室间接管为硅胶软管，用于消除出水接头和入水接头之间的位置公差。

5.如权利要求1所述的热管理装置，其特征在于，所述电器附件包括：DC/DC转换器。

6.一种燃料电池系统，包括如权利要求1所述的热管理装置,其特征在于，还包括：

空滤、电堆和尾排；所述空滤的一端用于吸入空气，另一端与空压机的一个气路接口通过管道连通，所述空压机的另一个气路接口与集成式中冷器的一个气路接口通过管道连通，所述集成式中冷器的另一个气路接口与电堆的一个气路接口通过管道连通，所述电堆的另一个气路接口与尾排的一个气路接口通过管道连通，所述尾排的另一个气路接口用于排出混合气体。

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