CN112635788B - 一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法，包括：直接进行热交换的集中散热器A和集中换热器B；第一管路连通集中散热器A，所述第一管路为燃料电池电堆的散热管路；第二管路连通集中换热器B，所述第二管路包括：燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路；电加热管路，电加热管路经过PTC加热器。本发明采用集中散热/供热，能够节省车内空间；实现热量和冷量的高效利用，提高散热效率，提升热管理水平，降低整车能耗。

Description

一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法。
背景技术
燃料电池汽车的动力系统零部件多，结构复杂，热管理需求较为复杂。燃料电池汽车在实际运行过程中，涉及到有散热需求的部件主要包括燃料电池电堆、燃料电池空压机、燃料电池中冷器、燃料电池DC/DC、动力电池系统、驱动电机、空调等，涉及到取暖的主要包括冬季乘客舱取暖、冬季动力电池保温、燃料电池低温启动暖机升温、除霜器等，燃料电池汽车的散热和取暖需求较多，且差异较大，缺少综合热管理。
发明内容
本申请的目的在于提供一种燃料电池汽车的热管理系统和热管理方法，用以解决燃料电池热管理较为复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种燃料电池汽车的热管理系统，包括：
直接进行热交换的集中散热器A和集中换热器B；
第一管路连通集中散热器A，所述第一管路为燃料电池电堆的散热管路；
第二管路连通集中换热器B，所述第二管路包括：燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路；
电加热管路，电加热管路经过PTC加热器。
进一步的，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路为并联关系。
进一步的，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路为串联关系。
进一步的，所述集中散热器A对应设有两个以上的风扇。
进一步的，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路上均设置有电磁阀和温度传感器。
进一步的，集中散热器A与集中换热器B一体设置或者接触设置。
本发明还提供了一种热管理方法，步骤如下：
车辆启动后，检测环境温度，若环境温度低于燃料电池工作温度下限，则启动PTC加热器，开通加热器管路，关闭第一管路和第二管路；
当燃料电池温度高于燃料电池工作温度下限，则开通第一管路和第二管路。
进一步的，通过调节第二管路中各散热管路上的电磁阀控制各散热管路的温度。
本发明的有益效果是：本发明采用集中散热/供热，能够节省车内空间；将温度相近的散热和取暖需求就近和集中布置，减少大温差的散热，实现热量和冷量的高效利用，提高散热效率，提升热管理水平，降低整车能耗。实现燃料电池汽车在低温启动、冬季取暖和正常散热等不同工作状态下的整车热管理。
附图说明
图1是一种燃料电池汽车的热管理系统结构图。
具体实施方式
一种燃料电池汽车热管理系统，如图1所示，主要包括燃料电池系统、动力电池系统、电机散热器、取暖器、PTC加热器，以及集中设置的集中散热器A和集中换热器B。
燃料电池系统与动力电池系统产生的电能供给空调、除霜器等设备。
燃料电池系统包括：燃料电池电堆、燃料电池空压机、燃料电池中冷器、燃料电池DC/DC。
动力电池系统包括：动力电池和动力电池散热器等。
还包括PTC加热器，整车电源为PTC加热器供电。
本发明的主要构思是将这些热管理设备集成设计，将散热和取暖需求根据温度特性进行分类和集中管理，将温度相近的散热和取暖需求就近和集中布置，减少大温差的散热，实现热量和冷量的高效利用，提高散热效率，提升热管理水平，降低整车能耗。根据整车的散热需求匹配总散热系统，根据不同的散热需求集中分配所需的散热量。通过优化散热系统的工作模式，实现燃料电池汽车在低温启动、冬季取暖和正常散热等不同工作状态下的整车热管理。
如图1的主要热循环依靠集中散热器A和集中换热器B进行，燃料电池电堆的散热管路(称为管路X)连接集中散热器A；燃料电池空压机、燃料电池中冷器、燃料电池DC/DC、电机散热器、动力电池散热器和取暖器(为车内供热，保证乘客体验)的散热管路(称为管路Y)连通集中换热器B。集中散热器A与集中换热器B一体设置(或者接触设置)，使这两套散热管路进行热交换。
其中，集中散热器A承担了燃料电池、电机、动力电池等各种部件的散热责任，因此集中散热器A的体积可以设置的较大，而且其上配置有多个风扇，包括风扇1、风扇2…风扇n。集中散热器A的存在，实现了集中散热，其他部件的散热器就可以视情况省去，从而节省了车内的空间。
同理，整车取暖或者加热需求同样从集中散热器A获取热量。
管路X还并联有电加热管路，电加热管路经过PTC加热器，用于为燃料电池电堆加热。
管路Y由一组管路构成，即燃料电池空压机管路、燃料电池中冷器管路、燃料电池DC/DC管路、电机散热器管路、动力电池散热器管路和取暖器管路。换热器设置多路出口，各个管路是并联设置的。每条管路上设置有控制流量的电磁阀和采集管路温度的温度传感器；通过电磁阀控制不同散热管路的开启和关闭状态，通过各散热回路温度的检测，合理分配散热流量。
燃料电池空压机管路、燃料电池中冷器管路、燃料电池DC/DC管路就近布置，是由于这些部件的工作温度相近。燃料电池DC/DC散热器和电机散热器的工作温度接近，故它们的管路靠近设置。将温度相近的散热和取暖需求就近和集中布置，减少大温差的散热，实现热量和冷量的高效利用，提高散热效率，提升热管理水平，降低整车能耗。
各部件可以独立配置并联散热回路，温度相近且散热需求一致的部件也可以选择串联冷却液回路。因此，作为其他实施方式，管路Y中，燃料电池空压机管路、燃料电池中冷器管路、燃料电池DC/DC管路还可以直接串联。
另外，热管理系统还包括热管理控制器，热管理控制器可以单独设置或者共用整车控制器，各部件的温度传感器、流量计、加热器等热管理控制相关的部件与热管理控制器之间交互信息，实现整车的智能热管理。该热管理系统与可以整车空调连用，可以降低空调的负荷，提升整车经济性。
下面对图1系统的工作原理和方法进行介绍：
1，环境温度较高时(例如夏季)，各种部件都处于散热需求中，燃料电池电堆将热量通过管路X传递到集中散热器A进行散热。其他部件将热量通过管路Y、集中换热器B传递到集中散热器A进行散热。
其中，取暖器管路可以关闭，电加热管路也可以关闭。若某些部件不满足散热需求，还应再单独配置冷却手段。
2，环境温度较低时(例如冬季)，车辆启动后，检测环境温度T1，若环境温度T1很低，低于燃料电池工作温度下限，导致燃料电池的放电效率较低，此时动力电池为PTC加热器供电(低温时动力电池放电能力较弱，但供给PTC加热器仍然绰绰有余)，PTC加热器加热电加热管路，电加热管路开始循环，为燃料电池电堆提供热量，使燃料电池电堆温度升高，升高到燃料电池能够正常工作，即燃料电池温度高于燃料电池工作温度下限。燃料电池正常工作后，能够迅速提供热量，此时，管路X、管路Y开始循环，通过集中散热器A、集中换热器B、动力电池散热器管路为动力电池提供热量，使动力电池也能够达到正常工作温度。这一过程非常迅速，只需要几分钟时间。相比于通过动力电池本身电加热为动力电池升温，要迅速的多，而且也更加安全(动力电池内部的电加热有一定危险性)。
同理，燃料电池电堆正常工作后，也为燃料电池空压机、燃料电池中冷器、燃料电池DC/DC、电机散热器、动力电池散热器和取暖器供热，而且各部件之间也能够进行热交换，从而提高了余热利用程度，节约能源。
在某些部件达到正常工作温度后，可以调小对应管路流量或者关闭对应管路。例如，若取暖器达到50～70℃后，可以关闭取暖器管路的电磁阀。
另外，在车辆停车后一段时间再启动时，其他部件保有的热量通过集中换热器B为燃料电池电堆供热，保证燃料电池电堆能够正常启动。

Claims (8)

1.一种燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，包括：
直接进行热交换的集中散热器A和集中换热器B；
第一管路连通集中散热器A，所述第一管路为燃料电池电堆的散热管路；
第二管路连通集中换热器B，所述第二管路包括：燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路；
电加热管路，电加热管路经过PTC加热器；
所述热管理系统还包括热管理控制器，用于实现如下热管理方法：车辆启动后，检测环境温度，若环境温度低于燃料电池工作温度下限，则此时动力电池为PTC加热器供电，PTC加热器加热电加热管路，所述电加热管路开始循环，为燃料电池电堆提供热量，关闭第一管路和第二管路；
当燃料电池温度高于燃料电池工作温度下限时，开通第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路开始循环，通过集中散热器A、集中换热器B、动力电池散热器管路为动力电池提供热量，使动力电池也能够达到正常工作温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路为并联关系。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路为串联关系。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，所述燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路上均设置有电磁阀和温度传感器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，所述集中散热器A对应设有两个以上的风扇。
6.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于，集中散热器A与集中换热器B一体设置或者接触设置。
7.一种燃料电池汽车的热管理系统的热管理方法，其特征在于，
所述热管理系统包括：直接进行热交换的集中散热器A和集中换热器B；
第一管路连通集中散热器A，所述第一管路为燃料电池电堆的散热管路；
第二管路连通集中换热器B，所述第二管路包括：燃料电池空压机的散热管路、燃料电池中冷器的散热管路、燃料电池DC/DC的散热管路、电机散热器的散热管路、动力电池散热器的散热管路，以及取暖器的散热管路；
电加热管路，电加热管路经过PTC加热器；
所述热管理系统还包括热管理控制器；热管理方法包括以下步骤：
车辆启动后，检测环境温度，若环境温度低于燃料电池工作温度下限，则此时动力电池为PTC加热器供电，PTC加热器加热电加热管路，所述电加热管路开始循环，为燃料电池电堆提供热量，关闭第一管路和第二管路；
当燃料电池温度高于燃料电池工作温度下限时，开通第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路开始循环，通过集中散热器A、集中换热器B、动力电池散热器管路为动力电池提供热量，使动力电池也能够达到正常工作温度。
8.根据权利要求7所述的热管理方法，其特征在于，通过调节第二管路中各散热管路上的电磁阀控制各散热管路的温度。
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