CN112635789A - 一种燃料电池车辆的热管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池车辆的热管理系统及方法，属于新能源汽车技术领域。本发明以乘客舱舒适性和整车经济性为优化目标，根据获取的环境温度，针对不同的环境温度，判断整车取暖模式，结合设定温度，对不同加速速率、能效比的加热系统进行组合，按照设定优先级形成不同的取暖方案，实现整车智能化取暖，提高整车舒适性和经济性。

Description

一种燃料电池车辆的热管理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车辆的热管理系统及方法，属于新能源汽车技术领域。
背景技术
燃料电池汽车具有能量转化效率高、零排放、比功率高、氢燃料来源广泛等优点，是新能源汽车重要发展方向。燃料电池在新能源方面逐渐开始示范，其燃料电池系统在提供电能的同时能够提供热源，在我国北方寒冷地区使用时，可以提升氢气的利用率，因此如何利用好燃料电池的热源为驾乘人员提供舒适的环境显得尤为重要。
燃料电池汽车是在纯电动汽车的基础上引入燃料电池系统、燃料电池专用DC/DC、散热系统及氢系统，相比纯电动车辆拥有更多热源，因此对燃料电池汽车多种热源进行集中管理，合理控制各个热源部件的工作模式，保证燃料电池关键零部满足热管理需求的情况下，如何快速提高乘客舱的温升速率，改善整车取暖效果，降低整车能耗，是提升整车环境适应性、提高燃料电池汽车品质，推动燃料电池汽车商业化的重要途径。
目前冬季低温环境下，燃料电池车辆乘客舱取暖方式主要有壁挂水暖+PTC、电暖器、燃料电池余热和冷暖空调等，整车取暖时采用壁挂水暖时，乘客舱温升慢，取暖效果差，整车经济性差；采用电暖或冷暖空调，乘员感受差，整车经济性差；整车采用燃料电池余热，燃料电池启动时间长，整车取暖效果差，单一热源难以满足低温环境下乘客舱快速温升需求，多热源同时工作会增加整车能耗。申请公布号为CN109542088A的中国专利申请文件公开了一种将燃料电池汽车综合热管理方法和快速控制原型系统，提出以热泵为核心，包括燃料电池热管理、辅助能源热管理、电机及功率电子热管理、成员舱热管理等部分集成在一起进行综合管理，协调控制。其公开的方案虽然能够实现综合热管理，通过设定29种工作模式进行冷暖控制，但是整个控制过程未考虑整车实际应用需求，没有兼顾经济性和舒适性。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池车辆的热管理系统及方法，以解决目前燃料电池热管理中没有兼顾经济性和舒适性的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种燃料电池车辆的热管理系统，该热管理系统包括：
加热系统，包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置，燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置温度采集系统均与控制系统连接，由控制系统控制；
温度采集系统，温度采集系统与控制系统连接，用于将采集到的乘客舱内的环境温度发送给控制系统；
控制系统，用于根据获取的环境温度和设定温度按照设定的优先级大小控制加热系统，所述的优先级是根据加热系统中各装置的热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定的。
本发明采用多热源方式进行热管理，根据热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定各热源的优先级，根据环境温度和设定温度的差值大小逐级选择最优的加热方式，实现加热速度快，满足舒适需求，同时还提高了整车经济性。
进一步地，为进一步提高舒适性和经济性，所述的空调取暖装置包括空调热泵和空调PTC，所述的优先级顺序为燃料电池余热利用装置、空调热泵、乘客舱电取暖装置和空调PTC，燃料电池余热利用装置的优先级最高，空调PTC最低，优先级最高的最先使用。
进一步地，为保证余热利用的高效性，所述的电池余热利用装置包括燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路，燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路通过板式换热器进行热量交换。
进一步，为避免余热利用的加热效果差，所述的乘客舱余热利用回路中设置有液体加热器，该液体加热器用于在乘客舱余热利用回路中的液体温度低于设定回水温度时对客舱余热利用回路中的液体进行加热。
进一步地，当控制系统判断出环境温度低于第一温度阈值时，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置均开启，直至达到与设定温度差值小于设定阈值，并在达到后，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置关闭，只保留燃料电池余热利用装置。
进一步地，当控制系统判断出电池系统需要制冷时，控制燃料电池余热利用装置和乘客舱电取暖装置开启。
本发明还提供了一种燃料电池车辆的热管理方法，该热管理方法包括以下步骤：
1)获取乘客舱的环境温度和乘客舱的设定温度；
2)根据获取的环境温度和设定温度按照设定的优先级大小控制加热系统，所述的优先级是根据加热系统中各装置的热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定的，所述的加热系统包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置。
本发明采用多热源方式进行热管理，根据热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定各热源的优先级，根据环境温度和设定温度的差值大小逐级选择最优的加热方式，实现加热速度快，满足舒适需求，同时还提高了整车经济性。
进一步地，所述的空调取暖装置包括空调热泵和空调PTC，所述的优先级顺序为燃料电池余热利用装置、空调热泵、乘客舱电取暖装置和空调PTC，燃料电池余热利用装置的优先级最高，空调PTC最低，优先级最高的最先使用。
进一步地，所述的电池余热利用装置包括燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路，燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路通过板式换热器进行热量交换；所述的乘客舱余热利用回路中设置有液体加热器，该液体加热器用于在乘客舱余热利用回路中的液体温度低于设定回水温度时对客舱余热利用回路中的液体进行加热。
进一步地，当环境温度低于第一温度阈值时，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置均开启，直至达到与设定温度差值小于设定阈值，并在达到后，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置关闭，只保留燃料电池余热利用装置。
附图说明
图1是本发明燃料电池车辆的热管理系统的结构框图；
图2是本发明系统实施例中燃料电池余热利用装置的结构示意图；
图3是本发明系统实施例中乘客舱电取暖装置的结构示意图；
图4是本发明系统实施例中空调取暖装置的结构示意图；
图5是本发明系统实施例中乘客舱取暖控制流程示意图；
图6是本发明系统实施例中余热利用方案示意图；
1为燃料电池电堆，2为燃料电池系统散热系统水泵，3为第一三通电磁阀，4为板式换热器，5为燃料电池系统余热利用回路水泵，6为第二三通电磁阀，7为散热器，8为第一乘客舱散热器，9为第二乘客舱散热器，10为第三乘客舱散热器，11为第四乘客舱散热器，12为第一液体加热器，13为乘客舱余热利用回路水泵，14为动力电池，15为继电器，16为第一乘客舱电取暖器，17为第二乘客舱电取暖器，18为第三乘客舱电取暖器，19为第四乘客舱电取暖器，20为司机电取暖器，21为手动翘板开关，22为蒸发器，23为压缩机，24为第二液体加热器，25为冷凝器，26为膨胀阀。
具体实施方式
系统实施例
本发明热管理系统包括多种热源，本实施包括四种，分别为PTC液体加热取暖设备、电加热取暖设备、带有PTC的热泵空调和燃料电池余热利用设备，据不同热源能效比、加热温升速率、热舒适度不同，对各个热源的优先级进行分配，对于能效比最大的余热利用，能用则用，优先级最高；对于能效比高的热泵空调为优先级次高；液体加热虽然效率低但热源舒适优先级为三；电加热取暖则为最低级。
将整车取暖分为经济性模式和舒适性模式，根据整车车内外环境温度、整车动力需求及动力电池燃料电池状态进行多热源优先级综合热管理，当环境温度很低时，整车取暖切换至舒适性模式，加热温升速率优先，根据温差和当前温度进行加热功率需求计算，逐级选择最优的加热方式，从而实现加热速度快，满足舒适需求；当环境温度略低时，整车取暖切换至经济性模式，通过环境温度和设定温度的差值进行热功率需求技术，依据当前设备的状态进行优先级的分配，优先级高的首先使用，当某装置有故障时，逐次递推，提升整车经济性。根据上述优先级和车内温度对各热源进行控制，满足整车的实际需求。
具体而言，本发明的燃料电池车辆的热管理系统如图1所示，加热系统、温度采集系统和控制系统，加热系统包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置，燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置温度采集系统均与控制系统连接，由控制系统控制；温度采集系统采用温度传感器，设置在乘客舱内，用于获取乘客舱温度并将其发送给控制系统；控制系统根据获取的温度大小对料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置进行控制。
其中燃料电池余热利用装置如图2所示，包括燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路，燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路通过板式换热器4进行热量交换，其中燃料电池散热回路按照循环水流向依次通过燃料电池电堆1、第二三通电磁阀6、散热器7、第一三通电磁阀3和燃料电池系统散热系统水泵2，并由燃料电池系统散热系统水泵2回到燃料电池电堆1，燃料电池电堆反应产生的燃料通过散热器7进行散热；板式换热器4有两组端口，第一组端口的一端通过燃料电池系统余热利用回路水泵连接到第二三通电磁阀6的一个口，第一组端口的另一一端连接到第一三通电磁阀3的一端；板式换热器4的第二组端口串接在乘客舱余热利用回路中，该乘客舱余热利用回路中还包括包括第一乘客舱散热器8、第二乘客舱散热器9、第三乘客舱散热器10、第四乘客舱散热器11和乘客舱余热利用回路水泵13，同时，为了保证乘客舱余热利用回路的加热性能，增强乘客舱的舒适性，乘客舱余热利用回路中还设置有第一液体加热器12，第一液体加热器12采用PTC，用于根据需要对乘客舱余热利用回路中的循环水进行加热。该装置中的乘客舱散热器均设置在乘客舱，其个数根据需要可自行设置。如图6所示，当燃料电池系统关机或输出功率小于等于15kW时，余热利用回路水泵13关闭，余热关闭；当燃料电池系统输出功率大于15kW时，余热利用回路水泵13开启，当余热利用回路回水温度小于等于45℃时，PTC液体加热开启，当回水温度大于45℃时，PTC液体加热关闭。
乘客舱电取暖装置如图3所示，包括设置在司机驾驶区域的司机电取暖器20和设置在乘客舱内的第一乘客舱电取暖器16、第二乘客舱电取暖器17，第三乘客舱电取暖器18和第四乘客舱电取暖器19，司机电取暖器20和各乘客舱电取暖器均由动力电池14供电，动力电池14与机电取暖器20的供电回路上串接有手动翘板开关21，一般由司机根据需要自行控制，动力电池14与乘客舱电取暖器的供电回路上串接有继电器15，继电器15由控制系统根据需要进行控制。
空调取暖装置采用采用热泵空调+空调PTC，其特点为冷暖空调，动力电池过温时，可以冷却电池，环境温度极低时，可以利用空调PTC加热取暖，如图4所示，包括依次通过管路连接的压缩机23、第二液体加热器24、冷凝器25、膨胀阀26和蒸发器22，第二液体加热器24采用PTC装置。
控制系统以乘客舱舒适性和整车经济性为优化目标，根据获取的环境温度，针对不同的环境温度，判断整车取暖模式，结合设定温度，对不同加速速率、能效比的加热系统进行组合，按照设定优先级形成不同的取暖方案，实现整车智能化取暖，提高整车舒适性和经济性。加热系统的优先级顺序为燃料电池余热利用装置、空调热泵、乘客舱电取暖装置和空调PTC，优先级最高的最先使用，当装置有故障时，逐次递推，以在满足舒适性的前提下提升整车经济性。该方法的控制流程如图5所示，具体过程如下：
判断环境温度，当环境温度小于T1时，整车取暖切换至舒适模式，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置中的空调PTC全部开启，直至乘客舱的环境温度达到设定温度Ts，并在乘客舱的环境温度达到设定温度Ts时，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置中的空调PTC全部关闭，只开启燃料电池余热利用装置；当环境温度不小于T1而小于T2时，整车取暖切换至舒适模式，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置中的空调热泵全部开启，直至乘客舱的环境温度达到设定温度Ts，并在乘客舱的环境温度达到设定温度Ts时，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置中的空调热泵全部关闭，只开启燃料电池余热利用装置；当环境温度不小于T2而小于T3时，整车取暖切换至经济性模式，控制燃料电池余热利用装置和空调取暖装置中的空调热泵开启，直至乘客舱的环境温度达到设定温度Ts，并在乘客舱的环境温度达到设定温度Ts时，关闭空调取暖装置中的空调热泵，只开启燃料电池余热利用装置，仅利用优先级最高的燃料电池余热；当动力电池电池需要制冷时(动力电池频繁大功率频繁放电时，动力电池内部温度会过高，需要进行降温)，整车取暖切换至舒适性模式，控制燃料电池余热利用装置和乘客舱电取暖装置开启(此时由于乘客舱需要取暖，因此采用开启电取暖和余热)，在乘客舱温度达到设定温度Ts时，整车取暖切换至经济性模式，控制乘客舱电取暖装置关闭，只利用燃料电池余热取暖。为避免频繁切换控制，在判断是否达到设定温度Ts时，可有一定的余量，即温度保持在Ts-2和Ts+2之间，就不用切换。
方法实施例
本发明首先获取乘客舱的环境温度和乘客舱的设定温度；然后根据获取的环境温度和设定温度按照设定的优先级大小控制加热系统，其中优先级是根据加热系统中各装置的热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定的，加热系统包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置。具体的控制过程已在系统实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，该热管理系统包括：
加热系统，包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置，燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置温度采集系统均与控制系统连接，由控制系统控制；
温度采集系统，温度采集系统与控制系统连接，用于将采集到的乘客舱内的环境温度发送给控制系统；
控制系统，用于根据获取的环境温度和设定温度按照设定的优先级大小控制加热系统，所述的优先级是根据加热系统中各装置的热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定的。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，所述的空调取暖装置包括空调热泵和空调PTC，所述的优先级顺序为燃料电池余热利用装置、空调热泵、乘客舱电取暖装置和空调PTC，燃料电池余热利用装置的优先级最高，空调PTC最低，优先级最高的最先使用。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，所述的电池余热利用装置包括燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路，燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路通过板式换热器进行热量交换。
4.根据权利要求3所述的燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，所述的乘客舱余热利用回路中设置有液体加热器，该液体加热器用于在乘客舱余热利用回路中的液体温度低于设定回水温度时对客舱余热利用回路中的液体进行加热。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，当控制系统判断出环境温度低于第一温度阈值时，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置均开启，直至达到与设定温度差值小于设定阈值，并在达到后，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置关闭，只保留燃料电池余热利用装置。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池车辆的热管理系统，其特征在于，当控制系统判断出电池系统需要制冷时，控制燃料电池余热利用装置和乘客舱电取暖装置开启。
7.一种燃料电池车辆的热管理方法，其特征在于，该热管理方法包括以下步骤：
1)获取乘客舱的环境温度和乘客舱的设定温度；
2)根据获取的环境温度和设定温度按照设定的优先级大小控制加热系统，所述的优先级是根据加热系统中各装置的热源能效比、加热温升速率和热舒适度确定的，所述的加热系统包括燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置。
8.根据权利要求7所述的燃料电池车辆的热管理方法，其特征在于，所述的空调取暖装置包括空调热泵和空调PTC，所述的优先级顺序为燃料电池余热利用装置、空调热泵、乘客舱电取暖装置和空调PTC，燃料电池余热利用装置的优先级最高，空调PTC最低，优先级最高的最先使用。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池车辆的热管理方法，其特征在于，所述的电池余热利用装置包括燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路，燃料电池散热回路和乘客舱余热利用回路通过板式换热器进行热量交换；所述的乘客舱余热利用回路中设置有液体加热器，该液体加热器用于在乘客舱余热利用回路中的液体温度低于设定回水温度时对客舱余热利用回路中的液体进行加热。
10.根据权利要求7或8所述的燃料电池车辆的热管理方法，其特征在于，当环境温度低于第一温度阈值时，控制燃料电池余热利用装置、乘客舱电取暖装置和空调取暖装置均开启，直至达到与设定温度差值小于设定阈值，并在达到后，控制乘客舱电取暖装置和空调取暖装置关闭，只保留燃料电池余热利用装置。
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