CN113540498B - 一种燃料电池车辆及其燃料电池热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池车辆及其燃料电池热管理系统，该系统包括具有节温器的一级热管理回路和二级热管理回路，以及两个开关；其中，所述二级热管理回路包括：P型半导体元件和N型半导体元件构成的热电偶，其两个结点端与燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处分别热交换连接；两个开关分别设置在所述燃料电池的两个电极与所述热电偶的P型半导体元件和N型半导体元件之间，以切换P型半导体元件和N型半导体元件与所述燃料电池的两个电极之间的电连接。本方案辅以二级热管理回路，通过优化燃料电池热管理系统，能够有效平衡燃料电池堆内部温度，可相对延长燃料电池堆的耐久性。

Description

一种燃料电池车辆及其燃料电池热管理系统
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆控制技术领域，具体涉及一种燃料电池车辆及其燃料电池热管理系统。
背景技术
通常，质子交换膜燃料电池的最佳工作温度范围为60℃～80℃，现有大部分燃料电池冷却方式均采用冷却液水冷+水-空气散热器的方式，利用节温器实现其热管理回路的具体导通方式，从而将燃料电池电化学反应产生的热量释放出去。但是，由于热惯性的原因，靠近冷却液入口处的燃料电池双极板冷却效果较好，远离冷却液入口处的燃料电池双极板冷却效果较差。在电化学反应的过程中，整个燃料电池堆不能处于同一种均匀的外界温度环境。
有鉴于此，亟待针对现有燃料电池的热管技术进行优化设计，以克服上述技术缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池车辆及其燃料电池热管理系统，通过优化燃料电池热管理系统，以有效平衡燃料电池堆内部温度，相对延长燃料电池堆的耐久性。
本发明提供的燃料电池热管理系统，包括具有节温器的一级热管理回路和二级热管理回路，以及两个开关；其中，所述二级热管理回路包括：P型半导体元件和N型半导体元件构成的热电偶，其两个结点端与燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处分别热交换连接；两个开关分别设置在所述燃料电池的两个电极与所述热电偶的P型半导体元件和N型半导体元件之间，以切换P型半导体元件和N型半导体元件与所述燃料电池的两个电极之间的电连接。
优选地，两个所述开关为两个双掷开关，或者两个所述开关为双刀双掷开关。
优选地，还包括控制单元和至少两个温度传感器，至少两个所述温度传感器分别用于采集冷却液入口和远离冷却液入口处的温度；所述控制单元配置为可依据所述温度输出切换控制指令至所述开关的切换操作端。
优选地，还包括存储单元，用于储存预设的温差阈值；所述控制单元配置为：以冷却液入口的第一温度和远离冷却液入口处的第二温度的温度差大于所述温差阈值为判断条件，输出所述切换控制指令至所述开关的切换操作端。
优选地，所述切换控制指令包括第一切换控制指令和第二切换控制指令，所述控制单元配置为：以所述第一温度大于所述第二温度为判断条件，输出第一切换控制指令至所述开关的切换操作端，以吸收远离冷却液入口处的热量，并对冷却液入口处加热；以所述第二温度大于所述第一温度为判断条件，输出第二切换控制指令至所述开关的切换操作端，以吸收冷却液入口处的热量，并对远离冷却液入口处加热。
优选地，至少两个所述温度传感器还用于采集燃料电池堆的内部温度，所述存储单元还用于储存预设的冷却阈值范围；所述控制单元还配置为：以所述内部温度位于所述冷却阈值范围内为条件，输出启动所述一级热管理回路的水泵的开启指令。
优选地，所述控制单元还配置为：以所述内部温度大于所述冷却阈值范围为条件，输出控制所述一级热管理回路的节温器的大循环开启指令。
优选地，所述控制单元还配置为：以所述内部温度小于所述冷却阈值范围为条件，输出关闭所述一级热管理回路的关停指令。
本发明还提供一种燃料电池车辆，包括燃料电池，所述燃料电池采用如前所述的燃料电池热管理系统。
优选地，所述燃料电池为氢燃料电池。
与现有技术相比，本方案在具有节温器的热管理回路(一级)的基础上，增设了基于帕尔贴效应的热管理回路(二级)，具体来说，该二级热管理回路的热电偶的两个结点端分别与燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处构建热交换连接，分别在燃料电池的两个电极与热电偶的P型半导体元件和N型半导体元件之间设置开关，以切换P型半导体元件和N型半导体元件与燃料电池的两个电极之间的电连接。如此设置，辅以二级热管理回路，调整燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处的温度，整体上平衡了燃料电池堆内部温度，应用本方案为相对延长燃料电池堆的耐久性提供良好的技术保障。
在本发明的优选方案中，采用温度传感器分别用于采集冷却液入口和远离冷却液入口处的温度，其控制单元可依据所采用的温度输出切换控制指令至开关的切换操作端；进一步优选地，采用存储单元储存预设的温差阈值，该控制单元配置为：以冷却液入口的第一温度和远离冷却液入口处的第二温度的温度差大于该温差阈值为判断条件，输出所述切换控制指令至开关的切换操作端。由此，能够充分利用结点端产生吸热或者放热现象的特性，更好地平衡燃料电池堆内部的温度场，从而保证燃料电池堆内部温度的均衡性，进而使得燃料电池堆基本上处于同一种均匀的外界温度环境进行电化学反应。相比较而言，本优选方案对于平衡燃料电池堆的电化学反应条件、解决传统燃料电池堆热管理的温度不均衡性和延长燃料电池堆的耐久性具有重要意义。
附图说明
图1为具体实施方式所述燃料电池热管理系统的二级热管理回路的示意图；
图2为具体实施方式所述燃料电池热管理系统的控制方框图；
图3为具体实施方式所述燃料电池热管理系统的工作流程图。
图中：
热电偶10、结点端11、结点端12、燃料电池20、双刀双掷开关30、第一温度传感器41、第二温度传感器42、第三温度传感器43、控制单元50、存储单元60、水泵71、节温器72。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施方式所述燃料电池热管理系统的核心在于，基于现有冷却液水冷+水-空气散热器的冷却方式所构建的热管理回路(一级)，设置有二级热管理回路。不失一般性，利用节温器及水泵等元件，该一级热管理回路可实现其热管理回路的具体导通方式，以将燃料电池电化学反应产生的热量释放出去。
请一并参见图1，该图示出了该二级热管理回路的示意图。如图所示，该二级热管理回路包括：P型半导体元件和N型半导体元件构成的热电偶10，其两个结点端11、12与燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处分别热交换连接；这里，“热交换连接”是指基于温差而引起的两者之间热量传递的连接关系。
本方案采用两个开关，分别设置在燃料电池20的两个电极与热电偶10的P型半导体元件和N型半导体元件之间，以切换P型半导体元件和N型半导体元件与燃料电池20的两个电极之间的电连接。工作过程中，两个开关同步切换建议相应电路连通，由此，两个结点端11、12中，一者为吸热端、另一者为放热端，例如但不限于图中所示的一种工作状态：结点端11为冷端、结点端12为热端。
优选地，两个开关为双刀双掷开关30，通过一个手柄同步进行切换操作，结构简单可靠。当然，本方案中的两个开关也可以采用两个双掷开关，即为分别具有手柄的单刀双掷开关，相比较来说，本方案的P型半导体元件和N型半导体元件需要同时进行电路切换，故采用双刀双掷开关30为优选方案。
本方案在具有节温器的一级热管理回路的基础上，辅以二级热管理回路，调整燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处的温度，整体上平衡了燃料电池堆内部温度，从而能够相对延长燃料电池堆的耐久性。
进一步地，两个温度传感器分别用于采集冷却液入口和远离冷却液入口处的温度，第一温度传感器41用于采集远离冷却液入口处的温度，第二温度传感器42用于采集冷却液入口的温度。这样，可利用控制单元50进行精确控制，具体地，控制单元50可依据所采用的温度输出切换控制指令至开关30的切换操作端，实时针对P型半导体元件和N型半导体元件与直流电极的连通关系进行切换。请一并参见图2，该图示出了本实施方式所述燃料电池热管理系统的控制方框图。
如图2所示，还包括用于储存预设的温差阈值的存储单元60，相应地，控制单元50配置为：以冷却液入口的第一温度和远离冷却液入口处的第二温度的温度差大于温差阈值为判断条件，输出切换控制指令至双刀双掷开关30的切换操作端。能够充分利用结点端产生吸热或者放热现象的特性，更好地平衡燃料电池堆内部的温度场，从而保证燃料电池堆内部温度的均衡性，进而使得燃料电池堆基本上处于同一种均匀的外界温度环境进行电化学反应。
例如但不限于，该温差阈值为5℃。当表征冷却液入口温度的第一温度和表征远离冷却液入口处温度的第二温度的温度差大于5℃时，则可分别发出相应的切换控制指令：第一切换控制指令和第二切换控制指令，相应地，控制单元50配置为：以冷却液入口第一温度大于远离冷却液入口处第二温度为判断条件，输出第一切换控制指令至双刀双掷开关30的切换操作端，以吸收远离冷却液入口处的热量，并对冷却液入口处加热；以远离冷却液入口处第二温度大于冷却液入口第一温度为判断条件，输出第二切换控制指令至双刀双掷开关30的切换操作端，以吸收冷却液入口处的热量，并对远离冷却液入口处加热。
另外，还可进一步采用第三温度传感器43采集燃料电池堆的内部温度，并在存储单元60中储存预设的冷却阈值范围；相应地，控制单元50还配置为：以第三温度传感器43采集的燃料电池堆的内部温度位于所述冷却阈值范围内为条件，输出启动一级热管理回路的水泵71的开启指令，此时一级热管理回路的冷却液流经节温器的小循环回路，通过一级热管理回路中的冷却液对燃料电池堆进行冷却。
例如但不限于，该冷却阈值范围为55℃～75℃。具体地，控制单元50以燃料电池堆的内部温度大于该冷却阈值范围为条件，也即大于该冷却阈值范围的最大值75℃，输出控制一级热管理回路的节温器72的大循环开启指令，通过一级热管理回路中的散热器+散热风扇的方式对燃料电池堆进行冷却。这里，节温器72优选采用蜡式节温器，当冷却温度低于规定值时，节温器感温体内的精致石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器之间的通道，冷却液经水泵返回发动机，进行发动机内小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始融化逐渐变为液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力，推杆对阀门有向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。
当然，控制单元50还可以燃料电池堆的内部温度小于该冷却阈值范围为条件，也即小于该冷却阈值范围的最小值55℃，输出关闭该一级热管理回路的关停指令。
下面结合图3中所示的燃料电池热管理系统工作流程图，简要说明具体控制原理。
(1)当燃料电池堆内部的温度达到55℃但是小于75℃时，开启水泵71，冷却液流经节温器的小循环回路，通过一级热管理回路中的冷却液对燃料电池堆进行冷却。随着电化学反应的进行和一级热管理回路对燃料电池堆的冷却，燃料电池堆内部温度的不均匀性会显现出来。
此时，通过第一温度传感器41和第二温度传感器42来监测燃料电池堆内部温度场的均一性。当二者温度差大于5℃时，需要通过二级热管理回路对燃料电池堆内部进行均温操作。若第一温度传感器41的温度高于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向A侧，吸收电堆内部远离冷却液入口处的热量，并对电堆冷却液入口处的空气进行加热；若第一温度传感器41的温度低于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向B侧，吸收电堆冷却液入口处的热量，并对电堆内部远离冷却液入口处的空气进行加热。当二者温度差小于5℃时，断开双刀双掷开关30。
(2)当燃料电池堆内部的温度达到75℃时，节温器72开启大循环，通过一级热管理回路中的散热器+散热风扇的方式对燃料电池堆进行冷却。随着电化学反应的进行和一级热管理回路对燃料电池堆的冷却，燃料电池堆内部温度的不均匀性会显现出来。
此时,通过第一温度传感器41和第二温度传感器42来监测燃料电池堆内部温度场的均一性。当二者温度差大于5℃时，需要通过二级热管理回路对燃料电池堆内部进行均温操作。若第一温度传感器41的温度高于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向A侧，吸收电堆内部远离冷却液入口处的热量，并对电堆冷却液入口处的空气进行加热；若第一温度传感器41的温度低于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向B侧，吸收电堆冷却液入口处的热量，并对电堆内部远离冷却液入口处的空气进行加热。当二者温度差小于5℃时，断开双刀双掷开关30。
(3)当燃料电池堆内部温度小于55℃时，一级热管理回路关闭。
此时,通过第一温度传感器41和第二温度传感器42来监测燃料电池堆内部温度场的均一性。当二者温度差大于5℃时，需要通过二级热管理回路对燃料电池堆内部进行均温操作。若第一温度传感器41的温度高于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向A侧，吸收电堆内部远离冷却液入口处的热量，并对电堆冷却液入口处的空气进行加热；若第一温度传感器41的温度低于第二温度传感器42的温度，双刀双掷开关30掷向B侧，吸收电堆冷却液入口处的热量，并对电堆内部远离冷却液入口处的空气进行加热。当二者温度差小于5℃时，断开双刀双掷开关30。
除前述燃料电池热管理系统外，本实施方式还提供一种燃料电池车辆，其燃料电池采用如前所述的燃料电池热管理系统。作为优选，该燃料电池为氢燃料电池，请一并结合图1所示。其中，燃料电池所需燃料可以大部分来源于工业副产氢，将该部分氢气收集起来，用于燃料电池发电。本方案中，将燃料电池发出来的直流电用于燃料电池热管理系统的热电制冷，并在此基础上维持其内部温度的相对均一性。需要说明的是，该氢燃料电池的具体功能实现方式非本申请的核心发明点所在，本领域普通技术人员能够基于现有技术实现，故本文不再赘述。
应当理解，本方案中的一级热管理回路同样非本申请的核心发明点所在，且其水泵71、节温器72和水-空气散热器(图中未示出)等回路构成元件的具体实现方式，对于本申请请求保护的技术方案并未构成实质性限制。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于以计算机可读存储介质中，存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池热管理系统，包括具有节温器的一级热管理回路；其特征在于，还包括二级热管理回路，所述二级热管理回路包括：
P型半导体元件和N型半导体元件构成的热电偶，其两个结点端与燃料电池堆的冷却液入口处和远离冷却液入口处分别热交换连接；
两个开关，分别设置在所述燃料电池的两个电极与所述热电偶的P型半导体元件和N型半导体元件之间，以切换P型半导体元件和N型半导体元件与所述燃料电池的两个电极之间的电连接；
还包括控制单元和至少两个温度传感器，至少两个所述温度传感器分别用于采集冷却液入口和远离冷却液入口处的温度；所述控制单元配置为可依据所述温度输出切换控制指令至所述开关的切换操作端；
还包括存储单元，用于储存预设的温差阈值；所述控制单元配置为：以冷却液入口的第一温度和远离冷却液入口处的第二温度的温度差大于所述温差阈值为判断条件，输出所述切换控制指令至所述开关的切换操作端。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，两个所述开关为两个双掷开关，或者两个所述开关为双刀双掷开关。
3.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述切换控制指令包括第一切换控制指令和第二切换控制指令，所述控制单元配置为：以所述第一温度大于所述第二温度为判断条件，输出第一切换控制指令至所述开关的切换操作端，以吸收远离冷却液入口处的热量，并对冷却液入口处加热；以所述第二温度大于所述第一温度为判断条件，输出第二切换控制指令至所述开关的切换操作端，以吸收冷却液入口处的热量，并对远离冷却液入口处加热。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，至少两个所述温度传感器还用于采集燃料电池堆的内部温度，所述存储单元还用于储存预设的冷却阈值范围；所述控制单元还配置为：以所述内部温度位于所述冷却阈值范围内为条件，输出启动所述一级热管理回路的水泵的开启指令。
5.根据权利要求4所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述控制单元还配置为：以所述内部温度大于所述冷却阈值范围为条件，输出控制所述一级热管理回路的节温器的大循环开启指令。
6.根据权利要求4所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述控制单元还配置为：以所述内部温度小于所述冷却阈值范围为条件，输出关闭所述一级热管理回路的关停指令。
7.一种燃料电池车辆，包括燃料电池，其特征在于，所述燃料电池采用如权利要求1至6中任一项所述的燃料电池热管理系统。
8.根据权利要求7所述的燃料电池车辆，其特征在于，所述燃料电池为氢燃料电池。
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