CN113555619A - 多级加热电电混动热管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级加热电电混动热管理系统及其控制方法，冷却系统输入端连接膨胀水箱，输出端连接燃料电池系统和/或动力电池系统，冷却系统用于对冷却水进行降温后输送到燃料电池系统和/或动力电池系统；多级加热系统包括多个串联的加热腔，每个加热腔内部设置有加热膜，多级加热系统输入端连接膨胀水箱，输出端连接燃料电池系统和/或动力电池系统，用于将加热膜通电后产生热量，对冷却水进行加热后输送到加热膜或动力电池系统；燃料电池系统和动力电池系统输出端连接膨胀水箱，降温或加热后的冷却水在燃料电池系统或动力电池系统内部循环结束后流回膨胀水箱。该系统实际可应用性强，结构紧凑、附加成本低、可靠性高。

Description

多级加热电电混动热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池热管理技术领域，特别涉及一种多级加热电电混动热管理系统及其控制方法。

背景技术

目前针对锂离子电池热管理系统的低温加热的研究主要集中于外部加热，对于燃料电池热管理系统的低温加热研究包括外部与内部加热两种方式。车用燃料电池动力系统往往通过与锂离子电池系统混合使用的应用方式，二者由工作特性的差异，使得该种混合动力汽车的热管理系统要求较高。

锂电池热管理方案：

外部加热：外部加热主要通过外置热源的方式对热传递介质(空气、液体或相变材料)进行加热，再通过热辐射、热对流或热传导的方式实现对电池的加热。该方法的技术难度与成本均较低，但需要在电池包箱体内需预留大量空间作为气体流道，降低了整包结构紧凑性；基于液体介质的电池加热方法尽管加热效率较高，但辅助设备多、结构设计复杂、成本高，同时存在密封与绝缘等安全隐患。

内部加热：内部加热方法是利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身。根据电流的正负流向可具体分为充电加热法、放电加热法和交流激励加热法；根据提供电流的电源不同，可分为自损耗型加热和外部能源供给加热，但须对动力电池单体结构进行较大的改动，一定程度上减小了电池的能量密度，且存在较大的能量消耗。

燃料电池低温冷启动解决方案：

1、氢氧直接混合催化燃烧预热：氢氧直接混合催化燃烧预热包括内部催化燃烧预热和外部催化燃烧预热。内部催化燃烧预热场所在流场内，而外部催化燃烧场所在电堆外部。

内部预热：将一定比例的氢氧混合气体通入PEMFC的阴极或阳极，利用H2在MEA催化剂上氧化放热，提高PEMFC的温度。这种方法不增加燃料电池系统的体积、质量，还可降低附加费用。但该方法使MEA存在潜在的威胁，可能出现局部温度过高而对MEA造成损害。

外部预热：氢气和氧气在燃烧室催化燃烧，利用燃烧热加热冷却水，而后加热电堆，实现冷启动。

2、控制反应条件法：通过瞬间突增电流升温预热、控制电流电压的方法，利用电堆本身。

运行发热提高电堆温度。包括电流突增发、气体饥饿法等。这些方法需要对电池堆的运行条件进行调节控制，控制策略要求较高。

3、外部能量加热电堆：通过燃料电池系统空压机压缩空气温升预热、冷却水加热循环、外电源接电堆电解冰水升温、MEA上安装电热丝加热。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种多级加热电电混动热管理系统，该系统在低温下可以快速智能均匀加热，快速的在冷却和加热需求中切换，且结构简单。

本发明的另一个目的在于提出一种多级加热电电混动热管理系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种多级加热电电混动热管理系统，包括：膨胀水箱，冷却系统，多级加热系统，燃料电池系统和动力电池系统；

所述膨胀水箱用于存储冷却水；

所述冷却系统输入端连接所述膨胀水箱，输出端连接所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统的输入端，所述冷却系统用于对冷却水进行降温，并将降温后的冷却水输送到所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统；

所述多级加热系统包括多个串联的加热腔，每个加热腔内部设置有加热膜，所述多级加热系统输入端连接所述膨胀水箱，输出端连接所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统的输入端，用于将所述加热膜通电后产生热量，对冷却水进行加热，并将加热后的冷却水输送到所述加热膜或所述动力电池系统；

所述燃料电池系统和所述动力电池系统输出端连接所述膨胀水箱，降温或加热后的冷却水在所述燃料电池系统或所述动力电池系统内部循环结束后流回所述膨胀水箱。

本发明实施例的多级加热电电混动热管理系统，设置冷却系统和多级加热系统为燃料电池系统和动力电池系统降温或加热。多级加热系统中设置多个加热腔，每个加热腔内设置加热膜，加热膜通电后迅速产生热量，加热后的冷取水流经燃料电池系统和动力电池系统，对其进行加热。冷却系统对冷却水进行冷却后再流经燃料电池系统和动力电池系统，对其进行降温。该系统根据电池系统的加热、保温或冷却需求切换模式，可应用性强，结构紧凑、附加成本低、可靠性高，保证了电电混动动力系统长期处于最优的工作温度区间和良好的冷启动性能。

另外，根据本发明上述实施例的多级加热电电混动热管理系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，每个加热腔之间设置有流量控制阀，根据所述燃料电池系统和所述动力电池系统的工况选择需要开启的阀门数量，控制加热速率。

进一步地，每个加热腔的加热速率相同或不同。

进一步地，所述加热腔包括加热壳体，防水层和加热膜；

所述防水层贴在所述加热壳体内壁；

所述加热膜贴在所述防水层壁面或在所述加热腔内部层层堆叠。

进一步地，所述加热膜包括基底层，发热层和防水层，在所述基底层上镀一层金属氧化物半导体制热材料的薄膜形成所述发热层，在所述发热层上贴附一层防水层，在所述发热层引出一正一负两个电极，通电后产生热量。

进一步地，通过控制所述加热膜的通电时间和通电强度以及加热膜面积控制每个加热腔的加热速率。

进一步地，所述冷却系统包括散热器和风扇。

进一步地，所述冷却系统和所述多级加热系统与所述膨胀水箱之间分别设置控制阀门，用于控制所述冷却系统和所述多级加热系统的开启和关闭。

进一步地，所述多级加热系统输出端设置分流阀门，分流阀门输出端分别连接所述燃料电池系统和所述动力电池系统。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种多级加热电电混动热管理系统的控制方法，包括：

确定热管理系统的工作模式，根据所述热管理系统的工作模式开启冷却系统或多级加热系统；其中，所述工作模式包括：冷却模式和加热\保温模式；

采集燃料电池系统和动力电池系统的当前温度，根据所述燃料电池系统和动力电池系统的当前温度调整所述冷却系统或所述多级加热系统的冷却速率或加热速率。

本发明实施例的多级加热电电混动热管理系统的控制方法，根据热管理系统的工作模式开启冷却系统或多级加热系统，采集燃料电池系统和动力电池系统的当前温度，根据燃料电池系统和动力电池系统的当前温度调整冷却系统或多级加热系统的冷却速率或加热速率。该方法可以在低温下快速智能均匀加热，快速的在冷却和加热需求中切换，易于实现，保证了电电混动动力系统长期处于最优的工作温度区间和良好的冷启动性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的多级加热电电混动热管理系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的加热腔结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的多级加热电电混动热管理系统工作流程图；

图4为根据本发明一个实施例的多级加热电电混动热管理系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多级加热电电混动热管理系统及其控制方法。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的多级加热电电混动热管理系统。

图1为根据本发明一个实施例的多级加热电电混动热管理系统结构示意图。

如图1所示，该多级加热电电混动热管理系统包括：膨胀水箱，冷却系统，多级加热系统，燃料电池系统和动力电池系统。

膨胀水箱用于存储冷却水。

冷却系统输入端连接膨胀水箱，输出端连接燃料电池系统和/或动力电池系统的输入端，冷却系统用于对冷却水进行降温，并将降温后的冷却水输送到燃料电池系统和/或动力电池系统。

多级加热系统包括多个串联的加热腔，每个加热腔内部设置有加热膜，多级加热系统输入端连接膨胀水箱，输出端连接燃料电池系统和/或动力电池系统的输入端，用于将加热膜通电后产生热量，对冷却水进行加热，并将加热后的冷却水输送到加热膜和/或动力电池系统。

燃料电池系统和动力电池系统输出端连接膨胀水箱，降温或加热后的冷却水在燃料电池系统或动力电池系统内部循环结束后流回膨胀水箱。

进一步地，冷却系统和多级加热系统与膨胀水箱之间分别设置控制阀门，用于控制冷却系统和多级加热系统的开启和关闭。

具体地，在多级加热电电混动热管理系统中，设置多个阀门，根据需要开启对应的阀门，实现多模式之间的切换。例如，在需要对燃料电池系统进行降温时，则将冷却系统和燃料电池系统的阀门打开，膨胀水箱内的水经冷却系统冷却后，再流经燃料电池系统对燃料电池系统进行降温，之后水再流回膨胀水箱完成一个循环。若需要加热，则开启多级加热系统。若是对动力电池系统进行加热或降温，则开启动力电池对应的阀门，由此，可以在加热与冷却模式之间进行快速切换。

进一步地，冷却系统包括散热器和风扇，风扇可以进行辅助降温。在多级加热电电混动热管理系统中，可以设置一个冷却系统，也可以设置多个冷却系统。若设置一个冷却系统，通过阀门进行分流。多个冷却系统可以一起或单独为燃料电池系统和动力电池系统降温，提高降温速率。

进一步地，多级加热系统中包括多个加热腔，每个加热腔之间设置有流量控制阀，根据燃料电池系统和动力电池系统的工况选择需要开启的阀门数量，控制加热速率。

多级加热系统输出端设置分流阀门，分流阀门输出端分别连接燃料电池系统和动力电池系统。

具体地，每个加热腔分别根据电堆系统和动力电池系统的加热/保温需求，设置相应的加热温度，选择需要开启的加热腔数量。例如，在加热需要中，需要较高的温度，则可以开启两个加热腔进行加热，在二级加热腔后，将加热后的冷却水输入燃料电池系统和动力电池系统。如在保温需要中，可以开启一个加热腔，在一级加热腔后将加热后的冷却水输入燃料电池系统和动力电池系统。

进一步地，每个加热腔的加热速率可以相同，也可以不同。可以通过控制加热腔的通电时间和通电强度，以及加热腔内加热膜的面积来控制加热腔的加热速率。

进一步地，加热腔包括加热壳体，防水层和加热膜；

防水层贴在加热壳体内壁；

加热膜贴附在防水层壁面或在加热腔内部层层堆叠。

如图2所示，展示了加热腔的结构，冷却水流进腔体后通过加热膜进行加热。其中，加热膜可以为网状结构，且在加热腔内的安装位置分为两种：在腔体内部从上往下以一定距离堆叠；贴在防水层壁面。

进一步地，加热膜包括基底层，发热层和防水层，在基底层上镀一层金属氧化物半导体制热材料的薄膜形成发热层，在发热层上贴附一层防水层，在发热层引出一正一负两个电极，通电后产生热量。加热膜的加热温度可调且稳定，可以根据燃料电堆和动力电池系在不同工况下的需求调节加热腔体温度。

可以理解的是，可以在基底层两侧分别设置加热层，增大加热膜的面积，可以具有更高的加热速率。

具体地，本发明的加热膜采用了一种金属氧化物半导体制热材料(MOSH)，利用金属氧化物半导体制热材料制作加热膜，加热膜引出两条电源线，为一正一负。加热膜的电能来源可以通过外接电源进行供电，节能高效。

作为一种制作方式，涂覆有MOSH材料的加热膜制备方法为：

1)提供基材作为基底层；

本实施例采用耐高温高强度材料，其他材料也可以，不进行具体限定。

2)对基材的两个表面进行抛光打磨；

3)通过靶材溅射在基材表面进行MOSH材料镀膜，形成发热层，同时与顶部两个正负电极相连；

4)在发热层上表面涂覆绝缘防水层，从而形成加热膜。

如图3所示，为多级加热电电混动热管理系统的控制过程。可以保证热管理系统实现高效精准的冷却和加热效果，应用性强，结构紧凑、附加成本低、可靠性高。

根据本发明实施例提出的多级加热电电混动热管理系统，通过燃料电池热管理系统和动力电池热管理系统与多级加热系统并联，根据加热、保温或冷却需求切换模式，保证了电电混动动力系统长期处于最优的工作温度区间和良好的冷启动性能。在加热需求中，通过加热腔可以快速升温，且温度可控，升温均匀性好，结构简单，成本低，便于设置。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的多级加热电电混动热管理系统的控制方法。

图4为根据本发明一个实施例的多级加热电电混动热管理系统的控制方法流程图。

如图4所示，该多级加热电电混动热管理系统的控制方法包括：

S1，确定热管理系统的工作模式，根据热管理系统的工作模式开启冷却系统或多级加热系统；其中，工作模式包括：冷却模式和加热\保温模式。

S2，采集燃料电池系统和动力电池系统的当前温度，根据燃料电池系统和动力电池系统的当前温度调整冷却系统或多级加热系统的冷却速率或加热速率。

需要说明的是，前述对系统实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的多级加热电电混动热管理系统的控制方法，通过确定热管理系统的工作模式，根据热管理系统的工作模式开启冷却系统或多级加热系统；其中，工作模式包括：冷却模式和加热\保温模式；采集燃料电池系统和动力电池系统的当前温度，根据燃料电池系统和动力电池系统的当前温度调整冷却系统或多级加热系统的冷却速率或加热速率。燃料电池热管理系统和动力电池热管理系统与多级加热系统并联，根据加热、保温或冷却需求切换模式，保证了电电混动动力系统长期处于最优的工作温度区间和良好的冷启动性能。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种多级加热电电混动热管理系统，其特征在于，包括：

膨胀水箱，冷却系统，多级加热系统，燃料电池系统和动力电池系统；

所述膨胀水箱用于存储冷却水；

所述冷却系统输入端连接所述膨胀水箱，输出端连接所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统的输入端，所述冷却系统用于对冷却水进行降温，并将降温后的冷却水输送到所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统；

所述多级加热系统包括多个串联的加热腔，每个加热腔内部设置有加热膜，所述多级加热系统输入端连接所述膨胀水箱，输出端连接所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统的输入端，用于将所述加热膜通电后产生热量，对冷却水进行加热，并将加热后的冷却水输送到所述加热膜和/或所述动力电池系统；

所述燃料电池系统和所述动力电池系统输出端连接所述膨胀水箱，降温或加热后的冷却水在所述燃料电池系统和/或所述动力电池系统内部循环结束后流回所述膨胀水箱。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却系统和所述多级加热系统与所述膨胀水箱之间分别设置控制阀门，用于控制所述冷却系统和所述多级加热系统的开启和关闭。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

每个加热腔之间设置有流量控制阀，根据所述燃料电池系统和所述动力电池系统的工况选择需要开启的阀门数量，控制加热速率。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个加热腔的加热速率相同或不同。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热腔包括加热壳体，防水层和加热膜；

所述防水层贴在所述加热壳体内壁；

所述加热膜贴附在所述防水层壁面或在所述加热腔内部层层堆叠。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加热膜包括基底层，发热层和防水层，在所述基底层上镀一层金属氧化物半导体制热材料的薄膜形成所述发热层，在所述发热层上贴附一层防水层，在所述发热层引出一正一负两个电极，通电后产生热量。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过控制所述加热膜的通电时间和通电强度以及加热膜面积控制每个加热腔的加热速率。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却系统包括散热器和风扇。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多级加热系统输出端设置分流阀门，分流阀门输出端分别连接所述燃料电池系统和所述动力电池系统。

10.一种多级加热电电混动热管理系统的控制方法，其特征在于，用于权利要求1-9所述的多级加热电电混动热管理系统，包括以下步骤：

确定热管理系统的工作模式，根据所述热管理系统的工作模式开启冷却系统或多级加热系统；其中，所述工作模式包括：冷却模式和加热\保温模式；

采集燃料电池系统和动力电池系统的当前温度，根据所述燃料电池系统和动力电池系统的当前温度调整所述冷却系统或所述多级加热系统的冷却速率或加热速率。

Images