CN113696715A - 一种燃料电池汽车冷却系统及温度控制方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车冷却系统及温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车冷却系统及温度控制方法，属于燃料电池技术领域，解决了整车的冷却系统结构复杂、零件数量多、制造成本高的技术问题。系统包括冷却回路、电机温控模块、燃料电池温控模块和中冷器，冷却回路中循环流动有冷却液；电机温控模块串联设置在冷却回路中，用于将电机以及电机控制器产生的热量传递给冷却液；燃料电池温控模块串联设置在冷却回路中，用于将电堆产生的热量传递给冷却液；电机温控模块的出口与燃料电池温控模块的入口连接；中冷器与燃料电池温控模块并联，中冷器的出气口与燃料电池的进气口连接。本发明能减少整车冷却系统零件数量、降低制造成本，有利于燃料电池系统及电机系统在整车上的安装布置。

Description

一种燃料电池汽车冷却系统及温度控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池汽车冷却系统温度控制方法。
背景技术
现有的燃料电池汽车，燃料电池的电堆采用一套冷却系统，电机及电机控制器采用另一套冷却系统，造成整车的冷却系统结构复杂、零件数量多、制造成本高。
发明内容
本申请旨在至少能够在一定程度上解决整车的冷却系统结构复杂、零件数量多、制造成本高的技术问题，为此，本申请提供了一种燃料电池汽车冷却系统温度控制方法。
一种燃料电池汽车冷却系统，所述系统包括：
循环流动有冷却液的冷却回路；
电机温控模块以及燃料电池温控模块，串联设置在所述冷却回路中，所述电机温控模块用于将电机以及电机控制器产生的热量传递给所述冷却液，所述燃料电池温控模块用于将燃料电池的电堆产生的热量传递给所述冷却液；
所述电机温控模块的出口与所述燃料电池温控模块的入口连接；中冷器，所述中冷器与所述燃料电池温控模块并联，所述中冷器的出气口与所述燃料电池的进气口连接。
在一些实施方式中，所述中冷器的进气口连接有空气压缩机，所述空气压缩机的进气口连接有空气滤清器。
在一些实施方式中，所述中冷器多的出气口有所述燃料电池的进气口之间还设置有增湿器。
在一些实施方式中，所述冷却回路还包括散热器和水泵，所述散热器和所述水泵均串联设置在所述冷却回路上；
在一些实施方式中，所述系统还包括去离子仪，所述去离子仪与所述散热器并联。
在一些实施方式中，所述系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱的出口与所述水泵的入口连接；所述散热器的出口与所述膨胀水箱的入口连接；所述燃料电池温控模块的出口与所述膨胀水箱的入口连接。
在一些实施方式中，所述系统还包括PTC加热器，所述PTC加热器可选择地与燃料电池温控模块和电机温控模块串联。
在一些实施方式中，所述冷却回路上还串联有三通电磁阀，所述三通电磁阀的进口与所述燃料电池温控模块的出口连接，所述三通电磁阀的第一出口与所述散热器的入口连接，所述三通电磁阀的第二出口与与所述PTC加热器的入口连接，所述PTC加热器的出口与所述水泵的入口连接，其中，所述三通电磁阀为电子节温器。
在一些实施方式中，所述系统还包括燃电控制器；
所述电机温控模块的入口设置有第一温度传感器和第一压力传感器；
所述燃料电池温控模块的出口设置有第二温度传感器和第二压力传感器；
所述第一温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二温度传感器、所述第二压力传感器、所述PTC加热器、所述三通电磁阀、所述水泵和所述散热器均与所述燃电控制器电连接。
一种燃料电池汽车温度控制方法，
在汽车启动时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
判断获取的电机控制器入口处的温度是否大于第一设定温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度小于第一设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，并加热冷却回路中的冷却液；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第一设定温度，且小于第二设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，利用燃料电池的散热加热冷却液；
在汽车运行时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第二设定温度，则开启冷却回路中的冷却机构对冷却液进行降温。
本申请实施例至少具有如下有益效果：
由上述技术方案可知，本发明公开的冷却系统利用燃料电池汽车的电堆与电机及电机控制器冷却要求相近的特点，将电堆、电机控制器、电机串联在同一冷却系统中，共用一套冷却系统，该冷却系统适用于全功率燃料电池汽车，可以减少整车冷却系统零件数量、降低制造成本，有利于燃料电池系统及电机系统在整车上的安装布置，有利于加速燃料电池汽车的推广应用；
本发明公开的燃料电池汽车温度控制方法，通过对汽车启动时电机控制器入口处的实际温度的判断，当实际温度低于第一设定温度时，通过额外的机构加热冷却液，使冷却液快速升温，冷却液加热电堆，使电堆可以快速工作在高效工作区，提高燃料电池系统在热机过程中氢气的转换效率，降低过程中氢气的消耗，提高电堆的使用寿命；当实际温度不低于第一设定温度时，合理运用燃料电池自身的散热对冷却液进行加热，以维持电堆的使用状态；通过在汽车运行时，当实际温度大于第二设定温度，则开启冷却回路中的冷却机构对冷却液进行降温，以使冷却回路中电机控制器入口的温度、压力、电堆出口的温度、压力均在合理水平内，确保电堆、电机控制器、电机工作在安全、高效的工作区域内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例1中冷却系统的原理图；
图中标记：1-散热器，2-风扇，3-去离子仪，4-膨胀水箱，5-电子节温器，6-PTC加热器，7-水泵，8-第一温度传感器，9-第一压力传感器，10-电机控制器，11-电机，12-过滤器，13-燃电控制器，14-电堆，15-第二压力传感器，16-第二温度传感器，17-增湿器，18-中冷器，19-空气压缩机，20-空气滤清器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
图1示出了本申请实施例1中冷却系统的原理图。
下面结合附图并参考具体实施例描述本申请：
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池汽车冷却系统，包括冷却回路、燃料电池温控模块、电机温控模块和中冷器18。
冷却回路中循环流动有冷却液，燃料电池温控模块串联设置在冷却回路中，用于将燃料电池产生的热量传递给冷却液；电机温控模块均串联设置在冷却回路中，用于将电机11以及电机控制器10产生的热量传递给冷却液。电机温控模块的出口与燃料电池温控模块的入口连接，即冷却液先对电机控制器10以及电机11进行降温后，再对燃料电池的电堆14进行降温，一条冷却回路能够同时实现对燃料电池温控模块、电机控制器10以及电机11的冷却。
燃料电池汽车中，电机11及电机控制器10需要在一个合适的温度下工作，以降低元件折损，但通常电机控制器10入口温度要求低于65℃，及需要冷却系统保持一定的冷却流量。
燃料电池的正常工作同样需要在一个合适的温度下工作，以避免过高温度会导致膜电极性能衰减甚至导致燃料电池损坏，过低温度又会导致燃料电池工作效率下降，常规使用的电堆14的工作温度大多分布在60℃-80℃范围内。
本实施例中，合理利用了电机控制器10及电机11冷却温度要求65℃以下及散热量低(6-8kW)的特点，电堆14冷却温度幅度宽(60-80℃)及散热量大(最大60kW)的特点，即冷却液在对电机11及电机控制器10降温后，冷却液的升温幅度不大，使冷却液的温度不会大于电堆14适宜的工作温度，由此实现冷却在一个循环周期内的二次利用。
同时，本实施例中，电堆14、电机控制器10、电机11串联在同一冷却回路中，共用一套冷却系统，减少冷却回路，可以大幅减少整车冷却系统零件数量，如冷却回路中的散热机构、水泵7等，有利于燃料电池系统及电机11系统在整车上的安装布置，缓解车内紧张的安装空间，使整个系统线路简单、检修便捷，同时也降低制造成本，有利于燃料电池汽车的推广应用。
中冷器18与燃料电池温控模块并联，中冷器18的出气口与燃料电池的进气口连接，用于降低进入电堆14的空气的温度，使电堆14的进口的空气维持在合适的温度范围内。
作为更优的实施方式，本实施例中中冷器18的进气口连接有空气压缩机19，空气压缩机19的进气口连接有空气滤清器20，以减少进入电堆14的空气里的杂质。
进一步的，中冷器18多的出气口有燃料电池的进气口之间还设置有增湿器17，通过增湿器17，对电堆14入口空气进行加湿，使入口空气增湿达到使用要求。
冷却回路还包括散热器1和水泵7，散热器1和水泵7均串联设置在冷却回路上，散热器1上设置有多个风扇2以加速散热，实施例中，只需设置一个散热器1即可满足系统的降温需求，且减少系统的零件，进一步缩小系统占用的车内空间，便于整车其他零件的安装布置。
电机温控模块与燃料电池温控模块之间的管路上还设置有过滤器12，以对冷却液进行过滤。
系统还包括用于承装冷却液的膨胀水箱4，膨胀水箱4的出口与水泵7的入口连接；散热器1的出口与膨胀水箱4的入口连接；燃料电池温控模块的出口与膨胀水箱4的入口连接。
系统还包括去离子仪3，去离子仪3与散热器1并联，用于降低冷却液导电率。
系统还包括PTC加热器6，PTC加热器6可选择地与燃料电池温控模块和电机温控模块串联，PTC加热器6用于在汽车冷启动时，加热冷却液，使电堆14能够快速进入适宜的工作温度。
参照图1，冷却回路上还串联有三通电磁阀，三通电磁阀的进口与燃料电池温控模块的出口连接，三通电磁阀的第一出口与散热器1的入口连接，三通电磁阀的第二出口与PTC加热器6的入口连接，PTC加热器6的出口与水泵7的入口连接，即PTC加热器6与散热器1并联，通过控制三通电磁阀的通路，即可将冷却回路切换为大循环通道或小循环通道。大循环通道中，散热器1运作以实现系统的降温，小循环通道中PTC加热器6运作可实现燃料电池系统快速升温冷启动、暖机时系统快速达到高效工作温度范围，使冷却回路具有多种功能，无需增设其他管路，在满足车辆需求的情况下，依旧使本实施例的系统元件少，方便系统的布置。
具体的，三通电磁阀为电子节温器5。
系统还包括燃电控制器13；电机温控模块的出口与燃料电池温控模块的入口连接，电机温控模块的入口设置有第一温度传感器8和第一压力传感器9；燃料电池温控模块的出口设置有第二温度传感器16和第二压力传感器15；第一温度传感器8、第一压力传感器9、第二温度传感器16、第二压力传感器15、PTC加热器6、三通电磁阀、水泵7和散热器1均与燃电控制器13电连接。通过燃电控制器13实现对系统内各个元器件的控制。
实施例2
本实施例公开了一种燃料电池汽车温度控制方法，本方法利用了实施例1中的燃料电池汽车冷却系统，包括以下步骤：
在汽车启动时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
判断获取的电机控制器入口处的温度是否大于第一设定温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度小于第一设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，并加热冷却回路中的冷却液；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第一设定温度，且小于第二设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，利用燃料电池的散热加热冷却液；
在汽车运行时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第二设定温度，则开启冷却回路中的冷却机构对冷却液进行降温。
在本实施例中，对于不同工况下，具体的控制示例进行如下详细说明：燃电控制器13接收到整车启动指令后，水泵7查表后按标定的转速开始转动，燃电控制器13通过第一温度传感器8检测电机控制器10入口实际温度t0，如果入口实际温度t0低于某一设置温度t1，例如0℃，则进入冷启动模式，判断为否时，进入升温模式。
在冷启动模式，燃电控制器13启动PTC加热器6，控制电子节温器5的第二出口开启使与PTC加热器6与燃料电池温控模块和电机温控模块连通，以开启小循环通道，关闭电子节温器5的第一出口，调节水泵7的转速，控制冷却液的流量与压力。此时冷却液流经水泵7、电机控制器10、电机11、电堆14、电子节温器5、PTC加热器6进行循环流动。PTC加热器6不断加热冷却液使其温度升高，待电机控制器10入口冷却液实际温度t0达到t1后，启动燃料电池系统；燃电控制器13持续通过第一温度传感器8检测冷却液入口实际温度t0，实际温度t0达到某一设置温度t2。例如15℃后，关闭PTC加热器6，燃料电池系统小功率运行，进入升温模式。通过PTC加热器6参与及快速升温，使电堆14可以快速工作在高效工作区，提高燃料电池系统在热机过程中氢气的转换效率，降低过程中氢气的消耗，提高电堆14的使用寿命。
在升温模式，燃电控制器13关闭PTC加热器6，控制电子节温器5的第二出口开启使与PTC加热器6与燃料电池温控模块和电机温控模块连通，以开启小循环通道，关闭电子节温器5的第一出口，调节水泵7的转速，控制冷却液的流量与压力。此时冷却液流经水泵7、电机控制器10、电机11、电堆14、电子节温器5、PTC加热器6进行循环流动。通过燃电系统小功率运行使冷却液温度升高，待电机控制器10入口冷却液实际温度t0达到某一设置温度t3。例如60℃时，进入散热模式。
在散热模式，当电机控制器10入口实际温度t0达到某一设置温度t3，根据实际温度t0与t3的差值，燃电控制器13控制电子节温器5第一出口的开度，即逐步开启大循环的开度，增加大循环通道的流量，同步减少电子节温器5第二出口的开度，以减小小循环通道的流量。此时冷却水经电子节温器5分两路，一路通过小循环经PTC加热器6进入水泵7，另一路通过大循环通路经散热器1进入水泵7，两路不同温度的冷却液在水泵7前混合，然后经水泵7、电机控制器10及电机11后进入电堆14。随着燃电系统发热量的增加，电子节温器5逐步增加大循环通道开度，最终电子节温器5第二出口闭合，电子节温器5第一出口全部打开。此时，冷却液经电子节温器5、散热器1、水泵7、电机控制器10、电机11、电堆14循环后进入电子节温器5。在大小循环切换过程中，燃电系统控制器通过电子节温器5实现大循环通路和小循环通路的切换，保证了电机控制器10入口实际温度t0不变或微小变化，使电堆14始终工作在性能较好的温度范围内，以提高电堆14的使用寿命。
在散热模式，电子节温器5第一出口全部打开的前提下，随着电堆14、电机控制器10及电机11散热需求的增加，燃电控制器13检测到的第一温度传感器8、第二温度传感器16、第一压力传感器9、第二压力传感器15，通过调整散热器1上风扇2的转速、水泵7的转速，以使冷却回路中电机控制器10入口的温度、压力、电堆14出口的温度、压力均在合理水平内，确保电堆14、电机控制器10、电机11工作在安全、高效的工作区域内。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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一个或者多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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申请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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，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进行接合和组合。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述系统包括：
循环流动有冷却液的冷却回路；
电机温控模块以及燃料电池温控模块，串联设置在所述冷却回路中，所述电机温控模块用于将电机以及电机控制器产生的热量传递给所述冷却液，所述燃料电池温控模块用于将燃料电池的电堆产生的热量传递给所述冷却液；所述电机温控模块的出口与所述燃料电池温控模块的入口连接；
中冷器，所述中冷器与所述燃料电池温控模块并联，所述中冷器的出气口与所述燃料电池的进气口连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述中冷器的进气口连接有空气压缩机，所述空气压缩机的进气口连接有空气滤清器。
3.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述中冷器多的出气口有所述燃料电池的进气口之间还设置有增湿器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述冷却回路还包括散热器和水泵，所述散热器和所述水泵均串联设置在所述冷却回路上。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述系统还包括去离子仪，所述去离子仪与所述散热器并联。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱的出口与所述水泵的入口连接；所述散热器的出口与所述膨胀水箱的入口连接；所述燃料电池温控模块的出口与所述膨胀水箱的入口连接。
7.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述系统还包括PTC加热器，所述PTC加热器可选择地与燃料电池温控模块和电机温控模块串联。
8.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述冷却回路上还串联有三通电磁阀，所述三通电磁阀的进口与所述燃料电池温控模块的出口连接，所述三通电磁阀的第一出口与所述散热器的入口连接，所述三通电磁阀的第二出口与所述PTC加热器的入口连接，所述PTC加热器的出口与所述水泵的入口连接，其中，所述三通电磁阀为电子节温器。
9.根据权利要求1所述的燃料电池汽车冷却系统，其特征在于，所述系统还包括燃电控制器；
所述电机温控模块的入口设置有第一温度传感器和第一压力传感器；
所述燃料电池温控模块的出口设置有第二温度传感器和第二压力传感器；
所述第一温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二温度传感器、所述第二压力传感器、所述PTC加热器、所述三通电磁阀、所述水泵和所述散热器均与所述燃电控制器电连接。
10.一种燃料电池汽车温度控制方法，其特征在于，
在汽车启动时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
判断获取的电机控制器入口处的温度是否大于第一设定温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度小于第一设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，并加热冷却回路中的冷却液；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第一设定温度，且小于第二设定温度，则关闭冷却回路中的冷却机构，利用燃料电池的散热加热冷却液；
在汽车运行时，获取冷却回路中电机控制器入口处的实际温度；
若获取的电机控制器入口处的实际温度大于第二设定温度，则开启冷却回路中的冷却机构对冷却液进行降温。
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