CN113851674A - 一种燃料电池系统测试用热管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统测试用热管理系统，包括：系统回路，包括燃料电池系统和系统管路，系统管路与燃料电池系统的换热介质进口和换热介质出口相连；测试台回路，包括动力部件和加热器；第一换热器，用于测试台回路和系统管路的热交换；外冷回路；第二换热器，用于测试台回路和外冷回路的热交换。上述热管理系统可以验证被测的燃料电池系统的温控性能和特性，并能对被测的燃料电池系统内的换热介质的温度进行调控；可以实现降温、蓄热和升温控制；可以最大程度地保持被测燃料电池系统的管路特性、热容特性与实际设计相接近，特别适应于环境仓内的测试；可以较大程度地发挥外冷回路的换热能力；测试台回路的清洁度不易受到外冷回路水质的影响。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统测试用热管理系统。
背景技术
在交通领域常用的质子交换膜燃料电池，其基本工作原理是在催化剂作用下的电化学反应，这个电化学反应的过程伴随水和热的产生，相应的燃料电池系统需要做好水热管理，使燃料电池反应正常运行。因此，对于燃料电池系统的温控性能的测试存在其必要性。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池系统测试用热管理系统，可以验证被测的燃料电池系统的温控性能和特性，并且能够对被测的燃料电池系统内的换热介质的温度进行调控。
为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池系统测试用热管理系统，包括：系统回路，包括燃料电池系统和系统管路，所述系统管路与所述燃料电池系统的换热介质进口和换热介质出口相连；测试台回路，包括动力部件和加热器；第一换热器，用于所述测试台回路和所述系统管路的热交换；外冷回路；第二换热器，用于所述测试台回路和所述外冷回路的热交换。
本发明所提供测试用热管理系统以测试台回路为基础，通过第一换热器与系统回路实现热交换(即与被测燃料电池系统实现热交换)，并通过第二换热器与外冷回路实现热交换，从而可以验证被测的燃料电池系统的温控性能和特性，并且能够对被测的燃料电池系统内的换热介质的温度进行调控。
具体实施时，可以通过调控动力部件的功率，以调整测试台回路中的换热介质的流速，进而可以调控测试台回路与系统回路及外冷回路的换热效率；同时，加热器的设置，使得该热管理系统不仅可以实现对于被测燃料电池系统的降温控制，还可以实现对于被测燃料电池系统的蓄热和升温控制。
在上述的方案中，本发明实施例将测试台回路和系统回路分别设置为两个相互独立的回路，二者之间仅是通过第一换热器进行换热，相比于传统的直接在燃料电池系统的换热回路中增加加热器等部件的方案，本发明实施例将测试台回路的热管理功能和系统回路的温控功能做了有效地区分隔离，能够最大程度地保持被测燃料电池系统的管路特性、热容特性与实际设计相接近，这样能够实现被测的燃料电池系统的温控功能和性能在本发明实施例所提供热管理系统中的验证结果与实际应用相一致，以提高验证结果的准确性。
特别地，当被测燃料电池系统要在环境模拟舱中实施环境温度变化测试时，可直接将被测燃料电池系统、系统管路及和系统管路相连的第一换热器置于环境模拟舱中，可以使被系统回路的管路特性、热容特性与实际设计接近，能够实现系统回路在环境浸机过程中与环境温度完全一致，保证测试的有效性。测试台回路则可以通过调节动力部件的功率等方式，实现测试台回路的热管理功能因与环境舱连接导致管路延长等的热容和管路特性变化。
同时，本发明实施例还将测试台回路和外冷回路分别设置为两个相互独立的回路，二者之间仅是通过第二换热器进行换热。这样，一方面，可以维持外冷回路的特性不会因额外增加的管路特性而受到影响，能够较大程度地发挥外冷回路的换热能力；另一方面，由于测试台回路和外冷回路相隔离，使得测试台回路的清洁度不易受到外冷回路水质的影响，在具体实践中，可以为测试台回路选择特定的换热介质，而不易与外冷回路产生混合。
并且，较之直接将外冷回路与系统回路进行热交换的方案，本发明实施例所增加的测试台回路可以增加温度控制的多样性，不仅可以实现降温散热的控制，还可以实现蓄热、预加热以及升温的控制，更能够适应测试过程中的复杂温控策略。
可选地，所述测试台回路包括第一测试管路和第二测试管路，所述第一测试管路用于连接所述第一换热器的出口和所述第二换热器的入口，所述第二测试管路用于连接所述第二换热器的出口和所述第一换热器的入口，所述第一测试管路配置有第一压力温度检测部件，所述第二测试管路配置有第二压力温度检测部件。
可选地，还包括第一三通阀，所述第一三通阀包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口和所述第二接口均接入所述第一测试管路和所述第二测试管路中的一者，所述第三接口用于连接所述第一测试管路和所述第二测试管路中的另一者。
可选地，还包括第二三通阀，所述第二三通阀包括第四接口、第五接口和第六接口，所述第四接口和所述第五接口均接入所述第一测试管路和所述第二测试管路中的一者，所述第六接口用于连接所述第一测试管路和所述第二测试管路中的另一者。
可选地，所述测试台回路还连接有补液箱，所述测试台回路还包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计和所述第二流量计分别位于所述补液箱的上游和下游。
可选地，所述外冷回路配置有第三压力温度检测部件；和/或，所述外冷回路配置有第三流量计。
可选地，所述外冷回路包括第一外冷管路和第二外冷管路，二者均与所述第二换热器相连通；还包括第三三通阀，所述第三三通阀包括第七接口、第八接口和第九接口，所述第七接口和所述第八接口均接入所述第一外冷管路和所述第二外冷管路中的一者，所述第九接口用于连接所述第一外冷管路和所述第二外冷管路中的另一者。
可选地，所述系统管路包括第一系统管路和第二系统管路，所述第一系统管路用于连接所述换热介质进口和所述第一换热器，所述第二系统管路用于连接所述换热介质出口和所述第一换热器，所述第一系统管路配置有第四压力温度检测部件，所述第二系统管路配置有第五压力温度检测部件。
可选地，所述系统管路还配置有第四流量计。
可选地，所述第一换热器和所述第二换热器均为板式换热器。
附图说明
图1为本发明所提供燃料电池系统测试用热管理系统的一种具体实施方式的结构示意图。
图1中的附图标记说明如下：
1系统回路、11燃料电池系统、12第一系统管路、121第四温度传感器、122第四压力传感器、123第四流量计、13第二系统管路、131第五温度传感器、132第五压力传感器；
2测试台回路、21第一测试管路、211第一温度传感器、212第一压力传感器、213第一流量计、214第二流量计、215动力部件、22第二测试管路、221第二温度传感器、222第二压力传感器、223加热器、23第一三通阀、24第二三通阀、25补液箱；
3第一换热器；
4外冷回路、41第三温度传感器、42第三压力传感器、43第三流量计、44第三三通阀；
5第二换热器。
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。
本文中所述“第一”、“第二”等词，仅是为了便于描述结构和/或功能相同或者相类似的两个以上的结构或者部件，并不表示对于顺序和/或重要性的某种特殊限定。
请参考图1，图1为本发明所提供燃料电池系统测试用热管理系统的一种具体实施方式的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供一种燃料电池系统测试用热管理系统，包括：系统回路1，包括燃料电池系统11和系统管路，系统管路与燃料电池系统11的换热介质进口和换热介质出口相连；测试台回路2，包括动力部件215和加热器223，动力部件215具体可以为泵体等；第一换热器3，用于测试台回路2和系统管路1的热交换；外冷回路4；第二换热器5，用于测试台回路2和外冷回路4的热交换。
本发明实施例以测试台回路2为基础，通过第一换热器3与系统回路1实现热交换，并通过第二换热器5与外冷回路4实现热交换，从而可以验证被测的燃料电池系统11的温控性能和特性，并且能够对被测的燃料电池系统11内的换热介质的温度进行调控。
具体实施时，可以通过调控动力部件215的功率，以调整测试台回路2中的换热介质的流速，进而可以调控测试台回路2与系统回路1及外冷回路4的换热效率；同时，加热器223的设置，使得该热管理系统不仅可以实现对于被测燃料电池系统11的降温控制，还可以实现对于被测燃料电池系统11的蓄热和升温控制。
在上述的方案中，本发明实施例将测试台回路2和系统回路1分别设置为两个相互独立的回路，二者之间仅是通过第一换热器3进行换热，相比于传统的直接在燃料电池系统11的换热回路中增加加热器223等部件的方案，本发明实施例将测试台回路2的热管理功能和系统回路1的温控功能做了有效地区分隔离，能够最大程度地保持被测燃料电池系统11的管路特性、热容特性与实际设计相接近，这样能够实现被测的燃料电池系统11的温控功能和性能在本发明实施例所提供热管理系统中的验证结果与实际应用相一致，以提高验证结果的准确性。
特别地，当被测燃料电池系统11要在环境模拟舱中实施环境温度变化测试时，可直接将被测燃料电池系统11、系统管路及和系统管路相连的第一换热器3置于环境模拟舱中，可以使被系统回路1的管路特性、热容特性与实际设计接近，能够实现系统回路1在环境浸机过程中与环境温度完全一致，保证测试的有效性。测试台回路2则可以通过调节动力部件215的功率等方式，实现测试台回路2的热管理功能因与环境舱连接导致管路延长等的热容和管路特性变化。
同时，本发明实施例还将测试台回路2和外冷回路4分别设置为两个相互独立的回路，二者之间仅是通过第二换热器5进行换热。这样，一方面，可以维持外冷回路4的特性不会因额外增加的管路特性而受到影响，能够较大程度地发挥外冷回路4的换热能力；另一方面，由于测试台回路2和外冷回路4相隔离，使得测试台回路2的清洁度不易受到外冷回路4水质的影响，在具体实践中，可以为测试台回路2选择特定的换热介质，而不易与外冷回路4产生混合。
并且，较之直接将外冷回路4与系统回路1进行热交换的方案，本发明实施例所增加的测试台回路2可以增加温度控制的多样性，不仅可以实现降温散热的控制，还可以实现蓄热、预加热以及升温的控制，更能够适应测试过程中的复杂温控策略。
详细的说明，测试台回路2可以包括第一测试管路21和第二测试管路22，第一测试管路21用于连接第一换热器3的出口和第二换热器5的入口，第二测试管路22用于连接第二换热器5的出口和第一换热器3的入口。可以理解的是，第一换热器3、第二换热器5均包括两个入口和两个出口，以第一换热器3为例，其包括第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，其中，第一入口用于和第二测试管路22相连，第一出口用于和第一测试管路21相连，第二入口和第二出口则用于和系统回路1相连。前述的动力部件215可以设置在第一测试管路21、第二测试管路22中的任一，前述的加热器223则可以设置在第二测试管路22中，即可以设置在第二换热器5的下游管路中。
这里，本发明实施例并不限定第一换热器3、第二换热器5的种类和结构形式等，具体实践中，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，只要能够满足使用的要求即可。一般而言，系统回路1、测试台回路2以及外冷回路4中所使用的换热介质均可以为液态介质，如水等，此时，第一换热器3、第二换热器5均可以采用板式换热器。
第一测试管路21可以配置有第一压力温度检测部件，用于检测第一测试管路21内换热介质的温度和压力。第一压力温度检测部件可以为集成部件，以同时具备压力检测和温度检测的功能；或者，第一压力温度检测部件也可以包括分体式的第一温度传感器211和第一压力传感器212，第一温度传感器211和第一压力传感器212可以分别接入第一测试管路21。
第二测试管路22也可以配置有第二压力温度检测部件，用于检测第二测试管路22内换热介质的温度和压力。第二压力温度检测部件也可以为集成部件或者分体式部件，在附图实施例中，如图1所示，第二压力温度检测部件可以包括第二温度传感器221和第二压力传感器222，第二温度传感器221和第二压力传感器222可以分别接入第二测试管路22。
进一步地，还可以包括第一三通阀23，第一三通阀23可以具有第一接口、第二接口和第三接口，第一接口和第二接口可以接入第一测试管路21和第二测试管路22中的一者，第三接口用于连接第一测试管路21和第二测试管路22中的另一者。具体实践中，通过调整该第一三通阀23的开度可以调整流向第一换热器3和第二换热器5的流量，以调整测试台回路2与系统回路1及外冷回路4的换热量。
更进一步地，还可以包括第二三通阀24，第二三通阀24可以具有第四接口、第五接口和第六接口，第四接口和第五接口可以接入第一测试管路21和第二测试管路22中的一者，第六接口用于连接第一测试管路21和第二测试管路22中的另一者。
第二三通阀24和第一三通阀23的功能是相接近的，二者可以仅存在一个。当第二三通阀24和第一三通阀23均存在时，二者中的一者可以靠近第一三通阀3设置、另一者可以靠近第二三通阀24设置，结合图1，第一三通阀23可以靠近第一换热器3设置，第二三通阀24可以靠近第二换热器5设置，这样，第一三通阀23的开度调节主要是调节流向第一换热器3的换热介质的流量，第二三通阀24的开度调节主要是调节流向第二换热器5的换热介质的流量。
测试台回路2还可以连接有补液箱25，测试台回路2还可以包括第一流量计213和第二流量计214，第一流量计213和第二流量计214可以分别位于补液箱25的上游和下游。通过第一流量计213、第二流量计214所反馈的测试台回路2中的流量，可以控制补液箱25向回路中补充的液量，以满足回路中的换热介质的量的需求。
同时，第一流量计213、第二流量计214还可以分别用于检测流经第一换热器3、第二换热器5的换热介质的流量。
进一步地，外冷回路4也可以配置有第三压力温度检测部件，用于检测外冷回路4中的换热介质的温度和压力。第三压力温度检测部件可以为集成部件，也可以为分体式部件，在附图实施例中，如图1所示，第三压力温度检测部件可以包括第三温度传感器41和第三压力传感器42，二者可以分别接入外冷回路4。
外冷回路4还可以配置有第三流量计43，用于检测外冷回路4内换热介质的流量。
实际上，外冷回路4可以包括第一外冷管路46和第二外冷管路47，二者可以分别与第二换热器5的进口和出口相连；还可以包括第三三通阀44，第三三通阀44可以包括第七接口、第八接口和第九接口，其中，第七接口、第八接口可以均接入第一外冷管路46和第二外冷管路47中的一者，第九接口则可用于连接第一外冷管路46和第二外冷管路47中的另一者，这样，通过调整第三三通阀44的开度可以调整外冷回路4与测试台回路2的换热量。
进一步地，系统管路可以包括第一系统管路12和第二系统管路13，第一系统管路12用于连接燃料电池系统11的换热介质进口和第一换热器3，第二系统管路13用于连接燃料电池系统11的换热介质出口和第一换热器3，第一系统管路12可以配置有第四压力温度检测部件，第二系统管路13配置有第五压力温度检测部件。第五压力温度检测部件和第四压力温度检测部件分别用于检测进入第一换热器3前后、系统管路1内换热介质的温度和压力。
与前述相类似，第四压力温度检测部件和第五压力温度检测部件可以为集成部件，也可以为分体式部件。在附图实施例中，如图1所示，第四压力温度检测部件可以包括第四温度传感器121和第四压力传感器122，二者可以分别接入第一系统管路12；第五压力温度检测部件可以包括第五温度传感器131和第五压力传感器132，二者可以分别接入第二系统管路13。
系统管路1还可以配置有第四流量计123，用于检测系统管路1内换热介质的流量。第四流量计123可以接入第一系统管路12，也可以接入第二系统管路13。
在具体测试时，需要设定测试台回路2内换热介质的温度，同时改变被测燃料电池系统11内换热介质的目标温度。当测试台回路2的温度设定值不高时，加热器223可以不工作，通过调节控制第一三通阀23的开度可以控制系统回路1与测试台回路2的热交换量，通过控制动力部件215的功率可以控制测试台回路2的换热介质的流速，通过调节控制第二三通阀24的开度可以控制测试台回路2与外冷回路4的热交换量；通过分别控制系统回路1与测试台回路2的热交换量、测试台回路2换热介质的流速和测试台回路2与外冷回路4的热交换量这三个控制量，可以控制测试台回路2的温度，从而可以实现模拟被测燃料电池系统11的换热运行环境，验证被测燃料电池系统11的温控性能。
当测试台回路2的温度设定值较高时，加热器223开始工作，根据温度的设定值可以调节加热器223的加热功率、进而控制加热量，最后可以通过控制系统回路1与测试台回路2的热交换量、测试台回路2换热介质流速和测试台回路2与外冷回路4的热交换量这三个控制量进而控制测试台回路2的温度以及加热器223的加热量，从而可以实现模拟被测燃料电池系统11的换热运行环境，验证被测燃料电池系统11的温控性能。
被测燃料电池系统11的温度也可以通过第一三通阀23的开度、第二三通阀24的开度、动力部件215的功率以及加热器223的功率控制来实现调温的作用。
在本发明实施例中，该热管理系统通过调整所述第一三通阀23、第二三通阀24的动作策略、加热器223的动作策略、动力部件215的动作策略，可以快速准确地对测试台回路2和系统回路1的换热介质的温度进行控制，能够模拟被测燃料电池系统11在包括整车等运行环境的散热情况，从而可以最大限度地复现燃料电池系统11在各种条件下的动态工况。
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 (10)
1.一种燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，包括：
系统回路(1)，包括燃料电池系统(11)和系统管路，所述系统管路与所述燃料电池系统(11)的换热介质进口和换热介质出口相连；
测试台回路(2)，包括动力部件(215)和加热器(223)；
第一换热器(3)，用于所述测试台回路(2)和所述系统管路的热交换；
外冷回路(4)；
第二换热器(5)，用于所述测试台回路(2)和所述外冷回路(4)的热交换。
2.根据权利要求1所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述测试台回路(2)包括第一测试管路(21)和第二测试管路(22)，所述第一测试管路(21)用于连接所述第一换热器(3)的出口和所述第二换热器(5)的入口，所述第二测试管路(22)用于连接所述第二换热器(5)的出口和所述第一换热器(3)的入口，所述第一测试管路(21)配置有第一压力温度检测部件，所述第二测试管路(22)配置有第二压力温度检测部件。
3.根据权利要求2所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，还包括第一三通阀(23)，所述第一三通阀(23)包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口和所述第二接口均接入所述第一测试管路(21)和所述第二测试管路(22)中的一者，所述第三接口用于连接所述第一测试管路(21)和所述第二测试管路(22)中的另一者。
4.根据权利要求3所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，还包括第二三通阀(24)，所述第二三通阀(24)包括第四接口、第五接口和第六接口，所述第四接口和所述第五接口均接入所述第一测试管路(21)和所述第二测试管路(22)中的一者，所述第六接口用于连接所述第一测试管路(21)和所述第二测试管路(22)中的另一者。
5.根据权利要求1所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述测试台回路(2)还连接有补液箱(25)，所述测试台回路(2)还包括第一流量计(213)和第二流量计(214)，所述第一流量计(213)和所述第二流量计(214)分别位于所述补液箱(25)的上游和下游。
6.根据权利要求1-5中任一项所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述外冷回路(4)配置有第三压力温度检测部件；和/或，
所述外冷回路(4)配置有第三流量计(43)。
7.根据权利要求6所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述外冷回路(4)包括第一外冷管路(45)和第二外冷管路(46)，二者均与所述第二换热器(5)相连通；
还包括第三三通阀(44)，所述第三三通阀(44)包括第七接口、第八接口和第九接口，所述第七接口和所述第八接口均接入所述第一外冷管路(45)和所述第二外冷管路(46)中的一者，所述第九接口用于连接所述第一外冷管路(45)和所述第二外冷管路(46)中的另一者。
8.根据权利要求1-5中任一项所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述系统管路包括第一系统管路(12)和第二系统管路(13)，所述第一系统管路(12)用于连接所述换热介质进口和所述第一换热器(3)，所述第二系统管路(13)用于连接所述换热介质出口和所述第一换热器(3)，所述第一系统管路(12)配置有第四压力温度检测部件，所述第二系统管路(13)配置有第五压力温度检测部件。
9.根据权利要求8所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述系统管路还配置有第四流量计(123)。
10.根据权利要求1-5中任一项所述燃料电池系统测试用热管理系统，其特征在于，所述第一换热器(3)和所述第二换热器(5)均为板式换热器。
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