CN113921853B - 基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法 - Google Patents

基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器，通过热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，冷却回路中设置有四边形磁质通道，四边形磁质通道的内外侧设置有脉冲磁体组，脉冲磁体组与脉冲电源电性连接，利用磁性材料的磁热效应构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热，对燃料电池进行管理，将低温环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。

Description

基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法。
背景技术
作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池冷启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。
当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多启动温度越低对电池损害越大。
目前燃料电池低温启动的技术方案主要是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与离子树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与离子树脂界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁热流的燃料电池热管理系统及控制方法，采用热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆连通，冷却回路中设置有四边形磁质通道，四边形磁质通道的内外侧设置有脉冲磁体组，脉冲磁体组与脉冲电源电性连接，利用磁性材料的磁热效应构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热，对燃料电池进行管理，将低温环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁热流的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器；热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的冷却回路与燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有四边形磁质通道，四边形磁质通道的内外侧设置有脉冲磁体组，脉冲磁体组与脉冲电源电性连接。
所述四边形磁质通道包括换热器和散热器；换热器的第一磁质换热器和第二磁质换热器分别与散热器的第一磁质散热器和第二磁质散热器连通，形成封闭的四边形磁质环形回路。
所述换热器包括磁质换热器外壳内的冷却液管，以及轴向穿过磁质换热器外壳和冷却液管的磁质热交换管，保温层位于磁质换热器外壳内壁与冷却液管外壁之间，冷却液管的两端分别设置出液口和进液口。
所述第一磁质换热器和第二磁质换热器的出液口相互连通，并接入燃料电池电堆的进液口侧；第一磁质换热器和第二磁质换热器的进液口相互连通，位于该连通的管路中设置有三通电磁阀，三通电磁阀引出的支路与燃料电池电堆的出液口侧连通，位于该支路中设置水泵，形成冷却回路。
所述冷却回路中靠近燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧分别设置第一温度传感器和第二温度传感器。
所述第一磁质散热器的管道内充填磁性颗粒，第一磁质散热器的下端设置高弹性膜，位于高弹性膜下部设置气泵。
所述脉冲磁体组包括位于第一磁质换热器外侧和内侧的脉冲磁体І和脉冲磁体Ⅱ、位于第二磁质换热器外侧和内侧的脉冲磁体Ⅲ和脉冲磁体Ⅳ、位于第一磁质散热器外侧和内侧的脉冲磁体Ⅴ和脉冲磁体Ⅵ，以及位于第二磁质散热器外侧和内侧的脉冲磁体Ⅶ和脉冲磁体Ⅷ。
所述磁质热交换管上沿轴线设置呈放射状的翅片与冷却液管接触。
所述热管理控制器接收温度信号并发送指令控制水泵、气泵、第一磁质散热器和第二磁质散热器的转速，以及控制脉冲磁体组的断通为换热器和散热器提供磁场。
如上所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统的控制方法，它包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器监测到燃料电池电堆冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时，水泵和气泵启动；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵驱动燃料电池电堆的冷却液沿三通电磁阀、第一磁质换热器返回至燃料电池电堆内；
S1-2，气泵驱动第一磁质散热器内的磁性颗粒沿、第一磁质换热器、第二磁质散热器、第二磁质换热器循环流动；
S1-3，脉冲磁体І和脉冲磁体Ⅱ作用于第一磁质换热器上形成磁场，当磁性颗粒流经第一磁质换热器时形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆为其预热；
S1-4，当磁性颗粒流经第二磁质散热器时，磁性颗粒开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S2，三通电磁阀导通第二磁质换热器，冷却液沿三通电磁阀、第二磁质换热器返回至燃料电池电堆内；
S2-1，脉冲磁体Ⅲ和脉冲磁体Ⅳ作用于第二磁质换热器上形成磁场，当磁性颗粒流经第二磁质换热器时再次形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆为其预热；
S2-2，脉冲磁体Ⅴ和脉冲磁体Ⅵ作用于第一磁质散热器上形成磁场，当磁性颗粒流经第一磁质散热器时，磁性颗粒开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S3，依次重复S1和S2对燃料电池电堆进行不间断的预热，并实时监测TF与T1的大小变化；当TF＞T1时，燃料电池开始启动，第一磁质散热器和第二磁质散热器关闭，待磁性颗粒完全进入第二磁质换热器后关闭气泵；
S4，当冷却液温度TF大于第二阈值温度T2时，气泵驱动第二磁质换热器内的磁性颗粒沿、第一磁质散热器、第一磁质换热器、第二磁质散热器循环流动；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间；
S4-1，脉冲磁体Ⅴ和脉冲磁体Ⅵ作用于第一磁质散热器上形成磁场，当磁性颗粒流经第一磁质散热器时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S4-2，当磁化后的磁性颗粒进入到第一磁质换热器时，三通电磁阀导通第一磁质换热器，磁性颗粒开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆工作时的降温；
S5，脉冲磁体Ⅶ和脉冲磁体Ⅷ作用于第二磁质散热器上形成磁场，完成退磁的磁性颗粒进入第二磁质散热器时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S5-1，三通电磁阀导通第二磁质换热器，冷却液沿三通电磁阀、第二磁质换热器返回至燃料电池电堆内；
S5-2，当磁化后的磁性颗粒进入到第二磁质换热器时，磁性颗粒开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆工作时的降温；
S6，依次重复S4→S5→S4进行循环，并通过PWM控制机制控制调整水泵、气泵、第一磁质散热器和第二磁质散热器转速，从而控制燃料电池电堆的工作温度。
本发明的主要有益效果在于：
采用换热器的第一磁质换热器和第二磁质换热器分别与散热器的第一磁质散热器和第二磁质散热器连通，形成封闭的四边形磁质环形回路。
脉冲磁体组作用于换热器和散热器，对磁性颗粒进行磁化或退磁，磁性颗粒在气泵驱动下沿四边形磁质环形回路循环流动，构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热的循环回路。
实时监测在磁化放热过程中将热量传递给燃料电池电堆进行预热，在退磁吸热过程中对燃料电池电堆进行降温。
采用磁化放热进行热传导低温启动燃料电池电堆，耗能较低，利用率高，延长燃料电池的续航里程。
采用实时监测温度的大小变化，通过热管理控制器管理磁质循环回路和冷却液的冷却回路。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的系统图。
图2为本发明换热器的内部结构示意图。
图3为本发明换热器的进液口处的截面示意图。
图4为本发明换热器中部的截面示意图。
图5为本发明换热器的出液口处的截面示意图。
图6为本发明换热器内翅片的结构示意图。
图7为本发明的流程示意图。
图中：燃料电池电堆1，燃料电池热管理单元2，磁质换热器外壳21，保温层22，冷却液管23，磁质热交换管24，翅片25，水泵201，三通电磁阀202，第一磁质换热器203，第二磁质换热器204，第一磁质散热器205，第二磁质散热器206，弯管接头207，磁性颗粒208，高弹性膜209，气泵210，脉冲磁体І211，脉冲磁体Ⅱ212，脉冲磁体Ⅲ213，脉冲磁体Ⅳ214，脉冲磁体Ⅴ215，脉冲磁体Ⅵ216，脉冲磁体Ⅶ217，脉冲磁体Ⅷ218，脉冲电源219，第一温度传感器220，第二温度传感器211，热管理控制器3。
具体实施方式
如图1~图7中，一种基于磁热流的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆1、燃料电池热管理单元2和热管理控制器3；热管理控制器3与燃料电池热管理单元2电性连接，燃料电池热管理单元2的冷却回路与燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有四边形磁质通道，四边形磁质通道的内外侧设置有脉冲磁体组，脉冲磁体组与脉冲电源219电性连接。使用时，利用磁性材料的磁热效应构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热，对燃料电池进行管理，将低温环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动，避免冰融化造成界面的脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，耗能较低，能够提高燃料电池的利用率，延长燃料电池的续航里程。
优选的方案中，所述四边形磁质通道包括换热器和散热器；换热器的第一磁质换热器203和第二磁质换热器204分别与散热器的第一磁质散热器205和第二磁质散热器206连通，形成封闭的四边形磁质环形回路。四边形磁质环形回路连接时，在拐角处采用弯管接头207连接，第一磁质换热器203和第二磁质换热器204相互平行，第一磁质散热器205和第二磁质散热器206相互平行。
优选地，第一磁质散热器205和第二磁质散热器206均为紫铜直管，紫铜直管外壁上沿垂直于轴向焊有多组环形翅片，所述环形翅片外侧装有多组散热风扇。
优选的方案中，所述换热器包括磁质换热器外壳21内的冷却液管23，以及轴向穿过磁质换热器外壳21和冷却液管23的磁质热交换管24，保温层22位于磁质换热器外壳21内壁与冷却液管23外壁之间，冷却液管23的两端分别设置出液口和进液口。使用时，冷却液通过冷却液管23，磁性颗粒208通过磁质热交换管24。
优选地，保温层22内填充的绝热材料为发泡聚丙烯、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料绝热材料的一种或多种。
优选的方案中，所述第一磁质换热器203和第二磁质换热器204的出液口相互连通，并接入燃料电池电堆1的进液口侧；第一磁质换热器203和第二磁质换热器204的进液口相互连通，位于该连通的管路中设置有三通电磁阀202，三通电磁阀202引出的支路与燃料电池电堆1的出液口侧连通，位于该支路中设置水泵201，形成冷却回路。
优选地，在水泵201的进出液管路上还连接有用于定压补液的膨胀水箱。图中未示出。
优选的方案中，所述冷却回路中靠近燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧分别设置第一温度传感器220和第二温度传感器211。使用时，第一温度传感器220、第二温度传感器221用于监测进出燃料电池电堆冷却液的温度。
优选的方案中，所述第一磁质散热器205的管道内充填磁性颗粒208，第一磁质散热器205的下端设置高弹性膜209，位于高弹性膜209下部设置气泵210。
优选地，燃料电池热管理单元2用于在燃料电池正常工作时通过利用磁性颗粒208在经过第一磁质换热器203和第一磁质换热器204退磁吸热控制燃料电池电堆1的工作温度，并在低温启动前通过利用磁性颗粒208在经过第一磁质换热器203和第一磁质换热器204磁化放热为燃料电池电堆1进行预热。
优选的方案中，所述脉冲磁体组包括位于第一磁质换热器203外侧和内侧的脉冲磁体І211和脉冲磁体Ⅱ212、位于第二磁质换热器204外侧和内侧的脉冲磁体Ⅲ213和脉冲磁体Ⅳ214、位于第一磁质散热器205外侧和内侧的脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216，以及位于第二磁质散热器206外侧和内侧的脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218。使用时，脉冲磁体І211、脉冲磁体Ⅲ213、脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅶ217分别与脉冲电源219的正极电连接，脉冲磁体Ⅱ212、脉冲磁体Ⅳ214、脉冲磁体Ⅵ216和脉冲磁体Ⅷ218分别与脉冲电源219的负极电连接。
优选地，脉冲电源219用于对脉冲磁体І211、脉冲磁体Ⅲ213、脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅶ217分别错时施加正向电流，对脉冲磁体Ⅱ212、脉冲磁体Ⅳ214、脉冲磁体Ⅵ216和脉冲磁体Ⅷ218分别错时施加负向电流，从而分别在脉冲磁体І211和脉冲磁体Ⅱ212之间、脉冲磁体Ⅲ213和脉冲磁体Ⅳ214之间、脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216之间以及脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218之间在特定时刻交替形成一定强度的磁场。
优选的方案中，所述磁质热交换管24上沿轴线设置呈放射状的翅片25与冷却液管23接触。磁质热交换管24外壁上焊有平行于轴线的翅片25以增强磁性颗粒208与冷却液之间的热传导，而且翅片25的外沿与冷却液管23内壁紧密接触，为冷却液管提供机械支撑。
优选的方案中，所述热管理控制器3接收温度信号并发送指令控制水泵201、气泵210、第一磁质散热器205和第二磁质散热器206的转速，以及控制脉冲磁体组的断通为换热器和散热器提供磁场。
优选的方案中，如上所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统的控制方法，它包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器3监测到燃料电池电堆1冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时，水泵201和气泵210启动；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵201驱动燃料电池电堆1的冷却液沿三通电磁阀202、第一磁质换热器203返回至燃料电池电堆1内；
S1-2，气泵210驱动第一磁质散热器205内的磁性颗粒208沿、第一磁质换热器203、第二磁质散热器206、第二磁质换热器204循环流动；
S1-3，脉冲磁体І211和脉冲磁体Ⅱ212作用于第一磁质换热器203上形成磁场，当磁性颗粒208流经第一磁质换热器203时形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆1为其预热；
S1-4，当磁性颗粒208流经第二磁质散热器206时，磁性颗粒208开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S2，三通电磁阀202导通第二磁质换热器204，冷却液沿三通电磁阀202、第二磁质换热器204返回至燃料电池电堆1内；
S2-1，脉冲磁体Ⅲ213和脉冲磁体Ⅳ214作用于第二磁质换热器204上形成磁场，当磁性颗粒208流经第二磁质换热器204时再次形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆1为其预热；
S2-2，脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216作用于第一磁质散热器205上形成磁场，当磁性颗粒208流经第一磁质散热器205时，磁性颗粒208开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S3，依次重复S1和S2对燃料电池电堆1进行不间断的预热，并实时监测TF与T1的大小变化；当TF＞T1时，燃料电池开始启动，第一磁质散热器205和第二磁质散热器206关闭，待磁性颗粒208完全进入第二磁质换热器204后关闭气泵210；
S4，当冷却液温度TF大于第二阈值温度T2时，气泵210驱动第二磁质换热器204内的磁性颗粒208沿、第一磁质散热器205、第一磁质换热器203、第二磁质散热器206循环流动；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间；
S4-1，脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216作用于第一磁质散热器205上形成磁场，当磁性颗粒208流经第一磁质散热器205时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S4-2，当磁化后的磁性颗粒208进入到第一磁质换热器203时，三通电磁阀202导通第一磁质换热器203，磁性颗粒208开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆1工作时的降温；
S5，脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218作用于第二磁质散热器206上形成磁场，完成退磁的磁性颗粒208进入第二磁质散热器206时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S5-1，三通电磁阀202导通第二磁质换热器204，冷却液沿三通电磁阀202、第二磁质换热器204返回至燃料电池电堆1内；
S5-2，当磁化后的磁性颗粒208进入到第二磁质换热器204时，磁性颗粒208开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆1工作时的降温；
S6，依次重复S4→S5→S4进行循环，并通过PWM控制机制控制调整水泵201、气泵210、第一磁质散热器205和第二磁质散热器206转速，从而控制燃料电池电堆1的工作温度。
具体地，如图2和图5所示，
本发明燃料电池热管理单元2中所采用的第一磁质换热器203和第二磁质换热器204均为套管式，磁质热交换管24为磁性颗粒208的流动通道。
磁性颗粒208为居里温度在245~280K之间的磁性材料，包括但不限于Gd-Si-Ge、La-Fe-Si-C、La-Fe-Co-Al、La-Fe-Co-Si、La-Fe-Al-C、La-Fe-Al-H、La-Fe-Al-C-H、La-Pr-Fe-Co-Si、Mn-Fe-P-As、Mn-Cr-Co-Ge系列合金材料。
如图1~6所示，水泵201的出液口与三通电磁阀202的进液口通过管道连接，三通电磁阀202的第一出液口与第一磁质换热器203的冷却液进口通过管道连接，三通电磁阀202的第二出液口与第二磁质换热器204的冷却液进口通过管道连接，第一磁质换热器203的冷却液出口和第二磁质换热器204的冷却液出口通过管道共同接于燃料电池电堆1的冷却液进口，燃料电池电堆1的冷却液出口与水泵201的进液口通过管道连接，从而形成燃料电池冷却液的循环回路。
如图1所示，热管理控制器3通过低压信号线分别与燃料电池热管理单元2中的第一温度传感器220、第二温度传感器221连接，接收温度传感器的温度信号；通过低压开关控制线分别与水泵201、气泵210和第一磁质散热器205的风扇、第二磁质散热器206的风扇连接，向其发送开关指令并通过PWM控制机制向水泵201、气泵210和第一磁质散热器205的风扇、第二磁质散热器206的风扇发送脉宽调制信号以调控水泵电机、气泵电机和散热器风扇电机的转速；通过低压开关控制线与三通电磁阀202连接，向其发送开通方向的指令；通过低压开关控制线与脉冲电源219连接，向其发送开关指令控制脉冲磁体І211、脉冲磁体Ⅱ212、脉冲磁体Ⅲ213、脉冲磁体Ⅳ214、脉冲磁体Ⅴ215、脉冲磁体Ⅵ216、脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218电流的通断从而为第一磁质换热器203、第二磁质换热器204、第一磁质散热器205和第二磁质散热器206在特定时间段内分时提供一定强度的磁场。
基于磁热流的燃料电池热管理系统工作在低温启动模式和正常热管理模式：
在低温启动模式下，燃料电池电堆1的冷却液交替存在着两种不同的循环路径，其中，
当燃料电池热管理单元2的磁性颗粒208在气泵210的驱动下开始进入第一磁质换热器203的磁质热交换管24时，脉冲电源219分别给脉冲磁体І211和脉冲磁体Ⅱ212接通正向和负向电流从而为第一磁质换热器203施加磁场，热管理控制器3开启三通电磁阀202的第一阀门并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→三通电磁阀202→第一磁质换热器203→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器220→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器221→水泵201，从而构成燃料电池的第一载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵201的驱动下进入第一磁质换热器203的冷却液管23，将进入到第一磁质换热器203的磁质热交换管24的磁性颗粒208在磁化过程中所释放磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温；当磁性颗粒208开始进入到第二磁质散热器206时，热管理控制器3开启第二磁质散热器206的风扇，在此过程中，磁性颗粒208开始退磁释冷并在风扇的辅助下与外界环境进行快速换热升温至环境温度；
当燃料电池热管理单元2的磁性颗粒208在气泵210的驱动下开始进入第二磁质换热器204的磁质热交换管24时，脉冲电源219分别给脉冲磁体Ⅲ213和脉冲磁体Ⅳ214接通正向和负向电流从而为第二磁质换热器204施加磁场，热管理控制器3开启三通电磁阀202的第二阀门并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→三通电磁阀202→第二磁质换热器204→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器220→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器221→水泵201，从而构成燃料电池的第二载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵201的驱动下进入第二磁质换热器204的冷却液管23，将进入到第二磁质换热器204的磁质热交换管24的磁性颗粒208在磁化过程中所释放磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温；当磁性颗粒208开始进入到第一磁质散热器205时，热管理控制器3开启第一磁质散热器205的风扇同时，关闭第二磁质散热器206的风扇，在此过程中，磁性颗粒208开始退磁释冷并在风扇的辅助下与外界环境进行快速换热升温至环境温度；
如此建立燃料电池电堆1的冷却液回路，第一载热流体传递回路→第二载热流体传递回路→第一载热流体传递回路的循环，从而不间断的为燃料电池电堆1供热直至燃料电池电堆1的温度升至符合电堆启动的温度进而完成低温启动。
在正常热管理模式下，燃料电池电堆1的冷却液也存在着上述两种不同的循环路径，其中，
当燃料电池热管理单元2的磁性颗粒208在气泵210的驱动下开始进入第一磁质散热器205时，脉冲电源219分别给脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216接通正向和负向电流从而为第一磁质散热器205施加磁场，热管理控制器3开启第一磁质散热器205的风扇，在此过程中磁性颗粒208开始磁化放热并在风扇的辅助下与外界环境进行快速换热降温至环境温度；当磁性颗粒208开始进入到第一磁质换热器203时，热管理控制器3开启三通电磁阀202的第一阀门并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→三通电磁阀202→第一磁质换热器203→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器220→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器221→水泵201，从而构成燃料电池的第一载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵201的驱动下进入第一磁质换热器203的冷却液管23，将进入到第一磁质换热器203的磁质热交换管24的磁性颗粒208在退磁过程中所释放的冷量传递给燃料电池电堆1助其降温；
当燃料电池热管理单元2的磁性颗粒208在气泵210的驱动下开始进入第二磁质散热器206时，脉冲电源219分别给脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218接通正向和负向电流从而为第二磁质散热器206施加磁场，热管理控制器3开启第二磁质散热器206的风扇同时关闭第一磁质散热器205的风扇，在此过程中磁性颗粒208开始磁化放热并在风扇的辅助下与外界环境进行快速换热降温至环境温度；当磁性颗粒208开始进入到第二磁质换热器204时，热管理控制器3开启三通电磁阀202的第二阀门并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→三通电磁阀202→第二磁质换热器204→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器220→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器221→水泵201，从而构成燃料电池的第二载热流体传递回路，在此过程中，燃料电池电堆1的冷却液则在水泵201的驱动下进入第二磁质换热器204的冷却液管23，将进入到第二磁质换热器204的磁质热交换管24的磁性颗粒208在退磁过程中所释放的冷量传递给燃料电池电堆1助其降温；
如此建立燃料电池电堆1的冷却液回路，第一载热流体传递回路→第二载热流体传递回路→第一载热流体传递回路的循环，从而不间断的为燃料电池电堆1降温；在此过程中，热管理控制器3通过PWM控制机制分别向水泵201、气泵210和第一磁质散热器205的风扇、第二磁质散热器206的风扇发送脉宽调制信号以调控水泵电机、气泵电机和散热器风扇电机的转速以控制燃料电池电堆1的温度。
热管理控制器3将第一温度传感器220测得的冷却液温度记为TFi，将第二温度传感器221测得的冷却液温度记为TFo，在一个实施例中，热管理控制器3采用TFi或者TFo作为燃料电池电堆的参考温度进行后续比较和处理；在另一个实施例中，热管理控制器3采用TFi和TFo的平均值作为后续比较和处理的参数。以下将上述实施例中的TFi或/和TFo统称为“燃料电池电堆冷却液温度TF”。
在一个实施例中，热管理控制器3读取第一阈值温度T1、第二阈值温度T2，其中，第一阈值温度T1小于第二阈值温度T2，即T1＜T2。其中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃区间中的一个温度；第二阈值温度T2设定为70℃~75℃区间中的一个温度，即燃料电池电堆1正常工作的最佳温度。
热管理控制器3比较燃料电池电堆冷却液温度TF和第一阈值温度T1。当TF＜T1时，燃料电池热管理系统进入低温启动模式；当TF＞T1时，燃料电池热管理系统进入正常热管理模式。
本发明巧妙的利用磁性材料的磁热效应通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热循环不仅能够实现燃料电池的正常热管理还能够将低温环境中的热量不间断的传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动，与常规热泵及电加热或氢气催化燃烧等预热方式相比耗能较低，能够提高燃料电池汽车车载能源电能和氢能的利用率，从而延长燃料电池的续驶里程。
实施例1，
本发明实施例还提供一种基于磁热流的燃料电池热管理系统的控制方法，如图7所示，该方法通过如下步骤实现：
在步骤500中，热管理控制器3检测通过燃料电池电堆1的冷却液温度TF值；在一个实施例中，热管理控制器3采用TFi和TFo的平均值作为燃料电池电堆1的冷却液温度TF值。然后，比较燃料电池电堆冷却液温度TF和第一阈值温度T1的大小并进入步骤510。
在步骤510中，热管理控制器3检测是否存在TF＜T1的情况，是则进入步骤511，否则进入步骤520。
在步骤511中，热管理控制器3分别启动水泵201和气泵210和三通电磁阀202的任一阀门，然后开始检测磁性颗粒208所处的位置并进入步骤512。
在步骤512中，热管理控制器3如果监测到磁性颗粒208开始进入第一磁质换热器203，则马上进入步骤513；如果监测到磁性颗粒208开始进入第二磁质换热器204，则马上进入步骤516。
在步骤513中，热管理控制器3向脉冲电源219发送命令只分别接通脉冲磁体І211和脉冲磁体Ⅱ212的正向电流和负向电流从而为第一磁质换热器203施加一定强度的磁场，同时开启三通电磁阀202的第一阀门并使第二磁质散热器206的风扇保持关闭状态，如果第一次进入该步骤则确认第一磁质散热器205的风扇为关闭状态，如果是经由步骤518返回至该步骤则确认第一磁质散热器205的风扇为开启状态；此时进入到第一磁质换热器203的磁性颗粒208在磁场的作用下开始释放磁化热并经由冷却液传递给燃料电池电堆1助其升温；然后返回步骤510实时监测TF与T1的大小变化，同时进入步骤514。
在步骤514中，热管理控制器3开始检测磁性颗粒208是否开始进入第二磁质散热器206，是则进入步骤515，否则返回步骤513使第二磁质散热器206的风扇继续保持关闭状态。
在步骤515中，热管理控制器3开启第二磁质散热器206的风扇以加速进入到第二磁质散热器206中的磁性颗粒208在退磁过程向外界环境的释冷速率以快速恢复至环境温度，在此过程中关闭或确认第一磁质散热器205的风扇处于关闭状态；然后返回步骤512实时监测磁性颗粒所处位置。
在步骤516中，热管理控制器3向脉冲电源219发送命令只分别接通脉冲磁体Ⅲ213和脉冲磁体Ⅳ214的正向电流和负向电流从而为第二磁质换热器204施加一定强度的磁场，同时开启三通电磁阀202的第二阀门并使第一磁质散热器205的风扇保持关闭状态，如果第一次进入该步骤则确认第二磁质散热器206的风扇为关闭状态，如果是经由步骤515返回至该步骤则确认第二磁质散热器206的风扇为开启状态；此时进入到第二磁质换热器204的磁性颗粒208在磁场的作用下开始释放磁化热并经由冷却液传递给燃料电池电堆1助其升温；然后返回步骤510实时监测TF与T1的大小变化，同时进入步骤517。
在步骤517中，热管理控制器3开始检测磁性颗粒208是否开始进入第一磁质散热器205，是则进入步骤518，否则返回步骤516使第一磁质散热器205的风扇继续保持关闭状态。
在步骤518中，热管理控制器3开启第一磁质散热器205的风扇以加速进入到第一磁质散热器205中的磁性颗粒208在退磁过程向外界环境的释冷速率以快速恢复至环境温度，在此过程中关闭或确认第二磁质散热器206的风扇处于关闭状态；然后返回步骤512实时监测磁性颗粒所处位置。
在步骤520中，热管理控制器3检测是否存在TF≥T2的情况，是则进入步骤521，否则进入步骤530。
在步骤521中，热管理控制器3分别启动水泵201和气泵210和三通电磁阀202的任一阀门，然后开始检测磁性颗粒208所处的位置并进入步骤522。
在步骤522中，热管理控制器3如果监测到磁性颗粒208开始进入第一磁质散热器205，则马上进入步骤523；如果监测到磁性颗粒208开始进入第二磁质散热器206，则马上进入步骤526。
在步骤523中，热管理控制器3向脉冲电源219发送命令只分别接通脉冲磁体Ⅴ215和脉冲磁体Ⅵ216的正向电流和负向电流从而为第一磁质散热器205施加一定强度的磁场，同时开启第一磁质散热器205的风扇并关闭或确认第二磁质散热器206的风扇处于关闭状态，且维持三通电磁阀202的开启现状；此时进入到第一磁质散热器205的磁性颗粒208在磁场的作用下开始磁化放热并在风扇的辅助下将磁化热迅速释放到环境中从而恢复至环境温度；然后进入步骤524。
在步骤524中，热管理控制器3开始检测磁性颗粒208是否开始进入第一磁质换热器203，是则进入步骤525，否则返回步骤523继续维持三通电磁阀202的开启现状。
在步骤525中，热管理控制器3开启或确认三通电磁阀202的第一阀门处于开启状态，此时进入到第一磁质换热器203的磁性颗粒208开始退磁释冷并通过与冷却液的热交换为正在工作中的燃料电池进行降温；热管理控制器3通过PWM调控机制控制水泵、气泵及风扇电机来调控燃料电池的工作温度，然后返回步骤520实时监测TF与T2的大小变化，同时返回步骤522实时监测磁性颗粒所处位置。
在步骤526中，热管理控制器3向脉冲电源219发送命令只分别接通脉冲磁体Ⅶ217和脉冲磁体Ⅷ218的正向电流和负向电流从而为第二磁质散热器206施加一定强度的磁场，同时开启第二磁质散热器206的风扇并关闭或确认第一磁质散热器205的风扇处于关闭状态，且维持三通电磁阀202的开启现状；此时进入到第二磁质散热器206的磁性颗粒208在磁场的作用下开始磁化放热并在风扇的辅助下将磁化热迅速释放到环境中从而恢复至环境温度；然后进入步骤527。
在步骤527中，热管理控制器3开始检测磁性颗粒208是否开始进入第二磁质换热器204，是则进入步骤528，否则返回步骤526继续维持三通电磁阀202的开启现状。
在步骤528中，热管理控制器3开启或确认三通电磁阀202的第二阀门处于开启状态，此时进入到第二磁质换热器204的磁性颗粒208开始退磁释冷并通过与冷却液的热交换为正在工作中的燃料电池进行降温；热管理控制器3通过PWM调控机制控制水泵、气泵及风扇电机来调控燃料电池的工作温度，然后返回步骤520实时监测TF与T2的大小变化，同时返回步骤522实时监测磁性颗粒所处位置。
在步骤530中，热管理控制器3只开启水泵201和三通电磁阀202的任一阀门，而使气泵210、脉冲电源219以及第一磁质散热器205和第二磁质散热器206的风扇处于关闭状态。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：它包括燃料电池电堆（1）、燃料电池热管理单元（2）和热管理控制器（3）；热管理控制器（3）与燃料电池热管理单元（2）电性连接，燃料电池热管理单元（2）的冷却回路与燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧连通，位于冷却回路中设置有四边形磁质通道，四边形磁质通道的内外侧设置有脉冲磁体组，脉冲磁体组与脉冲电源（219）电性连接；
其控制方法包括如下步骤：
S1，当燃料电池在低于0℃的环境下需要低温启动，且热管理控制器（3）监测到燃料电池电堆（1）冷却液温度TF小于第一阈值温度T1时，水泵（201）和气泵（210）启动；此步骤中，第一阈值温度T1设定为-4℃~0℃之间；
S1-1，水泵（201）驱动燃料电池电堆（1）的冷却液沿三通电磁阀（202）、第一磁质换热器（203）返回至燃料电池电堆（1）内；
S1-2，气泵（210）驱动第一磁质散热器（205）内的磁性颗粒（208）沿、第一磁质换热器（203）、第二磁质散热器（206）、第二磁质换热器（204）循环流动；
S1-3，脉冲磁体І（211）和脉冲磁体Ⅱ（212）作用于第一磁质换热器（203）上形成磁场，当磁性颗粒（208）流经第一磁质换热器（203）时形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其预热；
S1-4，当磁性颗粒（208）流经第二磁质散热器（206）时，磁性颗粒（208）开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S2，三通电磁阀（202）导通第二磁质换热器（204），冷却液沿三通电磁阀（202）、第二磁质换热器（204）返回至燃料电池电堆（1）内；
S2-1，脉冲磁体Ⅲ（213）和脉冲磁体Ⅳ（214）作用于第二磁质换热器（204）上形成磁场，当磁性颗粒（208）流经第二磁质换热器（204）时再次形成磁化放热，冷却液吸收磁化热传递给燃料电池电堆（1）为其预热；
S2-2，脉冲磁体Ⅴ（215）和脉冲磁体Ⅵ（216）作用于第一磁质散热器（205）上形成磁场，当磁性颗粒（208）流经第一磁质散热器（205）时，磁性颗粒（208）开始退磁并吸收外界环境中热量恢复至环境温度；
S3，依次重复S1和S2对燃料电池电堆（1）进行不间断的预热，并实时监测TF与T1的大小变化；当TF＞T1时，燃料电池开始启动，第一磁质散热器（205）和第二磁质散热器（206）关闭，待磁性颗粒（208）完全进入第二磁质换热器（204）后关闭气泵（210）；
S4，当冷却液温度TF大于第二阈值温度T2时，气泵（210）驱动第二磁质换热器（204）内的磁性颗粒（208）沿、第一磁质散热器（205）、第一磁质换热器（203）、第二磁质散热器（206）循环流动；此步骤中，第二阈值温度T2设定为70℃~75℃之间；
S4-1，脉冲磁体Ⅴ（215）和脉冲磁体Ⅵ（216）作用于第一磁质散热器（205）上形成磁场，当磁性颗粒（208）流经第一磁质散热器（205）时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S4-2，当磁化后的磁性颗粒（208）进入到第一磁质换热器（203）时，三通电磁阀（202）导通第一磁质换热器（203），磁性颗粒（208）开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆（1）工作时的降温；
S5，脉冲磁体Ⅶ（217）和脉冲磁体Ⅷ（218）作用于第二磁质散热器（206）上形成磁场，完成退磁的磁性颗粒（208）进入第二磁质散热器（206）时形成磁化放热，磁化过程产生的热量在风扇的辅助下释放到环境中；
S5-1，三通电磁阀（202）导通第二磁质换热器（204），冷却液沿三通电磁阀（202）、第二磁质换热器（204）返回至燃料电池电堆（1）内；
S5-2，当磁化后的磁性颗粒（208）进入到第二磁质换热器（204）时，磁性颗粒（208）开始退磁并持续吸收冷却液中的热量，降低燃料电池电堆（1）工作时的降温；
S6，依次重复S4→S5→S4进行循环，并通过PWM控制机制控制调整水泵（201）、气泵（210）、第一磁质散热器（205）和第二磁质散热器（206）转速，从而控制燃料电池电堆（1）的工作温度。
2.根据权利要求1所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述四边形磁质通道包括换热器和散热器；换热器的第一磁质换热器（203）和第二磁质换热器（204）分别与散热器的第一磁质散热器（205）和第二磁质散热器（206）连通，形成封闭的四边形磁质环形回路。
3.根据权利要求2所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述换热器包括磁质换热器外壳（21）内的冷却液管（23），以及轴向穿过磁质换热器外壳（21）和冷却液管（23）的磁质热交换管（24），保温层（22）位于磁质换热器外壳（21）内壁与冷却液管（23）外壁之间，冷却液管（23）的两端分别设置出液口和进液口。
4.根据权利要求2所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述第一磁质换热器（203）和第二磁质换热器（204）的出液口相互连通，并接入燃料电池电堆（1）的进液口侧；第一磁质换热器（203）和第二磁质换热器（204）的进液口相互连通，位于该连通的管路中设置有三通电磁阀（202），三通电磁阀（202）引出的支路与燃料电池电堆（1）的出液口侧连通，位于该支路中设置水泵（201），形成冷却回路。
5.根据权利要求4所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述冷却回路中靠近燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧分别设置第一温度传感器（220）和第二温度传感器（211）。
6.根据权利要求2所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述第一磁质散热器（205）的管道内充填磁性颗粒（208），第一磁质散热器（205）的下端设置高弹性膜（209），位于高弹性膜（209）下部设置气泵（210）。
7.根据权利要求1所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述脉冲磁体组包括位于第一磁质换热器（203）外侧和内侧的脉冲磁体І（211）和脉冲磁体Ⅱ（212）、位于第二磁质换热器（204）外侧和内侧的脉冲磁体Ⅲ（213）和脉冲磁体Ⅳ（214）、位于第一磁质散热器（205）外侧和内侧的脉冲磁体Ⅴ（215）和脉冲磁体Ⅵ（216），以及位于第二磁质散热器（206）外侧和内侧的脉冲磁体Ⅶ（217）和脉冲磁体Ⅷ（218）。
8.根据权利要求3所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述磁质热交换管（24）上沿轴线设置呈放射状的翅片（25）与冷却液管（23）接触。
9.根据权利要求1所述的基于磁热流的燃料电池热管理系统，其特征是：所述热管理控制器（3）接收温度信号并发送指令控制水泵（201）、气泵（210）、第一磁质散热器（205）和第二磁质散热器（206）的转速，以及控制脉冲磁体组的断通为换热器和散热器提供磁场。
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