CN114347867A - 一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法，系统包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，电机循环回路与电池组循环回路独立布置；燃料电池循环回路连接有第一换热器，第一换热器还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器，热泵循环回路与电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器。在满足各部件热管理需求的前提下，最大程度利用电池、电机运行过程产生的废热，解决低温环境中燃料电池的冷启动等问题。

Description

一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池插电式混合动力汽车技术领域，特别是涉及一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法。

背景技术

根据国内外现有的研究基础及市场情况可以看出，尽管纯电动汽车是大部分国家和地区推广普及的重心，但插电式混合动力电动车仍以其良好的续航性能和较好的压缩成本潜力得到了众多研究机构和整车企业的认可与投入，而采用燃料电池作为增程器的插电式混合动力汽车既满足纯电动汽车零排放的要求，同时又能满足对于车辆续航里程的要求，逐渐成为了各整车生产企业今后的主要技术路线和开发方向之一。

燃料电池具有高效率、无污染、低噪声以及便携性好等优点，在汽车领域和电源等领域得到了大规模的应用。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为氢燃料电池中的典型代表，工作温度低，响应性好，原料来源广，但存在成本高，动态响应慢，不能回收电能等缺点，因此将燃料电池和动力电池串联，构成搭载燃料电池插电式混合动力系统的电动车，从而充分发挥燃料电池和动力电池的各自优势。

燃料电池的启动问题在行业发展中一直没有得到较好的解决，当燃料电池启动温度在0℃及以下时，其反应生成的水可能结冰覆盖反应气体流道、催化层和膜电极，阻碍电化学反应的进行。同时电极结冰，其体积发生膨胀，损坏电极结构，进一步降低燃料电池性能。燃料电池冷启动采用较多的手段是利用外部液体加热，使燃料电池工作在较为合适的温度区间，但通常加热效率较低，耗费电能较多。同时，较低温度的气体进入燃料电池发生反应，会一定程度上影响燃料电池的效率，因此也需要对燃料电池气路进行加热或者预加热。

电动汽车乘员舱低温制热一般采用PTC制热系统，尽管可靠性较高，但是制热效率不高，制热系数较低，导致耗能巨大，消耗大量电能。采用热泵空调系统可以通过逆卡诺循环实现乘员舱制冷，制热一体的功能，制热效率更高，其COP超过2.0，能够极大程度上降低系统消耗的电能。但是热泵空调系统也面临一些突出的技术难题，主要是当环境温度降低时，系统的制热COP值会显著下降，同时因为换热器结霜等问题，不能持续高效稳定运行，仍需要PTC进行辅热，增加电能的消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池汽车热管理系统，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种燃料电池汽车热管理系统，包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；所述燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，所述电机循环回路与电池组循环回路独立布置；所述燃料电池循环回路连接有第一换热器，所述第一换热器还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；所述热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器，所述热泵循环回路与燃料电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器。

优选的，所述燃料电池循环回路包括燃料电池循环主回路、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环第三支路；所述燃料电池循环主回路包括依次连接的电堆、一号PTC加热装置、四号三通阀、二号散热器、五号三通阀、二号三通阀、三号水泵、三号三通阀；所述燃料电池循环第一支路包括连接在所述一号PTC加热装置和二号三通阀之间的第一换热器和三号截止阀；所述燃料电池循环第二支路包括连接在所述一号PTC加热装置和二号三通阀之间的且依次布置的第二换热器、四号三通阀和五号三通阀；所述燃料电池循环第三支路包括连接在所述三号三通阀和二号三通阀之间的且依次布置的相变换热器、四号三通阀、第一换热器和三号截止阀。

优选的，所述电机循环回路包括电机循环主回路、电机循环第一支路和电机循环第二支路，所述电机循环主回路包括依次连接成回路的一号水泵、一号三通阀、一号散热器、电机控制器和电机；所述电机循环第一支路包括连接在所述一号三通阀和电机控制器之间的二号截止阀和第一换热器；所述电机循环第二支路包括连接在一号三通阀和电机控制器之间的一号截止阀和第三换热器。

优选的，所述电池组循环回路包括依次连接成回路的二号水泵、六号三通阀、二号PTC加热装置和电池包，所述第一换热器连接在六号三通阀和电池包之间。

优选的，所述热泵循环回路包括热泵循环主回路和热泵循环主支路；所述热泵循环主回路包括四通阀，所述四通阀的两端之间依次连接有四号截止阀、五号截止阀、干燥器和压缩机，所述四通阀的另外两端之间依次连接有七号三通阀、冷凝器、三号电子膨胀阀和蒸发器，所述蒸发器外侧设置有风侧PTC，所述七号三通阀连接有四号电子膨胀阀，所述四号电子膨胀阀的另外一侧与冷凝器背离所述七号三通阀的一端连通；所述热泵循环主支路包括连接在四号截止阀和五号截止阀之间管路上的三通换向阀，所述三通换向阀与干燥器之间连接有第三换热器与二号电子膨胀阀，所述三通换向阀与四通阀之间连接有第二换热器与一号电子膨胀阀。

优选的，所述氢气循环回路包括氢气送料管和氢气回料管，所述氢气送料管的一端与电堆连通，所述氢气送料管的另一端连通有氢瓶，所述氢气送料管贯穿所述相变换热器且与之进行热交换；所述氢气回料管的一端与电堆连通，所述氢气回料管的另一端与氢瓶出料口连通，所述氢气回料管上设置有氢气循环泵；所述电堆还连接有氧气进料管，所述氧气进料管上依次设置有空气压缩机和空气滤清器。

一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：动力电池启动后，判断燃料电池是否启动；

步骤二：当燃料电池需要启动，启动前，检测燃料电池的温度，根据检测到的燃料电池温度选择合适的启动方式；

步骤三：燃料电池启动后，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷、判断电机循环回路是否需要散热以及判断燃料电池循环回路是否需要散热；是，则进行供热；

步骤四：当燃料电池不启动时，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷以及判断电机循环回路是否需要散热；是，则进行供热。

优选的，步骤三中，乘员舱进行供热时，判断环境温度是否大于T₀温度：

是，进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热后，判断燃料电池温度是否大于T₁温度：否，继续进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热；是，则进行环境热源、电机循环回路、燃料电池循环回路三热源热泵循环回路加热；

否，则进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热，判断燃料电池温度是否大于设定温度：否，则继续进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热；是，则进行电机循环回路、燃料电池循环回路双热源热泵循环回路加热。

优选的，步骤三中，判断乘员舱是否需要制冷，需要则通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过电机循环回路中的一号散热器散热；判断燃料电池循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷燃料电池循环回路；

步骤四中，判断乘员舱是否需要制冷，是，通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷电机循环回路。

优选的，步骤三中，判断燃料电池是否冷启动：否，燃料电池正常启动；是，则判断燃料电池是否快速冷启动：是，燃料电池快速冷启动循环；否，则燃料电池常规冷启动循环；若燃料电池冷启动则还需判断乘员舱是否需要供热：是，则开启热泵循环回路中的风侧PTC加热乘员舱。

本发明公开了以下技术效果：在燃料电池冷启动，尤其是低温冷启动时，可以充分利用电机循环回路和电池循环回路产生的废热，根据系统的需要选择常规或快速启动燃料电池；常规冷启动时，可以通过上述两回路产生的废热用较长的时间将燃料电池加热至正常的工作温度区间，快速冷启动时，可以通过控制PTC加热装置开始工作，与上述两回路产生的废热一同加热燃料电池回路，一方面减少开启PTC加热装置所消耗的电能，另一方面，减少开启散热器所消耗的电能。

在燃料电池即将开始冷启动前，可以利用换热器和相变换热器，将电机循环回路和电池循环回路产生的废热储存在相变换热器中，对进入电堆的氢气进行加热，提高燃料电池的效率。

在乘员舱有加热需求的前提下，燃料电池系统未启动时，可以利用电机循环回路产生的废热加热乘员舱，当燃料电池启动后，可以利用电机循环回路和燃料电池循环回路产生的废热组成双热源或多热源热泵循环回路，充分利用上述两循环产生的废热，改善了普通单一环境热源热泵在严寒下制热效率下降、性能不高的缺点，提高了热泵空调的使用范围，还能减少散热器和风侧PTC加热装置所消耗的电能，达到节能的效果，提升低温续驶里程。

在热泵循环系统处于制冷工况时，可以通过换热器对燃料电池循环回路进行冷却，减少电能的消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为燃料电池汽车热管理系统总布置结构示意图。

图2为燃料电池汽车热管理系统氢气循环回路示意图。

图3为燃料电池汽车热管理系统乘员舱制热示意图。

图4为燃料电池汽车热管理系统乘员舱及燃料电池制冷示意图。

图5为燃料电池汽车热管理系统控制流程示意图。

图6为图5中A的局部放大图。

图7为图5中B的局部放大图。

其中，1为一号水泵；2为电机；3为电机控制器；4为一号散热器；5为一号三通阀；6为一号截止阀；7为二号截止阀；8为第一换热器；9为三号截止阀；10为二号水泵；11为电池包；12为二号三通阀；13为三号水泵；14为三号三通阀；15为电堆；16为一号PTC加热装置；17为四号三通阀；18为五号三通阀；19为相变换热器；20为二号散热器；21为第二换热器；22为一号电子膨胀阀；23为三通换向阀；24为第三换热器；25为二号电子膨胀阀；26为干燥器；27为压缩机；28为四通阀；29为冷凝器；30为三号电子膨胀阀；31为蒸发器；32为风侧PTC；33为四号截止阀；34为六号三通阀；35为二号PTC加热装置；36为空气压缩机；37为空气滤清器；38为氢瓶；39为氢气循环泵；40为七号三通阀；41为四号电子膨胀阀；42为五号截止阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-7，本发明提供了一种燃料电池汽车热管理系统，包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，电机循环回路与电池组循环回路独立布置；燃料电池循环回路连接有第一换热器8，第一换热器8还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器24，热泵循环回路与燃料电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器21。第一换热器8可以将燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路三组回路中的热量进行传递，第二换热器21可以将热泵循环回路与燃料电池循环回路中的热量进行传递，第三换热器24可以将热泵循环回路与电机循环回路中的热量进行传递。

燃料电池循环回路包括燃料电池循环主回路、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环第三支路；燃料电池循环主回路是燃料电池自循环回路，燃料电池循环主回路包括依次连接的电堆15、一号PTC加热装置16、四号三通阀17、二号散热器20、五号三通阀18、二号三通阀12、三号水泵13、三号三通阀14；燃料电池循环第一支路主要是通过第一换热器8吸收电机循环回路和电池组循环回路中产生的废热，用于燃料电池预热或者加热，燃料电池循环第一支路包括连接在一号PTC加热装置16和二号三通阀12之间的第一换热器8和三号截止阀9；燃料电池循环第二支路主要通过第二换热器21实现燃料电池循环回路与热泵循环回路实现热交换，燃料电池循环第二支路包括连接在一号PTC加热装置16和二号三通阀12之间的且依次布置的第二换热器21、四号三通阀17和五号三通阀18；燃料电池循环第三支路是将电机循环回路、电池组循环回路产生的废热通过相变换热器储存热量，燃料电池循环第三支路包括连接在三号三通阀14和二号三通阀12之间的且依次布置的相变换热器19、四号三通阀17、第一换热器8和三号截止阀9。

电机循环回路包括电机循环主回路、电机循环第一支路和电机循环第二支路。电机循环主回路为电机自循环回路，电机循环主回路包括依次连接成回路的一号水泵1、一号三通阀5、一号散热器4、电机控制器3和电机2；电机循环第一支路主要将电机2产生的废热交换至第一换热器8中，电机循环第一支路包括连接在一号三通阀5和电机控制器3之间的二号截止阀7和第一换热器8；电机循环第二支路是将电机2产生废热交换至第三换热器24，电机循环第二支路包括连接在一号三通阀5和电机控制器3之间的一号截止阀6和第三换热器24。

电池组循环回路包括依次连接成回路的二号水泵10、六号三通阀34、二号PTC加热装置35和电池包11，第一换热器8连接在六号三通阀34和电池包11之间，可以通过二号PTC加热装置35对电池包11进行加热，且可以通过支路将电池组产生的废热交换至第一换热器8中。

热泵循环回路包括热泵循环主回路和热泵循环主支路；热泵循环主回路包括四通阀28，四通阀28的两端之间依次连接有四号截止阀33、五号截止阀42、干燥器26和压缩机27，四通阀28的另外两端之间依次连接有七号三通阀40、冷凝器29、三号电子膨胀阀30和蒸发器31，蒸发器31外侧设置有风侧PTC32，七号三通阀40连接有四号电子膨胀阀41，四号电子膨胀阀41的另外一侧与冷凝器29背离七号三通阀40的一端连通；可以通过热泵循环主回路对乘员舱内进行加热或者制冷；热泵循环主支路包括连接在四号截止阀33和五号截止阀42之间管路上的三通换向阀23，三通换向阀23与干燥器26之间连接有第三换热器24与二号电子膨胀阀25，三通换向阀23与四通阀28之间连接有第二换热器21与一号电子膨胀阀22，可以单独将电机循环回路中的废热通过第一换热器8传递到热泵循环回路中，也可以同时通过第三换热器24和第二换热器21使热泵循环回路与电机循环回路、燃料电池循环回路进行换热。

氢气循环回路包括氢气送料管和氢气回料管，氢气送料管的一端与电堆15连通，氢气送料管的另一端连通有氢瓶38，氢气送料管贯穿相变换热器19且与之进行热交换；氢气回料管的一端与电堆15连通，氢气回料管的另一端与氢瓶38出料口连通，氢气回料管上设置有氢气循环泵39；电堆15还连接有氧气进料管，氧气进料管上依次设置有空气压缩机36和空气滤清器37。氢气送料管是将氢气通入电堆中，相变换热器19在低温环境中对氢气进行加热或者预加热，再通至电堆15中进行反应；未反应的氢气经由氢气回料管和氢气循环泵39重新回到氢气循环回路中。燃料电池未启动前，根据电机2与电池包11工作情况，开启燃料电池循环第三支路，同时相变换热器19开始工作，进行储热，准备对氢气送料管进行加热。

一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在行驶过程中，根据电池剩余电量，且动力电池启动后，判断燃料电池是否启动；

步骤二：当燃料电池需要启动，启动前，检测燃料电池的温度，判断燃料电池是否冷启动：否，燃料电池正常启动；是，则判断燃料电池是否快速冷启动：是，燃料电池快速冷启动循环；否，则燃料电池常规冷启动循环；若燃料电池冷启动则还需判断乘员舱是否需要供热：是，则开启热泵循环回路中的风侧PTC32加热乘员舱；

步骤三：燃料电池正常启动、燃料电池快速冷启动循环以及燃料电池常规冷启动循环后，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷、判断电机循环回路是否需要散热以及判断燃料电池循环回路是否需要散热；是，则进行供热；

步骤三中，乘员舱进行供热时，判断环境温度是否大于T₀温度：

是，进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热后，判断燃料电池温度是否大于T₁温度度：否，继续进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热；是，则进行环境热源、电机循环回路、燃料电池循环回路三热源热泵循环回路加热；

否，则进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热，判断燃料电池温度是否大于T₁温度：否，则继续进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热；是，则进行电机循环回路、燃料电池循环回路双热源热泵循环回路加热。在该过程中可以辅助其他手段进行加热，比如直接进行电加热。T₀温度为热泵循环回路能够从环境中获取能量的最低环境温度；T₁温度为燃料电池正常燃烧且能产生多余热量时的燃料电池温度。

步骤三中，判断乘员舱是否需要制冷，需要,则通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要,则通过电机循环回路中的一号散热器4散热；判断燃料电池循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷燃料电池循环回路；

步骤四：当燃料电池不启动时，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷以及判断电机循环回路是否需要散热；是，则进行供热。

步骤四中，判断乘员舱是否需要制冷，是，通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷电机循环回路。

步骤四中，当需要进行供热时，判断环境温度是否大于T₀温度：

是，进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热；

否，则进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热。

燃料电池进行快速冷启动时，基于模糊神经网络的参数自整定PID控制器作为水泵转速控制系统的转速调节器，对于三号水泵13转速进行协调控制，具体如下：

建立三号水泵13转速PID控制器，以燃料电池电堆15设定启动温度与实际温度的差值及温度差值的变化率作为模糊控制器的输入，利用模糊神经网络的自学功能找出PID控制器的k_p、k_i、k_d与温差Δt与温度变化率的θ之间的模糊关系，不断检测Δt和θ根据模糊推理对k_p、k_i、k_d进行在线调整，满足不同时刻Δt和θ对控制参数的不同要求，得到输出量三号水泵13的转速；

热泵循环加热乘员舱时，以乘员舱温度和设定温度差值及温度差值变化率作为模糊控制器输入，压缩机27转速作为输出；

鼓风机转速需根据压缩机27制热状态进行控制，由当前压缩机27转速n，估算压缩机27的制热量W：

其中，V是压缩机27排量、q_h是单位制冷量、n是压缩机27转速、λ是输气系数、v是压缩机27进口处的比容；

根据经验公式

计算估算鼓风机所需提供风量；

其中，ρ是空气密度、c是空气定压比热容；t_out、t_in是换热器处空气出口、进口温度；再计算出所需鼓风机转速；以此形成协调控制。

燃料电池常规冷启动循环：第一换热器8将电机循环回路和电池组循环回路中产生的废热进行传递到燃料电池循环回路中：

燃料电池循环回路中，调整二号三通阀12使二号三通阀12与三号截止阀9连通，保持一号截止阀6关闭，二号截止阀7，三号截止阀9开启，调整一号三通阀5使其与二号截止7阀连通；调整三号三通阀14使其连通三号水泵13和电堆15；保持一号PTC加热装置16处于不工作的状态；依次连接的电堆15、一号PTC加热装置16、第一换热器8、三号截止阀9、二号三通阀12、三号水泵13、三号三通阀14组成燃料电池的常规冷启动回路；

电机循环回路中，调整一号三通阀5使其与二号截止阀7连通，保持一号截止阀6关闭，冷却液流经电机2和电机控制器3形成高温冷却液，流经一号三通阀5、二号截止阀7进入第一换热器8，在第一换热器8中高温冷却液加热燃料电池循环回路中的冷却液，随后电机循环回路中低温冷却液在此流经电机控制器3和电机2吸收热量，完成循环；同理，调整电池组回路里的六号三通阀34，使电池组循环回路中的冷却液经由电池包11加热，变成高温冷却液，再进入一号换热器8加热燃料电池循环回路中的冷却液。

燃料电池快速冷启动循环为：第一换热器8将电机循环回路和电池组循环回路中产生的废热进行传递到燃料电池循环回路中，且一号PTC加热装置16对燃料电池循环回路进行加热；在此工况下，防止燃料电池冷启动循环回路温度高于电机循环回路，需要分别观测两回路冷却液温度；T₁为电机循环回路冷却液，T₂为燃料电池循环回路中冷却液的温度，当T₁大于T₂时，电机循环回路和电池组循环回路废热与燃料电池循环回路中的一号PTC加热装置16一同加热燃料电池回路中的冷却液，当T₁小于T₂时，调整二号三通阀12使其连通五号三通阀18，关闭三号截止阀，冷却液经由四号三通阀17、一号PTC加热装置16，加热电堆15，即由燃料电池循环回路中的一号PTC加热装置16单独加热燃料电池回路中的冷却液。

电池组循环回路加热循环功能与电机循环回路散热循环功能：

当电池组温度较低有加热需求时，调整六号三通阀34的流向使其连通二号PTC加热装置35冷却液入口，冷却液流经二号水泵10、六号三通阀34、二号PTC加热装置35、电池包11循环回路，二号PTC加热装置35启动工作，高温冷却液进入电池包11，时其温度升高，加热至合适的工作温度。

当电机温度较高且暂时无需与其他回路进行换热，则开启电机循环回路散热循环功能，调整一号三通阀5的流向，使其连通一号散热器4冷却液经过连接成回路的一号水泵1、一号三通阀5、一号散热器4、电机控制器3、电机2，将电机2和电机控制器3的热量通过一号散热器4散发，保证其工作在合适的温度区间内。

通过储热装置实现利用废热储存，并加热即将进入电堆的氢气；

在燃料电池未启动时，调整三号三通阀14使其连通相变换热器19，冷却液经过第一换热器后变为高温冷却液，流经三号截止阀9、二号三通阀12、三号水泵13、三号三通阀14、相变换热器19、四号三通阀17，调整四号三通阀17使冷却液流向第一换热器8，实现将电机循环回路和电池组循环回路的废热存储在相变换热器19中。

在低温环境中，将电堆15加热至合适的工作温度时，进入电堆的气体温度较低，会一定程度上影响电堆的效率，因此提高反应气体的温度也是十分有必要的；氧气在经过空气压缩机后，温度较高，无需加热氧气；氢气从氢气瓶38流出后，进入相变换热器19中，利用其存储的热量升温，之后进入电堆15中进行反应，残流未反应的氢气再经过氢气循环泵39进入氢气循环回路中，继续循环；

利用电机循环回路和燃料电池循环回路产生的废热加热乘员舱：

热泵循环回路中，使四通阀1通道、4通道连通，保持三号电子膨胀阀30、四号截止阀33、五号截止阀42开启，一号电子膨胀阀22、四号电子膨胀阀41关闭，调整七号三通阀40连通冷凝器29和四通阀28；依次连接的压缩机27、四通阀28(1通道)、蒸发器31、三号电子膨胀阀30、冷凝器29、七号三通阀40、四通阀28(4通道)、四号截止阀33、五号截止阀42、干燥器26组成环境热源热泵循环加热乘员舱。

制冷剂经压缩机1形成高温高压的制冷剂，然后通过四通阀28(1通道)进入蒸发器31，将热量释放给乘员舱，然后经三号电子膨胀阀30进入冷凝器29，吸收环境的热量，通过七号三通阀40、四通阀28(4通道)、四号截止阀33、五号截止阀42后重新回到空气压缩机36，组成环境热源热泵循环加热乘员舱。

当燃料电池未启动时，电机循环回路的冷却液温度较高，则关闭二号截止阀7，开启一号截止阀6，调整一号三通阀5，使冷却液流向一号截止阀6，进入第三换热器24，交换热量，加热热泵循环回路中的制冷剂；热泵循环回路中五号截止阀42关闭，二号电子膨胀阀25开启，调整三通换向阀23，使其连通四号截止阀33和第三换热器24，依次连接的压缩机27、四通阀28(1通道)、蒸发器31、三号电子膨胀阀30、冷凝器29、七号三通阀40、四通阀28(4通道)、四号截止阀33、三通换向阀23、第三换热器24、二号电子膨胀阀25、干燥器26组成环境热源电机双热源热泵循环加热乘员舱；

燃料电池启动后，电机循环回路和燃料电池循环回路的冷却液温度较高，则调整五号三通阀18，使冷却液流向四号三通阀17；调整四号三通阀17，使冷却液流向第二换热器21，交换热量，加热热泵循环回路中的制冷剂；热泵循环回路中四号截止阀33关闭，一号电子膨胀阀22开启，调整三通换向阀23，使其连通一号电子膨胀阀22和第三换热器24；依次连接的压缩机27、四通阀28(1通道)、蒸发器31、三号电子膨胀阀30、冷凝器29、七号三通阀40、四通阀28(4通道)、第二换热器21、一号电子膨胀阀22、三通换向阀23、第三换热器24、二号电子膨胀阀25、干燥器26组成环境热源、电机、燃料电池三热源热泵循环加热乘员舱；

利用电机循环回路和燃料电池循环回路产生的废热形成单双热源热泵循环加热乘员舱：

当环境温度过低时，环境热源加热乘员舱的效率较低，浪费能源，从节能的角度出发，则不使用环境热源加热乘员舱，而采用电机单热源热泵循环回路或者电机、燃料电池双热源热泵循环回路加热乘员舱；调整七号三通阀40使其连通四通阀28(4通道)和四号电子膨胀阀41，经过蒸发器31的制冷剂经由四号电子膨胀阀41、四通阀28(4通道)进入第二换热器21吸收热量，进行循环；

风侧PTC加热乘员舱：

在蒸发器31侧装有风侧PTC32，当环境温度较低，环境热源加热乘员舱的效率较低，且燃料电池处于冷启动期间，只能通过风侧PTC32加热乘员舱；在以上实力中，当热泵系统加热乘员舱功率不足时，启动风侧PTC32辅助加热乘员舱。

热泵循环回路制冷乘员舱以及在燃料电池启动之后，利用热泵循环回路制冷燃料电池回路。

热泵循环回路中，使四通阀2，3通道连通，保持三号电子膨胀阀30、四号截止阀33、五号截止阀42开启，一号电子膨胀阀22、四号电子膨胀阀41关闭，调整七号三通阀40连通冷凝器29和四通阀28；依次连接的压缩机27、四通阀28(2通道)、七号三通阀40、冷凝器29、三号电子膨胀阀30、蒸发器31、四通阀28(3通道)、四号截止阀33、五号截止阀42、干燥器26组成环境热源热泵循环制冷乘员舱；

在燃料电池启动后，燃料电池循环回路冷却液温度较高，有冷却需求时，则关闭四号截止阀33，开启一号电子膨胀阀22，调整三通换向阀23使其连通一号电子膨胀阀22和五号截止阀42，依次连接的压缩机27、四通阀28(2通道)、七号三通阀40、冷凝器29、三号电子膨胀阀30、蒸发器31、四通阀28(3通道)、第二换热器21、一号电子膨胀阀22、三通换向阀23、五号截止阀42、干燥器26可以对燃料电池循环回路进行制冷，保证电堆工作在适宜的温度区间内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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发明，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发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；所述燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，所述电机循环回路与电池组循环回路独立布置；所述燃料电池循环回路连接有第一换热器(8)，所述第一换热器(8)还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；所述热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器(24)，所述热泵循环回路与燃料电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器(21)。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述燃料电池循环回路包括燃料电池循环主回路、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环第三支路；所述燃料电池循环主回路包括依次连接的电堆(15)、一号PTC加热装置(16)、四号三通阀(17)、二号散热器(20)、五号三通阀(18)、二号三通阀(12)、三号水泵(13)、三号三通阀(14)；所述燃料电池循环第一支路包括连接在所述一号PTC加热装置(16)和二号三通阀(12)之间的第一换热器(8)和三号截止阀(9)；所述燃料电池循环第二支路包括连接在所述一号PTC加热装置(16)和二号三通阀(12)之间的且依次布置的第二换热器(21)、四号三通阀(17)和五号三通阀(18)；所述燃料电池循环第三支路包括连接在所述三号三通阀(14)和二号三通阀(12)之间的且依次布置的相变换热器(19)、四号三通阀(17)、第一换热器(8)和三号截止阀(9)。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述电机循环回路包括电机循环主回路、电机循环第一支路和电机循环第二支路，所述电机循环主回路包括依次连接成回路的一号水泵(1)、一号三通阀(5)、一号散热器(4)、电机控制器(3)和电机(2)；所述电机循环第一支路包括连接在所述一号三通阀(5)和电机控制器(3)之间的二号截止阀(7)和第一换热器(8)；所述电机循环第二支路包括连接在一号三通阀(5)和电机控制器(3)之间的一号截止阀(6)和第三换热器(24)。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述电池组循环回路包括依次连接成回路的二号水泵(10)、六号三通阀(34)、二号PTC加热装置(35)和电池包(11)，所述第一换热器(8)连接在六号三通阀(34)和电池包(11)之间。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述热泵循环回路包括热泵循环主回路和热泵循环主支路；所述热泵循环主回路包括四通阀(28)，所述四通阀(28)的两端之间依次连接有四号截止阀(33)、五号截止阀(42)、干燥器(26)和压缩机(27)，所述四通阀(28)的另外两端之间依次连接有七号三通阀(40)、冷凝器(29)、三号电子膨胀阀(30)和蒸发器(31)，所述蒸发器(31)外侧设置有风侧PTC(32)，所述七号三通阀(40)连接有四号电子膨胀阀(41)，所述四号电子膨胀阀(41)的另外一侧与冷凝器(29)背离所述七号三通阀(40)的一端连通；所述热泵循环主支路包括连接在四号截止阀(33)和五号截止阀(42)之间管路上的三通换向阀(23)，所述三通换向阀(23)与干燥器(26)之间连接有第三换热器(24)与二号电子膨胀阀(25)，所述三通换向阀(23)与四通阀(28)之间连接有第二换热器(21)与一号电子膨胀阀(22)。

6.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述氢气循环回路包括氢气送料管和氢气回料管，所述氢气送料管的一端与电堆(15)连通，所述氢气送料管的另一端连通有氢瓶(38)，所述氢气送料管贯穿所述相变换热器(19)且与之进行热交换；所述氢气回料管的一端与电堆(15)连通，所述氢气回料管的另一端与氢瓶(38)出料口连通，所述氢气回料管上设置有氢气循环泵(39)；所述电堆(15)还连接有氧气进料管，所述氧气进料管上依次设置有空气压缩机(36)和空气滤清器(37)。

7.一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，基于权利要求1-6任意一项所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：动力电池启动后，判断燃料电池是否启动；

步骤二：当燃料电池需要启动，启动前，检测燃料电池的温度，根据检测到的燃料电池温度选择合适的启动方式；

步骤三：燃料电池启动后，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷、判断电机循环回路是否需要散热以及判断燃料电池循环回路是否需要散热；是，则进行供热；

步骤四：当燃料电池不启动时，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷以及判断电机循环回路是否需要散热；是，则进行供热。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：步骤三中，乘员舱进行供热时，判断环境温度是否大于T₀温度：

是，进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热后，判断燃料电池温度是否大于T₁温度：否，继续进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热；是，则进行环境热源、电机循环回路、燃料电池循环回路三热源热泵循环回路加热；

否，则进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热，判断燃料电池温度是否大于T₁温度：否，则继续进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热；是，则进行电机循环回路、燃料电池循环回路双热源热泵循环回路加热。

9.根据权利要求7所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：步骤三中，判断乘员舱是否需要制冷，需要则通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过电机循环回路中的一号散热器(4)散热；判断燃料电池循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷燃料电池循环回路；

步骤四中，判断乘员舱是否需要制冷，是，通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过热泵循环回路制冷电机循环回路。

10.根据权利要求7所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于：步骤三中，判断燃料电池是否冷启动：否，燃料电池正常启动；是，则判断燃料电池是否快速冷启动：是，燃料电池快速冷启动循环；否，则燃料电池常规冷启动循环；若燃料电池冷启动则还需判断乘员舱是否需要供热：是，则开启热泵循环回路中的风侧PTC(32)加热乘员舱。

Images