CN114953923B - 一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法 - Google Patents

一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池汽车技术领域，具体提供一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法,包括燃料电池水循环系统、车厢水循环系统、换热器；燃料电池水循环系统通过换热器与车厢水循环系统进行热交换；燃料电池水循环系统包括燃料电池系统,燃料电池系统的出水口通过燃料电池循环第一支路与换热器连接的车厢水循环系统进行热量交换后连接到燃料电池系统的进水口；通过燃料电池循环第二支路连接到燃料电池系统的进水口，将热量传递到空调加热系统用于乘员舱加热；还通过燃料电池循环冷却回路连接到燃料电池系统的进水口。有效解决了冬季物料在车厢冻结问题；另外燃料电池系统废热还用于加热乘员舱，提高了燃料电池系统能量利用率。

Description

一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车技术领域，具体提供一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法。
背景技术
寒冷地区在用自卸车运输含水分的物料（比如沙土、砂石）时，由于温度过低，物料会冻结在车厢中导致卸货难度增加或物料残留，影响车辆运输效率，严重时还会发生翻车危险。
现有技术中基本都通过对车厢加热来解决物料冻结问题，传统的燃油自卸车一般会采用发动机尾气的热量通过不同方式来对车厢加热，纯电动自卸车只能通过消耗自己电量来进行车厢加热，严重影响车辆续航。而随着氢燃料电池技术的发展及对节能环保的要求，越来越多的自卸车采用氢燃料电池作为动力来源。氢燃料电池系统工作温度较高，燃料电池系统工作产生的热量和尾排气中的热量通常直接散发到空气中，造成大量的能量浪费。
发明内容
传统的燃油自卸车一般会采用发动机尾气的热量通过不同方式来对车厢加热，纯电动自卸车只能通过消耗自己电量来进行车厢加热，严重影响车辆续航的问题，本发明提供一种燃料电池自卸车车厢加热系统、控制方法。
本发明的技术方案是：
第一方面，本发明技术方案提供一种燃料电池自卸车车厢加热系统，包括燃料电池水循环系统、车厢水循环系统、换热器；燃料电池水循环系统通过换热器与车厢水循环系统进行热交换；
燃料电池水循环系统包括燃料电池系统、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环冷却回路；
燃料电池系统设置有出水口和进水口；
燃料电池系统的出水口通过燃料电池循环第一支路与换热器连接的车厢水循环系统进行热量交换后连接到燃料电池系统的进水口；
燃料电池系统的出水口通过燃料电池循环第二支路连接到燃料电池系统的进水口，将热量传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
燃料电池系统的出水口还通过燃料电池循环冷却回路连接到燃料电池系统的进水口。
燃料电池自卸车车厢加热系统中，燃料电池系统工作过程中产生的大量废热利用燃料电池水循环第一支路经过换热器传递到车厢水循环系统，起到加热车厢的作用。
燃料电池系统废热和燃料电池系统尾排气热量用于加热车厢，另外燃料电池系统废热还用于加热乘员舱，提高了燃料电池系统能量利用率，提升了整车经济性。
优选地，换热器包括一次侧进水口、出水口、二次侧进水口、出水口；
车厢水循环系统包括循环管路和冷凝器,换热器二次侧出水口通过循环管路经过冷凝器连接到换热器二次侧进水口。
优选地，该系统还包括尾排气管路；
尾排气管路中的尾排气通过冷凝器实现与车厢水循环系统进行热量交换。燃料电池系统产生的尾排气热量利用尾排管路经过冷凝器传递到车厢水循环系统，起到加热车厢的作用。
优选地，燃料电池循环第一支路上设置有第一水阀；
燃料电池系统的出水口通过第一水阀与换热器一次侧进水口连接，换热器一次侧出水口通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接。
第一水阀，用于控制燃料电池循环第一支路的开断及控制水流量；
第一水泵，用于提高燃料电池水循环系统水流量。
燃料电池系统为燃料电池堆；换热器用于燃料电池水循环第一支路与车厢水循环系统热量交换。
优选地，燃料电池循环第二支路上设置有暖风芯体和第二水阀；
燃料电池系统的出水口依次通过暖风芯体和第二水阀通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；
暖风芯体，用于将燃料电池系统的废热传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
第二水阀，用于控制燃料电池循环第二支路的开断及控制水流量。
优选地，燃料电池循环冷却回路上设置有冷却装置；
燃料电池系统的出水口通过冷却装置，然后通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；
冷却装置，用于给燃料电池系统冷却散热。
优选地，车厢水循环系统的循环管路上设有第二水泵；
换热器二次侧出水口通过第二水泵与冷凝器连接；冷凝器用于尾排气热量与车厢水循环系统热量交换。
第二水泵，用于提高车厢水循环系统水流量。
优选地，燃料电池系统的出水口设置有第二温度传感器；
燃料电池系统的进水口设置有第一温度传感器；
该系统还包括热管理控制器；
第一温度传感器、第二温度传感器、第一水泵、第二水泵、冷却装置、第一水阀和第二水阀分别与热管理控制器连接。
另外燃料电池系统工作过程中产生的大量废热利用燃料电池水循环第二支路经过暖风芯体传递到空调加热系统用于乘员舱加热。所述燃料电池系统工作过程中产生的其他未利用的废热通过燃料电池水循环冷却回路进行散热，保证燃料电池系统工作在合适温度区间。燃料电池系统工作过程中产生的其他未利用的废热通过第一温度传感器和第二温度传感器采集温度信息来判断。
第二方面，本发明技术方案还提供一种燃料电池自卸车车厢加热控制方法，包括如下步骤：
根据环境温度进行加热控制，具体包括：
当环境温度低于阈值时，控制打开第一水阀利用换热器通过燃料电池系统的废热来加热车厢水循环系统进而加热整个车厢；同时根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值时，控制第一水阀和第二水泵关闭，根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热。
优选地，根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热的步骤包括：
当环境温度低于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制第一水阀和第二水阀的开度提高水流量增大热交换；
若否，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制冷却装置不工作；
若否，控制冷却装置进行散热；并根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值调整冷却装置的功率，当冷却装置满负荷工作且燃料电池系统出水口温度依然高于正常工作范围值时，控制打开第一水阀和第二水泵通过车厢水循环系统散热，保证燃料电池系统温度在正常工作范围。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明通过对燃料电池系统工作热量和尾排气热量进行回收再利用来对车厢加热，解决冬季车厢物料冻结问题；有效利用了燃料电池系统所产生的废热，提高了能量利用率，避免用电加热车厢而造成续航下降；并且由于将部分燃料电池废热交换给了车厢水循环系统，燃料电池自身冷却装置减少了工作负荷。有效解决了冬季物料在车厢冻结问题；燃料电池系统废热和燃料电池系统尾排气热量用于加热车厢，另外燃料电池系统废热还用于加热乘员舱，提高了燃料电池系统能量利用率；由于燃料电池系统一部分废热会传递到车厢水循环系统和乘员舱，因此减少了燃料电池冷却装置工作负荷，提升了整车经济性。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明一个实施例的系统的连接示意图。
图2是本发明一个实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种燃料电池自卸车车厢加热系统，包括燃料电池水循环系统、车厢水循环系统、换热器7；燃料电池水循环系统通过换热器7与车厢水循环系统进行热交换；
燃料电池水循环系统包括燃料电池系统5、燃料电池循环第一支路1、燃料电池循环第二支路2、燃料电池循环冷却回路3；
燃料电池系统5设置有出水口和进水口；
燃料电池系统5的出水口通过燃料电池循环第一支路1与换热器7连接的车厢水循环系统进行热量交换后连接到燃料电池系统的进水口；
燃料电池系统5的出水口通过燃料电池循环第二支路2连接到燃料电池系统的进水口，将热量传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
燃料电池系统5的出水口还通过燃料电池循环冷却回路3连接到燃料电池系统的进水口。
燃料电池自卸车车厢加热系统中，燃料电池系统工作过程中产生的大量废热利用燃料电池水循环第一支路经过换热器传递到车厢水循环系统，起到加热车厢的作用。
燃料电池系统废热和燃料电池系统尾排气热量用于加热车厢，另外燃料电池系统废热还用于加热乘员舱，提高了燃料电池系统能量利用率，提升了整车经济性。
在有些实施例中，换热器包括一次侧进水口、出水口、二次侧进水口、出水口；在这里，换热器为液液换热器，换热器的一次侧为热流体侧，换热器的二次侧为冷流体侧；
车厢水循环系统包括循环管路和冷凝器,换热器二次侧出水口通过循环管路经过冷凝器12连接到换热器7二次侧进水口。
该系统还包括尾排气管路11；
尾排气管路中的尾排气通过冷凝器实现与车厢水循环系统进行热量交换。燃料电池系统产生的尾排气热量利用尾排管路经过冷凝器传递到车厢水循环系统，起到加热车厢的作用。
在有些实施例中，燃料电池循环第一支路上设置有第一水阀6；
燃料电池系统的出水口通过第一水阀6与换热器7一次侧进水口连接，换热器7一次侧出水口通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接。
第一水阀6，用于控制燃料电池循环第一支路的开断及控制水流量；
第一水泵8，用于提高燃料电池水循环系统水流量。
燃料电池系统为燃料电池堆；换热器用于燃料电池水循环第一支路与车厢水循环系统热量交换。
在有些实施例中，燃料电池循环第二支路2上设置有暖风芯体14和第二水阀15；
燃料电池系统的出水口依次通过暖风芯体14和第二水阀15通过第一水泵8与燃料电池系统的进水口连接；
暖风芯体14，用于将燃料电池系统的废热传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
第二水阀15，用于控制燃料电池循环第二支路2的开断及控制水流量。
在有些实施例中，燃料电池循环冷却回路上设置有冷却装置16；
燃料电池系统的出水口通过冷却装置16，然后通过第一水泵8与燃料电池系统的进水口连接；
冷却装置16，用于给燃料电池系统冷却散热。
燃料电池水循环第二支路2通过暖风芯体实现乘员舱加热；燃料电池水循环冷却回路3配合燃料电池水循环第二支路2和燃料电池水循环第一支路1，协调控制保证燃料电池系统5工作在合理工作温度范围。
在有些实施例中，车厢水循环系统的循环管路上设有第二水泵13；
换热器二次侧出水口通过第二水泵13与冷凝器连接；冷凝器用于尾排气热量与车厢水循环系统热量交换。换热器二次侧出水口通过第二水泵13与冷凝器的冷流体的出口连接。
第二水泵，用于提高车厢水循环系统水流量。
在有些实施例中，燃料电池系统的出水口设置有第二温度传感器10；
燃料电池系统的进水口设置有第一温度传感器9；
该系统还包括热管理控制器；
第一温度传感器9、第二温度传感器10、第一水泵8、第二水泵13、冷却装置16、第一水阀6和第二水阀15分别与热管理控制器连接。
第一温度传感器9用于测量燃料电池系统5入水口温度，第二温度传感器10用于测量燃料电池系统出水口温度；
另外燃料电池系统工作过程中产生的大量废热利用燃料电池水循环第二支路经过暖风芯体传递到空调加热系统用于乘员舱加热。所述燃料电池系统工作过程中产生的其他未利用的废热通过燃料电池水循环冷却回路进行散热，保证燃料电池系统工作在合适温度区间。燃料电池系统工作过程中产生的其他未利用的废热通过第一温度传感器和第二温度传感器采集温度信息来判断。
在冬季低温环境下车厢物料容易冻结，影响运输效率和安全，而燃料电池系统正常工作时需要维持温度在60℃-80℃，因此需要冷却液带走多余的热量，且尾排气中含有大量高温水蒸气，温度也在70℃左右，通过燃料电池系统和尾排气管道对热量回收再利用对车厢加热，解决冬季车厢冻结问题又提高了能源利用率。
如图1所示，燃料电池水循环第一支路1中在燃料电池系统5的出水口设置有第二温度传感器10，在进水口设置有第一温度传感器9，并在回路中连接第一水阀6控制燃料电池水循环第一支路1的水流量，然后连接换热器7的热流体出入口，也就是第一侧的出入口，最后在燃料电池系统5的入水口连接第一水泵8。
如图1燃料电池系统尾排管路11连接冷凝器12的热流体出入口来传递燃料电池尾排气的热量。燃料电池水循环第二支路2中连接暖风芯体14，并在回路中连接第二水阀15控制燃料电池水循环第二支路2的水流量。燃料电池水循环系统冷却回路3中连接燃料电池冷却装置；车厢水循环系统中设置第二水泵13提高水循环系统水流量，并依次连接冷凝器12冷流体出入口和换热器7的冷流体出入口。
当环境温度传感器采集的温度低于阈值时，热管理控制器会打开第一水阀6利用换热器通过燃料电池系统的废热来加热车厢水循环系统进而加热整个车厢；此时的尾排管路中的尾排气热量也会通过冷凝器将热量传递给车厢水循环系统。热管理控制器也会根据空调加热请求控制第二水阀15来调节燃料电池水循环第二支路2的水流量，保证乘员舱的加热请求。此时燃料电池系统的多余废热会通过控制燃料电池冷却装置进行散热，通过采集燃料电池系统出水口和进水口温度传感器的温度值协调燃料电池冷却装置的工作，并在保证燃料电池温度维持正常工作温度范围内的前提下，尽可能的控制第一水阀6和第二水阀15提高水流量增大热交换，减少冷却装置的工作负荷，提高燃料电池系统的能量利用率。
当环境温度传感器采集的温度高于阈值时，此时的车厢并不需要加热，热管理控制器控制第一水阀6和第二水泵13关闭，只响应空调加热的请求，此时根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热，保证燃料电池温度维持正常工作温度范围内。当燃料电池冷却装置满负荷工作且燃料电池系统出水口温度依然高于正常工作温度范围时，打开第一水阀6和第二水泵13，通过车厢水循环系统散走一部分热量，保证燃料电池系统温度维持正常工作温度范围内。
如图2所示，本发明实施例还提供一种燃料电池自卸车车厢加热控制方法，包括如下步骤：
根据环境温度进行加热控制，具体包括：
当环境温度低于阈值时，控制打开第一水阀利用换热器通过燃料电池系统的废热来加热车厢水循环系统进而加热整个车厢；同时根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值时，控制第一水阀和第二水泵关闭，根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热。
需要说明的是，根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热的步骤包括：
当环境温度低于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制第一水阀和第二水阀的开度提高水流量增大热交换；
若否，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制冷却装置不工作；
若否，控制冷却装置进行散热；并根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值调整冷却装置的功率，当冷却装置满负荷工作且燃料电池系统出水口温度依然高于正常工作范围值时，控制打开第一水阀和第二水泵通过车厢水循环系统散热，保证燃料电池系统温度在正常工作范围。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种燃料电池自卸车车厢加热系统，其特征在于，包括燃料电池水循环系统、车厢水循环系统、换热器；燃料电池水循环系统通过换热器与车厢水循环系统进行热交换；
燃料电池水循环系统包括燃料电池系统、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环冷却回路；
燃料电池系统设置有出水口和进水口，燃料电池系统的出水口和进水口分别设置有温度传感器；
燃料电池系统的出水口通过燃料电池循环第一支路与换热器连接的车厢水循环系统进行热量交换后连接到燃料电池系统的进水口；
燃料电池系统的出水口通过燃料电池循环第二支路连接到燃料电池系统的进水口，将热量传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
燃料电池系统的出水口还通过燃料电池循环冷却回路连接到燃料电池系统的进水口；
车厢水循环系统包括冷凝器和循环管路，换热器出水口通过循环管路经过冷凝器连接到换热器进水口；
燃料电池循环第一支路上设置有第一水阀；
燃料电池系统的出水口通过第一水阀与换热器进水口连接，换热器出水口通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；
燃料电池循环第二支路上设置有暖风芯体和第二水阀；
燃料电池系统的出水口依次通过暖风芯体和第二水阀，并通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；
燃料电池循环冷却回路上设置有冷却装置；
燃料电池系统的出水口通过冷却装置，然后通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；循环管路上设有第二水泵；
换热器出水口通过第二水泵与冷凝器连接；
加热控制过程包括：
根据环境温度进行加热控制，具体包括：当环境温度低于阈值时，控制打开第一水阀利用换热器通过燃料电池系统的废热来加热车厢水循环系统进而加热整个车厢；同时根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值时，控制第一水阀和第二水泵关闭，根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池自卸车车厢加热系统，其特征在于，换热器包括一次侧进水口、出水口、二次侧进水口、出水口；
换热器二次侧出水口通过循环管路经过冷凝器连接到换热器二次侧进水口。
3.根据权利要求2所述的燃料电池自卸车车厢加热系统，其特征在于，该系统还包括尾排气管路；
尾排气管路中的尾排气通过冷凝器实现与车厢水循环系统进行热量交换。
4.根据权利要求3所述的燃料电池自卸车车厢加热系统，其特征在于，燃料电池系统的出水口通过第一水阀与换热器一次侧进水口连接，换热器一次侧出水口通过第一水泵与燃料电池系统的进水口连接；
第一水阀，用于控制燃料电池循环第一支路的开断及控制水流量；
第一水泵，用于提高燃料电池水循环系统水流量；
暖风芯体，用于将燃料电池系统的废热传递到空调加热系统用于乘员舱加热；
第二水阀，用于控制燃料电池循环第二支路的开断及控制水流量；
冷却装置，用于给燃料电池系统冷却散热；
第二水泵，用于提高车厢水循环系统水流量。
5.根据权利要求4所述的燃料电池自卸车车厢加热系统，其特征在于，燃料电池系统的出水口设置有第二温度传感器；
燃料电池系统的进水口设置有第一温度传感器；
该系统还包括热管理控制器；
第一温度传感器、第二温度传感器、第一水泵、第二水泵、冷却装置、第一水阀和第二水阀分别与热管理控制器连接。
6.一种燃料电池自卸车车厢加热控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项权利要求所述系统的控制方法，包括如下步骤：
根据环境温度进行加热控制，具体包括：
当环境温度低于阈值时，控制打开第一水阀利用换热器通过燃料电池系统的废热来加热车厢水循环系统进而加热整个车厢；同时根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值时，控制第一水阀和第二水泵关闭，根据空调加热请求控制第二水阀来调节燃料电池水循环第二支路的水流量，保证乘员舱的加热请求；根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热。
7.根据权利要求6所述的燃料电池自卸车车厢加热控制方法，其特征在于，根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值，控制冷却装置进行散热的步骤包括：
当环境温度低于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制第一水阀和第二水阀的开度提高水流量增大热交换；
若否，控制冷却装置进行散热；
当环境温度高于阈值，判断燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值是否在正常工作范围内；
若是，控制冷却装置不工作；
若否，控制冷却装置进行散热；并根据燃料电池系统出水口和入水口的温度传感器采集的温度值调整冷却装置的功率，当冷却装置满负荷工作且燃料电池系统出水口温度依然高于正常工作范围值时，控制打开第一水阀和第二水泵通过车厢水循环系统散热，保证燃料电池系统温度在正常工作范围。
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