CN115534765A - 一种燃料电池汽车热管理系统及汽车 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池汽车热管理系统及汽车，涉及电池热管理领域，包括电堆冷却与冷启动回路和暖风回路，电堆冷却与冷启动回路包括第一电子水泵、PTC加热器、散热器组件和电堆，第一电子水泵的出口连接PTC加热器的入口，PTC加热器的出口连接电堆的入口，电堆的出口连接第一电子水泵的入口；散热器组件包括主散热器和辅助散热器，辅助散热器并联在主散热器上，主散热器的入口连接电堆的出口，主散热器的出口连接电堆的入口；暖风回路在电堆冷却与冷启动回路上并且可通过电堆的余热增强暖风回路的暖风效果。本发明能够提高电堆进行冷启动的同时也能提高了电堆冷却系统的散热能力。

Description

一种燃料电池汽车热管理系统及汽车
技术领域
本发明涉及电池热管理领域，具体而言，涉及一种燃料电池汽车热管理系统及汽车。
背景技术
目前，由于我国汽车行业的飞速发展，燃料电池也同样的到了飞速发展，其在系统效率、排放方面相对于内燃机，都有着很明显的优点，在里程上优于纯电动车，因此，预计在未来的发展中，中长续航行驶的车辆将会得到十分广泛的应用的。
现有技术的燃料电池的热管理方案通常是由两部分组成的，分别是电堆冷却与冷启动回路和供暖回路，对于电堆的冷却回路来说，一般通过水泵作为动力，冷却液经过水泵流出后，一路经过中冷器冷却进入空气，另一路经过电堆，对电堆进行冷却，冷却液经过中冷器和电堆之后汇合在一起。有一部分还会设置节温器，节温器具有调节其他支路的开合用来调节系统冷却液的温度。
经发明人研究发现，现有技术中，电堆水路系统没有PTC加热，加热效率低，冷启动效果差，同时，电堆水路系统也没有辅助散热器，仅靠主散热器散热能力有限，因为主散热器的布置空间有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车热管理系统及汽车，其能够PTC加热水路直通电堆和暖风，提高加热效率。提高了电堆冷却系统散热能力上限，在极限工况下可以关闭暖风回路，使得水流量全部通过散热器，利于电堆散热。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种燃料电池汽车热管理系统，包括：
电堆冷却与冷启动回路，所述电堆冷却与冷启动回路包括第一电子水泵、PTC加热器、散热器组件和电堆，所述第一电子水泵的出口连接所述PTC加热器的入口，所述PTC加热器的出口连接所述电堆的入口，所述电堆的出口连接所述第一电子水泵的入口；
所述散热器组件包括主散热器和辅助散热器，所述辅助散热器并联在所述主散热器上，所述主散热器的入口连接所述电堆的出口，所述主散热器的出口连接所述电堆的入口；
暖风回路，所述暖风回路连接在所述电堆冷却与冷启动回路上，用于吸收所述电堆的余热。
在可选的实施方式中，所述暖风回路包括暖风芯体，所述暖风芯体串联在所述电堆冷却与冷启动回路上，所述暖风芯体的入口连接所述PTC加热器的出口，所述暖风芯体的出口连接所述第一电子水泵的入口。
在可选的实施方式中，所述暖风回路还包括设置在所述暖风芯体和所述第一电子水泵之间的截止阀，所述截止阀的入口连接所述暖风芯体的出口，所述截止阀的出口连接所述第一电子水泵的入口。
在可选的实施方式中，本发明提供的燃料电池汽车热管理系统还包括，串联在所述电堆冷却与冷启动回路上的节温器，所述节温器具有第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口连接所述暖风芯体的出口，所述第二接口连接所述主散热器的出口，所述第三接口连接所述电堆的入口。
在可选的实施方式中，所述电堆冷却与冷启动回路还包括用于降温的降温元件，所述降温元件并联在所述电堆上。
在可选的实施方式中，所述降温元件为中冷器。
在可选的实施方式中，所述电堆冷却与冷启动回路还包括用于去除冷却液中的离子和杂质的去离子器，所述去离子器的入口与所述中冷器的出口连接，所述去离子器和所述中冷器串联后与所述电堆并联。
在可选的实施方式中，本发明提供的燃料电池汽车热管理系统还包括第二电子水泵，所述第二电子水泵串联在所述电堆冷却与冷启动回路上，所述第二电子水泵的入口连接所述电堆的出口，所述第二电子水泵的出口连接所述第一电子水泵的入口。
在可选的实施方式中，本发明提供的燃料电池汽车热管理系统还包括三通接头，所述三通接头设置在管路交叉的地方。
第二方面，本发明提供一种汽车，包括以上任意一项所述的一种燃料电池汽车热管理系统。
本发明实施例的有益效果是：本发明在现有技术的基础上增设了PTC加热器，PTC加热器串联在电堆冷却与冷启动回路中，因此PTC加热器加热水路能够直通电堆，提高了加热效率，能够满足电堆系统在低温环境下使用，提高了电堆寿命，同时在电堆冷却与冷启动回路上还连接有暖风回路，因此PTC加热器加热水路同样能够直通暖风回路，提高暖风效率，同时暖风回路可以利用电堆的余热增强暖风效果，并且节约电能，除此之外，本发明中还增设有辅助散热器，辅助散热器并联在主散热器上，而主散热器并联在电堆上，通过设置辅助散热器，能够明显的提高电堆冷却系统的散热能力上限，提高冷却效率，使得电堆能够快速的从过热状态进行冷却从而进入最佳的工作状态。
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为本发明实施例提供的燃料电池汽车热管理系统原理图；
图2为本发明实施例提供的纯电动模式下的乘员舱采暖原理图；
图3为本发明实施例提供的纯氢模式或氢电混合模式下的电堆冷启动和乘员舱采暖原理图；
图4为本发明实施例提供的纯氢模式或氢电混合模式下的电堆冷却和乘员舱采暖原理图；
图5为本发明实施例提供的纯氢模式或氢电混合模式下的电堆散热原理图。
图标:
1-第一电子水泵；2-PTC加热器；3-暖风芯体；4-三通接头；5-截止阀；6-节温器；7-主散热器；8-辅助散热器；9-电堆；10-第二电子水泵；11-中冷器；12-去离子器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
燃料电池汽车包括电动汽车、氢电混合汽车等，对于燃料电池汽车来说，燃料电池汽车的热管理系统是非常重要的组成环节。
现有技术的第一种热管理方案，没有PTC加热功能，无法满足电堆低温冷启动的加热需求；没有去离子器，无法满足去离子功能。
现有技术的第二种热管理方案，电堆水路系统没有PTC加热，加热效率低，冷启动效果差；电堆水路系统没有辅助散热器，仅靠主散热器散热能力有限，因为主散热器的布置空间有限；客舱热交换器回路常通，分流水流量，导致散热器回路流量减少，不利于极限工况下电堆散热；去离子器和过滤器集合体串联到电堆前，容易造成该回路流阻过大。
因此为了解决上述的问题，本发明提出一种燃料电池汽车热管理系统及汽车。
如图1所示，本实施例提供的汽车包括燃料电池汽车热管理系统，燃料电池汽车热管理系统包括电堆冷却与冷启动回路和暖风回路，电堆冷却与冷启动回路包括第一电子水泵1、PTC加热器2、散热器组件和电堆9，第一电子水泵1的出口连接PTC加热器2的入口，PTC加热器2的出口连接电堆9的入口，电堆9的出口连接第一电子水泵1的入口；散热器组件包括主散热器7和辅助散热器8，辅助散热器8并联在主散热器7上，主散热器7的入口连接电堆9的出口，主散热器7的出口连接电堆9的入口；暖风回路在电堆冷却与冷启动回路上，用于吸收所述电堆9的余热。
可以理解的是，本实施例在现有技术的基础上增设了PTC加热器2，因此PTC加热器2加热水路能够直通电堆9，提高了加热效率，能够满足电堆9系统在低温环境下使用，提高冷启动的效果，并且提高了电堆9寿命，同时在电堆冷却与冷启动回路上还连接有暖风回路，因此PTC加热器2加热水路同样能够直通暖风回路，提高暖风效率，同时暖风回路可以利用电堆9的余热增强暖风效果，并且节约电能。
除此之外，本实施例中还增设有辅助散热器8，辅助散热器8并联在主散热器7上，而主散热器7并联在电堆9上，一般来说主散热器7的布置控有限，因此主散热器7的能力有限，通过本实施例设置的辅助散热器8，能够明显的提高电堆9冷却系统的散热能力上限。提高冷却效率，使得电堆9能够快速的从过热的状态进行冷却从而进入最佳的工作状态。
具体的，暖风回路包括暖风芯体3，暖风芯体3串联在电堆冷却与冷启动回路上，暖风芯体3的入口连接PTC加热器2的出口，暖风芯体3的出口连接第一电子水泵1的入口。
进一步地，暖风回路还包括设置在暖风芯体3和第一电子水泵1之间的截止阀5，截止阀5的入口连接暖风芯体3的出口，截止阀5的出口连接第一电子水泵1的入口。
可以理解的是，由于暖风芯串联在PTC加热器2之后，因此在PTC加热器2对冷却进行加热的时候，加热的冷却液在流经暖风芯体3的时候，可以将一部分的热量交换给暖风芯体3，同时由于暖风芯体3串联在电堆冷却与冷启动回路上，因此，电堆9产生的热量中也可以有一部分的热量通过冷却液交换给暖风芯体3。
值得注意的是，截止阀5的设置是为了满足本实施例的不同工况，截止阀5在不同工况下的操作会在后文叙述。
本实施例还包括串联在电堆冷却与冷启动回路上的节温器6，具体的，节温器6具有第一接口、第二接口和第三接口，第一接口连接暖风芯体3的出口，第二接口连接主散热器7的出口，第三接口连接电堆9的入口。显而易见的是，节温器6(现有技术)是控制冷却液流动路径的阀门，是一种自动调温装置，通常含有感温组件，借着热胀或冷缩来开启、关掉空气、气体或液体的流动，因此节温器6相当于一个控制阀，能够更具不同的工况来控制路径的关闭与开启，具体如何控制会在下面展开叙述。
具体的，本实施例中的电堆冷却与冷启动回路还包括用于热交换给压缩后的高温空气降温的降温元件，降温元件并联在电堆9上，降温元件的入口连接电堆9的入口，降温元件的出口连接电堆9的出口。因此，降温元件与电堆9的并联可以分带流经电堆9的一部分的冷却液，从而进行冷却。
当然，为了使得本实施例为最优方案，本实施例中的降温元件采用中冷器11。
具体的，本实施例中的电堆冷却与冷启动回路还包括用于去除冷却液中的离子和杂质的去离子器12，去离子器12的入口与中冷器11的出口连接，去离子器12和中冷器11串联后与电堆9并联。
值得注意的是，去离子器12和过滤器集合体串联到电堆9前面，容易造成回路流阻过大，过大的流阻会使得整个回路的效率降低，从而会容易损伤零部件，因此本实施例中的设计是让去离子器12与电堆9进行并联，同时去离子还设置在了中冷器11之后，这样设置的目的也同样是为了优化电堆9支路的流阻，总而言之，就是为了能够满足整个系统的要求之外，尽可能的优化电堆冷却与冷启动回路，提高回路的效率。
本实施例还包括第二电子水泵10，具体的，第二电子水泵10串联在电堆冷却与冷启动回路上，第二电子水泵10的入口连接电堆9的出口，第二电子水泵10的出口连接第一电子水泵1的入口。
值得一提的是，本实施例中涉及到线路的交叉处时，均采用三通接头4进行连接。比如辅助散热器8与主散热器7并联的两个连接处，以及中冷器11和去离子器12与电堆9并联的两个连接处等。
本实施例提供的一种燃料电池汽车热管理系统具有以下模式和工况：1、纯电动模式下：
1.1乘员舱采暖
如图2所示，此时将节温器6的第一接口关闭，截止阀5打开，因此暖风回路启动，第一电子水泵1和PTC加热器2工作，第一电子水泵1带动冷却液循环，PTC加热器2对冷却液进行加热，加热的冷却液进过暖风芯体3后，冷却液中的一部分热量从暖风芯体3提供给乘员舱。这个暖风回路可通过控制第一电子水泵1的转速、PTC加热器2的功率和暖风风量，为乘员舱提供合适的热量或暖风。
整个回路的工作流程为：第一电子水泵1→PTC集热器→暖风芯体3→截止阀5→第一电子水泵1，形成闭环暖风回路。
2、纯氢模式或氢电混合模式下：
2.1电堆冷启动和乘员舱采暖
如图3所示，工况1：当冷却液温度未达到电堆9启动的阈值时，电堆9不工作，此时将节温阀第一接口和第三接口打开，第二接口关闭，同时把截止阀5关闭，再让第一电子水泵1(第二电子水泵10按工作需要启动)和PTC加热器2工作，PTC加热的冷却液经过第一电子水泵1提供动力后循环，冷却液为电堆9和暖风芯体3提供热量，为乘员舱提供暖风。同时可通过控制第一电子水泵1的转速(控制启动后的第二电子水泵10的转速)、PTC加热器2的功率来控制电堆9启动的阈值的时间以及乘员舱采暖的温度。
整个回路的工作流程为：第一电子水泵1→PTC加热器2→暖风芯体3→节温器6→电堆9→第二电子水泵10→第一电子水泵1，形成闭环回路。
工况2：当冷却液温度达到电堆9启动阈值后，电堆9开始工作，此时将节温阀第一接口和第三接口打开，第二接口关闭，同时把截止阀5关闭，再让第一电子水泵1(第二电子水泵10按工作需要启动)、PTC加热器2继续工作，中冷器11和去离子器12工作，此时工作中的电堆9也会为冷却液加热，配合PTC加热器2加热的冷却液经过第一电子水泵1提供动力后循环。随着冷却液温度逐步上升，电堆9功率逐步增大，PTC加热器2的功率逐步减小。
整个回路的工作流程为：第一电子水泵1→PTC加热器2→暖风芯体3→节温器6→电堆9、中冷器11和去离子器12(中冷器11和去离子器12与电堆9并联)→第二电子水泵10→第一电子水泵1，形成闭环回路。
工况3：当冷却液温度达到电堆9工作最佳范围，电堆9继续工作，此时节温阀第一接口和第三接口保持打开，第二接口保持关闭，同时截止阀5保持关闭，PTC加热器2停止工作，第一电子水泵1工作(第二电子水泵10按需要工作)，暖风系统工作，暖风系统和电堆9及中冷器11达到热平衡。
整个回路的工作流程为：第一电子水泵1→暖风芯体3→节温器6→电堆9、中冷器11和去离子器12(中冷器11和去离子器12与电堆9并联)→第二电子水泵10→第一电子水泵1，形成闭环回路。
2.2电堆冷却和乘员舱采暖
如图4所示，当冷却液温度高于电堆9工作最佳范围上限，说明电堆9及中冷器11发出的热量超过暖风系统的散热量，需要散热器帮助散热，此时节温器6第一接口、第二接口和第三接口都打开(按需控制各自开度)，截止阀5关闭，PTC散热器关闭，电堆9不工作，暖风系统工作(辅助散热)，过热的冷却液在第一电子水泵1和第二电子升泵的带动下流经暖风芯体3、中冷器11和散热器组件进行散热。通过控制第一电子水泵1和第二电子水泵10的转速、散热器组件的风扇转速和暖风风量，为乘员舱提供合适热量，为电堆9合适散热。
整个回路的工作流程为：第一电子水泵1→暖风芯体3→散热器组件(主散热器7、辅助散热器8并联)/节温器6→电堆9和中冷器11及去离子器12(中冷器11和去离子器12与电堆9并联))→第一电子水泵1，形成闭环回路。
2.3电堆冷却
如图5所示，此时节温器6第一接口关闭、第二接口和第三接口打开，回路中的第二电子水泵10工作，主散热器7和辅助散热器8工作，PTC加热器2和暖风不工作。通过控制电子水泵的转速和散热器风扇转速，为电堆9和中冷器11提供合适散热量。
整个回路的工作流程为：第二电子水泵10→散热器组件(主散热器7和辅助散热器8并联)→节温器6→电堆9和中冷器11及去离子器12(中冷器11和去离子器12与电堆9并联)→第二电子水泵10，形成闭环回路。
综上所述，本实施例提供的一种燃料电池汽车热管理系统及汽车至少具有以下优点：现有技术的基础上增设了PTC加热器2，PTC加热器2串联在电堆冷却与冷启动回路中，因此PTC加热器2加热水路能够直通电堆9，提高了加热效率，能够满足电堆9系统在低温环境下使用，提高了电堆9寿命，同时在电堆冷却与冷启动回路上还连接有暖风回路，因此PTC加热器2加热水路同样能够直通暖风回路，提高暖风效率，同时暖风回路可以利用电堆9的余热增强暖风效果，并且节约电能，除此之外，本发明中还增设有辅助散热器8，辅助散热器8并联在主散热器7上，而主散热器7并联在电堆9上，通过设置辅助散热器8，能够明显的提高电堆9冷却系统的散热能力上限，提高冷却效率，使得电堆9能够快速的从过热状态进行冷却从而进入最佳的工作状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，包括：
电堆冷却与冷启动回路，所述电堆冷却与冷启动回路包括第一电子水泵、PTC加热器、散热器组件和电堆，所述第一电子水泵的出口连接所述PTC加热器的入口，所述PTC加热器的出口连接所述电堆的入口，所述电堆的出口连接所述第一电子水泵的入口；
所述散热器组件包括主散热器和辅助散热器，所述辅助散热器并联在所述主散热器上，所述主散热器的入口连接所述电堆的出口，所述主散热器的出口连接所述电堆的入口；
暖风回路，所述暖风回路连接在所述电堆冷却与冷启动回路上，用于吸收所述电堆的余热。
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，所述暖风回路包括暖风芯体，所述暖风芯体串联在所述电堆冷却与冷启动回路上，所述暖风芯体的入口连接所述PTC加热器的出口，所述暖风芯体的出口连接所述第一电子水泵的入口。
3.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，所述暖风回路还包括设置在所述暖风芯体和所述第一电子水泵之间的截止阀，所述截止阀的入口连接所述暖风芯体的出口，所述截止阀的出口连接所述第一电子水泵的入口。
4.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，还包括串联在所述电堆冷却与冷启动回路上的节温器，所述节温器具有第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口连接所述暖风芯体的出口，所述第二接口连接所述主散热器的出口，所述第三接口连接所述电堆的入口。
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，所述电堆冷却与冷启动回路还包括用于降温的降温元件，所述降温元件并联在所述电堆上。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，所述降温元件为中冷器。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，所述电堆冷却与冷启动回路还包括用于去除冷却液中的离子和杂质的去离子器，所述去离子器的入口与所述中冷器的出口连接，所述去离子器和所述中冷器串联后与所述电堆并联。
8.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，还包括第二电子水泵，所述第二电子水泵串联在所述电堆冷却与冷启动回路上，所述第二电子水泵的入口连接所述电堆的出口，所述第二电子水泵的出口连接所述第一电子水泵的入口。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，还包括三通接头，所述三通接头设置在管路交叉的地方。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的一种燃料电池汽车热管理系统。
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