CN115663230B - 燃料电池热管理系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池热管理系统，包括冷却回路，冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路和第二冷却回路之间连有第一多通结构，该系统还包括以下组中的任意组合：冷启动加热回路，该回路的入口通过第一控制阀与第二冷却回路相连接，该回路中的冷却液流经燃料循环泵流回冷却回路；采暖回路，该回路并联于冷却回路的支路，该回路的入口与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连接，该回路的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连接；燃料加热回路，该回路的入口与冷却回路相连接，该回路中的冷却液流经燃料管路流回冷却回路。本发明提高了燃料电池系统的余热利用率，提升了燃料电池系统工作效率和综合效率。

Description

燃料电池热管理系统及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及燃料电池热管理系统及其控制方法。

背景技术

氢燃料电池具有能量密度高、启动速度快、续航能力强、排放物仅为水，对环境无污染等优点，已广泛用于交通运输、备用电源及固定电站等诸多领域。为了能使燃料电池更好地适应各种环境工作，燃料电池在使用中需要良好的燃料电池热管理系统，热管理系统对燃料电池的工作效率起关键性作用。

然而，目前，燃料电池系统的工作效率大多在45-50％，远低于理论效率83％，甚至距离理想状态下的工作效率60％也有很大的差距，由于氢燃料电池在发电过程中生成的大量热能并没有充分利用，致使大量余热能源被浪费，使得燃料电池系统的工作效率得不到有效提升。对于燃料电池汽车中涉及到的采暖需求、冷启动需求，通常采用外部加热装置对上述工况下的循环水路进行加热，且在燃料电池热管理系统中也并未考虑燃料电池在不同工作状态下的热能利用，不仅造成能耗大，还会增加系统的设计成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种综合热管理系统，能充分利用电堆余热来适应不同工况需求，有效提升燃料电池系统的工作效率和综合性能。

本发明一方面提供一种燃料电池热管理系统，包括：冷却回路，冷却回路中的冷却液流经燃料电池电堆，冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路和第二冷却回路之间连有第一多通结构，第一多通结构用于连接第一冷却回路和第二冷却回路，第一多通结构的第一端与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连，第一多通结构的第二端与冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口相连，第一多通结构的第三端与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连，第一冷却回路中的冷却液由第一多通结构的第一端流入并经第一多通结构的第三端流出，实现在第一冷却回路中循环；第二冷却回路中的冷却液，由第一多通结构的第一端流入并经第一多通结构的第二端流出，实现在第二冷却回路中循环；热管理系统还包括以下组中的任意一个、任意两个或者全部的组合：冷启动加热回路，冷启动加热回路的入口通过第一控制阀与第二冷却回路相连接，冷启动加热回路中的冷却液流经燃料循环泵流回冷却回路中；采暖回路，采暖回路并联于冷却回路的支路上，采暖回路的入口与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连接，采暖回路的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器的入口相连接；燃料加热回路，燃料加热回路的入口与冷却回路相连接，燃料加热回路中的冷却液流经燃料管路流回冷却回路中。

在一个实施例中，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和冷启动加热回路。冷启动过程中，第一冷却回路关闭，第二冷却回路开启，小循环回路充分利用电堆余热实现对冷却回路的快速升温，缩短冷启动时间，当面对燃料循环泵需要加热的工况时，通过开启该冷启动加热回路，充分利用电堆的余热来实现对燃料循环泵的加热，无需外部加热部件，实现系统在该工况条件下的余热利用率，提高了燃料电池系统的工作效率，也能更好地保证冷启动效果。

在其他实施例中，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和采暖回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路和采暖回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、采暖回路和燃料加热回路。或者，热管理系统包括：第一冷却回路、第二冷却回路、冷启动加热回路、采暖回路和燃料加热回路。在其中一个实施例中，采暖回路包括第二控制阀和第一换热器，第二控制阀用于控制采暖回路的开启或关闭，第二控制阀的一端与冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口相连，第二控制阀的另一端与冷却回路中的冷却液流入第一换热器的入口相连；第一换热器用于将采暖回路中冷却液的热能输出以实现外部供暖。该热管理系统中采暖回路的入口接收电堆出口的冷却液，采暖回路的出口与散热器的入口相连，该采暖回路可充分利用电堆的产热，同时也减少电堆对散热功率的需求，提高了该燃料电池系统的总体效率。此外，采暖回路并联于冷却回路上，可减少整个冷却系统的流阻、降低能耗，也能减少冷启动时第二冷却回路的循环水容积，缩短冷启动时间。

在其中一个实施例中，燃料加热回路包括第三控制阀和第二换热器，第三控制阀用于控制燃料加热回路的开启或关闭，第三控制阀的一端与冷却回路相连，第三控制阀的另一端与冷却回路中的冷却液流入第二换热器的入口相连；第二换热器用于将燃料加热回路中冷却液的热能输出以加热进入燃料电池电堆的燃料。该燃料加热回路充分利用电堆的余热来实现对进入电堆的燃料加热，无需外部辅助加热部件，有效降低能耗。

在其中一个实施例中，第二冷却回路上包括PTC加热器，PTC加热器用于对第二冷却回路中的冷却液进行加热。在冷启动过程中，PTC加热器作为外部辅助加热部件设置在第二冷却回路上，可进一步缩短冷启动时间。

在其中一个实施例中，燃料加热回路的入口设置在冷却回路中的冷却液流出散热器的出口至冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口之间的管路上。该燃料加热回路是在靠近电堆入口的管路中提取冷却液来实现对进入电堆的燃料加热，该设置可有效保证燃料进入电堆时的温度接近冷却液入堆温度，由此提升电堆内温度的均一性，从而保证电堆内单片电压的一致性。

在其中一个实施例中，换热器为板式换热器。板式换热器不仅换热效率高且无换热死水区及流动四角，能有效降低回路中的流阻，进一步地减少能耗。

在其中一个实施例中，控制阀是开度可在0-100％范围内调节的阀门。开度可调的阀门可以根据实际需要进行控制各回路冷却液的流量大小，使得温度调整更灵活。

本发明另一方面提供一种根据上述的燃料电池热管理系统的控制方法，燃料电池在冷启动状态下，第二冷却回路开启，第一冷却回路关闭，控制方法包括：当监测到燃料电池电堆处于冷启动状态且燃料循环泵的转速小于或等于系统预设的转速时，开启第二控制阀；否则，关闭第二控制阀。该控制方法下的冷启动加热回路实现了该系统在面对冷启动过程中燃料循环泵被冻住的工况下利用电堆余热来保证燃料循环泵的正常运行，提高了电堆余热的利用率，从而进一步提升燃料电池系统的综合效率。

在其中一个实施例中，控制方法包括：当监测到整车发出采暖需求时，监测冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口和冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆的出口的冷却液温度，若入口和出口的冷却液温度中的任一温度在系统预设的温度值T₀′以下且第二冷却回路关闭时，开启第一控制阀，并调整第一控制阀的开度大小来保证冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口的冷却液温度处于该工况下的预设温度范围；当整车采暖需求停止或第二冷却回路开启时，关闭第一控制阀。该控制方法中的采暖回路的运行利用燃料电池电堆出口处具备较高温度的冷却液通过温度换热来实现整车的采暖需求，无需外部辅助加热部件，充分利用电堆产生的余热来实现供暖需求，提高燃料电池系统的工作效率，同时也减少电堆对散热功率的需求，降低功耗，提升了燃料电池系统的综合效率。

在其中一个实施例中，预设温度范围是相对预设温度阈值正负2摄氏度。该预设温度范围能保证电堆在该工况条件下的较佳工作状态。

在其中一个实施例中，控制方法包括：当监测到燃料电池电堆的进气端板处的单片电压小于或等于报警值，且T₁-T₃≥T₀"时，开启第三控制阀，其中T1为冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口的冷却液温度，T3为燃料进堆温度，T₀"为系统预设的温度值；否则，关闭第三控制阀。该控制方法能充分利用电堆的余热来控制进入燃料的入堆温度，在该工况下充分利用电堆的余热来进行调节，无需外部加热部件，进一步提升燃料电池系统的综合效率。

上述燃料电池热管理系统，可以达到至少如下的一些效果：该热管理系统包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路和第二冷却回路之间连接有第一多通结构，第一多通结构包括第一端、第二端及第三端，第一冷却回路的冷却液流经第一多通结构的第一端和第三端，第二冷却回路的冷却液流经第一多通结构的第一端和第二端；该热管理系统还包括以下组中的任意一个、任意两个或者全部的组合：冷启动加热回路、采暖回路、燃料加热回路。该热管理系统，能适应多种工况需求，并在不同工况下能充分利用电堆余热来解决问题，降低了能耗，提升了燃料电池系统的工作效率，有效提高了燃料电池系统的综合效率。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的燃料电池热管理系统示意图；

图2为本发明第二实施例中的燃料电池热管理系统示意图；

图3为本发明第三实施例中的燃料电池热管理系统示意图；

图4为本发明第四实施例中的燃料电池热管理系统示意图；

图5为本发明第一实施例的燃料电池热管理系统的控制方法流程图；

图6为本发明第二实施例的燃料电池热管理系统的控制方法流程图；

图7为本发明第三实施例的燃料电池热管理系统的控制方法流程图；

图8为本发明第四实施例的燃料电池热管理系统的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，图1示出了本发明第一实施例中的燃料电池热管理系统示意图，本发明第一实施例中提供了的燃料电池热管理系统，包括冷却回路和冷启动加热回路10。电堆100内部所需燃料是依靠外部的氢系统200通过比例阀201向电堆100内部完成输送，电堆100内部反应后的排出物通过输出管路先经分水器203处理，分水器203一方面将排出物中的未反应的气体通过燃料循环泵202重新输入电堆100内部，另一方面将排出物中的水经排水阀204排出燃料电池系统。其中，冷却回路用于实现对电堆100的升温或降温，该回路中的冷却液流经燃料电池电堆100(以下简称电堆)，该冷却回路包括第一冷却回路20和第二冷却回路30，第一冷却回路20通过第一多通结构21与第二冷却回路30相连接且并联于第二冷却回路30上。第一多通结构21的第一端与冷却回路中的冷却液流出电堆100的出口相连，其第二端与冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口相连，其第三端与冷却回路中的冷却液流入散热器22的入口相连。第一冷却回路20中的冷却液由第一多通结构21的第一端流入并经第一多通结构21的第三端流出，实现在第一冷却回路20中循环。第二冷却回路30中的冷却液，由第一多通结构21的第一端流入并经第一多通结构21的第二端流出，实现在第二冷却回路30中循环。冷启动加热回路10用于实现对燃料循环泵202的升温，其入口通过第一控制阀11与第二冷却回路30相连接，该回路中的冷却液流经燃料循环泵202流回冷却回路中。该燃料电池热管理系统可以充分利用电堆100的余热来进行冷启动和对燃料循环泵202的加热，提供了该系统在不同工作状态下的热能利用方式，更充分地利用了电堆100的余热，提升了燃料电池系统的工作效率。

冷却回路中的第一冷却回路20相对第二冷却回路30组成一个大循环回路，该回路上设置有散热器22，该回路用于对电堆100中流出的冷却液进行降温，然后再将低温的冷却液流入电堆100，来实现对电堆100的降温。第一冷却回路20并联于第二冷却回路30上且两者之间通过第一多通结构21实现连接，该第一多通结构21在使用中为一进一出的工作状态，也即第一冷却回路20与第二冷却回路30在使用中不能同时开启，第二冷却回路30是在冷启动过程中被开启。第二冷却回路30相对第一冷却回路20组成一个小循环，其回路上设置有水泵31，该回路用于在冷启动过程中对电堆100进行升温。该小循环回路可以控制或调整管路的长度，可减少冷启动过程中的循环水容积，在冷启动过程中充分利用电堆100的余热来实现对电堆100的快速升温，缩短冷启动时间，无需外部辅助加热部件，该设置不仅降低了能耗，还能提高热管理系统的余热利用率，有效提高燃料电池系统的工作效率。在其他实施例中，对于第二冷却回路30，如果需要也可以在该回路上设置PTC加热器32，在利用电堆100余热进行冷启动的基础上再结合外部加热部件，这样可以更快实现对电堆100的升温，进一步缩短冷启动时间。

冷启动加热回路10是在冷启动过程中需要对燃料循环泵202进行升温时的工况下开启，也即在第二冷却回路30开启的基础上根据工况需求来对该冷启动加热回路10进行开启或关闭。该冷启动加热回路10的入口通过第一控制阀11与第二冷却回路30相连，该连接方式可以有效保证该回路中冷却液的流通，该回路中的冷却液在电堆100余热的作用下实现对燃料循环泵202的升温，无需外部辅助加热部件，充分利用电堆的余热，在保证冷启动效果的基础上也提升了燃料电池系统的工作效率。

对于第一实施例中的燃料电池热管理系统，提供了一种对该系统的控制方法，如图5所示，具体包括以下步骤：

S110：监测是否发出整车启动需求。

若发出整车启动需求，则进入步骤S120；若未发出整车启动需求，则运行结束。

S120：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀以下(T₁≤T₀或T₂≤T₀)，T₀为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀优选的数值范围为-5℃～5℃，也即电堆100处于冷启动状态，开启第二冷却回路30，关闭第一冷却回路20，并进入步骤S130；否则，则第一控制阀11保持关闭，并开启第一冷却回路20，关闭第二冷却回路30，电堆100可正常启动，并返回步骤S110进行继续监测。

S130：监测燃料循环泵202的转速n。

若转速n≤n₀，n₀是系统中根据实际需要进行预设的定值，则开启第一控制阀11，实现对燃料循环泵202的加热，并返回步骤S120进行继续监测；否则，则第一控制阀11保持关闭，并返回步骤S120进行继续监测。

图2示出了本发明第二实施例中的燃料电池热管理系统示意图，在该实施例中提供了的燃料电池热管理系统，包括冷却回路和采暖回路40，对于其中的冷却回路与第一实施例中的相同，在此不作赘述，主要对该系统中的采暖回路40进行详细说明。

在该实施例中，采暖回路40用于满足整车的供暖需求，该采暖回路40并联于冷却回路的支路上，其中采暖回路40的入口通过第二控制阀41可与冷却回路中的冷却液流出电堆100的出口相连，该采暖回路40的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器22的入口相连。优选地，将该采暖回路40并联于第一冷却回路20的支路上，也即在第一冷却回路20开启的基础上可开启或关闭该采暖回路40。该采暖回路40在该热管理系统中的连接方式，一方面因进入该回路的冷却液是从电堆100中直接输出的，冷却液的温度较高，能更好地提供热能，可更充分利用电堆100的余热进行供暖，提高燃料电池系统的工作效率；另一方面因经流出该回路的冷却液在采暖回路40中已经进行了降温，具体可利用该支路上设置的第一换热器42来进行热能输出，将部分热能已用于整车供暖，再次流经散热器22进行降温时可减少电堆100对散热功率的需求，进而提升该燃料电池系统的综合效率；此外，该连接方式因并联于系统中的冷却回路上，也可减少整个冷却回路的流阻，降低能耗，也能进一步提高该燃料电池系统的综合效率。

对于第二实施例中的燃料电池热管理系统，提供了一种对该系统的控制方法，如图6所示，具体包括以下步骤：

S210：监测是否发出整车启动需求。

若发出整车启动需求，则进入步骤S220；否则，则运行结束。

S220：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀以下(T₁≤T₀或T₂≤T₀)，T₀为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀优选的数值范围为-5℃～5℃，也即电堆100处于冷启动状态，开启第二冷却回路30，关闭第一冷却回路20，并返回步骤S220；否则，则开启第一冷却回路20，关闭第二冷却回路30，电堆100可正常启动，返回步骤S210进行继续监测，并同时进入步骤S230。

S230：判断整车是否发出采暖需求。若发出采暖需求，则进入步骤S240；否则，则第二控制阀41保持关闭，并返回步骤230。

S240：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀′以下(T₁≤T₀′或T₂≤T₀′)，T₀′为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀′优选为15℃，则开启第二控制阀41，并控制该第二控制阀41的开度大小来保证冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口的冷却液温度T₁处于该工况下的预设温度范围，其中对于该工况下的预设温度范围优选在系统设定值的正负2℃，同时并返回步骤S230继续监测；否则，则保持第二控制阀41关闭，并返回步骤S230。

图3示出了本发明第三实施例中的燃料电池热管理系统示意图，在该实施例中提供了的燃料电池热管理系统，包括冷却回路和燃料加热回路50，对于其中的冷却回路与第一实施例中的相同，在此不作赘述，主要对该系统中的燃料加热回路50进行详细说明。

在该实施例中，燃料加热回路50用于对进入电堆100的燃料进行加热，该回路的入口通过第三控制阀51与冷却回路相连接，可以从第一冷却回路20或第二冷却回路30上任意一点提取冷却液，该回路上的冷却液流经第三控制阀51、第二换热器52后流回冷却回路中，第二换热器52用于将燃料加热回路50中冷却液的热能输出以加热进入电堆100的燃料。优选地，该燃料加热回路50的入口设置在冷却回路中的冷却液流出散热器22的出口至冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口之间的管路上，该燃料加热回路50的出口设置在冷却回路中的冷却液流出燃料电池电堆100的出口与冷却回路中的冷却液流入散热器22的入口之间的管路上。该连接方式可以保证燃料进入电堆100时的温度接近冷却液入堆温度，由此提升电堆100内温度的均一性，从而保证电堆100内单片电压的一致性，有效保证电堆100的正常运作提高热管理系统的综合性能。并且，该连接方式来实现加热燃料的进堆温度，无需外部加热部件，充分利用电堆100的余热实现对入堆燃料的加热，进一步提升燃料电池系统的工作效率。

对于第三实施例中的燃料电池热管理系统，提供了一种对该系统的控制方法，如图7所示，具体包括以下步骤：

S310：监测是否发出整车启动需求。

若发出整车启动需求，则进入步骤S220；否则，则运行结束。

S320：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀以下(T₁≤T₀或T₂≤T₀)，T₀为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀优选的数值范围为-5℃～5℃，也即电堆100处于冷启动状态，开启第二冷却回路30，关闭第一冷却回路20，并返回步骤320；否则，则开启第一冷却回路20，关闭第二冷却回路30，电堆100可正常启动，返回步骤S310进行继续监测，并同时进入步骤S330。

S330：监测电堆100进气端板处单片电压U。

该步骤中对单片电压的监测是指分别对进气端板附近的多个单片电池进行电压监测，多个单片电池是相邻的一段电池组，监测电池组中的任意一个单片电压U是否小于或等于系统预设的报警值U₀来进行系统的判断，U₀的设定区间优选0.4V～0.6V。例如，靠近电堆进气端板的一组单片电池的数量为5个，分别监测这5个单片电池的电压，监测这5个单片电池中的任意一个单片电压U是否小于或等于系统预设的报警值U₀来进行系统的判断。

若监测到U≤U₀，则进入步骤S340；否则，第三控制阀51保持关闭，并返回步骤330。

S340：监测燃料进堆温度T₃。

若燃料进堆温度T₃低于冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口的冷却液温度T₁系统预设的温度值T₀"时，也即T₁-T₃≥T₀"时，则开启第三控制阀51，T₀"为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀"优选为10℃，并返回步骤S330；否则，保持第三控制阀51的关闭，并返回步骤S330。

在上述三个实施例中，该燃料电池热管理系统中涉及到的冷启动加热回路10、采暖回路40和燃料加热回路50，在实际使用中，可以将多种回路进行任意组合，例如该系统包括采暖回路40和燃料加热回路50。优选地，将这三种回路都设置在该系统中。对于上述实施例中的控制阀(也即第一控制阀、第二控制阀及第三控制阀)的开度都是可调的，均可在0～100％范围内调整开度大小，由此可灵活控制各回路冷却液流量的大小。对于上述实施例中的换热器优选板式换热器，板式换热器不仅换热效率高且无换热死水区及流动四角，能有效降低回路中的流阻，进一步地减少能耗，进一步提升燃料电池系统的工作效率。

如图4示出了本发明第四实施例中的燃料电池热管理系统示意图，在该实施例中提供了的燃料电池热管理系统，包括冷却回路、冷启动加热回路10、采暖回路40和燃料加热回路50，各回路与上述实施例中的对应内容相同，在此不作赘述。

在实施例中，该热管理系统包含了多种控制回路，可以适应多种工作状态的需求，在冷启动过程中若需要对燃料循环泵202进行升温，则可开启冷启动加热回路10，该回路能配合第二冷却回路30实现对电堆100的迅速升温，该回路可利用电堆100余热来实现对燃料循环泵202的升温，提高了冷启动效果也降低了功耗；在电堆100启动后，若整车发出采暖需求，则可开启采暖回路40，该回路接收较高温度的冷却液用于整车供暖，利用电堆100余热来提供采暖所需的热能，且还能减少电堆100对散热功率的需求及降低整个冷却回路的流阻；若监测到电堆100进气端端板的单片电压低于报警值且燃料进堆温度低于冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口的冷却液温度10℃时，则开启燃料加热回路50，能有效避免电堆100端板处单片电压过低，且能提升电堆100电压一致性。该热管理系统，能适应多种工况需求，并在不同工况下能充分利用电堆100余热来解决问题，降低了能耗，提升了燃料电池系统的工作效率，有效提高了燃料电池系统的综合效率。

对于第四实施例中的燃料电池热管理系统，提供了一种对该系统的控制方法，如图8所示，具体包括以下步骤：

S410：监测是否发出整车启动需求。

若发出整车启动需求，则进入步骤S420；若未发出整车启动需求，则运行结束。

S420：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀以下(T₁≤T₀或T₂≤T₀)，T₀为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀优选的数值范围为-5℃～5℃，也即电堆100处于冷启动状态，开启第二冷却回路30，关闭第一冷却回路20，并进入步骤S421；否则，则第一控制阀11保持关闭，并开启第一冷却回路20，关闭第二冷却回路30，电堆100可正常启动，返回步骤S410进行继续监测，并同时进入步骤430和步骤440。

S421：监测燃料循环泵202的转速n。

若转速n≤n₀，n₀是系统中根据实际需要进行预设的定值，则开启第一控制阀11，实现对燃料循环泵202的加热，并返回步骤S420进行继续监测；否则，则第一控制阀11保持关闭，并返回步骤S420进行继续监测。

S430：判断整车是否发出采暖需求。若发出采暖需求，则进入步骤S431；否则，则第二控制阀41保持关闭，并返回步骤430。

S431：监测冷却回路中的冷却液流入电堆100的入口处的冷却液的温度T₁和冷却液流出电堆100的出口处的冷却液的温度T₂。

若监测到两处冷却液的温度中的任一温度在T₀′以下(T₁≤T₀′或T₂≤T₀′)，T₀′为系统中根据实际需要进行预设的定值，则开启第二控制阀41，并控制该第二控制阀41的开度大小来保证冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口的冷却液温度T₁处于该工况下的预设温度范围，其中对于该工况下的预设温度范围优选在系统设定值的正负2℃，同时并返回步骤S430继续监测；否则，则保持第二控制阀41关闭，并返回步骤S430继续监测。

S440：监测电堆100进气端板处的单片电压U。

若电堆100进气端板处的单片电压U≤U₀，U₀为系统预设的报警值，则进入步骤S441；否则，第三控制阀51保持关闭，并返回步骤440。

S441：监测燃料进堆温度T₃。

若冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆100的入口的冷却液温度T₁超出燃料进堆温度T₃的差值大于或等于系统预设的温度值T₀"时，也即T₁-T₃≥T₀"时，则开启第三控制阀51，T₀"为系统中根据实际需要进行预设的定值，在本实施例中T₀"优选为10℃，并返回步骤S440；否则，保持第三控制阀51的关闭，并返回步骤S440。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池热管理系统，其特征在于，所述热管理系统包括：

冷却回路，所述冷却回路中的冷却液流经燃料电池电堆，所述冷却回路包括第一冷却回路和第二冷却回路，所述第一冷却回路相对所述第二冷却回路组成一个大循环回路，该回路上设置有散热器，该回路用于对所述燃料电池电堆中流出的冷却液进行降温，再将低温的冷却液流入所述燃料电池电堆；所述第一冷却回路和所述第二冷却回路之间连有第一多通结构，所述第一多通结构用于连接所述第一冷却回路和所述第二冷却回路，所述第一多通结构的第一端与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连，所述第一多通结构的第二端与所述冷却回路中的冷却液流入所述燃料电池电堆的入口相连，所述第一多通结构的第三端与所述冷却回路中的冷却液流入所述散热器的入口相连，所述第一冷却回路中的冷却液由所述第一多通结构的第一端流入并经所述第一多通结构的第三端流出，实现在所述第一冷却回路中循环；所述第二冷却回路中的冷却液，由所述第一多通结构的第一端流入并经所述第一多通结构的第二端流出，实现在所述第二冷却回路中循环；所述第二冷却回路上设置有PTC加热器，所述PTC加热器用于对所述第二冷却回路中的冷却液进行加热；

冷启动加热回路，所述冷启动加热回路的入口通过第一控制阀与所述第二冷却回路相连接，所述冷启动加热回路中的冷却液流经燃料循环泵流回所述冷却回路中，且所述冷启动加热回路是在冷启动过程中需要对燃料循环泵进行升温时的工况下开启，也即在第二冷却回路开启的基础上根据工况需求来对该冷启动加热回路进行开启或关闭；

所述热管理系统还包括以下组中的任意一个或者全部的组合：

采暖回路，所述采暖回路并联于所述冷却回路的支路上，所述采暖回路的入口与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连接，所述采暖回路的出口与所述冷却回路中的冷却液流入所述散热器的入口相连接；

燃料加热回路，所述燃料加热回路的入口与所述冷却回路相连接，所述燃料加热回路中的冷却液流经燃料管路流回所述冷却回路中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述采暖回路包括第二控制阀和第一换热器，所述第二控制阀用于控制所述采暖回路的开启或关闭，所述第二控制阀的一端与所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口相连，所述第二控制阀的另一端与所述冷却回路中的冷却液流入所述第一换热器的入口相连；第一换热器用于将所述采暖回路中冷却液的热能输出以实现外部供暖。

3.根据权利要求1中所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料加热回路包括第三控制阀和第二换热器，所述第三控制阀用于控制所述燃料加热回路的开启或关闭，所述第三控制阀的一端与所述冷却回路相连，所述第三控制阀的另一端与所述冷却回路中的冷却液流入所述第二换热器的入口相连；所述第二换热器用于将所述燃料加热回路中冷却液的热能输出以加热进入所述燃料电池电堆的燃料。

4.根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料加热回路的入口设置在所述冷却回路中的冷却液流出所述散热器的出口至所述冷却回路中的冷却液流入所述燃料电池电堆的入口之间的管路上。

5.根据权利要求2或3中任一所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述第一换热器或所述第二换热器为板式换热器。

6.根据权利要求2或3中任一所述的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述第一控制阀、所述第二控制阀或所述第三控制阀是开度可在0-100％范围内调节的阀门。

7.一种根据权利要求1所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池在冷启动状态下，所述第二冷却回路开启，所述第一冷却回路关闭，所述控制方法包括：

当监测到所述燃料电池电堆处于冷启动状态且所述燃料循环泵的转速小于或等于所述系统预设的转速时，开启所述第一控制阀；否则，关闭所述第一控制阀。

8.一种根据权利要求2所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

当监测到整车发出采暖需求时，监测所述冷却回路中的冷却液流入所述燃料电池电堆的入口和所述冷却回路中的冷却液流出所述燃料电池电堆的出口的冷却液温度，若所述入口和所述出口的冷却液温度中的任一温度在所述系统预设的温度值T₀′以下且所述第二冷却回路关闭时，开启所述第二控制阀，并调整所述第二控制阀的开度大小来保证所述冷却回路中的冷却液流入所述燃料电池电堆的入口的冷却液温度处于该工况下的预设温度范围；

当整车采暖需求停止或所述第二冷却回路开启时，关闭所述第二控制阀。

9.根据权利要求8所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述预设温度范围是相对预设温度阈值正负2摄氏度。

10.一种根据权利要求3所述的燃料电池热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

当监测到所述燃料电池电堆的进气端板处的单片电压小于或等于报警值，且T₁-T₃≥T₀"时，开启所述第三控制阀，其中T₁为所述冷却回路中的冷却液流入燃料电池电堆的入口的冷却液温度，T₃为燃料进堆温度，T₀"为所述系统预设的温度值；否则，关闭所述第三控制阀。