CN116207294B - 燃料电池冷却液智能调配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及燃料电池领域，提供了一种燃料电池冷却液智能调配系统及方法，该系统包括：冷却液调配单元、电堆、PTC加热器、中冷器、水泵、附件散热和散热器，其中，上述冷却液调配单元设置至少一个容纳室，上述容纳室内设置至少一个冷却液调配器，上述容纳室和上述冷却液调配器用于汇集和分配冷却液；上述冷却液调配单元分别连接上述电堆、上述PTC加热器、上述中冷器、上述附件散热和上述散热器。该系统满足了燃料电池冷却液智能调配系统内部所有零件的温度调节需求，提高了温度调节效率，将多管路流道集中到一起，避免了使用多个三通阀或四通阀，将集成布置简单化。

Description

燃料电池冷却液智能调配系统及方法

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，尤其涉及燃料电池冷却液智能调配系统及方法。

背景技术

燃料电池电堆在发电的过程中会产生热量，电堆内部分布的冷却液可以将这些热量带走，从而保证电堆工作在一个适宜的温度范围内。带着热量的冷却液流经电加热器、中冷器、附件散热（新氢加热器、乘客舱暖风芯体等部件）和散热器，与这些零件发生热量交换，可使冷却液温度发生改变，热量再次转移。

传统的燃料电池冷却液智能调配系统，往往是围绕电堆设计的，主要考虑的是不同工况下电堆的加热或散热需求。往往采用多通阀来控制大小循环，来满足电堆不同的需求。而针对系统内的其他零件，往往不能满足所有的加热或散热需求。现有的燃料电池冷却液智能调配系统，要么将中冷器的入水口设置在电堆冷却液入口，要么设置在电堆冷却液出口。当设置在电堆冷却液入口时，进入到中冷器的冷却液温度较低，主要将中冷器降温。而设置在电堆冷却液出口时，进入到中冷器的冷却液温度较高，主要将中冷器加热，功能单一。

发明内容

（一）发明目的

鉴于上述问题，为了满足燃料电池内部所有零件的温度调节需求，提高温度调节效率，将多管路流道集中到一起，避免使用多个三通阀或四通阀，将集成布置简单化，本申请提供了以下技术方案。

（二）技术方案

本申请实施例的第一方面，提供了一种燃料电池冷却液智能调配系统，包括：冷却液调配单元、电堆、PTC加热器、中冷器、水泵、附件散热和散热器，上述冷却液调配单元分别连接上述电堆、上述PTC加热器、上述中冷器、上述附件散热和上述散热器。

上述冷却液调配单元设置容纳室，上述容纳室包括第一容纳室和第二容纳室，上述第一容纳室内设置有两个冷却液调配器，分别为第一冷却液调配器和第二冷却液调配器；上述第二容纳室设置有两个冷却液调配器，分别为第三冷却液调配器和第四冷却液调配器；上述容纳室和上述冷却液调配器用于汇集和分配冷却液；

上述系统还包括至少一条管道；

上述第一冷却液调配器通过上述至少一条管道中的第一管道连接上述水泵；上述第二冷却液调配器通过上述至少一条管道中的第二管道依次连接上述PTC加热器和上述电堆；上述第二冷却液调配器通过上述至少一条管道中的第五管道直接连接上述电堆；上述第三冷却液调配器通过上述至少一条管道中的第三管道连接上述附件散热；上述第四冷却液调配器通过上述至少一条管道中的第四管道连接上述散热器；

上述第二容纳室通过上述至少一条管道中的第六管道连接上述电堆，上述第一容纳室通过上述至少一条管道中的第七管道依次连接上述中冷器和上述水泵。

在一些可能的实施方式中，上述燃料电池冷却液智能调配系统通过上述冷却液调配器调节冷却液在上述至少一个管道内的流通面积。

在一些可能的实施方式中，上述第一容纳室和上述第二容纳室相互独立。

在一些可能的实施方式中，上述第六管道和上述第七管道为常通状态。

本申请实施例的第二方面，提供了一种燃料电池冷却液智能调配方法，包括：

响应于燃料电池处于冷启动工况，开启第二冷却液调配器连接第二管道的通路，并启动PTC加热器；

响应于燃料电池由冷启动工况进入冷机工况时，关闭PTC加热器，关闭第二冷却液调配器连接第二管道的通路，开启第二冷却液调配器连接第五管道的通路，当附件散热有加热需求时，打开第三冷却液调配器；

响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%；

响应于燃料电池由正常工况进入到大负荷工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为100%，关闭第一冷却液调配器。

在一些可能的实施方式中，上述方法还包括：响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况且中冷器需要加热时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且保持第一冷却液调配器关闭；当中冷器需要降温时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且开启第一冷却液调配器。

（三）有益效果

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

1、采用冷却液调配单元，在其内部设置多个冷却液调配器，可将燃料电池系统中产生冷却液（冷水或热水）汇集到该冷却液调配器中，统一进行分配，在低温冷启动时，可使冷却液只流经产热的电堆和电加热器，能让电堆迅速升温；当进入到正常工况状态后，可根据中冷器的需求，对冷却液调配单元进行调节，分别对其加热或冷却；在燃料电池大负荷工作阶段，可使所有能散热的部件（散热器，中冷器和附件散热）均发挥其散热功能，并将冷却后的冷却液全部注入电堆，充分发挥降温效果，提高温度调节效率。

2、采用该冷却液调配单元后，将多个管路流道集中到一起，避免了传统冷却液智能调配架构中采用多个三通阀或四通阀，从而使集成布置变得更加复杂的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统的一些实施例的结构示意图；

图2是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统处于冷启动工况的一些实施例的结构示意图；

图3是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统处于冷机工况的一些实施例的结构示意图；

图4是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统处于正常工况，且中冷器需要加热的一些实施例的结构示意图；

图5是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统处于正常工况，且中冷器需要降温的一些实施例的结构示意图；

图6是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配系统处于大负荷工况的一些实施例的结构示意图；

图7是根据本申请的燃料电池冷却液智能调配方法的一些实施例的流程图；

附图标记：1-冷却液调配单元、2-电堆、3-PTC加热器、4-中冷器、5-水泵、6-附件散热、7-散热器、11-第一冷却液调配器、12-第二冷却液调配器、13-第三冷却液调配器、14-第四冷却液调配器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本申请实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

下面参考图1详细描述本申请的燃料电池冷却液智能调配系统，如图1所示，上述燃料电池冷却液智能调配系统包括冷却液调配单元1、电堆2、PTC加热器3、中冷器4、水泵5、附件散热6和散热器7，其中，上述冷却液调配单元1设置至少一个容纳室，上述容纳室内设置至少一个冷却液调配器，上述容纳室和上述冷却液调配器用于汇集和分配冷却液；上述冷却液调配单元1分别连接上述电堆2、上述PTC加热器3、上述中冷器4、上述附件散热6和上述散热器7。

在一些实施例中，上述冷却液调配单元1设置第一容纳室和第二容纳室，上述第一容纳室内设置有第一冷却液调配器11和第二冷却液调配器12；上述第二容纳室设置有第三冷却液调配器13和第四冷却液调配器14，作为示例，上述冷却液调配器可以是电控球阀。上述第一容纳室和上述第二容纳室是相互独立的，即上述第一容纳室内的冷却液和上述第二容纳室内的冷却液互不流通，这里，冷却液调配单元1分为两个容纳室，分别为第一容纳室和第二容纳室，两个容纳室互不相通，内部冷却液不能互相流通，上述系统还包括至少一条管道，这里，燃料电池冷却液智能调配系统各部件之间通过管道连接，管道用于实现冷却液的流通，包括第一管道至第七管道。第一容纳室设置两个冷却液调配器，其中，第一冷却液调配器11通过第一管道连接上述水泵5，通过控制第一冷却液调配器11的开关程度可以控制第一管道内部冷却液的流通面积；第二冷却液调配器12是一个三通阀，可以通过旋转不同的角度来控制第二管道和第五管道的开启或关闭，具体的，通过控制第二冷却液调配器12的开关状态可分别控制第二管道和第五管道内冷却液的流通面积，第二冷却液调配器12通过第二管道依次连接上述PTC加热器3和上述电堆2；第二冷却液调配器12通过第五管道直接连接上述电堆2；通过控制第三冷却液调配器13的开关程度可以控制第三管道内部冷却液的流通面积，第三冷却液调配器13通过第三管道连接上述附件散热6；通过控制第四冷却液调配器14的开关程度可以控制第四管道内部冷却液的流通面积，第四冷却液调配器14通过第四管道连接上述散热器7。

在一些实施例中，上述燃料电池冷却液智能调配系统还包括第六管道，上述冷却液调配单元1的第二容纳室通过第六管道直接连接上述电堆2。

在一些实施例中，上述燃料电池冷却液智能调配系统还包括第七管道，上述冷却液调配单元1的第一容纳室通过第七管道依次连接上述中冷器4和上述水泵5。

这里，上述第六管道和上述第七管道为常通状态，上述冷却液调配单元1不能控制上述第六管道和上述第七管道内部冷却液的流通面积。

在一些实施例中，通过控制上述冷却液调配单元1内的上述第一冷却液调配器11、上述第二冷却液调配器12、上述第三冷却液调配器13和上述第四冷却液调配器14的开关状态控制管道内冷却液的流通面积，不同工况下，上述第一冷却液调配器11、第二冷却液调配器12、第三冷却液调配器13和第四冷却液调配器14的开关状态不同，具体不同工况对应的不同冷却液调配器的开关状态如表1所示。

表1

需要说明的是，在冷启动阶段，由于环境温度较低，燃料电池的电堆2的温度也处于较低水平，这时燃料电池冷却液智能调配系统只需进行小循环回路流动，并开启PTC加热器3进行辅助加热，使冷却液从小循环回路中的PTC加热器3和中冷器4获得热量，使电堆2快速升温；当电堆2温度升至正常范围后，其本身产生的热量足够维持其处在适宜的温度范围，则可关闭PTC加热器3，这时小循环回路中的中冷器4也可以使冷却液中的热量散失掉一部分；而当燃料电池系统运行至正常工况和大负荷工况时，由于中冷器4本身的散热能力不够，则需要通过节温器或冷却液调配器切换至大循环，使用散热器7为冷却液降温。散热器7一般与外界环境有空气对流，可使热量散失到环境当中，从而使整个燃料电池系统工作在一个适宜的温度范围。

本申请对于不同工况对应的不同冷却液调配器的开关状态设置具体如下：

当燃料电池处于冷启动工况，参见图2，开启第二冷却液调配器12连接第二管道的通路，其他冷却液调配器均处于关闭状态，此时，第二管道与第七管道连通，冷却液经过电堆2、PTC加热器3和中冷器4回到水泵5，由于此时电堆2和PTC加热器3都只产热，所以能使冷却液迅速升温，从而使电堆2温度快速提升到正常工作温度范围，而此时流经中冷器4的冷却液也可将中冷器4的温度升高，对内部的空气起到加热作用。

当燃料电池由冷启动工况进入冷机工况时，参见图3，不再需要PTC加热器3来加热冷却液，关闭PTC加热器3，关闭第二冷却液调配器12连接第二管道的通路，开启第二冷却液调配器12连接第五管道的通路，第一冷却液调配器11和第四冷却液调配器14均关闭，冷却液经电堆2、中冷器4回到水泵5，形成第一小循环回路；此时，如果附件散热6有加热需求（如新氢加热器需加热，或乘客舱暖风芯体需加热），可将第三冷却液调配器13打开，将从电堆2流出的冷却液导入其中，在第三管道和第六管道之间形成第二小循环回路，将一部分电堆2产生的热量散出去。

当燃料电池由冷机工况进入正常工况时，电堆2产生的热量仅由中冷器4和附件散热6两条小循环回路无法散掉，参见图4，控制第四冷却液调配器14的开启度为0%~50%，冷却液通过第四管道进入散热器7，在和外界环境的换热之后，散热器7可将经过它的冷却液温度降低，再通过水泵5回到电堆2入口，在此工况下，若中冷器4需要加热，则保持第一冷却液调配器11关闭，这时电堆2出口的高温冷却液可加热中冷器4，使其温度升高。

当燃料电池由冷机工况进入正常工况时，某些特定的工况，中冷器4反而需要降温，参见图5，本申请专门设置了一条从水泵5出口到冷却液调配单元1的第一管道，这时控制第四冷却液调配器14的开启度为0%~50%，且将第一冷却液调配器11打开，由散热器7冷却后的冷却液通过第一管道引入到冷却液调配单元1内，与第五管道内的电堆2出口高温冷却液混合后再通过第七管道流入中冷器4。这样中冷器4内不再是电堆2出口的高温冷却液，而是降温后的冷却液，这样可使中冷器4达到降温效果。

当燃料电池由正常工况进入到大负荷工况时，电堆2有巨大的热量需要散失。参见图6，控制第四冷却液调配器14的开启度为100%，充分利用散热器7的散热能力，将电堆2内流出的冷却液热量带走。为了让电堆2的温度尽可能下降，此工况下需要关闭第一冷却液调配器11，让所有被散热器7冷却后的冷却液都流入电堆2，这时还有一部分电堆2出口的冷却液通过第五管道和第七管道流入到中冷器4内，也可散失一部分热量，为冷却液降温。

本申请采用一种燃料电池冷却液智能调配系统，在其内部设置冷却液调配单元1，包含多个冷却液调配器，可将燃料电池系统中产生的冷水（冷却液）和热水（冷却液）汇集到冷却液调配单元1中，统一进行分配。在低温冷启动时，可使冷却液只流经产热的电堆2和PTC加热器3，能让电堆2迅速升温。当进入到正常工况后，可根据中冷器4的需求，对冷却液调配单元1进行调节，分别对其加热或冷却。在燃料电池大负荷工况，可使所有能散热的部件（散热器7，中冷器4和附件散热6）均发挥其散热功能，并将冷却后的冷却液全部注入电堆2，充分发挥降温效果。

采用冷却液调配单元1后，可将多个管路流道集中到一起，也避免了传统冷却液智能调配架构中采用多个三通阀或四通阀，从而使集成布置变得更加复杂的情况。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。

下述为本申请方法实施例，可以应用于本申请的系统实施例。对于本申请方法实施例中未披露的细节，请参照本申请系统实施例。

图7是本申请的燃料电池冷却液智能调配方法的一些实施例的流程图。如图7所示，该燃料电池冷却液智能调配方法包括以下步骤S701-S704：

S701，响应于燃料电池处于冷启动工况，开启第二冷却液调配器连接第二管道的通路，并启动PTC加热器；

S702，响应于燃料电池由冷启动工况进入冷机工况时，关闭PTC加热器，关闭第二冷却液调配器连接第二管道的通路，开启第二冷却液调配器连接第五管道的通路，当附件散热有加热需求时，打开第三冷却液调配器；

S703，响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%；

S704，响应于燃料电池由正常工况进入到大负荷工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为100%，关闭第一冷却液调配器。

在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述方法还包括：响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况且中冷器需要加热时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且保持第一冷却液调配器关闭；当中冷器需要降温时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且开启第一冷却液调配器。

以上描述仅为本申请的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请的实施例中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (3)

1.一种燃料电池冷却液智能调配系统，其特征在于，包括：冷却液调配单元、电堆、PTC加热器、中冷器、水泵、附件散热和散热器，所述冷却液调配单元分别连接所述电堆、所述PTC加热器、所述中冷器、所述附件散热和所述散热器；

所述冷却液调配单元设置容纳室，所述容纳室包括第一容纳室和第二容纳室，所述第一容纳室内设置有两个冷却液调配器，分别为第一冷却液调配器和第二冷却液调配器；所述第二容纳室设置有两个冷却液调配器，分别为第三冷却液调配器和第四冷却液调配器；所述容纳室和所述冷却液调配器用于汇集和分配冷却液；

所述系统还包括至少一条管道；

所述第一冷却液调配器通过所述至少一条管道中的第一管道连接所述水泵；所述第二冷却液调配器通过所述至少一条管道中的第二管道依次连接所述PTC加热器和所述电堆；所述第二冷却液调配器通过所述至少一条管道中的第五管道直接连接所述电堆；所述第三冷却液调配器通过所述至少一条管道中的第三管道连接所述附件散热；所述第四冷却液调配器通过所述至少一条管道中的第四管道连接所述散热器；

所述第二容纳室通过所述至少一条管道中的第六管道连接所述电堆，所述第一容纳室通过所述至少一条管道中的第七管道依次连接所述中冷器和所述水泵；

所述第一容纳室内的冷却液和所述第二容纳室内的冷却液互不流通；所述第六管道和所述第七管道为常通状态；所述燃料电池冷却液智能调配系统通过所述冷却液调配器调节冷却液在所述至少一条管道内的流通面积。

2.一种燃料电池冷却液智能调配方法，其特征在于，用于如权利要求1所述的燃料电池冷却液智能调配系统，所述燃料电池冷却液智能调配方法包括：

响应于燃料电池处于冷启动工况，开启第二冷却液调配器连接第二管道的通路，并启动PTC加热器；

响应于燃料电池由冷启动工况进入冷机工况时，关闭PTC加热器，关闭第二冷却液调配器连接第二管道的通路，开启第二冷却液调配器连接第五管道的通路，当附件散热有加热需求时，打开第三冷却液调配器；

响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%；

响应于燃料电池由正常工况进入到大负荷工况时，控制第四冷却液调配器的开启度为100%，关闭第一冷却液调配器。

3.如权利要求2所述的燃料电池冷却液智能调配方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于燃料电池由冷机工况进入正常工况且中冷器需要加热时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且保持第一冷却液调配器关闭；当中冷器需要降温时，控制第四冷却液调配器的开启度为0%~50%，且开启第一冷却液调配器。