CN117301809A - 一种燃料电池汽车集成式热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池汽车集成式热管理系统，包括：第一循环回路，包括第一PTC和电堆，利用所述第一PTC加热所述电堆；第二循环回路，包括第二PTC和暖风机，利用所述第二PTC加热乘员舱；第三循环回路，包括电池和板式换热器，所述板式换热器与所述第二循环回路连接，以用于电池换热；第四循环回路，用于电驱系统循环散热；第五循环回路，包括室外冷凝器和蒸发器，用于乘员舱制冷，且所述第五循环回路与所述第四循环回路通过冷却器换热连接。本发明将三大热管理系统集成在一起，充分利用电堆和电驱的余热，降低整车能耗，节能环保，提升产品竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池汽车集成式热管理系统。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，各大汽车企业都集中精力研发新能源汽车。其中，氢燃料电池汽车是当下比较热门的一种新能源汽车，其原理是氢气和氧气在催化剂的作用下产生电化学反应，输出电能，利用电能来带动电机运转，从而驱动车辆行驶，多余的电能可以储存在动力电池内。氢燃料电池汽车排放的产物是水，既环保，又能解决纯电动汽车带来的里程焦虑。
然而氢燃料电池技术应用在实践生产过程中还存在一些问题，尤其是整车热管理方面。氢燃料电池汽车在工作过程中产热量较大，产生的热量约有95％通过冷却液散发。目前燃料电池汽车热管理系统是三个独立的子系统——燃料电池冷却系统、电驱冷却系统、动力电池冷却系统。这三个子系统之间没有能量的互相利用，导致整车能耗较高，严重影响了整车经济性。
因此，如何提供一种可有效实现多种模式的热管理的系统成为本领域亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池汽车集成式热管理系统，通过合适的控制策略控制三通阀的开关位置，实现多种模式的热管理，充分利用了行车过程中电堆和电驱产生的余热，降低乘员舱PTC和电池加热PTC的使用功率，达到减少整车能耗的目的。
根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池汽车集成式热管理系统，包括：
第一循环回路，包括第一PTC和电堆，利用所述第一PTC加热所述电堆；
第二循环回路，包括第二PTC和暖风机，利用所述第二PTC加热乘员舱；且所述第一循环回路与所述第一循环回路通过第一三通阀连接，以控制所述第一循环回路与所述第二循环回路之间的连通与断开；
第三循环回路，包括电池和板式换热器，所述板式换热器与所述第二循环回路连接，以用于电池换热；且所述暖风机与所述板式换热器之间还设有第二三通阀，所述第二三通阀的另一出口与所述第一三通阀连接，以控制第二循环回路与所述第三循环回路之间的连通与断开；
第四循环回路，用于电驱系统循环散热；所述第四循环回路上还设有第四三通阀和第五三通阀，通过所述第四三通阀连接有散热器和水壶，以通过所述散热器实现电驱系统散热；
所述第三循环回路上还设有第三三通阀，所述第三三通阀的另一出口与所述第四三通阀和所述第五三通阀连接，以控制电驱系统或散热器对所述电池进行散热；
第五循环回路，包括室外冷凝器和蒸发器，用于乘员舱制冷，且所述第五循环回路与所述第四循环回路通过冷却器换热连接。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第一循环回路中设有第一水泵，所述第一水泵用于电堆散热。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第一循环回路中还并联有去离子器，所述去离子器用于降低所述第一循环回路中冷却液的离子含量。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第一循环回路还并联有电堆散热器和节温器，当所述电堆温度过高时，所述第一PTC停止运行，所述电堆散热器和节温器能够对所述电堆进行快速散热。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第二循环回路中设有第二水泵，所述第二水泵设置在所述第一三通阀和第二PTC之间。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第三循环回路中设有第三水泵，所述第三水泵设置在所述电池和所述第三三通阀之间。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第四循环回路中设有第四水泵和空压机，所述空压机和所述第四水泵依次设置在所述电驱系统和所述第四三通阀之间。
可选地，根据本发明所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，所述第五循环回路中并联有第一膨胀阀和第二膨胀阀，所述第一膨胀阀与所述蒸发器连接，用于空调制冷，且所述蒸发器与所述室外冷凝器之间还设有压缩机；所述第二膨胀阀与所述冷却器换热连接，用于所述第四循环回路的制冷散热。
本发明用两个三通阀将电堆冷却回路和乘员舱采暖回路、电池加热回路连接起来，利用电堆的余热对乘员舱和电池加热。采用三个三通阀将电驱回路和电池回路连接起来，利用电驱的余热对电池进行加热或利用电驱散热器对电池进行自然散热。本发明将电堆冷却回路、乘员舱采暖/制冷回路、电池加热/冷却回路、电驱冷却回路通过多个三通阀和板式换热器集成在一起。电池热管理有多种模式——电堆余热回收、电驱余热回收、自循环保温模式、通过电驱散热器自然散热、利用空调系统强冷，充分利用系统余热，灵活控制电池温度。本发明将三大热管理系统集成在一起，充分利用电堆和电驱的余热，降低整车能耗，节能环保，提升产品竞争力。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明所公开的燃料电池汽车集成式热管理系统的结构示意图；
图2为本发明在低温环境下冷启动的原理示意图；
图3为本发明在低温环境下行驶的原理示意图；
图4为本发明在低温环境下纯电行驶的原理示意图；
图5为本发明在高温环境下热启动的原理示意图；
图6为本发明在高温环境下行驶的原理示意图；
图7为本发明在高温环境下长时间行驶后的原理示意图。
附图标记说明：1-第一三通阀；2-第二三通阀；3-第三三通阀；4-第四三通阀；5-第五三通阀；6-第一膨胀阀；7-第二膨胀阀。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
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讨论。
根据图1所示，本发明提供了一种燃料电池汽车集成式热管理系统，包括：
第一循环回路，包括第一PTC和电堆，利用所述第一PTC加热所述电堆；
第二循环回路，包括第二PTC和暖风机，利用所述第二PTC加热乘员舱；且所述第一循环回路与所述第一循环回路通过第一三通阀1连接，以控制所述第一循环回路与所述第二循环回路之间的连通与断开；
第三循环回路，包括电池和板式换热器，所述板式换热器与所述第二循环回路连接，以用于电池换热；且所述暖风机与所述板式换热器之间还设有第二三通阀2，所述第二三通阀2的另一出口与所述第一三通阀1连接，以控制第二循环回路与所述第三循环回路之间的连通与断开；
第四循环回路，用于电驱系统循环散热；所述第四循环回路上还设有第四三通阀4和第五三通阀5，通过所述第四三通阀4连接有散热器和水壶，以通过所述散热器实现电驱系统散热；
所述第三循环回路上还设有第三三通阀3，所述第三三通阀3的另一出口与所述第四三通阀4和所述第五三通阀5连接，以控制电驱系统或散热器对所述电池进行散热；
第五循环回路，包括室外冷凝器和蒸发器，用于乘员舱制冷，且所述第五循环回路与所述第四循环回路通过冷却器换热连接。
本发明用两个三通阀将电堆冷却回路和乘员舱采暖回路、电池加热回路连接起来，利用电堆的余热对乘员舱和电池加热。采用三个三通阀将电驱回路和电池回路连接起来，利用电驱的余热对电池进行加热或利用电驱散热器对电池进行自然散热。本发明将三大热管理系统集成在一起，充分利用电堆和电驱的余热，降低整车能耗，节能环保，提升产品竞争力。
进一步地，所述第一循环回路中设有第一水泵，所述第一水泵用于电堆散热。
再进一步地，所述第一循环回路中还并联有去离子器，所述去离子器用于降低所述第一循环回路中冷却液的离子含量。
再进一步地，所述第一循环回路还并联有电堆散热器和节温器，当所述电堆温度过高时，所述第一PTC停止运行，所述电堆散热器和节温器能够对所述电堆进行快速散热。
进一步地，所述第二循环回路中设有第二水泵，所述第二水泵设置在所述第一三通阀1和第二PTC之间。
进一步地，所述第三循环回路中设有第三水泵，所述第三水泵设置在所述电池和所述第三三通阀3之间。
进一步地，所述第四循环回路中设有第四水泵和空压机，所述空压机和所述第四水泵依次设置在所述电驱系统和所述第四三通阀4之间。
进一步地，所述第五循环回路中并联有第一膨胀阀6和第二膨胀阀7，所述第一膨胀阀6与所述蒸发器连接，用于空调制冷，且所述蒸发器与所述室外冷凝器之间还设有压缩机；所述第二膨胀阀7与所述冷却器换热连接，用于所述第四循环回路的制冷散热。
根据图2所示，为本发明在低温环境下冷启动的原理示意图。低温冷启动时，利用第一PTC加热氢堆，通过VCU控制第一三通阀1、第二三通阀2以及第三三通阀3的开口，第一循环回路和第二循环回路断开，第二循环回路与第三循环回路通过板式换热器连接，利用第二PTC加热乘员舱和电池。通过VCU控制第四三通阀4和第五三通阀5的开口，第三循环回路和第四循环回路断开，电驱回路小循环，自然散热。此时电驱系统的余热较少，不足以来加热电池，第五循环回路不启动。
根据图3所示，为本发明在低温环境下行驶的原理示意图。低温行驶一段时间以后，电堆温度上升，第二PTC关闭，节温器尚未开启，电堆通过小循环进行散热。通过VCU控制第一三通阀1、第二三通阀2以及第三三通阀3的开口，第一循环回路与第二循环回路连通，第二循环回路与第三循环回路通过板式换热器连接，利用电堆余热对乘员舱和电池进行加热。通过VCU控制第四三通阀4和第五三通阀5的开口，第三循环回路和第四循环回路断开，电驱回路小循环，自然散热。
根据图4所示，为本发明在低温环境下纯电行驶的原理示意图。供氢不足而电池电量较高时，电堆不工作，使用电池纯电行驶。此时，第一循环回路停止运行，且电池不再需要加热，第二三通阀2与板式换热器断开，并与第一三通阀1连接，第二循环回路自身实现循环，利用PTC进行乘员舱采暖。通过VCU控制第三三通阀3、第四三通阀4以及第五三通阀5的开口，利用电驱余热加热电池。
根据图5所示，为本发明在高温环境下热启动的原理示意图。高温环境下启动后，电堆温度提升较快，节温器打开，通过电堆散热器实现电堆大循环散热。通过控制第三三通阀3、第四三通阀4以及第五三通阀5的开口，第三循环回路和第四循环回路断开，电池回路和电驱回路内部循环保温。第五循环回路开启，第一膨胀阀6打开，乘员舱空调制冷。此时，第二PTC不再进行工作，即第二循环回路停止运行。
根据图6所示，为本发明在高温环境下行驶的原理示意图。高温行驶过程中，电池温度尚未达到冷却要求，第一循环回路依旧通过电堆散热器实现电堆大循环散热。通过控制第三三通阀3、第四三通阀4以及第五三通阀5的开口，使得第四三通阀4与散热器和水壶连通，第三三通阀3与第五三通阀5连通，且第五三通阀5连接在第四三通阀4与水壶连通的支路上，实现电池回路通过散热器进行自然散热。第五循环回路持续开启，第一膨胀阀6打开，乘员舱空调制冷。
再根据图7所示，为本发明在高温环境下长时间行驶后的原理示意图。高温长时间行驶后，第一循环回路依旧通过电堆散热器实现电堆大循环散热。电池温度过高，第一膨胀阀6和第二膨胀阀7均开启，在乘员舱空调制冷的基础上。控制第三三通阀3、第四三通阀4以及第五三通阀5的开口，使得第四三通阀4与散热器和水壶连通，第三三通阀3与第五三通阀5连通，第五三通阀5则与冷却器连接，电池利用空调系统强冷，电驱使用散热器进行散热。
本发明将电堆冷却回路、乘员舱采暖/制冷回路、电池加热/冷却回路、电驱冷却回路通过多个三通阀和板式换热器集成在一起。电池热管理有多种模式——电堆余热回收、电驱余热回收、自循环保温模式、通过电驱散热器自然散热、利用空调系统强冷，充分利用系统余热，灵活控制电池温度。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，包括：
第一循环回路，包括第一PTC和电堆，利用所述第一PTC加热所述电堆；
第二循环回路，包括第二PTC和暖风机，利用所述第二PTC加热乘员舱；且所述第一循环回路与所述第一循环回路通过第一三通阀连接，以控制所述第一循环回路与所述第二循环回路之间的连通与断开；
第三循环回路，包括电池和板式换热器，所述板式换热器与所述第二循环回路连接，以用于电池换热；且所述暖风机与所述板式换热器之间还设有第二三通阀，所述第二三通阀的另一出口与所述第一三通阀连接，以控制第二循环回路与所述第三循环回路之间的连通与断开；
第四循环回路，用于电驱系统循环散热；所述第四循环回路上还设有第四三通阀和第五三通阀，通过所述第四三通阀连接有散热器和水壶，以通过所述散热器实现电驱系统散热；
所述第三循环回路上还设有第三三通阀，所述第三三通阀的另一出口与所述第四三通阀和所述第五三通阀连接，以控制电驱系统或散热器对所述电池进行散热；
第五循环回路，包括室外冷凝器和蒸发器，用于乘员舱制冷，且所述第五循环回路与所述第四循环回路通过冷却器换热连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第一循环回路中设有第一水泵，所述第一水泵用于电堆散热。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第一循环回路中还并联有去离子器，所述去离子器用于降低所述第一循环回路中冷却液的离子含量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第一循环回路还并联有电堆散热器和节温器，当所述电堆温度过高时，所述第一PTC停止运行，所述电堆散热器和节温器能够对所述电堆进行快速散热。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第二循环回路中设有第二水泵，所述第二水泵设置在所述第一三通阀和第二PTC之间。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第三循环回路中设有第三水泵，所述第三水泵设置在所述电池和所述第三三通阀之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第四循环回路中设有第四水泵和空压机，所述空压机和所述第四水泵依次设置在所述电驱系统和所述第四三通阀之间。
8.根据权利要求1所述的燃料电池汽车集成式热管理系统，其特征在于，所述第五循环回路中并联有第一膨胀阀和第二膨胀阀，所述第一膨胀阀与所述蒸发器连接，用于空调制冷，且所述蒸发器与所述室外冷凝器之间还设有压缩机；所述第二膨胀阀与所述冷却器换热连接，用于所述第四循环回路的制冷散热。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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