CN216054819U - 步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器，通过热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。

Description

步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统。

背景技术

作为汽车电动化的解决方案之一的燃料电池汽车的大规模商业化还存在着成本高、寿命短、氢基础设施薄弱等问题。其中，燃料电池低温启动问题则是阻碍燃料电池商业化的关键技术瓶颈之一，是燃料电池汽车冬季运行的最大挑战。

当燃料电池在不采取任何保护措施情况下在低于0℃的低温环境中启动时，其反应所产生的水首先会在催化层内部结冰，导致催化层反应活性位点被覆盖和氧气传输受阻，电压出现骤降；当催化层完全被冰覆盖而电堆温度还未升至0℃以上则会在扩散层和流道内结冰导致冷启动失败。另一方面，催化层的结冰过程会导致催化剂层和质子交换膜之间出现间隙，同时结冰/融化循环会引起催化层微孔结构的崩塌和致密化以及催化层中铂颗粒的粗化，致使电化学活性表面积减小并难以恢复，从而对燃料电池发电性能造成永久性损害，而且循环次数越多冷启温度越低对电池损害越大。

目前燃料电池低温启动的技术方案主要是在电堆停机时利用气体吹扫来降低燃料电池膜电极的含水量，从而减少固态冰的形成，但是在电堆温度未升至0℃以上时只要启动电堆产生水就会结冰，而且首先是在铂颗粒表面与离子树脂接触的部位产生冰，一旦温度升至室温铂与离子树脂界面的冰融化就会造成界面的脱离，导致不可逆的电化学活性面积的损失。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，采用热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元与燃料电池电堆连通，燃料电池热管理单元的循环回路中串联有永磁体和磁质储热器，步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆、燃料电池热管理单元和热管理控制器；热管理控制器与燃料电池热管理单元电性连接，燃料电池热管理单元的循环回路与燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧连通，位于循环回路中串联有永磁体、磁质储热器和水泵，步进电机与磁质储热器连接并驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔。

所述循环回路中的磁质储热器和水泵之间，设置第一三通电磁阀与永磁体一侧的第二三通电磁阀连通。

所述水泵的进液侧设置第四三通电磁阀，从第四三通电磁阀引出的支路与永磁体一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀。

所述第三三通电磁阀引出的支路连接于循环回路的水泵和第四三通电磁阀之间，该支路中串联有散热器和单向阀。

所述循环回路中还设置有第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器；第一温度传感器和第二温度传感器分别靠近燃料电池电堆的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器靠近永磁体一侧。

所述磁质储热器包括位于磁质储热器外壳内的磁质储热管，以及位于磁质储热器外壳和磁质储热管之间的保温层，进液口和出液口分别位于磁质储热器外壳两端与磁质储热管连通。

所述保温层内填充绝热材料；磁质储热管内填充球体或椭球体的固体磁性材料，球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。

所述永磁体为中空的圆形筒体。

所述热管理控制器接收温度信号并发送指令，控制调整水泵、步进电机和散热器的转速。

本实用新型的主要有益效果在于：

采用步进电机驱动磁质储热器进出永磁体的磁场空腔，构建磁化放热→退磁吸热。

采用水泵驱动冷却液沿循环回路循环流动将磁化放热的热量传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动。

采用热管理控制器监测循环回路温度，并根据条件启动对应的管理模式，使燃料电池处于最佳工作温度区间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的系统图。

图2为本实用新型磁质储热器的结构示意图。

图中：燃料电池电堆1，燃料电池热管理单元2，水泵201，第一三通电磁阀202，磁质储热器203，磁质储热器外壳2031，保温层2032，磁质储热管2033，固体磁性材料2034，进液口2035，出液口2036，步进电机204，永磁体205，第二三通电磁阀206，第三三通电磁阀207，散热器208，单向阀209，第四三通电磁阀210，第一温度传感器211，第二温度传感器212，第三温度传感器213，热管理控制器3。

具体实施方式

如图1~图2中，一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，它包括燃料电池电堆1、燃料电池热管理单元2和热管理控制器3；热管理控制器3与燃料电池热管理单元2电性连接，燃料电池热管理单元2的循环回路与燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧连通，位于循环回路中串联有永磁体205、磁质储热器203和水泵201，步进电机204与磁质储热器203连接并驱动磁质储热器203进出永磁体205的磁场空腔。使用时，循环回路循环过程中，步进电机204驱动磁质储热器203进出永磁体205的磁场空腔，构建磁化放热和退磁吸热，利用热量传递对燃料电池电堆1进行低温启动，耗能低，避免电堆结冰造成界面脱离导致不可逆的电化学活性面积的损失，规避额外能量消耗，提高了燃料电池的利用率。

优选地，燃料电池热管理单元2用于控制燃料电池电堆1的工作温度，并在低温启动前利用磁质储热器203在进入永磁体205的磁场时，释放磁化热为燃料电池电堆1进行预热。

优选地，热管理控制器3用于接收燃料电池电堆1中冷却液进口和出口温度信号，以及燃料电池热管理单元2中磁质储热器203的冷却液出口的温度信号，并向燃料电池热管理单元2中的水泵201、步进电机204、散热器208、第一三通电磁阀202、第二三通电磁阀206、第三三通电磁阀207和第四三通电磁阀210发送开关指令以及通过PWM控制机制调控水泵、步进电机、和散热器的转速。

优选的方案中，所述循环回路中的磁质储热器203和水泵201之间，设置第一三通电磁阀202与永磁体205一侧的第二三通电磁阀206连通。

优选的方案中，所述水泵201的进液侧设置第四三通电磁阀210，从第四三通电磁阀210引出的支路与永磁体205一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀207。

优选的方案中，所述第三三通电磁阀207引出的支路连接于循环回路的水泵201和第四三通电磁阀210之间，该支路中串联有散热器208和单向阀209。

优选的，第一三通电磁阀202、第二三通电磁阀206、第三三通电磁阀207和第四三通电磁阀210均为三位三通电磁阀。

优选的方案中，所述循环回路中还设置有第一温度传感器211、第二温度传感器212和第三温度传感器213；第一温度传感器211和第二温度传感器212分别靠近燃料电池电堆1的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器213靠近永磁体205一侧。使用时，第一温度传感器211、第二温度传感器212用于监测进出燃料电池电堆冷却液的温度，第三温度传感器213用于监测冷却液流出磁质储热器203时的温度。

优选的方案中，所述磁质储热器203包括位于磁质储热器外壳2031内的磁质储热管2033，以及位于磁质储热器外壳2031和磁质储热管2033之间的保温层2032，进液口2035和出液口2036分别位于磁质储热器外壳2031两端与磁质储热管2033连通。

优选地，保温层2032内填充的绝热材料为发泡聚丙烯、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料绝热材料的一种或多种。

优选的方案中，所述保温层2032内填充绝热材料；磁质储热管2033内填充球体或椭球体的固体磁性材料2034，球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。

优选地，所述固体磁性材料2034为居里温度在245~280K之间的磁制冷材料，包括但不限于Gd-Si-Ge、La-Fe-Si-C、La-Fe-Co-Al、La-Fe-Co-Si、La-Fe-Al-C、La-Fe-Al-H、La-Fe-Al-C-H、La-Pr-Fe-Co-Si、Mn-Fe-P-As、Mn-Cr-Co-Ge系列合金材料。

优选的方案中，所述永磁体205为中空的圆形筒体。

优选的方案中，所述热管理控制器3接收温度信号并发送指令，控制调整水泵201、步进电机204和散热器208的转速。

具体地，如图1所示，

燃料电池电堆1的冷却液出口与燃料电池热管理单元2中的第四三通电磁阀210的进液口通过管道连接，第四三通电磁阀210的第一出液口和第二出液口分别与水泵201的进液口、第三三通电磁阀207的第二进液口通过管道连接，第三三通电磁阀207的出液口与散热器208的进液口通过管道连接，散热器208的出液口与单向阀209的进液口通过管道连接，单向阀209的出液口通过管道连接至水泵201的进液口，水泵201的出液口通过管道连接至第一三通电磁阀202的进液口，第一三通电磁阀202的第一出液口和第二出液口分别与磁质储热器203的进液口2035、第二三通电磁阀206的第二进液口通过管道连接，磁质储热器203的出液口2036通过管道分别与第二三通电磁阀206的第一进液口和第三三通电磁阀207的第一进液口连接，第二三通电磁阀206的出液口通过管道连接至燃料电池电堆1的冷却液进口，从而形成燃料电池电堆1的冷却液循环回路。

燃料电池热管理单元2还包括膨胀水箱，膨胀水箱通过管路连接在水泵201的两端，膨胀水箱用于定压补液。膨胀水箱图中未示出。

如图1所示，热管理控制器3通过低压信号线与燃料电池热管理单元2中的第一温度传感器211、第二温度传感器212和第三温度传感器213连接，接收温度传感器的温度信号；通过低压开关控制线与燃料电池热管理单元2中的第一三通电磁阀202、第二三通电磁阀206、第三三通电磁阀207和第四三通电磁阀210连接，向其发送开通方向的指令；通过低压开关控制线与燃料电池热管理单元2中的中的水泵201、步进电机204和散热器208连接，向上述水泵201、步进电机204、散热器208风扇发送开关指令并通过PWM控制机制向其发送脉宽调制信号以调控步进电机、水泵电机和散热器风扇电机的转速。

一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统工作在低温启动模式和正常热管理模式：

在低温启动模式下，燃料电池电堆1的冷却液存在着两种不同的循环路径，其中，当燃料电池热管理单元2中的步进电机204驱动磁质储热器206进入永磁体205磁场空腔时，热管理控制器3分别开启燃料电池热管理单元2中的第一三通电磁阀202的第一阀门、第二三通电磁阀206的第一阀门和第四三通电磁阀210的第一阀门，关闭第三三通电磁阀207，并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→第一三通电磁阀202→磁质储热器203→磁质储热器出口温度传感器213→第二三通电磁阀206→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器211→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器212→第四三通电磁阀210→水泵201，从而构成燃料电池的第一个载热流体传递回路。在此过程中，燃料电池热管理单元2中的磁质储热器203进入永磁体205的磁场后其内部充填的磁性材料2034开始磁化并释放磁化热，冷却液则将磁化热传递给燃料电池电堆1助其升温；

当燃料电池热管理单元2中的磁质储热器203的磁质材料2034磁化完毕后，热管理控制器3则使步进电机204驱动磁质储热器206退出永磁体205磁场空腔，同时开启燃料电池热管理单元2中的第三三通电磁阀207的第一阀门并关闭第二三通电磁阀206和第四三通电磁阀210的阀门，燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→第一三通电磁阀202→磁质储热器203→磁质储热器出口温度传感器213→第三三通电磁阀207→散热器208→单向阀209→水泵201，从而构成燃料电池的第二个载热流体传递回路。在此过程中，燃料电池热管理单元2中的磁质储热器203退出永磁体205的磁场后其内部充填的磁性材料2034开始退磁降温释放冷量，冷却液则将冷量传递至散热器208开始与外界环境进行热交换使冷却液的温度恢复至环境温度；然后再次重复第一个载热流体传递回路，如此循环直至燃料电池实现低温启动。

在正常热管理模式下，燃料电池电堆1的冷却液也存在着两种不同的循环路径，其中，

当燃料电池电堆1刚完成低温启动还未达到最佳工作温度时，热管理控制器3分别开启燃料电池热管理单元2中的第一三通电磁阀202的第二阀门、第二三通电磁阀206的第二阀门和第四三通电磁阀210的第一阀门，关闭第三三通电磁阀207，并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→第一三通电磁阀202→第二三通电磁阀206→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器211→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器212→第四三通电磁阀210→水泵201，从而构成燃料电池的第三个载热流体传递回路。

当燃料电池电堆1已进入最佳工作温度区间时，热管理控制器3分别开启燃料电池热管理单元2中的第一三通电磁阀202的第二阀门、第二三通电磁阀206的第二阀门、第三三通电磁阀207的第二阀门和第四三通电磁阀210的第二阀门，并启动水泵201使燃料电池电堆1的冷却液路运行轨迹为：水泵201→第一三通电磁阀202→第二三通电磁阀206→燃料电池电堆入口前冷却液温度传感器211→燃料电池电堆1→燃料电池电堆出口后冷却液温度传感器212→第四三通电磁阀210→第三三通电磁阀207→散热器208→单向阀209→水泵201，从而构成燃料电池的第四个载热流体传递回路。在此过程中，热管理控制器3通过PWM控制机制分别向燃料电池热管理单元2中水泵201和散热器208的风扇发送脉宽调制信号来调控水泵电机和散热器风扇电机的转速以控制燃料电池电堆1的温度。

实施例1，

热管理控制器3采用燃料电池热管理单元2中第一温度传感器211或者第二温度传感器212的冷却液温度作为参考温度进行后续比较和处理；在另一个实施例中，热管理控制器3采用第一温度传感器211和第二温度传感器212的冷却液温度的平均值作为后续比较和处理的参数。以下将上述实施例中的第一温度传感器211或/和第二温度传感器212的冷却液参考温度统称为“燃料电池电堆冷却液温度T_F”，并将第三温度传感器213的参考温度称为“磁质储热器出口温度T_M”。

实施例2，

热管理控制器3读取第一阈值温度T₁、第二阈值温度T₂，其中，第一阈值温度T₁小于第二阈值温度T₂，即T₁＜T₂。其中，第一阈值温度T₁设定为-4℃~0℃区间中的一个温度；第二阈值温度T₂设定为70℃~75℃区间中的一个温度，即燃料电池电堆1正常工作的最佳温度。

热管理控制器3比较燃料电池电堆冷却液温度T_F和第一阈值温度T₁。当T_F＜T₁时，燃料电池热管理系统进入低温启动模式；当T_F＞T₁时，燃料电池热管理系统进入正常热管理模式。

本实用新型巧妙的利用磁性材料的磁热效应在低温环境中通过构建磁化放热→退磁吸热→磁化放热循环将环境中的热量传递给燃料电池电堆来实现燃料电池的低温启动，与常规热泵相比具有结构简单、耗能低的优点，同时也规避了通常采用电加热或氢气催化燃烧等预热方式所需要的额外能量消耗，提高了燃料电池汽车车载能源，例如电能和氢能的利用率，从而延长了燃料电池的续驶里程。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：它包括燃料电池热管理单元（2）和热管理控制器（3）；热管理控制器（3）与燃料电池热管理单元（2）电性连接，燃料电池热管理单元（2）的循环回路中串联有永磁体（205）、磁质储热器（203）和水泵（201），步进电机（204）与磁质储热器（203）连接并驱动磁质储热器（203）进出永磁体（205）的磁场空腔。

2.根据权利要求1所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述循环回路中的磁质储热器（203）和水泵（201）之间，设置第一三通电磁阀（202）与永磁体（205）一侧的第二三通电磁阀（206）连通。

3.根据权利要求1所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述水泵（201）的进液侧设置第四三通电磁阀（210），从第四三通电磁阀（210）引出的支路与永磁体（205）一侧的循环回路连通，该支路中串联有第三三通电磁阀（207）。

4.根据权利要求3所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述第三三通电磁阀（207）引出的支路连接于循环回路的水泵（201）和第四三通电磁阀（210）之间，该支路中串联有散热器（208）和单向阀（209）。

5.根据权利要求1所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述循环回路中还设置有第一温度传感器（211）、第二温度传感器（212）和第三温度传感器（213）；第一温度传感器（211）和第二温度传感器（212）分别靠近燃料电池电堆（1）的进液口侧和出液口侧；第三温度传感器（213）靠近永磁体（205）一侧。

6.根据权利要求1所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述磁质储热器（203）包括位于磁质储热器外壳（2031）内的磁质储热管（2033），以及位于磁质储热器外壳（2031）和磁质储热管（2033）之间的保温层（2032），进液口（2035）和出液口（2036）分别位于磁质储热器外壳（2031）两端与磁质储热管（2033）连通。

7.根据权利要求6所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述保温层（2032）内填充绝热材料；磁质储热管（2033）内填充球体或椭球体的固体磁性材料（2034），球体或椭球体之间的空隙为冷却液流动通道。

8.根据权利要求1所述的步进电机控制磁热的燃料电池热管理系统，其特征是：所述永磁体（205）为中空的圆形筒体。

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