CN216872035U - 一种新能源车辆整车热量分配系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新能源车辆整车热量分配系统，包括锂电池冷却加热回路、燃料发动机冷却回路、节温器和水水中冷器，水水中冷器的一侧与锂电池冷却加热回路相连，另一侧通过节温器与燃料发动机冷却回路相连，节温器的1通道与颗粒过滤器连通，2通道与水泵连通，3通道与电堆连通，4通道与水水中冷器连通，通过该分配系统的设计实现整车冷启动控制和整车需要燃料电池系统急速拉载功率时温度控制功能。本方案将锂电池冷却加热回路与燃料发动机的冷却回路耦合，实现两个独立系统之间的热量交换，降低两个系统对外部冷却及加热能力的需求，有效提高整车热量管理的能力和应用有效性。

Description

一种新能源车辆整车热量分配系统

技术领域

本实用新型属于车辆热量分配领域，具体涉及一种新能源车辆整车热量分配系统。

背景技术

现有的整车热量管理方案，锂电池加热冷却与燃料发动机的冷却回路是分开的，各自通过系统内部的温控措施调节温度，具体为：锂电池冷却加热回路与燃料发动机的冷却回路为两组单独的系统。锂电池使用专配的冷水机组中的PTC加热器或者是直接贴附在锂电池表面的加热膜进行升温加热，锂电池对PTC或加热膜进行高压供电。锂电池使用专配的冷水机组中的空调系统进行降温调节，锂电池对空调系统进行高压供电。燃料发动机的冷启动升温完全依赖于电堆本身的发热,燃料发动机的系统降温完全依赖于系统中专配的散热器。

上述整车热量管理方案容易造成在车辆运行的部分情况下的能量浪费：当整车需要冷启动且锂电池本身能量不足的情况下，锂电池还需要对PTC加热器或加热膜供电，容易造成锂电池亏电的情况。当锂电池温度低于0℃时放电，对锂电池的寿命和容量会有较大的影响。

燃料电池的温控措施主要通过水泵及散热器的调节。水泵基于电堆进出口温差做PID调节，散热器基于电堆进水口温度进行PID调节。但电堆进水口温度存在迟滞现象，且散热器的调节也会出现延迟，导致电堆的进水温度会在系统急速拉载时出现波峰现象，不利于电堆的稳定运行。

实用新型内容

本实用新型是一种新型的新能源车辆整车热量分配方案，将锂电池冷却加热回路与燃料发动机的冷却回路耦合，实现两个独立系统之间的热量交换，降低两个系统对外部冷却及加热能力的需求，以提高整车热量管理的能力和应用有效性。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种新能源车辆整车热量分配系统，包括锂电池冷却加热回路、燃料发动机冷却回路以及节温器和水水中冷器，水水中冷器的一侧与锂电池冷却加热回路相连，另一侧通过节温器与燃料发动机冷却回路相连。

进一步的，所述燃料发动机冷却回路包括水泵、散热器、颗粒过滤器、电堆、膨胀水箱、离子过滤器和发动机DCF，散热器与颗粒过滤器相连，电堆和发动机DCF相连，水泵、膨胀水箱和离子过滤器均连接在散热器和发动机DCF之间。

进一步的，所述节温器采用多通道球阀节温器，包括1通道、2通道、3通道和4通道，4通道与水水中冷器相连通，节温器的1通道与颗粒过滤器及散热器连通，节温器的2通道与水泵连通，3通道与电堆连通。

进一步的，所述锂电池冷却加热回路包括锂电池水冷板和锂电池水冷机组，均与水水中冷器相连，构成循环回路。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本方案将锂电池冷却加热回路与燃料发动机的冷却回路耦合，通过两组水流通道，使两个回路的核心部件(锂电池，燃料发动机电堆)处于合理的工作温度，一方面取消了锂电池水冷机组的PTC或加热膜，节约了成本，另一方面降低了燃料电池系统中水温迟滞效应对电堆造成的不可逆影响，有效降低两个系统对外部冷却及加热能力的需求，提高整车热量管理的能力和应用有效性。

附图说明

图1为本实用新型实施例整车热量分配系统原理图；

图2为本实用新型实施例整车冷启动流程示意图；

图3为本实用新型实施例电池系统急速拉载流程示意图；

其中：1、水泵；2、散热器；3、颗粒过滤器；4、节温器；5、水水中冷器；6、电堆；7、膨胀水箱；8、离子过滤器；9、锂电池水冷板；10、锂电池水冷机组；11、发动机DCF。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1，本实施例提出一种新能源车辆整车热量分配系统，如图1所示，包括锂电池冷却加热回路、燃料发动机冷却回路、节温器4和水水中冷器5，所述锂电池冷却加热回路包括锂电池水冷板9和锂电池水冷机组10，所述燃料发动机冷却回路包括水泵1、散热器2、颗粒过滤器3、电堆6、膨胀水箱7、离子过滤器8和发动机DCF11，水水中冷器5的一侧与锂电池冷却加热回路相连，另一侧与燃料发动机冷却回路节温器的4通道相连，节温器的1通道与颗粒过滤器3及散热器连通，2通道绕过散热器水泵1连通，3通道绕过水水中冷器与电堆6连通，4通道与水水中冷器5连通。

本方案通过热量传递媒介--水水中冷器5以及多通道球阀节温器4的协同控制，合理的对两个回路系统的热量进行分配，通过两组水流通道，使两个回路的核心部件(锂电池，燃料发动机电堆)处于合理的工作温度，一方面取消了锂电池水冷机组的PTC或加热膜，节约了成本，另一方面降低了燃料电池系统中水温迟滞效应对电堆造成的不可逆影响，只需要在发动机侧做温控策略即可，无需整车控制器在此方面的参与，水水中冷器换热效率可达96％以上。

实施例2，基于实施例1所述的整车热量分配系统的分配方法，用以实现两个功能：

功能A、整车冷启动时期分配策略；

功能B、整车需要燃料电池系统急速拉载功率时期分配策略；

具体的，结合图2和图3，对本实用新型实施例所述分配方法进行详细的介绍：

在整车冷启动时期，整车冷启动完成的标志是，至少锂电池或燃料发动机中的一种可以开始正常放电；若锂电池和燃料发动机可以同时发电运行则可以给整车提供更充足的动力。锂电池的开始充放电温度一般为0℃左右，燃料发动机的开始放电温度在0℃以上。此功能实施的关键点是控制节温器4的3通道和4通道的开启比例和开启时间(节温器4内部是一个球阀，当3通道全开时，4通道是完全关闭的状态，当4通道全开时，3通道是完全关闭的状态，也可以存在3和4两个通道同时开启一定比例的状态)。4通道中加装水水中冷器，可以与锂电池回路进行热量交换，3通道绕过了水水中冷器，节温器4的出水直接流入电堆6。通过改变节温器4的3通道和4通道的开启比例和时间决定两个回路系统的换热量。在实现功能A时，有两个目标：第一个目标是，燃料电池电堆入口温度的稳定上升，不出现温度的急速变化；第二个目标是，通过控制两个回路系统的换热量进一步控制锂电池的开始充放电时间与燃料发动机的开始放电时间一致，从而在整车冷启动完成时，整车可以实现最大可能功率的运行。

如图2所示，锂电池的开始运行温度需要＞T1，当电池的温度低于T1时对电池进行充放电会严重损坏锂电池的寿命和容量。一般T1为0℃左右，本实施例T1为-2℃-2℃，优选0℃，

燃料发动机系统的一般运行温度需要至少＞T3，T3一般至少为0℃左右，本实施例T3为0℃-5℃，优选5℃。燃料电池的运行温度过低一方面会导致活化电压较高，输出电压较低，功率降低；另一方面，温度低会导致排气带出的水变少，造成电堆的水淹现象，限制了功率的提升。燃料发动机系统可以正常大功率运行的温度需要至少＞T2，此时的电堆温度可以加速化学反应的发生，T2为45℃-55℃，优选50℃。

当整车处于零下的环境中，如果需要启动车辆运行，则可以进行图2的整车冷启动策略，具体的：当整车长时间处于较低温度后需要启动车辆时，FCU(发动机控制器)判断锂电池的温度是否高于T1。

1、当锂电池平均温度＞T1时，判断电堆入口水温与T2的关系，如果电堆入口水温＜T2，则节温器开启2和3通道，发动机冷却水通过系统小循环，产热完全用于自身系统的升温；当电堆水温升至T2后，节温器的2通道缓慢切换至1通道，此时锂电池和发动机均处于适宜的工作温度，整车可以大功率运行；

2、当锂电池平均温度≤T1时，需要发动机的产热分出一部分热量对锂电池进行加热到T1；首先判断电堆入口水温与T3的关系，当发动机电堆水温≤T3时，发动机的产热需要全部用于电堆升温，当发动机电堆入口水温＞T3后，发动机的一部分热量可以通过调节节温器的3,4通道开度分配给锂电池系统加热。

即：当锂电池平均温度≤T1时，判断电堆入口水温是否＞T3，当电堆入口水温≤T3时，节温器开启2,3通道，发动机自加热用于电堆升温。当判断电堆入口水温＞T3时，节温器由2,3通道切换为2,3,4通道。此时需要FCU根据发动机的温升速率以及锂电池的温升速率实时判断：当下节温器开启状态下锂电池升温到T1的时间t1与电堆入口水温升温到T2的时间t2.根据t1与t2的时间差进行节温器3,4通道开启比例的PID调节。在调节过程中同时需要注意保持电堆的入口水温平缓上升，不能出现较大的温差波动。一直调节到锂电池平均温度＞T1，电堆入口水温＞T2的达标时间基本一致后整车冷启动完成，可进行大功率运行。

可见在整车冷启动时，将燃料系统启动产生的热量通过水水中冷器高效的传递到锂电池加热回路，从而省去了锂电池组原先必须配套PTC加热器，节约了系统成本。

在急速拉载功率时期，当燃料发动机系统需要急速拉载时，如图3进行热量分配控制，电堆6出口水温度迅速升高，节温器在电流升高的同时开启一定比例的4通道，将从节温器4出水口流出的过热水分一定比例进入到4通道与锂电池系统的冷水换热后，与3通道的热水混合，降低进入电堆的水温，从而保证进入到电堆入口的水温没有因为系统的升功率出现急速的升温现象。当散热器2的风扇，根据升高的入口水温提高转速降低入堆水温后，则需要将4通道关闭，水流全部通过3通道，系统再次开始恒功率稳定运行。与功能A类似，此功能实现的关键点也是控制节温器4的3通道和4通道的开启比例和开启时间。需要FCU(燃料电池系统控制器)对电堆入口水温，电堆拉载电流，及当前锂电池冷却水温及流量进行计算后确定3通道和4通道的合理开启比例以减缓电堆的入水口水温上升速度，此功能经过大量的标定测试，可以有效控制电堆入口水温在系统拉载时的水温变化仍稳定在1.5℃内波动。

锂电池的工作适宜温度比较低，一般需要控制在15-30℃内。因此锂电池冷水机组的出水温度一般为18℃左右。且锂电池的温度在15-30℃内波动时不会对性能产生较为明显的影响。但是燃料发动机中电堆对温度非常敏感，一方面需要一直将系统维持在合理的温度内，从而可以使系统运行在较高的效率点，保证设计的寿命时长；另一方面电堆的温度变化速率也需要控制在一定值内来保证系统的稳定运行。

在目前大多数的发动机系统冷却方案中，节温器仅有1,2和3通道。在系统正常运行时，开启1,2通道。当系统接收到升功率指令，提高电堆的电流后，电堆会同时迅速产生更多的热量。在系统升功率瞬间，电堆出口水温明显上升，但是由于风扇的转速控制只与电堆入口水温相关，第一批高温水未能接收到更多的冷却，循环到电堆入口时，电堆入口水温也会出现非常明显的上升。此时风扇根据入口水温的变化，开始调节风扇转速。电堆入口水温因此得以缓慢回落到指定温度。在这个升功率的过程中，会出现电堆入口水温的波峰现象。频繁的温度波峰对电堆的功率和寿命都会产生较大的影响

此实用新型针对这种不允许的现象进行了修正。具体策略如下：

当整车收到升功率请求时，首先判断锂电池当前能量是否满足升功率要求。如果锂电池能量充足，则锂电池提高输出功率，发动机维持现有功率稳定输出。如果锂电池能量不足，需要提高发动机的DCF输出功率，则需要提高电堆的输出电流。

如图3所示，当FCU判断电堆输出电流提高后，需要作出以下几个动作：

1.提高水泵转速，从而提高冷却水流速，将电堆内部由于升电流产生的热量快速带出；

2.将节温器由目前的1,3通道切换为1,3,4通道；

3.FCU检测到入堆水温升高后，调节风扇转速，电堆水温回落；

4.将节温器由1通道,3通道,4通道切换回1通道,3通道。

将升电流后的第一波热水与锂电池系统的冷水混合后运送到电堆入口侧，防止电堆入口的水温出现急速升高。3通道,4通道的流通比例根据锂电池的水温允许升高温差ΔT1，流量q1以及发动机拉载后的热量Q1增加量进行计算，通过控制q3与q4的分配比例，确保Tin的温度变化控制在1.5℃以内：

锂电池系统吸收的热量：Q₂＝q₁·C·ΔT₁

发动机系统散出的热量：Q₃＝η·Q₂＝q₃·C·ΔT₂

ΔT₂＝T_out-T₄

q₂＝q₃+q₄

其中，q2为1通道的流量，q3为4通道的流量，T4为4通道出口温度，q4为3通道的流量，T_in为电堆的入水口温度，T_out为散热器的出水口温度，C为冷却水比热容。由于4通道的凉水与3通道热水混合后，降低了从电堆出来的水温，减小了电堆入口的水温上升幅度。当风扇检测到电堆水温的上升后，提高风扇转速，增加了散热器的换热量，在电堆入口水温出现下行后，节温器直接切换为1,3通道，整车升功率请求完成。

可见，当燃料系统需要突然提升功率时，可以通过锂电池组的低温水降低发动机的入堆水温，控制入堆水温可以平缓的上升或者维持在需求的温度，避免入堆水温出现较大的波动。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种新能源车辆整车热量分配系统，包括锂电池冷却加热回路、燃料发动机冷却回路，其特征在于，还包括节温器(4)和水水中冷器(5)，水水中冷器(5)的一侧与锂电池冷却加热回路相连，另一侧通过节温器(4)与燃料发动机冷却回路相连；

所述燃料发动机冷却回路包括水泵(1)、散热器(2)、颗粒过滤器(3)、电堆(6)、膨胀水箱(7)、离子过滤器(8)和发动机DCF(11)，散热器(2)与颗粒过滤器(3)相连，电堆(6)和发动机DCF(11)相连，水泵(1)、膨胀水箱(7)和离子过滤器(8)均连接在散热器(2)和发动机DCF(11)之间；

所述节温器(4)采用多通道球阀节温器，包括1通道、2通道、3通道和4通道，4通道与水水中冷器(5)相连通，节温器(4)的1通道与颗粒过滤器(3)及散热器(2)连通，节温器(4)的2通道与水泵(1)连通，3通道与电堆(6)连通。

2.根据权利要求1所述的新能源车辆整车热量分配系统，其特征在于：所述锂电池冷却加热回路包括锂电池水冷板(9)和锂电池水冷机组(10)，均与水水中冷器(5)相连，构成循环回路。

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