CN217444441U - 热管理控制装置、热管理系统与燃料电池发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了热管理控制装置、热管理系统与燃料电池发动机，热管理控制装置包括主壳体、双阀芯和执行器，主壳体内设有主腔体、管状腔体以及连通主腔体和管状腔体的小循环通道，主腔体和管状腔体分别设有与热管理系统的各个部件相连的管口，执行器用于控制双阀芯绕预设轴线在主腔体内转动；双阀芯包括相互连通的中空的第一阀芯和第二阀芯，第一阀芯和第二阀芯分别设有能够与上述管口导通的开口，双阀芯相对主腔体在预设角度范围内转动时能够分别实现不同导通方式，从而实现低温冷启动、高温空气冷却、大小循环热管理等功能。本方案能通过转动双阀芯实时调整多路冷却液流量分配，具有结构简单可靠、功能集成度高、易于控制、温控迟滞低等优点。

Description

热管理控制装置、热管理系统与燃料电池发动机

技术领域

本实用新型涉及燃料电池发动机技术领域，尤其涉及热管理控制装置、热管理系统与燃料电池发动机。

背景技术

燃料电池发动机是一种利用氢气和氧气发生电化学反应进行发电的装置，其在工作过程中约有一半能量会转换成热量，而温度是直接影响燃料电池堆效率、性能和寿命的关键因素之一，因此，对燃料电池堆进行高效的热管理提出了更高的要求，其中热管理控制装置是燃料电池发动机进行温控的关键零部件。

现有燃料电池发动机常采用多个零部件协同控制实现大小循环热管理、低温冷启动、高温空气冷却等功能，这种方式的弊端是燃料电池控制器硬件资源开销大、集成度较低，多零部件协同控制逻辑复杂且会存在温控迟滞性问题，另外，对于燃料电池发动机整机布置空间需求大且管路设计复杂度高。

因此，如何解决现有燃料电池发动机的热管理控制装置存在的集成度低、控制复杂和温控迟滞等问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种热管理控制装置，该装置简单可靠、集成度高，并且能够避免多零部件协同控制复杂和温控迟滞的问题。本实用新型的另一个目的在于提供一种包括上述热管理控制装置的热管理系统和燃料电池发动机。

为了达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种热管理控制装置，应用于燃料电池发动机的热管理系统，包括主壳体、双阀芯和执行器；所述主壳体内设有主腔体、管状腔体以及连通所述主腔体和所述管状腔体的小循环通道；所述双阀芯绕预设轴线转动设置于所述主腔体内，所述执行器用于控制所述双阀芯相对所述主腔体转动；

其中，所述双阀芯包括沿所述预设轴线的轴向依次布置并且相互连通的中空的第一阀芯和第二阀芯，所述第一阀芯的旋转周向开设有第一开口，所述第二阀芯的旋转周向开设有第二开口，所述主腔体包括用于容纳所述第一阀芯的第一腔体以及用于容纳所述第二阀芯的第二腔体，所述第一腔体在绕所述第一阀芯的周向方向上开设有第二进液管口、第三出液管口以及与所述小循环通道连通的小循环进液口，所述第二腔体在绕所述第二阀芯的周向方向上开设有第二出液管口，所述管状腔体的两端分别设有第一进液管口和第一出液管口，所述管状腔体的周向开设有第四出液管口和与所述小循环通道连通的小循环出液口；

所述第一进液管口用于连接散热器出水口，所述第一出液管口用于连接电堆进水口，所述第二进液管口用于连接电堆出水口与加热装置出水口，所述第二出液管口用于连接加热装置进水口，所述第三出液管口用于连接散热器进水口，所述第四出液管口用于连接中冷装置；

所述第一阀芯相对所述第一腔体在第一预设角度范围内转动时能够分别实现以下三种导通方式：

1)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口；

2)所述第一开口与所述第二进液管口和所述第三出液管口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述小循环进液口；

3)所述第一开口与所述第二进液管口全开导通以及同时与所述小循环进液口和所述第三出液管口部分导通，并且所述第一开口能够调节分配流过所述小循环进液口和所述第三出液管口的液体流量；

所述第二阀芯相对所述第二腔体在第二预设角度范围内转动时能够分别实现：所述第二开口与所述第二出液管口全开导通或部分导通、所述第二阀芯封堵所述第二出液管口。

优选地，所述第一阀芯与所述第二阀芯固定连接，所述双阀芯相对所述主腔体在所述第一预设角度范围内转动时能够分别实现以下五种导通方式：

1)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二开口与所述第二出液管口全开导通；

2)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二开口与所述第二出液管口部分导通并且能够调节流过所述第二出液管口的液体流量；

3)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口；

4)所述第一开口与所述第二进液管口全开导通以及同时与所述小循环进液口和所述第三出液管口部分导通，并且所述第一开口能够调节分配流过所述小循环进液口和所述第三出液管口的液体流量，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口；

5)所述第一开口与所述第二进液管口和所述第三出液管口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述小循环进液口，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口。

优选地，所述双阀芯为双球芯结构，所述第一阀芯和所述第二阀芯的旋转周向表面均为球弧面，所述主腔体的内壁面与所述双阀芯的外表面密封接触。

优选地，所述第一开口沿所述第一阀芯的周向的任一端部边缘能够与所述第三出液管口或所述小循环进液口的部分边缘对齐，所述第二开口沿所述第二阀芯的周向的任一端部边缘能够与所述第二出液管口的部分边缘对齐。

优选地，所述执行器通过芯轴控制所述双阀芯转动，所述芯轴的轴线与所述预设轴线重合。

优选地，所述主壳体和/或所述双阀芯用于接触液体的部分为塑料材质。

优选地，所述管状腔体的中心线方向与所述预设轴线的方向平行；

和/或，所述小循环通道的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第二出液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第三出液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直。

优选地，所述第三出液管口的中心线与所述小循环通道的中心线平行或重合；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述小循环通道的中心线方向垂直；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述第二出液管口的中心线方向平行。

优选地，所述管状腔体的内侧设置有颗粒过滤器。

本实用新型提供的热管理控制装置通过转动双阀芯结构的方式，能够实现热管理系统的各个管路及部件的多种导通方式，从而实现低温工作模式和常温工作模式下的多种热管理功能，工作过程如下：

低温工作模式下能实现以下功能：

1)低温冷启动功能，当外部环境温度小于预设温度且燃料电池发动机有辅助加热需求时，执行器控制第一阀芯和第二阀芯转动至特定位置，使第一开口与第二进液管口和小循环进液口全开导通，第二开口与第二出液管口全开导通，同时第一阀芯封堵第三出液管口；此时，冷却液从散热器出水口流出后进入第一进液管口，再经第一出液管口流出到电堆进水口，以及经第四出液管口流出至中冷装置用于对进入电堆的空气进行冷却(即实现了高温空气冷却功能)，电堆出水口流出的冷却液再回流入第二进液管口，进入该热管理控制装置内的冷却液再分别经第一出液管口进入电堆进水口以及从第二出液管口流出至加热装置进水口进行加热，依次循环直至电堆实际温度大于燃料电池发动机低温冷启动温度，从而完成燃料电池发动机辅助加热启动；

2)小循环热管理功能，当燃料电池发动机冷启动成功后，执行器控制第二阀芯转动并使第二开口与第二出液管口部分导通或利用第二阀芯封堵第二出液管口，同时，控制第一开口仍与第二进液管口和小循环进液口全开导通，第三出液管口保持关闭；此时，加热循环管路实现流量减小或关闭，同时维持小循环管路导通，不仅能够减少能量浪费，而且还能保证电堆内的水热平衡；

3)大小循环热管理功能，在燃料电池发动机运行过程中，根据电堆设定温度和实际温度之间的关系控制双阀芯转动，调节热管理控制管口的方向和流量，保证燃料电池发动机维持在一个高效的水热管理条件下。具体的，使第一开口与第二进液管口全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口部分导通，当实际温度大于设定温度时，控制双阀芯向小循环进液口开度减小的方向转动，同步使第三出液管口的开度增大，即，增加大循环管路的冷却液流量，从而增加流经散热器的冷却液流量，进而降低燃料电池发动机内部温度，实现大循环的热管理功能；当实际温度小于等于设定温度时，控制双阀芯向小循环进液口开度增大的方向转动，同步使第三出液管口的开度减小，即，增大小循环管路的冷却液流量，从而减小流经散热器的冷却液流量，进而提高燃料电池发动机内部温度，实现小循环的热管理功能。

常温工作模式下能实现以下功能：

1)节能启动功能，当外部环境温度高于预设温度，或外部环境温度低于预设温度且燃料电池发动机无辅助加热需求时，执行器控制双阀芯转动至另一特定位置，使第一开口与第二进液管口和小循环进液口全开导通，同步使第一阀芯封堵第三出液管口且使第二阀芯封堵第二出液管口，从而使来自散热器的冷却液能够在燃料电池发动机内部循环，减少热量散失，直至燃料电池发动机启动成功；

2)大小循环热管理功能，当燃料电池发动机启动成功并正常运行时，根据电堆设定温度和实际温度之间的关系控制双阀芯转动，调节热管理控制管口的方向和流量，保证燃料电池发动机维持在一个高效的水热管理条件下。具体的，使第一开口与第二进液管口全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口部分导通，当实际温度大于设定温度时，控制双阀芯向小循环进液口开度减小的方向转动，同步使第三出液管口的开度增大，即，增加大循环管路的冷却液流量，从而增加流经散热器的冷却液流量，进而降低燃料电池发动机内部温度，实现大循环的热管理功能；当实际温度小于等于设定温度时，控制双阀芯向小循环进液口开度增大的方向转动，同步使第三出液管口的开度减小，即，增大小循环管路的冷却液流量，从而减小流经散热器的冷却液流量，进而提高燃料电池发动机内部温度，实现小循环的热管理功能。

由上述技术方案可知，本实用新型具有以下有益效果：

在功能集成方面，该装置集成了低温冷启动、高温空气冷却、大小循环热管理等功能，有利于提升燃料电池发动机的稳定性和耐久性；在机械设计方面，该装置设计有具有特定开口的双阀芯结构和具有多个管口的主壳体结构，实现了多路控制结构的高度集成，有效降低了燃料电池发动机空间布置难度和管路复杂度。本方案提供的热管理控制装置能够通过转动双阀芯结构实时调整多路冷却液的流量分配，从而可以实现低温工作模式和常温工作模式下的多种热管理功能，本方案能够实时调控燃料电池发动机温度，减小电堆内温度波动，缩短燃料电池发动机的启动时间，实现高效的水热管理和能量利用，有效解决了传统热管理控制装置存在的多零部件协同控制复杂和温控迟滞的问题。

本实用新型还提供了一种热管理系统，包括散热器、中冷装置、加热装置以及如上所述的热管理控制装置。本实用新型还提供了一种燃料电池发动机，包括电堆和上述热管理系统。该热管理系统和燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述热管理控制装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为本实用新型具体实施例中的热管理控制装置的外部结构示意图；

图2为本实用新型具体实施例中的双阀芯与主腔体各管口的开口导通面积与转动角度的关系图；

图3为本实用新型具体实施例中的双阀芯的结构示意图；

图4为本实用新型具体实施例中的双阀芯的另一视角的结构示意图；

图5为本实用新型具体实施例中的热管理系统的工作原理示意图；

图6为本实用新型具体实施例中的热管理系统的工作模式流程图。

图1至图5中的各项附图标记的含义如下：

1-管状腔体、2-主腔体、3-小循环通道、4-执行器、5-颗粒过滤器、6-双阀芯、11-第一进液管口、12-第一出液管口、21-第二进液管口、22-第二出液管口、23-第三出液管口、24-第四出液管口、220-第二出液管口开口大小变化曲线、310-小循环进液口开口大小变化曲线、230-第三出液管口开口大小变化曲线、61-第一阀芯、62-第一开口、63-第二阀芯、64-第二开口、65-阀芯连接段、66-芯轴、100-散热器、101-散热器出水口、102-散热器进水口、200-热管理控制装置、300-电堆、301-电堆进水口、302-电堆出水口、400-加热装置、500-中冷装置、600-水泵。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1至图5，图1为本实用新型具体实施例中的热管理控制装置的外部结构示意图；图2为本实用新型具体实施例中的双阀芯与主腔体各管口的开口导通面积与转动角度的关系图；图3为本实用新型具体实施例中的双阀芯的结构示意图；图4为本实用新型具体实施例中的双阀芯的另一视角的结构示意图；图5为本实用新型具体实施例中的热管理系统的工作原理示意图。

本实用新型提供了一种热管理控制装置，应用于燃料电池发动机的热管理系统，包括主壳体、双阀芯6和执行器4；主壳体内设有主腔体2、管状腔体1以及连通主腔体2和管状腔体1的小循环通道3；双阀芯6绕预设轴线转动设置于主腔体2内，执行器4用于控制双阀芯6相对主腔体2绕预设轴线转动。其中，双阀芯6包括沿预设轴线的轴向依次布置并且相互连通的中空的第一阀芯61和第二阀芯63，第一阀芯61的旋转周向开设有第一开口62，第二阀芯63的旋转周向开设有第二开口64，主腔体2包括用于容纳第一阀芯61的第一腔体以及用于容纳第二阀芯63的第二腔体，第一腔体在绕第一阀芯61的周向方向上开设有第二进液管口21、第三出液管口23以及与小循环通道3连通的小循环进液口，第二腔体在绕第二阀芯63的周向方向上开设有第二出液管口22，管状腔体1的两端分别设有第一进液管口11和第一出液管口12，管状腔体1的周向开设有第四出液管口24和与小循环通道3连通的小循环出液口。

如图5所示，第一进液管口11用于连接散热器100的散热器出水口101，第一出液管口12用于连接电堆300的电堆进水口301，第二进液管口21用于连接电堆出水口302与加热装置400的出水口，第二出液管口22用于连接加热装置400的进水口，第三出液管口23用于连接散热器进水口102，第四出液管口24用于连接中冷装置500。

优选地，管状腔体1的内侧设置有颗粒过滤器5，用于对进入燃料电池发动机电堆内部的冷却液进行过滤，保证满足清洁度要求。具体的，颗粒过滤器5位于第一进液管口11的内侧，能够使冷却液在进入该装置的其他管路之前得到过滤净化。

请结合图1和图5，第一进液管口11与颗粒过滤器5之间为过滤管路，第二出液管口22连通时形成热管理系统的低温冷启动管路，第一出液管口12和第二进液管口21连通构成热管理系统的小循环热管理控制管路，第三出液管口23和第二进液管口22连通构成热管理系统的大循环热管理控制管路，第四出液管口24连通中冷装置500构成高温空气冷却管路。

优选地，主壳体和/或双阀芯6用于接触液体的部分为塑料材质，即，这些用于接触冷却液的部分包括主壳体内的各腔体内壁面以及各个管口，还有双阀芯6的内外壁面，将这些部分采用塑料材质，可以保证满足低离子析出率的要求。另外，该装置的各管口和腔体与其装配面间以及内部轴密封处均设计有密封部件，保证良好的气密性和内泄漏量要求，内部集成过滤管路保证良好的清洁度要求，单一执行器实现多路流量分配保证良好的控制精度和较高的效率。

优选地，执行器4通过芯轴66控制双阀芯6转动，芯轴66的轴线与预设轴线重合。具体的，芯轴66可以固连于第一阀芯61或第二阀芯63的外侧，也可以沿轴向贯穿第一阀芯61和/或第二阀芯63，如图3和图4所示，芯轴66贯穿第二阀芯63，并伸出于第二阀芯63的外侧，芯轴66的一端可通过肋板或连接杆等结构固连于第一阀芯61与第二阀芯63之间的阀芯连接段65的内圈，芯轴66的另一端用于与执行器4连接，以使执行器4能够通过芯轴66传递动力，从而实现对双阀芯6的旋转控制。

需要说明的是，双阀芯6作为主腔体2内调整多路冷却液的流量分配的转动件，其可以设计为多种结构形式，第一阀芯61和第二阀芯63的外表面可以设计为圆柱面或球弧面，也可以采用圆柱面与球弧面的组合形式等，均能够实现在一定转动范围内相对主腔体2转动，进而导通不同管口。优选地，双阀芯6为双球芯结构，第一阀芯61和第二阀芯63的旋转周向表面均为球弧面，主腔体2的内壁面与双阀芯6的外表面密封接触，即，只有当双阀芯6的开口与主腔体2的管口至少部分重叠时才能导通对应的冷却液通路。

优选地，第一开口62沿第一阀芯61的周向的任一端部边缘能够与第三出液管口23或小循环进液口的部分边缘对齐，第二开口64沿第二阀芯63的周向的任一端部边缘能够与第二出液管口22的部分边缘对齐。具体的，在一种具体实施例方案中，如图1、图3和图4所示，主腔体2上的各个管口或开口为圆形管与球形腔体相交所形成的边缘为圆弧形的开口结构，第一开口62沿第一阀芯61的周向的端部边缘设计为圆弧形边缘，即，第一开口62的平面展开形状为长圆孔形状，当第一开口62转动至与第三出液管口23或小循环进液口全开导通时，第一开口62的端部边缘能够与第三出液管口23或小循环进液口的部分边缘重合，如此设置，不仅可以简化第一开口62的加工工艺，而且还能够减小冷却液流经管口时的阻力。第二开口64与第一开口62的形状类似，两者区别在于开口大小不同，本文不再展开介绍。

第一阀芯61相对第一腔体在第一预设角度范围内转动时能够分别处于不同的工作位置，从而使第一开口62与第一腔体的不同位置重叠，进而分别实现不同的导通方式，其中，第一预设角度范围可以根据第一腔体的各个管口位置、管口大小以及第一阀芯61的第一开口62大小进行具体设置，本实用新型中的第一阀芯61相对第一腔体在第一预设角度范围内转动时能够分别实现至少以下三种导通方式：

1)当第一阀芯61相对第一腔体转动至第一位置或第一位置范围内的任一位置时，第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通(即通流截面积达到最大)，同时第一阀芯61封堵第三出液管口23(即通流截面积为0)；

2)当第一阀芯61相对第一腔体转动至第二位置或第二位置范围内的任一位置时，第一开口62与第二进液管口21和第三出液管口23全开导通，同时第一阀芯61封堵小循环进液口；

3)当第一阀芯61相对第一腔体转动至第三位置或第三位置范围内的任一位置时，第一开口62与第二进液管口21全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口23部分导通，并且在第三位置范围内往复转动时第一开口62能够调节分配流过小循环进液口和第三出液管口23的液体流量，例如：当第一阀芯61沿某一旋向旋转时能增大小循环进液口的通流截面积并减小第三出液管口23的通流截面积，当第一阀芯61沿相反旋向旋转时能减小小循环进液口的通流截面积并增大第三出液管口23的通流截面积。

由以上三种导通方式可以看出，第一阀芯61相对第一腔体在第一预设角度范围内转动时能够保持第一开口62与第二进液管口21的全开导通，其目的是为了使电堆出水口302流出的冷却液与加热装置400流出的冷却液始终能够回流至热管理控制装置中进行重新分配，从而保证各种热管理功能的顺利实现。另外，除了上述三种导通方式，本实用新型还可以对第一腔体的各个管口或第一阀芯61的第一开口62进行改动，从而在第一阀芯61相对第一腔体转动至其他位置时具有其他导通方式，例如，通过增大第一开口62的开口面积，使第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，同时与第三出液管口23部分导通。本文不再一一赘述所有导通方式。

第二阀芯63相对第二腔体在第二预设角度范围内转动时能够分别实现：第二开口64与第二出液管口22全开导通或部分导通、第二阀芯63封堵第二出液管口22。其中，第二出液管口22流出的冷却液用于流入加热装置400进行辅助加热，只有在低温冷启动过程中需要对冷却液进行加热，因此，第二阀芯63在整个转动范围内只需要具备全开导通或部分导通第二出液管口22的功能以及利用第二阀芯63的外表面封堵第二出液管口22的功能即可。

需要说明的是，执行器4可以控制第一阀芯61和第二阀芯63一同转动，例如，将第一阀芯61和第二阀芯63设计为相互固连的一体式结构，通过执行器4就可以控制两个阀芯同步旋转。执行器4也可以通过不同的传动机构分别控制第一阀芯61和第二阀芯63单独转动，例如，将第一阀芯61和第二阀芯63通过密封旋转装置相互连通且旋转配合连接，第一阀芯61和第二阀芯63分别连接有单独的芯轴，执行器4通过控制各自芯轴就可以实现第一阀芯61或第二阀芯63的单独转动。

为了进一步提高控制效率，降低温控迟滞，优选地，如图3和图4所示，本方案中的第一阀芯61与第二阀芯63固定连接，两者之间具体可通过阀芯连接段65固连在一起并且相互连通形成一体式双阀芯结构。其中，阀芯连接段65的外周可以与主腔体2的内壁面密封转动配合，以保证第一腔体与第二腔体之间的密封性，即，冷却液仅能通过双阀芯6的内部连通通道(即阀芯连接段65的内孔)实现流通。

需要说明的是，本实用新型中的主壳体的各个腔体的布置位置可以根据燃料电池发动机的热管理系统的具体需求进行设计，在一种具体实施例方案中，管状腔体1的中心线方向与预设轴线的方向平行；由于主腔体2的长度方向与预设轴线的方向一致，因此，管状腔体1的中心线方向与主腔体2的长度方向平行布置。优选地，小循环通道3的中心线方向与预设轴线的方向垂直；如此设置，小循环通道3垂直连接于主腔体2和管状腔体1之间，有利于装置整体的小型化设计。优选地，第二进液管口21的中心线方向与预设轴线的方向垂直，和/或，第二出液管口22的中心线方向与预设轴线的方向垂直；和/或，第三出液管口23的中心线方向与预设轴线的方向垂直。

进一步优选地，第三出液管口23的中心线与小循环通道3的中心线平行或重合；和/或，第二进液管口21的中心线方向与小循环通道3的中心线方向垂直；和/或，第二进液管口21的中心线方向与第二出液管口22的中心线方向平行。如图1所示，第二进液管口21和第二出液管口22位于主腔体2的同一侧并且沿主腔体2的长度方向并列布置，第三出液管口23位于主腔体2的顶部，管状腔体1通过竖向的小循环通道3连接于主腔体2的下部。

请参照图2，图2为本实用新型具体实施例中的双阀芯6与主腔体2的各管口的开口导通面积与双阀芯6的转动角度的关系图，图2中的横坐标代表双阀芯6相对主腔体2的旋转角度，纵坐标代表双阀芯6与主腔体2的管口导通时所形成的开口导通面积，即导通的管口的通流截面积，其中，图2中的双细实线代表第二出液管口开口大小变化曲线220，单粗实线代表小循环进液口开口大小变化曲线310，单粗虚线代表第三出液管口开口大小变化曲线230，另外，由于在上述转动范围内第一开口62与第二进液管口21始终保持全开导通，因此，图2中没有表示出第二进液管口21的开口导通面积变化曲线，双阀芯6相对主腔体2沿预设旋向在第一预设角度范围内(即图2中的由A角度至F角度之间的范围内)转动时能够分别实现以下五种导通方式：

1)在双阀芯6相对主腔体2由A角度转动至B角度的过程中，第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，同时第一阀芯61封堵第三出液管口23，第二开口64与第二出液管口22全开导通；第一进液管口11、第一出液管口12、第四出液管口24和小循环出液口保持全开导通状态；

2)在双阀芯6相对主腔体2由B角度转动至C角度的过程中，第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，同时第一阀芯61封堵第三出液管口23，第二开口64与第二出液管口22部分导通并且能够调节流过第二出液管口22的液体流量，由第二出液管口开口大小变化曲线220可见，双阀芯6由B角度至C角度转动时，表示双阀芯6向第二出液管口22开度减小的方向转动；同时，其他各管口的开口导通面积保持不变；

3)在双阀芯6相对主腔体2由C角度转动至D角度的过程中，第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，同时第一阀芯61封堵第三出液管口23，第二阀芯63封堵第二出液管口22；参照图2，在该导通方式中，双阀芯6已经转动至第二出液管口22全关的位置，即，第二出液管口22的开口导通面积为0；同时，其他各管口的开口导通面积保持不变；

4)在双阀芯6相对主腔体2由D角度转动至E角度的过程中，第一开口62与第二进液管口21全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口23部分导通，并且第一开口62能够调节分配流过小循环进液口和第三出液管口23的液体流量，第二阀芯63封堵第二出液管口22；同时，其余各管口的开口导通面积保持不变；参照图2，由小循环进液口开口大小变化曲线310和第三出液管口开口大小变化曲线230可见，双阀芯6由D角度至E角度转动时，表示双阀芯6向小循环进液口开度减小(即开口导通面积逐渐减小)的方向转动，并且，同步向第三出液管口23开度增大(即开口导通面积逐渐增大)的方向转动；

5)在双阀芯6相对主腔体2由E角度转动至F角度的过程中，第一开口62与第二进液管口21和第三出液管口23全开导通，同时第一阀芯61封堵小循环进液口，第二阀芯63封堵第二出液管口22，其余各管口的开口导通面积保持不变；参照图2，在该导通方式中，双阀芯6已经转动至小循环进液口全关(即小循环进液口的开口导通面积为0)的位置，并且，双阀芯6也已经同步转动至第三出液管口23全开(即第三出液管口23的开口导通面积达到最大)的位置。

本方案提供的热管理控制装置具有低温工作模式(包含上文中所述的当双阀芯6由A角度转动至F角度过程中的各个导通方式)和常温工作模式(包含上文中所述的当双阀芯6由C角度转动至F角度过程中的各个导通方式)，通过转动双阀芯6的方式，能够实现这两种工作模式的切换，既缩短了燃料电池发动机的启动时间，又实现了高效的水热管理和较高的能量利用率。参照图5，将该装置通过管路与燃料电池发动机和散热器100相连接，通过CAN线实现该装置与燃料电池发动机之间以及与散热器100之间的信息传输，即可形成燃料电池发动机的热管理系统。

需要说明的是，该装置的执行器4的内部还集成有感温芯片，能够实时采集外部环境温度。执行器4内部的控制器能够根据感温芯片采集到的外部环境温度T₀以及燃料电池发动机发送的是否进行辅助加热的需求信息进行判断，执行器4内部的控制器驱动电机带动传动机构传递到双阀芯6进行旋转，从而实现不同的导通方式，并以此来控制冷却液的流动方向和流量大小，同时，执行器4内部的位置传感器能够采集双阀芯6位置信号并反馈给控制器，进行双阀芯6位置的判断和调整。当控制器接收到外部环境温度T₀低于预设温度(例如T₀＜0℃)的信息和燃料电池发动机发送的辅助加热需求信息时，控制该装置执行低温工作模式，先通过辅助加热循环使燃料电池发动机快速启动，然后，控制该装置切换至常温工作模式。当控制器接收到外部环境温度T₀低于预设温度(例如T₀＜0℃)的信息且未收到燃料电池发动机发送的辅助加热需求信息时，或者控制器接收到外部环境温度T₀高于预设温度(例如T₀≥0℃)时，控制该装置执行常温工作模式。

如图5所示，本实用新型提供的热管理系统，包括散热器100、中冷装置500、加热装置400以及如上所述的热管理控制装置200。其中，加热装置400的出水口连接至电堆出水口302的回水管路，由电堆出水口302流出的冷却液和由加热装置400的出水口流出的冷却液汇流后经回水管路进入与其相连的水泵600，水泵600加压后的冷却液流出至与其相连的热管理控制装置200的第二进液管口21。中冷装置500内流通有来自该热管理控制装置200的第四出液管口24流出的冷却液，用于对进入电堆300的高温空气进行冷却。中冷装置500可以采用燃料电池发动机常用的中冷器。加热装置400可以采用燃料电池发动机常用的加热器。

本实用新型提供的热管理控制装置或热管理系统能够实现低温工作模式和常温工作模式下的多种热管理功能，请参照图6，具体工作过程如下：

低温工作模式下能实现以下功能：

1)低温冷启动功能：为了使燃料电池发动机在低温状态下快速启动，当外部环境温度T₀低于预设温度(例如T₀＜0℃)且燃料电池发动机有辅助加热需求时，执行器4控制第一阀芯61和第二阀芯63快速转动至特定位置(如上文所述的在双阀芯6相对主腔体2由A角度转动至B角度的过程)，使第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，第二开口64与第二出液管口22全开导通，同时第一阀芯61封堵第三出液管口23，从而使加热后的冷却液仅在燃料电池发动机内部循环进而快速提升电堆300的温度，从而加快其冷启动速度；此时，冷却液从散热器出水口101流出后进入与其相连的第一进液管口11，再经管口内的颗粒过滤器5过滤保证冷却液的清洁度；过滤后的冷却液流过管状腔体1后经第一出液管口12流出到电堆进水口301，以及经第四出液管口24流出至中冷装置500用于对进入电堆300的高温空气进行冷却，由电堆出水口302流出的冷却液再回流入第二进液管口21，进入该热管理控制装置内的冷却液再分别经第一出液管口12进入电堆进水口301以及从第二出液管口22流出至加热装置400进水口进行加热，由加热装置400的出水口流出的冷却液再与电堆出水口302流出的冷却液汇流后由水泵600加压，加压后的冷却液再进入第二进液管口21进行辅助加热循环，依次循环直至电堆300的实际温度T_a大于燃料电池发动机低温冷启动温度T_c，从而完成燃料电池发动机辅助加热启动；

2)小循环热管理功能：当燃料电池发动机冷启动成功后，执行器4控制双阀芯6相对主腔体2继续转动至另一位置(如上文所述的在双阀芯6相对主腔体2由B角度转动至C角度的过程)，使双阀芯6向第二出液管口22开度减小方向转动直至第二出液管口22关闭，同时，控制第一开口62仍与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，第三出液管口23保持关闭；此时，辅助加热循环管路实现流量减小直至关闭，同时维持小循环管路导通，该功能不仅能够减少能量浪费，而且还能在关闭辅助加热循环管路的过程中通过维持小循环管路保证电堆300内的水热平衡；

3)大小循环热管理功能：在燃料电池发动机运行过程中，根据电堆设定温度T_s和实际温度T_a之间的关系控制双阀芯6转动，调节热管理控制管口的方向和流量，保证燃料电池发动机维持在一个高效的水热管理条件下。具体的，使第一开口62与第二进液管口21全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口23部分导通(如上文所述的双阀芯6相对主腔体2在D角度与E角度之间的范围内转动的过程)，当实际温度T_a大于设定温度T_s时，控制双阀芯6向小循环进液口开度减小的方向转动，同步使第三出液管口23的开度增大，即，增加大循环管路的冷却液流量，从而增加流经散热器100的冷却液流量，进而降低燃料电池发动机内部温度，实现大循环的热管理功能；当实际温度T_a小于等于设定温度T_s时，控制双阀芯6向小循环进液口开度增大的方向转动，同步使第三出液管口23的开度减小，即，增加小循环管路的冷却液流量，从而减小流经散热器100的冷却液流量，进而提高燃料电池发动机内部温度，实现小循环的热管理功能。该功能可以根据燃料电池发动机温度需求实时调节热管理调控管口。

常温工作模式下能实现以下功能：

1)节能启动功能：为了加快燃料电池发动机启动过程并减少不必要的能量浪费，当外部环境温度T₀高于预设温度(例如T₀≥0℃)，或外部环境温度T₀低于预设温度(例如T₀＜0℃)且燃料电池发动机无辅助加热需求时，执行器4控制双阀芯6转动至另一特定位置(如上文所述的在双阀芯6相对主腔体2由C角度转动至D角度的过程)，使第一开口62与第二进液管口21和小循环进液口全开导通，同步使第一阀芯61封堵第三出液管口23且使第二阀芯63封堵第二出液管口22，从而使来自散热器100的冷却液能够在燃料电池发动机内部循环，减少热量散失，直至燃料电池发动机启动成功；

2)大小循环热管理功能：当燃料电池发动机启动成功并正常运行时，根据电堆设定温度T_s和实际温度T_a之间的关系控制双阀芯6转动，调节热管理控制管口的方向和流量，保证燃料电池发动机维持在一个高效的水热管理条件下。具体的，使第一开口62与第二进液管口21全开导通以及同时与小循环进液口和第三出液管口23部分导通(如上文所述的双阀芯6相对主腔体2在D角度与E角度之间的范围内转动的过程)，当实际温度T_a大于设定温度T_s时，控制双阀芯6向小循环进液口开度减小的方向转动，同步使第三出液管口23的开度增大，即，增加大循环管路的冷却液流量，从而增加流经散热器100的冷却液流量，进而降低燃料电池发动机内部温度，实现大循环的热管理功能；当实际温度T_a小于等于设定温度T_s时，控制双阀芯6向小循环进液口开度增大的方向转动，同步使第三出液管口23的开度减小，即，增加小循环管路的冷却液流量，从而减小流经散热器100的冷却液流量，进而提高燃料电池发动机内部温度，实现小循环的热管理功能。该功能可以根据燃料电池发动机温度需求实时调节热管理调控管口。

由上述技术方案可知，本实用新型具有以下有益效果：

1)在功能集成方面，该装置集成了低温冷启动、高温空气冷却、大小循环热管理、过滤清洁等功能，有利于提升燃料电池发动机的稳定性和耐久性；

2)在机械设计方面，该装置设计有具有特定开口的双阀芯6结构和具有多个管口的主壳体结构，实现了多路控制结构的高度集成，布置简单可靠，有效降低了燃料电池发动机空间布置难度和管路复杂度。

3)在控制策略方面，本方案用一个执行器4实现热管理控制模块多管路流量分配，控制精度远远优于多零部件协同控制，燃料电池发动机的空气和水热管理更加高效；

4)本方案提供的热管理控制装置能够通过转动双阀芯结构实时调整多路冷却液的流量分配，从而可以实现低温工作模式和常温工作模式下的多种热管理功能，本方案能够实时调控燃料电池发动机温度，减小电堆内温度波动，缩短燃料电池发动机的启动时间，实现高效的水热管理和能量利用，有效解决了传统热管理控制装置存在的多零部件协同控制复杂和温控迟滞的问题。

本实用新型还提供了一种燃料电池发动机，包括电堆300和上述热管理系统。该燃料电池发动机产生的有益效果的推导过程与上述热管理控制装置带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种热管理控制装置，应用于燃料电池发动机的热管理系统，其特征在于，包括主壳体、双阀芯和执行器；所述主壳体内设有主腔体、管状腔体以及连通所述主腔体和所述管状腔体的小循环通道；所述双阀芯绕预设轴线转动设置于所述主腔体内，所述执行器用于控制所述双阀芯相对所述主腔体转动；

其中，所述双阀芯包括沿所述预设轴线的轴向依次布置并且相互连通的中空的第一阀芯和第二阀芯，所述第一阀芯的旋转周向开设有第一开口，所述第二阀芯的旋转周向开设有第二开口，所述主腔体包括用于容纳所述第一阀芯的第一腔体以及用于容纳所述第二阀芯的第二腔体，所述第一腔体在绕所述第一阀芯的周向方向上开设有第二进液管口、第三出液管口以及与所述小循环通道连通的小循环进液口，所述第二腔体在绕所述第二阀芯的周向方向上开设有第二出液管口，所述管状腔体的两端分别设有第一进液管口和第一出液管口，所述管状腔体的周向开设有第四出液管口和与所述小循环通道连通的小循环出液口；

所述第一进液管口用于连接散热器出水口，所述第一出液管口用于连接电堆进水口，所述第二进液管口用于连接电堆出水口与加热装置出水口，所述第二出液管口用于连接加热装置进水口，所述第三出液管口用于连接散热器进水口，所述第四出液管口用于连接中冷装置；

所述第一阀芯相对所述第一腔体在第一预设角度范围内转动时能够分别实现以下三种导通方式：

1)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口；

2)所述第一开口与所述第二进液管口和所述第三出液管口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述小循环进液口；

3)所述第一开口与所述第二进液管口全开导通以及同时与所述小循环进液口和所述第三出液管口部分导通，并且所述第一开口能够调节分配流过所述小循环进液口和所述第三出液管口的液体流量；

所述第二阀芯相对所述第二腔体在第二预设角度范围内转动时能够分别实现：所述第二开口与所述第二出液管口全开导通或部分导通、所述第二阀芯封堵所述第二出液管口。

2.根据权利要求1所述的热管理控制装置，其特征在于，所述第一阀芯与所述第二阀芯固定连接，所述双阀芯相对所述主腔体在所述第一预设角度范围内转动时能够分别实现以下五种导通方式：

1)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二开口与所述第二出液管口全开导通；

2)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二开口与所述第二出液管口部分导通并且能够调节流过所述第二出液管口的液体流量；

3)所述第一开口与所述第二进液管口和所述小循环进液口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述第三出液管口，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口；

4)所述第一开口与所述第二进液管口全开导通以及同时与所述小循环进液口和所述第三出液管口部分导通，并且所述第一开口能够调节分配流过所述小循环进液口和所述第三出液管口的液体流量，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口；

5)所述第一开口与所述第二进液管口和所述第三出液管口全开导通，同时所述第一阀芯封堵所述小循环进液口，所述第二阀芯封堵所述第二出液管口。

3.根据权利要求1所述的热管理控制装置，其特征在于，所述双阀芯为双球芯结构，所述第一阀芯和所述第二阀芯的旋转周向表面均为球弧面，所述主腔体的内壁面与所述双阀芯的外表面密封接触。

4.根据权利要求1所述的热管理控制装置，其特征在于，所述执行器通过芯轴控制所述双阀芯转动，所述芯轴的轴线与所述预设轴线重合。

5.根据权利要求1所述的热管理控制装置，其特征在于，所述主壳体和/或所述双阀芯用于接触液体的部分为塑料材质。

6.根据权利要求1所述的热管理控制装置，其特征在于，所述管状腔体的中心线方向与所述预设轴线的方向平行；

和/或，所述小循环通道的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第二出液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直；

和/或，所述第三出液管口的中心线方向与所述预设轴线的方向垂直。

7.根据权利要求6所述的热管理控制装置，其特征在于，所述第三出液管口的中心线与所述小循环通道的中心线平行或重合；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述小循环通道的中心线方向垂直；

和/或，所述第二进液管口的中心线方向与所述第二出液管口的中心线方向平行。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热管理控制装置，其特征在于，所述管状腔体的内侧设置有颗粒过滤器。

9.一种热管理系统，包括散热器、中冷装置、加热装置，其特征在于，还包括如权利要求1至8中任一项所述的热管理控制装置。

10.一种燃料电池发动机，包括电堆，其特征在于，还包括如权利要求9所述的热管理系统。

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