CN111129541A - 车用燃料电池的热循环管理*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车用燃料电池的热循环管理***，包括电堆冷却回路、客舱供暖回路以及控制器，电堆冷却回路包括第一水泵、去离子及过滤器集合体、电堆以及客舱热交换器。第一水泵设置在电堆冷却回路的主回路上，用以为电堆冷却回路提供循环动力；去离子及过滤器集合体串连在第一水泵的后方，用以去除冷却液中的离子和杂质；电堆串连在去离子及过滤器集合体的后方用以产生电能；客舱热交换器串连在电堆的后方，用以将电堆产生的一部分热量交换给客舱供暖回路。本发明的车用燃料电池的热循环管理***，采用离子交换器和冷却液过滤器二合一的集成方案，保证***性能的同时减小零部件数量。

Description

车用燃料电池的热循环管理***
技术领域
本发明是关于新能源汽车领域中的燃料电池的热管理技术领域，特别是关于一种车用燃料电池的热循环管理***。
背景技术
近年来燃料电池得到了快速的发展，其在***效率、排放方面优于内燃机，在续驶里程上优于纯电动，预计未来在中长续驶里程车辆上将得到广泛应用。
燃料电池现有技术的热管理方案通常是由两部分组成，分别是图1中虚线框部分的客舱供暖回路和虚线框外的燃料电池冷却***回路。
燃料电池冷却***回路：冷却液经水泵流出后，一路经中冷器冷却进气空气，一路经电堆冷却电堆。冷却液经中冷器和电堆之后汇合，然后再分成两路进入离子交换器和节温器，节温器具有调节其旁通支路开度的功能以调节***冷却液的温度。
客舱供暖回路：当电堆启动时，客舱供暖回路与燃料电池***回路构成闭合回路，可以把电堆产生的热量导入客舱进行客舱加热，提高能量利用率。当电堆不启动时，客舱供暖回路可以单独运行加热客舱。
现有技术的热管理方案1(如图1所示)，燃料电池冷却***回路和客舱供暖回路可单独控制，但使用两个水泵。
现有技术的热管理方案2，燃料电池冷却***回路结构简单，容易控制，控制精度高(申请号CN200910130214.X、公开(公告)号CN101546841B)。
现有技术的热管理方案3，把客舱热交换器与散热器并联，结构简单，减少水泵的使用(申请号DE102009012994、公开(公告)号DE102009012994A1)。
现有技术的热管理方案存在下列缺陷：
方案1：
a.缺乏中冷器和主水泵的流量监控，无法判别中冷器和主水泵的流量，当中冷器和主水泵的流量不足时，会导致电堆过热而发生损坏；
b.单独的离子交换器和冷却液过滤器，不利于减小***体积，可以采用离子交换器和冷却液过滤器二合一的方案；
c.整个冷却***都是互通的，一方面冷却液接触的管路和零件多，离子析出量多，离子交换器容易吸附饱和，更换成本高，另一方面冷却液加注量大，膨胀水箱体积也要加大，不利***布置。
方案2：
虽然结构简单，容易控制，但没有加热器冷启动困难；且燃料电池***与整车供暖回路连接，冷却液接触的管路和零件多，离子析出量多，离子交换器容易吸附饱和，更换成本高。
方案3：
较方案2减少一个水泵，但集成度不高，仍然使用单独的离子交换器和冷却液过滤器，空气进气的冷却和氢气进气的加热未能集成到冷却***中。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用燃料电池的热循环管理***，其采用离子交换器和冷却液过滤器二合一的集成方案，保证***性能的同时减小零部件数量。
为实现上述目的，本发明提供了一种车用燃料电池的热循环管理***，包括电堆冷却回路、客舱供暖回路以及控制器，电堆冷却回路包括第一水泵、去离子及过滤器集合体、电堆以及客舱热交换器。第一水泵设置在电堆冷却回路的主回路上，用以为电堆冷却回路提供循环动力；去离子及过滤器集合体串连在第一水泵的后方，用以去除冷却液中的离子和杂质；电堆串连在去离子及过滤器集合体的后方用以产生电能；客舱热交换器串连在电堆的后方，用以将电堆产生的一部分热量交换给客舱供暖回路。
在一优选的实施方式中，客舱供暖回路包括第二水泵、暖风器以及加热器。第二水泵设置在客舱供暖回路的主回路上，且串联在客舱热交换器的后方，第二水泵用以为客舱供暖回路提供循环动力；暖风器串联在第二水泵的后方，暖风器用以将从客舱热交换器获取的热量提供给客舱；加热器与客舱热交换器并联地设置在客舱供暖回路中，当电堆不工作时，加热器为客舱供暖回路中的冷却液提供热源。
在一优选的实施方式中，电堆冷却回路还包括中冷器、氢气热交换器、散热器以及第一流量控制阀。中冷器串联在第一水泵的后方，且与电堆并联设置，中冷器用以通过热交换给压缩后的高温空气降温；氢气热交换器串联在电堆和中冷器的后方，并与客舱热交换器并联设置，氢气热交换器用以为电堆的氢气进气加热；散热器设置在电堆冷却回路的散热支路上，散热器用以散除电堆冷却回路中电堆和中冷器产生热量的一部分；第一流量控制阀设置在电堆冷却回路的旁通支路与散热支路的连接处，第一流量控制阀包括两个进口分别连通旁通支路和散热支路，第一流量控制阀用以控制旁通支路及散热支路的流量比例，并以此来控制电堆冷却回路的冷却液的温度。
在一优选的实施方式中，电堆冷却回路还包括第一膨胀水箱、风扇、压力传感器、第一流量传感器以及第二流量传感器。第一膨胀水箱通过管路与电堆冷却回路连接，第一膨胀水箱用以起到给电堆冷却回路补充冷却液，并排出电堆冷却回路内部的气泡，以及给电堆冷却回路提供膨胀空间的作用；风扇设置在散热器上，用以帮助散热器散热；压力传感器设置在电堆的进口处，用以监测电堆进口处的冷却液的压力；第一流量传感器设置在中冷器的进口处，用以监测中冷器进口处的冷却液的流量；第二流量传感器设置在第一水泵的进口处，用以监测第一水泵进口处的冷却液的流量。
在一优选的实施方式中，电堆冷却回路还包括第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器。第一温度传感器设置在电堆的出口处，用以监测电堆出口处的冷却液的温度；第二温度传感器设置在电堆的进口处，用以监测电堆进口处的冷却液的温度；第三温度传感器设置在散热支路上，用以监测散热支路中冷却液的温度。
在一优选的实施方式中，第一水泵、第一流量控制阀、风扇、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及第三温度传感器均与控制器数据连接，控制器接收第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及第三温度传感器的感测数据，并以此来控制第一水泵、第一流量控制阀以及风扇的正常运行。
在一优选的实施方式中，客舱供暖回路还包括第二膨胀水箱以及第二流量控制阀。第二膨胀水箱通过管路与客舱供暖回路连接，第二膨胀水箱起到给客舱供暖回路补充冷却液以及排出客舱供暖回路内部气泡的作用；第二流量控制阀设置在加热器与客舱供暖回路的连接处，第二流量控制阀包括两个出口分别连通客舱热交换器和加热器。
在一优选的实施方式中，第二流量控制阀与控制器数据连接，控制器能够控制第二流量控制阀在不同状态下的两个出口的冷却液的流量。
与现有技术相比，本发明的车用燃料电池的热循环管理***具有以下有益效果：在热循环管理***中采用离子交换器和冷却液过滤器二合一的集成方案，减少零部件，降低***的复杂度。传感器实时监控冷却液的流量、压力和温度状态，做到实时控制，保护电堆。电堆冷却回路和客舱供暖回路分开，电堆冷却回路既可以减少去离子水的加注，也不受客舱供暖回路冷却液离子浓度的影响，从而增加离子交换器的更换周期，减小电堆冷却回路膨胀水箱体积。把电堆冷却回路和客舱供暖回路模块化后，客舱供暖回路模块可以设计成选装模式，当客户不需要客舱供暖回路模块时，只需减配即可，产品配置灵活。
附图说明
图1是根据现有技术一实施方式的热循环管理***的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的热循环管理***的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的热循环管理***的原理示意图；
图4是根据本发明一实施方式的热循环管理***的冷启动流动状态(暖风关闭)的原理示意图；
图5是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(暖风开启)的原理示意图；
图6是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(供暖)的原理示意图；
图7是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(不供暖)的原理示意图。
主要附图标记说明：
1-第一膨胀水箱，2-散热器，3-风扇，4-中冷器，5-电堆，6-第一温度传感器，7-氢气热交换器，8-客舱热交换器，9-第二温度传感器，10-去离子及过滤器集合体，11-压力传感器，12-第一流量传感器，13-第一水泵，14-第二流量传感器，15-第一流量控制阀，16-第三温度传感器，17-加热器，18-第二膨胀水箱，19-暖风器，20-第二水泵，21-第二流量控制阀，A-电堆冷却回路，B-客舱供暖回路，C-散热支路，D-旁通支路，E-客舱热交换支路，F-加热支路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图2至图3所示，图2是根据本发明一实施方式的热循环管理***的结构示意图；图3是根据本发明一实施方式的热循环管理***的原理示意图。根据本发明优选实施方式的一种车用燃料电池的热循环管理***，包括电堆冷却回路A、客舱供暖回路B以及控制器，电堆冷却回路A包括第一水泵13、去离子及过滤器集合体10、电堆5以及客舱热交换器8。第一水泵13设置在电堆冷却回路A的主回路上，用以为电堆冷却回路A提供循环动力。去离子及过滤器集合体10串连在第一水泵13的后方，用以去除冷却液中的离子和杂质。电堆5串连在去离子及过滤器集合体10的后方用以产生电能。客舱热交换器8串连在电堆5的后方，用以将电堆5产生的一部分热量交换给客舱供暖回路B。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，客舱供暖回路B包括第二水泵20、暖风器19以及加热器17。第二水泵20设置在客舱供暖回路B的主回路上，且串联在客舱热交换器8的后方，第二水泵20用以为客舱供暖回路B提供循环动力。暖风器19串联在第二水泵20的后方，暖风器19用以将从客舱热交换器8获取的热量提供给客舱。加热器17与客舱热交换器8并联地设置在客舱供暖回路B中，当电堆5不工作时，加热器17为客舱供暖回路B中的冷却液提供热源。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，电堆冷却回路A还包括中冷器4、氢气热交换器7、散热器2以及第一流量控制阀15。中冷器4串联在第一水泵13的后方，且与电堆5并联设置，这样中冷器4可以获得与电堆5同样较低温度的冷却液的进口温度，有利于中冷器4用以通过热交换给压缩后的高温空气降温。氢气热交换器7串联在电堆5和中冷器4的后方，并与客舱热交换器8并联设置，氢气热交换器7用以为电堆5的氢气进气加热；氢气热交换器7与客舱热交换器8并联设置，且设置在并联设置的电堆5和中冷器4的后方，这样便于利用电堆5和中冷器4工作时产生的热量。散热器2设置在电堆冷却回路A的散热支路上，散热器2用以散除电堆冷却回路A中电堆5和中冷器4产生热量的一部分。第一流量控制阀15设置在电堆冷却回路A的旁通支路D与散热支路C的连接处，第一流量控制阀15包括两个进口分别连通旁通支路D和散热支路C，第一流量控制阀15用以控制旁通支路D及散热支路C的流量比例，并以此来控制电堆冷却回路A的冷却液的温度。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，电堆冷却回路A还包括第一膨胀水箱1、风扇3、第一温度传感器6、第二温度传感器9、压力传感器11、第一流量传感器12、第二流量传感器14以及第三温度传感器16。第一膨胀水箱1通过管路与电堆冷却回路A连接，第一膨胀水箱1用以起到给电堆冷却回路A补充冷却液，并排出电堆冷却回路A内部的气泡，以及给电堆冷却回路A提供膨胀空间的作用。风扇3设置在散热器2上，用以帮助散热器2散热；第一温度传感器6设置在电堆5的出口处，用以监测电堆5出口处的冷却液的温度。第二温度传感器9设置在电堆5的进口处，用以监测电堆5进口处的冷却液的温度。压力传感器11设置在电堆5的进口处，用以监测电堆5进口处的冷却液的压力。第一流量传感器12设置在中冷器4的进口处，用以监测中冷器4进口处的冷却液的流量。第二流量传感器14设置在第一水泵13的进口处，用以监测第一水泵13进口处的冷却液的流量。第三温度传感器16设置在散热支路C上，用以监测散热支路C中冷却液的温度。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，第一水泵13、第一流量控制阀15、风扇3、第一温度传感器6、第二温度传感器9、压力传感器11、第一流量传感器12、第二流量传感器14以及第三温度传感器16均与控制器数据连接，控制器接收第一温度传感器6、第二温度传感器9、压力传感器11、第一流量传感器12、第二流量传感器14以及第三温度传感器16的感测数据，并以此来控制第一水泵13、第一流量控制阀15以及风扇3的正常运行。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，客舱供暖回路B还包括第二膨胀水箱18以及第二流量控制阀21。第二膨胀水箱18通过管路与客舱供暖回路B连接，第二膨胀水箱18起到给客舱供暖回路B补充冷却液以及排出客舱供暖回路B内部气泡的作用。第二流量控制阀21设置在加热器17与客舱供暖回路B的连接处，第二流量控制阀21包括两个出口分别连通客舱热交换器8和加热器17。
请继续参照图2和图3，在本实施方式中，第二流量控制阀21与控制器数据连接，控制器能够控制第二流量控制阀21在不同状态下的两个出口的冷却液的流量。
在本实施方式中，电堆冷却回路A和客舱供暖回路B中的冷却液只在同一个客舱热交换器8中进行热量交换，但两个回路中的冷却液并不相互流通。这样一来，电堆冷却回路A和客舱供暖回路B是分开独立的，电堆冷却回路A既可以减少去离子水的加注，也不受客舱供暖回路B的冷却液离子浓度的影响，从而增加离子交换器的更换周期，还可减小电堆冷却回路A膨胀水箱的体积。
本发明的车用燃料电池的热循环管理***具有以下几种热量管理模式：
如图4所示，图4是根据本发明一实施方式的热循环管理***的冷启动流动状态(暖风关闭)的原理示意图。在一些实施方式中，当热循环管理***处于冷启动状态时，车用燃料电池的热循环管理***的散热支路C关闭，而其旁通支路D打开，此时可利用电堆5启动时内部反应产生的热量加热热循环管理***的冷却液，这时客舱供暖回路B可关闭，也可运行，客舱供暖回路B关闭状态如图4所示，客舱供暖回路B中的冷却液不流动。
如图5所示，图5是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(暖风开启)的原理示意图。在一些实施方式中，客舱供暖回路B运行状态如图5所示，客舱热交换支路E关闭，客舱加热的热量全部来自于加热器17，客舱热交换器8没有热交换。
如图6所示，图6是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(供暖)的原理示意图。在一些实施方式中，当燃料电池处于额定工况运行供暖时，客舱供暖回路B的加热支路F关闭，客舱供暖回路B的冷却液从客舱热交换器8获得热量。控制器通过控制热循环管理***的客舱热交换支路E、旁通支路D及其散热支路C的流量比例来获得合适的电堆5进出口温度，同时保证客舱热交换器8足够的热交换功率。
如图7所示，图7是根据本发明一实施方式的热循环管理***的额定工况流动状态(不供暖)的原理示意图。当燃料电池处于额定工况运行但不供暖时，客舱供暖回路B关闭，虽然电堆5冷却液依然通过客舱热交换器8，但无热量交换，电堆冷却回路A通过第一流量控制阀15调节散热器2及其散热支路C的流量比来控制冷却液的温度。
综上所述，本发明的车用燃料电池的热循环管理***具有以下优点：在热循环管理***中采用离子交换器和冷却液过滤器二合一的集成方案，减少零部件，降低***的复杂度。传感器实时监控冷却液的流量、压力和温度状态，做到实时控制，保护电堆。电堆冷却回路和客舱供暖回路分开，电堆冷却回路既可以减少去离子水的加注，也不受客舱供暖回路冷却液离子浓度的影响，从而增加离子交换器的更换周期，减小电堆冷却回路膨胀水箱体积。把电堆冷却回路和客舱供暖回路模块化后，客舱供暖回路模块可以设计成选装模式，当客户不需要客舱供暖回路模块时，只需减配即可，产品配置灵活。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，包括电堆冷却回路、客舱供暖回路以及控制器，所述电堆冷却回路包括：
第一水泵，其设置在所述电堆冷却回路的主回路上，用以为所述电堆冷却回路提供循环动力；
去离子及过滤器集合体，其串连在所述第一水泵的后方，用以去除冷却液中的离子和杂质；
电堆，其串连在所述去离子及过滤器集合体的后方用以产生电能；以及
客舱热交换器，其串连在所述电堆的后方，用以将所述电堆产生的一部分热量交换给所述客舱供暖回路。
2.如权利要求1所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述客舱供暖回路包括：
第二水泵，其设置在所述客舱供暖回路的主回路上，且串联在所述客舱热交换器的后方，所述第二水泵用以为所述客舱供暖回路提供循环动力；
暖风器，其串联在所述第二水泵的后方，所述暖风器用以将从所述客舱热交换器获取的热量提供给所述客舱；以及
加热器，其与所述客舱热交换器并联地设置在所述客舱供暖回路中，当所述电堆不工作时，所述加热器为所述客舱供暖回路中的冷却液提供热源。
3.如权利要求1所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述电堆冷却回路还包括：
中冷器，其串联在所述第一水泵的后方，且与所述电堆并联设置，所述中冷器用以通过热交换给压缩后的高温空气降温；
氢气热交换器，其串联在所述电堆和所述中冷器的后方，并与所述客舱热交换器并联设置，所述氢气热交换器用以为所述电堆的氢气进气加热；
散热器，其设置在所述电堆冷却回路的散热支路上，所述散热器用以散除所述电堆冷却回路中所述电堆和所述中冷器产生热量的一部分；以及
第一流量控制阀，其设置在所述电堆冷却回路的旁通支路与所述散热支路的连接处，所述第一流量控制阀包括两个进口分别连通所述旁通支路和所述散热支路，所述第一流量控制阀用以控制所述旁通支路及所述散热支路的流量比例，并以此来控制所述电堆冷却回路的冷却液的温度。
4.如权利要求3所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述电堆冷却回路还包括：
第一膨胀水箱，其通过管路与所述电堆冷却回路连接，所述第一膨胀水箱用以起到给所述电堆冷却回路补充冷却液，并排出所述电堆冷却回路内部的气泡，以及给所述电堆冷却回路提供膨胀空间的作用；
风扇，其设置在所述散热器上，用以帮助所述散热器散热；
压力传感器，其设置在所述电堆的进口处，用以监测所述电堆进口处的冷却液的压力；
第一流量传感器，其设置在所述中冷器的进口处，用以监测所述中冷器进口处的冷却液的流量；以及
第二流量传感器，其设置在所述第一水泵的进口处，用以监测所述第一水泵进口处的冷却液的流量。
5.如权利要求4所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述电堆冷却回路还包括：
第一温度传感器，其设置在所述电堆的出口处，用以监测所述电堆出口处的冷却液的温度；
第二温度传感器，其设置在所述电堆的进口处，用以监测所述电堆进口处的冷却液的温度；以及
第三温度传感器，其设置在所述散热支路上，用以监测所述散热支路中冷却液的温度。
6.如权利要求5所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述第一水泵、所述第一流量控制阀、所述风扇、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述压力传感器、所述第一流量传感器、所述第二流量传感器以及所述第三温度传感器均与所述控制器数据连接，所述控制器接收所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述压力传感器、所述第一流量传感器、所述第二流量传感器以及所述第三温度传感器的感测数据，并以此来控制所述第一水泵、所述第一流量控制阀以及所述风扇的正常运行。
7.如权利要求2所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述客舱供暖回路还包括：
第二膨胀水箱，其通过管路与所述客舱供暖回路连接，所述第二膨胀水箱起到给所述客舱供暖回路补充冷却液以及排出所述客舱供暖回路内部气泡的作用；以及
第二流量控制阀，其设置在所述加热器与所述客舱供暖回路的连接处，所述第二流量控制阀包括两个出口分别连通所述客舱热交换器和所述加热器。
8.如权利要求6所述的车用燃料电池的热循环管理***，其特征在于，所述第二流量控制阀与所述控制器数据连接，所述控制器能够控制所述第二流量控制阀在不同状态下的所述两个出口的冷却液的流量。
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