CN112373353B - 一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理*** - Google Patents

一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，该协同管理***包括热化学储热模块、吸附式制冷模块、燃料电池散热回路、动力电池散热回路以及电机电气与空压机散热回路，各散热回路间相互独立但又都集成于热化学储热模块及吸附式制冷模块。***对各模块进行协同管理，在满足各部件散热需求的同时不仅能够高效存储各部件产热，而且还能利用余热为乘员舱供暖或采用吸附式制冷技术供给冷气。同时，储热模块采用化学储热技术，能够对热能进行长期且几乎无热损失的存储，储存的热量可用于车辆启动时的乘员舱供暖以及低温环境下燃料电池与动力电池的冷启动加热。本发明能够显著提升燃料电池汽车核心部件的工作性能、可靠性及其使用寿命。

Description

一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***
技术领域
本发明属于燃料电池汽车技术领域，涉及一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，特别涉及一种具有储热功能的燃料电池汽车热***协同管理***。
背景技术
社会不断增长的能源需求同化石燃料短缺与环境污染严重的矛盾日益严峻，世界正处于一场“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革之中，节能减排的大趋势催生了可持续发展的氢能经济。燃料电池被认为是最富有希望的新型能源动力***，其研发技术不断升级，成为世界主要汽车厂商的竞争焦点之一。燃料电池汽车作为一种理想的传统汽车替代方案有着清洁无污染、安静无噪声、功率输出平稳及燃料补充方便等固有的优势，但仍存在成本过高、储氢技术不成熟、辅助设施建设不完善及热***管理效率低等问题。
目前，国内已有部分燃料电池商用车车型实现了量产并率先进入运营阶段，但乘用车燃料电池技术同国际先进水平仍存在一定差距。燃料电池热负荷大，工作时约有一半的能量以热的形式散出，但散热途径单一且温差小，热管理难题正制约着燃料电池往更高功率密度、更节能高效的方向发展。采取合适的热管理技术保障燃料电池工作安全及使用寿命，同时开发合适的余热利用技术对于燃料电池汽车的高效节能意义重大。燃料电池汽车热***主要包括动力电池、电机电气、燃料电池及其空压机四个核心产热部件与燃料电池、动力电池、电机电气、空压机以及乘员舱五个主要热管理***。
对燃料电池汽车热***进行需求分析并开发合适的热管理技术对燃料电池汽车的性能提高与高效节能意义重大，对燃料电池汽车整体热***的高效协同管理是燃料电池汽车的一个重要研究课题。
目前对于燃料电池热管理技术的研究主要有通过改进流道结构、散热器结构以及散热回路布置来提高燃料电池电堆的散热效能；应用PTC加热或燃料电池自加热技术实现低温环境下的冷启动；通过应用热泵等余热利用技术回收利用燃料电池工作时产生的废热。但现有技术仍存在以下几点不足：
1、燃料电池汽车的热***比较复杂，燃料电池散热负荷大却散热温差小，而动力电池的工作温度较低且控温精度要求高，电机电气及空压机的工作温度高，燃料电池及动力电池的热管理问题较为突出。
2、大多现有技术单独对燃料电池进行高效热管理的效果较为局面，需对燃料电池汽车的整体热***进行协同的高效管理。
3、燃料电池汽车在低温环境下工作时，将面临燃料电池及动力电池的冷启动问题。若采用PTC加热器在冷启动时消耗电池电能对燃料电池及动力电池的冷却水回路进行加热，将增加***整体能耗且有损动力电池的使用寿命。
4、大多现有技术仅对燃料电池的产热进行余热的回收及利用，而忽略了动力电池、电机电气***以及空压机等主要产热部件废热的高效利用。
5、除现有技术中直接利用废热对乘员舱进行供暖之外，还能够通过应用热泵技术同时实现乘员舱的供暖以及制冷，简化管路结构且能够大幅降低乘员舱空调***的能耗。
本发明正是在燃料电池汽车方兴未艾的大背景下，基于燃料电池汽车热***的工作需求及热管理研究前沿，开发了一种具有储热功能的燃料电池汽车热***协同管理***，通过协同管理在满足燃料电池汽车各主要产热部件散热需求的同时直接利用余热为乘员舱供暖或采用吸附式制冷技术供给冷气，且采用化学储热技术存储热能以用于车辆启动时的乘员舱供暖以及低温环境下燃料电池与动力电池的冷启动加热。本发明在实现可靠散热及余热高效利用的同时，能够显著提升燃料电池汽车核心部件的工作性能、可靠性及其使用寿命，对于推进燃料电池汽车的高效化、安全化及节能化发展具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是设计一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，能够对燃料电池汽车的各大热***进行协同管理，能够高效散热、精准控温并有效利用余热为乘客舱空调***供能，同时对产热进行长期、高效地储存，以解决燃料电池和动力电池的冷启动难题，提高燃料电池汽车核心部件的工作性能、可靠性及其使用寿命，旨在推进燃料电池汽车的高效化、安全化及节能化发展。
本发明提供的技术方案如下：
本发明公开了一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其包括：燃料电池散热回路、动力电池散热回路、电机电气与空压机散热回路、热化学储热模块和吸附式制冷模块；
所述燃料电池散热回路包括燃料电池电堆本体、第一比例控制阀、燃料电池散热器和燃料电池冷却水循环泵；燃料电池电堆本体的冷却水出口端连接第二三通电磁阀的第一端口，第二三通电磁阀的第二端口经管路穿过热化学储热模块发生器然后连接第一三通电磁阀的第一端口；第一三通电磁阀的第二端口与第二三通电磁阀的第三端口合流然后连接至第一比例控制阀的入口；第一三通电磁阀的第三端口连接燃料电池冷却水循环泵的入口端，冷却水循环泵的出口与燃料电池电堆本体的冷却水入口端相连；
第一比例控制阀具有两个出口，其第一出口经燃料电池散热器后连接至冷却水循环泵的入口端；第一比例控制阀的第二出口通过管路与余热利用换热器换热后连接至冷却水循环泵的入口端；
所述动力电池散热回路包括动力电池、动力电池散热器、第二比例控制阀和动力电池冷却水循环泵；动力电池的冷却水出口端连接第三三通电磁阀的第一端口，第三三通电磁阀的第二端口经热化学储热模块发生器换热后与第三三通电磁阀的第三端口合流然后连接至第四三通电磁阀的第一端口；第四三通电磁阀的第二端口连接动力电池冷却水循环泵的入口，动力电池冷却水循环泵的出口与动力电池的冷却水入口端相连；
第四三通电磁阀的第三端口连接第二比例控制阀的入口，第二比例控制阀有两个出口，其第一出口经动力电池散热器后连接至动力电池冷却水循环泵的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器换热后连接至动力电池冷却水循环泵的入口；
所述电机电气与空压机散热回路包括相互并联的电机电气支路与空压机支路，并联支路的出口连接至第五三通电磁阀的第一端口，第五三通电磁阀的第二端口通过管路流经热化学储热模块发生器后与其第三端口合流并连接至第三比例控制阀的入口，第三比例控制阀具有两个出口，其第一出口经电机电气及空压机散热器后连接至并联支路的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器换热后连接至并联支路的入口。
在一个优选实施例中，所述的吸附式制冷模包括余热利用换热器、乘员舱暖风机和吸附式制冷循环；所述乘员舱暖风机通过风管连接余热利用换热器并可鼓风带出余热利用换热器中的热量送入乘员舱；所述吸附式制冷循环与余热利用换热器换热获取余热加热循环工质，循环工质经节流蒸发产生冷量送入乘员舱。
更进一步的，所述的吸附式制冷循环包括：
吸附式制冷发生器，其与余热利用换热器相连并受余热加热产生冷剂蒸气，余下蒸发后的浓溶液；吸附式制冷发生器的入口与吸收器的出口相连；
冷凝器，接收吸附式制冷发生器中的冷剂蒸气，并冷凝成冷剂水；
节流阀，其一端连接冷凝器出口，另一端连接蒸发器，
蒸发器，与节流阀相连，蒸发器作为冷剂水的蒸发场所产生冷量，其蒸气出口与吸收器相连，
吸收器，其与蒸发器相连并接收出口蒸气，其与吸附式制冷发生器相连接收经蒸发后的浓溶液，发生器中经余热加热蒸发后的高温浓溶液经逆流热交换器与吸收冷剂蒸汽后的低温稀溶液换热后经吸收器泵泵入吸收器吸收蒸发器产生的冷剂蒸气，吸收冷剂蒸汽后的稀溶液再通过发生器泵经逆流热交换器后泵入发生器进行下一循环。
在一个优选实施例中，所述的热化学储热模块包括双向电磁阀、贮液器和热化学储热模块发生器；双向电磁阀控制吸热介质在贮液器和热化学储热模块发生器间的流通；吸热过程时，热化学储热模块中的储热介质在热化学储热模块发生器中吸热储能后流入贮液器中冷凝存储；放热过程时，贮液器中的介质经蒸发后流入发生器吸附放热输出热量。
在一个优选实施例中，所述的燃料电池电堆本体与第二三通电磁阀之间的管路上设有：第二电磁阀和燃料电池电堆冷却水出口水温传感器；
所述的燃料电池冷却水循环泵与燃料电池电堆本体之间的管路上顺次设有：燃料电池冷却水流量传感器、去离子器及电导率传感器、燃料电池电堆冷却水进口水温传感器和第一电磁阀；
燃料电池散热器和燃料电池冷却水循环泵之间的管路上还设有带液位传感器的燃料电池散热回路补液水箱。
在一个优选实施例中，所述的动力电池与第三三通电磁阀之间的管路上设有动力电池冷却水出口水温传感器；动力电池冷却水循环泵与动力电池之间的管路上设有动力电池冷却水进口水温传感器；
所述动力电池散热器和动力电池冷却水循环泵之间的管路上还设有带液位传感器的动力电池散热回路补液水箱。
在一个优选实施例中，所述电机电气支路包括电机电气***，电机电气***冷却水入口端与电机电气***冷却水循环泵相连，冷却水出口端设置有电机电气冷却水出口水温传感器；
空压机支路包括燃料电池空压机，燃料电池空压机冷却水入口端与空压机冷却水循环泵相连，冷却水出口端设置有空压机冷却水出口水温传感器。
在一个优选实施例中，所述电机电气及空压机散热器的出口管路上设置有带液位传感器的电机电气及空压机散热回路补液水箱。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明从燃料电池汽车热***的多元的热管理需求出发，设计了一套适用性较好的协同管理***，其包括燃料电池散热回路、动力电池散热回路以及用于电机电气与空压机的散热回路，各散热回路间相互独立但又都集成于热化学储热模块及吸附式制冷模块。***对各模块进行协同管理，在满足各部件散热需求的同时不仅能够高效存储各部件产热，而且还能直接利用余热为乘员舱供暖或采用吸附式制冷技术供给冷气；本发明通过对关键产热部件进行协同热管理，具有高效散热、精准控温的优点，能够显著提升燃料电池汽车核心部件的工作性能、可靠性及其使用寿命，对于推进燃料电池汽车的高效化、安全化及节能化发展具有重要意义。
2、本发明热协同管理***的燃料电池散热回路、动力电池散热回路、用于电机电气与空压机的散热回路中均设计有一个或多个三通阀门，通过控制三通阀门的不同导通方式可以使各个散热回路分别呈现冷却散热、热能存储与余热利用等多种热管理的方式，而对于燃料电池与动力电池还可以进一步通过三通阀门的导通实现冷启动加热。燃料电池散热回路、动力电池散热回路、用于电机电气与空压机的散热回路中还设计有比例控制阀，比例控制阀可以根据需要调节其两个输出口的流量，从而可以根据不同的需求控制进入冷却散热和余热利用两部分的冷却水流量。本发明采用上述热管理方式有针对性且高效地利用燃料电池汽车工作时产生的废热。利用直接或间接的方式回收再利用低品位热能，***管路结构简单，极大程度地提高了燃料电池汽车的能源利用效率。
3、本发明的热化学储热模块采用化学吸附式热池储热技术，能够对热能进行长期且几乎无热损失的存储，储存的热量可用于车辆启动时的乘员舱供暖以及低温环境下燃料电池与动力电池的冷启动加热；，节省冷启动能耗，显著提升核心部件的工作性能及使用寿命。
4、本发明的吸附式制冷模块利用余热对乘员舱进行供暖或制冷，供暖环节直接利用余热，乘员舱暖风机直接鼓风带出余热利用换热器中的热量；制冷环节为采用吸附式制冷技术为乘员舱供给冷气，空调***能耗较低。本发明制冷环节的优选方案将冷凝器和吸附式制冷发生器一体化，将吸收器和蒸发器一体化，简化了***结构并降低管路成本。
附图说明
图1所示为本发明一具体实施例的***整体结构及管路连接示意图；
图2所示为该实施例的各模块框架组成示意图；
图3所示为该实施例的各模块结构组成示意图；
附图标记说明：
1-燃料电池电堆、2-动力电池、3-电机电气***、4-燃料电池空压机；
101-燃料电池散热器、102-动力电池散热器、103-电机电气及空压机散热器；
201-燃料电池冷却水循环泵、202-动力电池冷却水循环泵、203-空压机冷却水循环泵、204-电机电气***冷却水循环泵；
301-带液位传感器的燃料电池散热回路补液水箱、302-带液位传感器的动力电池散热回路补液水箱、303-带液位传感器的电机电气及空压机散热回路补液水箱；
401-燃料电池散热器出口水温传感器、402-燃料电池散热器进口水温传感器、403-燃料电池电堆冷却水进口水温传感器、404-燃料电池电堆冷却水出口水温传感器、405-动力电池冷却水进口水温传感器、406-动力电池冷却水出口水温传感器、407-空压机冷却水出口水温传感器、408-电机电气冷却水出口水温传感器；
501-燃料电池冷却水流量传感器、502-去离子器及电导率传感器、503-第一电磁阀、504-第二电磁阀；
601-第一比例控制阀、602-第二比例控制阀、603-第三比例控制阀；
701-第一三通电磁阀、702-第二三通电磁阀、703-第三三通电磁阀、704-第四三通电磁阀、705-第五三通电磁阀；
801-热化学储热模块发生器、802-热化学吸附热池贮液器、803-双向电磁阀；
901-吸附式制冷发生器、902-吸附式制冷冷凝器、903-吸附式制冷蒸发器、904-吸附式制冷吸收器、905-发生器泵、906-逆流热交换器、907-节流阀、908-吸收器泵、909-乘员舱冷风机、910-乘员舱暖风机、911-余热利用换热器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为了使附图更加简洁与直观，各图中只示意性地表示了与本发明相关的部分，略去了部分与本发明相关性不大的***结构，它们并不代表本发明的完整结构。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，各部件的具体种类及型号仅是本发明的优选实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以选择其他不同类型的元器件达到相同的效果，并获得其他的实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-3所示，本实施例为具有储热功能的燃料电池汽车热***协同管理***，其包括：由第一散热子模块、第二散热子模块、第三散热子模块组成的冷却散热模块、吸附式制冷模块和热化学储热模块。
其中第一散热子模块即为燃料电池散热回路，专用于动力电池散热。所述燃料电池散热回路包括燃料电池电堆本体1、第一比例控制阀601、燃料电池散热器 101和燃料电池冷却水循环泵201；燃料电池电堆本体1的冷却水出口端连接第二三通电磁阀702的第一端口，第二三通电磁阀702的第二端口经管路穿过热化学储热模块发生器801然后连接第一三通电磁阀701的第一端口；第一三通电磁阀 701的第二端口与第二三通电磁阀702的第三端口合流然后连接至第一比例控制阀601的入口；第一三通电磁阀701的第三端口连接燃料电池冷却水循环泵201 的入口端，冷却水循环泵201的出口与燃料电池电堆本体1的冷却水入口端相连；
第一比例控制阀601具有两个出口，其第一出口经燃料电池散热器101后连接至冷却水循环泵201的入口端；第一比例控制阀601的第二出口通过管路与余热利用换热器911换热后连接至冷却水循环泵201的入口端。
第二散热子模块为动力电池散热回路，所述动力电池散热回路包括动力电池2、动力电池散热器102、第二比例控制阀602和动力电池冷却水循环泵202；动力电池2的冷却水出口端连接第三三通电磁阀703的第一端口，第三三通电磁阀703 的第二端口经热化学储热模块发生器801换热后与第三三通电磁阀703的第三端口合流然后连接至第四三通电磁阀704的第一端口；第四三通电磁阀704的第二端口连接动力电池冷却水循环泵202的入口，动力电池冷却水循环泵202的出口与动力电池2的冷却水入口端相连；
第四三通电磁阀704的第三端口连接第二比例控制阀602的入口，第二比例控制阀602有两个出口，其第一出口经动力电池散热器102后连接至动力电池冷却水循环泵202的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器911换热后连接至动力电池冷却水循环泵202的入口。
第三散热子模块为电机电气与空压机散热回路。所述电机电气与空压机散热回路包括相互并联的电机电气支路与空压机支路，并联支路的出口连接至第五三通电磁阀705的第一端口，第五三通电磁阀705的第二端口通过管路流经热化学储热模块发生器801后与其第三端口合流并连接至第三比例控制阀603的入口，第三比例控制阀603具有两个出口，其第一出口经电机电气及空压机散热器103 后连接至并联支路的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器911换热后连接至并联支路的入口。
如图3所示，三个散热子模块共同组成冷却散热模块，各散热子模块的循环管路相互独立但集成于热化学储热模块以及吸附式制冷模块，各散热子模块具有能够按各自散热需求进行独立控制的专用冷却水泵及散热器。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，为了满足冷却散热、热能存储与余热利用以及燃料电池与动力电池的冷启动加热等热管理需求，采用第一三通电磁阀701、第二三通电磁阀702与第一比例控制阀601将第一散热子模块的热管理循环管路分为储热循环、冷启动加热循环以及散热循环与余热利用循环四部分。其中，当第二三通电磁阀702左侧与上侧连通时，燃料电池冷却水经过第一比例控制阀601后按比例分流入燃料电池散热器101及余热利用换热器911，不会经过热化学储热模块发生器801与第一三通电磁阀701，此时为散热循环与余热利用循环，通过控制第一比例控制阀601的比例值能够调节散热循环散热量与余热利用循环换热量之间的比值。当第二三通电磁阀702左侧与右侧连通时，燃料电池冷却水流入热化学储热模块发生器801与第一三通电磁阀701，此时按燃料电池汽车热***协同管理需求进行冷启动加热循环或储热循环；当第一三通电磁阀 701左侧与右侧连通时，冷却水不经过燃料电池散热器101直接回流入燃料电池冷却水循环泵201进行下一循环，此时为乘员舱空调***无需操作的冷启动加热循环；当第一三通电磁阀701左侧与上侧连通时，冷却水流向第一比例控制阀601，比例控制阀依热***协同管理需求调节冷却水流入燃料电池散热器101及余热利用换热器911的比例，此时为储热循环或向乘员舱空调***供能的冷启动加热循环。
如图1所示，对于动力电池散热回路，采用第三三通电磁阀703、第四三通电磁阀704与第二比例控制阀602将第二散热子模块的热管理循环管路分为储热循环、冷启动加热循环以及散热循环与余热利用循环四部分。其中，当第三三通电磁阀703左侧与右侧连通时，动力电池冷却水流向第四三通电磁阀704，不会经过热化学储热模块发生器801，若此时第四三通电磁阀704右侧与左侧连通，冷却水经过第二比例控制阀602后按比例分流入动力电池散热器201及余热利用换热器911，此时为散热循环与余热利用循环，通过控制第二比例控制阀602的比例值能够调节散热循环散热量与余热利用循环换热量之间的比值。当第三三通电磁阀703左侧与上侧连通时，动力电池冷却水流入热化学储热模块发生器801后经过第四三通电磁阀704，此时按燃料电池汽车热***协同管理需求进行冷启动加热循环或储热循环；当第四三通电磁阀704上侧与右侧连通时，冷却水不经过动力电池散热器102直接回流入动力电池冷却水循环泵202，此时为乘员舱空调***无需操作的冷启动加热循环；当第四三通电磁阀704左侧与右侧连通时，冷却水流向第二比例控制阀602，比例控制阀依热***协同管理需求调节冷却水流入散热器以及余热利用换热器的比例，此时为储热循环或向乘员舱空调***供能的冷启动加热循环。
如图1所示，电机电气***与空压机***无需冷启动加热，因此仅采用第五三通电磁阀705及第三比例控制阀603将第三散热子模块的热管理循环管路分为储热循环、散热循环与余热利用循环三部分。其中，当第五三通电磁阀705上侧与右侧连通时，冷却水直接流向第三比例控制阀603后按比例分流入电机电气及空压机散热器103及余热利用换热器911，不会经过热化学储热模块发生器801，为散热循环与余热利用循环，通过控制第三比例控制阀603的比例值能够调节散热循环散热量与余热利用循环换热量之间的比值。当第五三通电磁阀705左侧与右侧连通时，燃料电池冷却水流入热化学储热模块发生器801后再经过第三比例控制阀603按比例分流入电机电气及空压机散热器103及余热利用换热器911，此时为储热循环。
本发明中，各散热回路上设计有一个或多个三通阀门，通过控制三通阀门的不同导通方式可以使各个散热回路分别呈现冷却散热、热能存储、余热利用和冷启动加热循环等多种热管理的方式。而散热循环与余热利用循环通过比例控制阀构成并列关系，通过控制循环冷却水的流量比例可以对余热利用热交换器的换热量与散热器的散热量进行调控。
以下对冷却散热、热能存储、余热利用和冷启动加热循环进行介绍。
在实施例中，冷启动加热循环时，低温冷却水从燃料电池电堆1或动力电池2 流出后进入热化学储热模块发生器801，冷却水于热化学储热模块发生器801中被加热至合适温度后不经过各自散热器直接经各自冷却水循环泵泵入燃料电池电堆或动力电池进行冷启动时的预热。
储热循环时，冷却水带出发热部件的产热，流经产热部件的高温冷却水流入热化学储热模块发生器801将热量转化为化学能存储后，根据冷却水温度与***热管理需求决定后续冷却水是直接流经各自水泵泵入下一循环或流入各自散热器及余热利用换热器911进一步降温后再流经各自水泵进行新的循环。
余热利用循环及散热循环时，冷却水流经比例控制阀601、602、603后全部或部分流入各自散热器及余热利用换热器911，散热器通过控制风扇转速调控散热器出口冷却水温，通过余热利用换热器911换出的热量用于直接加热空气向乘员舱供暖或加热吸附式制冷发生器为制冷循环提供动力；通过比例控制阀的控制，***能够灵活调节余热利用换热器的换热量与散热器的散热量，在满足热管理散热需求的同时最大限度地利用余热的能量。
在本发明的一个优选实施例中，热化学储热模块采用以对SrCl2/NH3为工质对热化学吸附热池进行热能的化学存储。热化学吸附热池进行储热时，双向电磁阀803打开，介质在热化学储热模块发生器801中受热解吸，吸收热能后流入贮液器802中冷凝存储；储热达储热量上限后，双向电磁阀803关闭，吸收热能后的介质能在贮液器802中长时间存储且几乎无能量损失；放热过程时，双向电磁阀803打开，贮液器802中的介质经蒸发后流入热化学储热模块发生器801吸附放热输出热量。热化学吸附储热技术利用吸附剂与吸附质在解吸/吸附过程中伴随有大量的热能吸收/释放进行能量的储存与释放，相比于显热储热和潜热储热具有储热密度高、长时间储热几乎无热损失等优点，因而功能灵活、应用广泛。
在本发明的一个优选实施例中，***利用余热对乘员舱进行供暖或制冷，其中供暖环节直接利用余热，乘员舱暖风机910直接鼓风带出余热利用换热器911 中的热量；制冷环节由以溴化锂水溶液为工质的吸附式制冷循环完成。制冷时，吸附式制冷发生器901与余热利用换热器911相连，吸附式制冷发生器901中受余热加热中产生的冷剂蒸气在冷凝器902中冷凝成冷剂水，后经节流阀907进入蒸发器903，在低压下蒸发，产生制冷效应，再通过乘员舱冷风机909将制冷量以冷风的形式带入乘员舱；而吸附式制冷发生器901中经蒸发后的浓溶液由吸收器泵908经逆流热交换器906后泵入吸收器904吸收由蒸发器903产生的冷剂蒸气，形成稀溶液后再由发生器泵905经逆流热交换器906后将稀溶液输送至吸附式制冷发生器901进行下一制冷循环。由于工质流动时会产生较大的压降，为了避免压降过大或管道过粗，该优选实施例将冷凝器和发生器一体化，将吸收器和蒸发器一体化，简化了***结构并降低管路成本。
在优选实施例中，如图1所示，***各子模块连接管路的关键位置皆安装有以温度传感器为主的各类传感器对***的工作状态进行监测，并有一套相应的热***协同管理流程、方法及控制策略。各子模块循环管路中安装的各类传感器是实现各热***间的协同管理与控制的基础。其中，冷却散热管路中的温度传感器实时监测各热部件的工作温度，实现各部件工作温度的精确控制，并同时为决定三通电磁阀的开闭情况与比例控制阀的控制比例等热***协同管理的控制策略提供依据；热化学储热模块管路中也装有相应温度传感器监测储热情况，吸附式制冷模块的关键位置也装有相应的温度传感器实现乘员舱温度调控，各测点的温度值都将为热***协同管理的控制策略提供依据。
燃料电池散热负荷大、控温精度要求高且须采用去离子水进行冷却，动力电池的控温精度要求高且工作温度较低，而电机电气***及燃料电池空压机的工作温度相近，且热管理要求相对燃料电池与动力电池而言较低。
因此，在该优选实施例中，如图1所示，在第一散热子模块的燃料电池散热器101的冷却水进出口安装有两个T型热电偶，分别为燃料电池散热器出口水温传感器401与燃料电池散热器进口水温传感器402测试进出散热器的冷却水水温，同样在燃料电池电堆1的冷却水进出口安装有两个T型热电偶403、404测点测试进出电堆的冷却水水温；同时在燃料电池冷却水循环泵201的出口端安装了涡轮流量计501测试冷却水的循环流量；此外，还在冷却水入堆电磁阀503附近设置有去离子器及电导率传感器502，保证冷却管路中去离子冷却水的电导率满足要求。
同样地，在第二散热子模块的动力电池2冷却水进出口处安装有两个T型热电偶405、406测点测试进出动力电池的冷却水水温，以监测动力电池工作温度并表征针对动力电池的热管理效果。另外，针对电机电气***3及燃料电池空压机 4的热管理主要以冷却散热为主，因此采用同一热管理循环管路以简化***的管路结构，但分别在电机电气***与空压机各自的冷却水出口安装T型热电偶407、 408测点监测冷却水温度，因而***可以通过控制相应支路的冷却水循环泵流量进行各自工作温度与散热量的控制。
下面简要说明燃料电池汽车热***协同管理的基本工作流程及主要控制策略：
首先，***启动前，控制***监测各子模块冷却水温度并检查乘员舱空调指令。
若冷却水温度低于动力电池适宜工作温度且空调指令为供暖时，则第一及第二散热子模块开启冷启动加热循环，通过释放化学储热快速提升动力电池及燃料电池的工作温度；第三散热子模块开启储热循环及余热利用循环，将电机电气与空压机产热以及释放的部分化学储热全部带至余热利用热交换器为乘员舱供暖；
若冷却水温度低于动力电池适宜工作温度且空调指令为无需操作时，第一及第二散热子模块开启冷启动加热循环，第三散热子模块开启储热循环与散热循环；
若冷却水温度低于动力电池适宜工作温度且空调指令为制冷时，第一及第二散热子模块开启冷启动加热循环，第三散热子模块开启储热循环及余热利用循环，吸附式制冷模块开始工作，利用电机与空压机产热以及释放的部分化学储热进行制冷。
若冷却水温度高于动力电池适宜工作温度且空调指令为加热时，则第一散热子模块开启冷启动加热循环，第二与第三散热子模块开启储热及余热利用循环；
若冷却水温度高于动力电池适宜工作温度且空调指令为无需操作时，则第一散热子模块开启冷启动加热循环，第二与第三散热子模块开启储热及散热循环；
若冷却水温度高于动力电池适宜工作温度且空调指令为制冷时，则第一散热子模块开启冷启动加热循环，第二与第三散热子模块开启储热及余热利用循环，吸附式制冷模块开启工作。
启动过程中，当动力电池或燃料电池冷却水温度达到各自理想工作温度后，遂切换冷启动加热循环为储热循环进行热量的存储。
当***启动一段时间后，动力电机及燃料电池冷却水温度均达到各自理想工作温度，此后控制***不断监测并精确控制两者的工作温度在适合范围内波动。
经过一段时间的储热过程，热化学储热模块到达储热上限后，关闭双向电磁阀，停止储热，此时各散热子模块切换储热循环为散热循环与余热利用循环；
此时，当乘员舱空调指令为无需操作时，通过控制三个散热子模块中的比例控制阀将所有热量通过各自散热器散出；
当乘员舱空调指令为加热或制冷时，依据制热或制冷的负荷需求控制三个散热子模块中的比例控制阀将部分或全部产热通过余热利用换热器进行供暖或给吸附式制冷模块功能。
停机时，乘员舱空调***关闭，所有散热子模块均切换为散热模块，及时散出多余的热量。
综合来看，本发明提供了一种具有储热功能的燃料电池汽车热***协同管理的技术方案，在实现可靠散热及余热高效利用的同时，能够显著提升燃料电池汽车核心部件的工作性能、可靠性及其使用寿命，对于推进燃料电池汽车的高效化、安全化及节能化发展具有重要意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于包括：燃料电池散热回路、动力电池散热回路、电机电气与空压机散热回路、热化学储热模块和吸附式制冷模块；
所述燃料电池散热回路包括燃料电池电堆本体(1)、第一比例控制阀(601)、燃料电池散热器(101)和燃料电池冷却水循环泵(201)；燃料电池电堆本体(1)的冷却水出口端连接第二三通电磁阀(702)的第一端口，第二三通电磁阀(702)的第二端口经管路穿过热化学储热模块发生器(801)然后连接第一三通电磁阀(701)的第一端口；第一三通电磁阀(701)的第二端口与第二三通电磁阀(702)的第三端口合流然后连接至第一比例控制阀(601)的入口；第一三通电磁阀(701)的第三端口连接燃料电池冷却水循环泵(201)的入口端，冷却水循环泵(201)的出口与燃料电池电堆本体(1)的冷却水入口端相连；
第一比例控制阀(601)具有两个出口，其第一出口经燃料电池散热器(101)后连接至冷却水循环泵(201)的入口端；第一比例控制阀(601)的第二出口通过管路与余热利用换热器(911)换热后连接至冷却水循环泵(201)的入口端；
所述动力电池散热回路包括动力电池(2)、动力电池散热器(102)、第二比例控制阀(602)和动力电池冷却水循环泵(202)；动力电池(2)的冷却水出口端连接第三三通电磁阀(703)的第一端口，第三三通电磁阀(703)的第二端口经热化学储热模块发生器(801)换热后与第三三通电磁阀(703)的第三端口合流然后连接至第四三通电磁阀(704)的第一端口；第四三通电磁阀(704)的第二端口连接动力电池冷却水循环泵(202)的入口，动力电池冷却水循环泵(202)的出口与动力电池(2)的冷却水入口端相连；
第四三通电磁阀(704)的第三端口连接第二比例控制阀(602)的入口，第二比例控制阀(602)有两个出口，其第一出口经动力电池散热器(102)后连接至动力电池冷却水循环泵(202)的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器(911)换热后连接至动力电池冷却水循环泵(202)的入口；
所述电机电气与空压机散热回路包括相互并联的电机电气支路与空压机支路，并联支路的出口连接至第五三通电磁阀(705)的第一端口，第五三通电磁阀(705)的第二端口通过管路流经热化学储热模块发生器(801)后与其第三端口合流并连接至第三比例控制阀(603)的入口，第三比例控制阀(603)具有两个出口，其第一出口经电机电气及空压机散热器(103)后连接至并联支路的入口，第二出口通过管路与余热利用换热器(911)换热后连接至并联支路的入口。
2.根据权利要求1所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述的吸附式制冷模包括余热利用换热器(911)、乘员舱暖风机(910)和吸附式制冷循环；所述乘员舱暖风机(910)通过风管连接余热利用换热器(911)并可鼓风带出余热利用换热器(911)中的热量送入乘员舱；所述吸附式制冷循环与余热利用换热器(911)换热获取余热加热循环工质，循环工质经节流蒸发产生冷量送入乘员舱。
3.根据权利要求2所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述的吸附式制冷循环包括：
吸附式制冷发生器(901)，其与余热利用换热器(911)相连并受余热加热产生冷剂蒸气，余下蒸发后的浓溶液；吸附式制冷发生器(901)的入口与吸收器(904)的出口相连；
冷凝器(902)，接收吸附式制冷发生器(901)中的冷剂蒸气，并冷凝成冷剂水；
节流阀(907)，其一端连接冷凝器(902)出口，另一端连接蒸发器(903)，
蒸发器(903)，与节流阀(907)相连，蒸发器(903)作为冷剂水的蒸发场所产生冷量，其蒸气出口与吸收器(904)相连，
吸收器(904)，其与蒸发器(903)相连并接收出口蒸气，其与吸附式制冷发生器(901)相连接收经蒸发后的浓溶液，浓溶液吸收蒸发器产生的冷剂蒸气后重新泵入吸附式制冷发生器(901)进行下一循环。
4.根据权利要求1所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述的热化学储热模块包括双向电磁阀(803)、贮液器(802)和热化学储热模块发生器(801)；双向电磁阀(803)控制吸热介质在贮液器(802)和热化学储热模块发生器(801)间的流通；吸热过程时，热化学储热模块中的储热介质在热化学储热模块发生器(801)中吸热储能后流入贮液器(802)中冷凝存储；放热过程时，贮液器(802)中的介质经蒸发后流入热化学储热模块发生器(801)吸附放热输出热量。
5.根据权利要求4所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述的吸热介质为SrCl2/NH3；吸热过程中，当贮液器(802)达到储热量上限后，双向电磁阀(803)关闭。
6.根据权利要求1所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，
所述的燃料电池电堆本体(1)与第二三通电磁阀(702)之间的管路上设有：第二电磁阀(504)和燃料电池电堆冷却水出口水温传感器(404)；
所述的燃料电池冷却水循环泵(201)与燃料电池电堆本体(1)之间的管路上顺次设有：燃料电池冷却水流量传感器(501)、去离子器及电导率传感器(502)、燃料电池电堆冷却水进口水温传感器(403)和第一电磁阀(503)；
燃料电池散热器(101)和燃料电池冷却水循环泵(201)之间的管路上还设有带液位传感器的燃料电池散热回路补液水箱(301)。
7.根据权利要求1所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述的动力电池(2)与第三三通电磁阀(703)之间的管路上设有动力电池冷却水出口水温传感器(406)；动力电池冷却水循环泵(202)与动力电池(2)之间的管路上设有动力电池冷却水进口水温传感器(405)；
所述动力电池散热器(102)和动力电池冷却水循环泵(202)之间的管路上还设有带液位传感器的动力电池散热回路补液水箱(302)。
8.根据权利要求1所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述电机电气支路包括电机电气***(3)，电机电气***(3)冷却水入口端与电机电气***冷却水循环泵(204)相连，冷却水出口端设置有电机电气冷却水出口水温传感器(408)；
空压机支路包括燃料电池空压机(4)，燃料电池空压机(4)冷却水入口端与空压机冷却水循环泵(203)相连，冷却水出口端设置有空压机冷却水出口水温传感器(407)。
9.根据权利要求1或8所述的适用于燃料电池汽车热***的协同管理***，其特征在于，所述电机电气及空压机散热器(103)的出口管路上设置有带液位传感器的电机电气及空压机散热回路补液水箱(303)。
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基于模型预测的纯电动汽车动力总成热管理策略;冯权;黄瑞;陈芬放;凌珑;俞小莉;;现代机械(第02期);全文 *

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CN112373353A (zh) 2021-02-19

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