CN115465041A - 一种燃料电池汽车整车热管理***及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车整车热管理***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池汽车热管理技术领域，为一种燃料电池汽车的热管理技术，具体为一种燃料电池汽车整车热管理***及控制方法；本发明提供的燃料电池汽车整车热管理***利用制冷剂回路的四通和三通阀，冷却液回路的五通阀进行制冷和制热模式的改变。在制热模式下，充分利用了电机余热和热泵空调辅助PTC加热器进行加热，降低了整体***的功耗，并且改善了燃料电池汽车冷启动的性能；在制冷模式下，可以利用燃料电池电堆余热对驾驶舱进行加热，减少了能量的浪费，增加了汽车的续驶里程。

Description

一种燃料电池汽车整车热管理***及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车热管理技术领域，为一种燃料电池汽车 的热管理技术，具体为一种燃料电池汽车整车热管理***及控制方 法。
背景技术
在全球环境污染加剧以及能源紧缺的大背景下，新能源汽车的发 展是大势所趋，而燃料电池汽车以其效率高、无污染、噪声低等优点 成为了一个重要的发展方向。随着对燃料电池的不断研究，燃料电池 汽车也会随着进一步发展。
现有的燃料电池汽车整车热管理***，集成性能较差，各个*** 较为独立，对于整车***没有较好的整合，浪费了很多能量。
在低温环境中，燃料电池汽车的启动需要对燃料电池等部件进行 加热，现有技术一般使用PTC加热器进行加热，这增加了整个***的 功耗，降低的汽车的续驶里程。
因此，亟需一种燃料电池汽车整车热管理***来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种燃料电池汽车整车热管理***，目的在于解决以 上现有技术中的多个问题。
本发明是这样实现的：
提供一种燃料电池汽车整车热管理***，应用于燃料电池汽车内 乘员舱和动力部件的温度调节，所述动力部件包括电机、锂电池和燃 料电池堆；包括制热回路和制冷回路，所述制热回路和所述制冷回路 通过四通阀和五通阀进行切换；所述制热回路包括压缩机、四通阀、 电池冷却器、三通阀、蒸发器、第一膨胀阀、第一膨胀水壶、冷凝器、 四通阀、气液分离器、电机、五通阀、第一水泵、换热器、第三膨胀 水壶、第二水泵、节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵，用于对 所述锂电池和所述燃料电池电堆进行加热；所述制冷回路包括电机、 五通阀、第一水泵、换热器、电池冷却器、第三膨胀水壶、第二水泵、 节温器、PTC加热器、第三水泵、压缩机、四通阀、冷凝器、第一膨 胀水壶、第一膨胀阀、蒸发器、气液分离器、第二膨胀阀、三通阀、 散热器、节温器、暖风水箱、第四膨胀水壶，用于对所述乘员舱、所 述锂电池、所述燃料电池堆、所述电机进行制冷。
进一步的，所述制热回路包括制热制冷剂回路，所述制热制冷剂 回路包括依次连接的压缩机、四通阀第一通路、电池冷却器、三通阀 第一通路、蒸发器、第一膨胀阀、第一膨胀水壶、冷凝器、四通阀第二 通路和气液分离器，用于对所述锂电池、所述燃料电池电堆进行加热。
进一步的，所述制热回路还包括第一制热冷却液回路，包括依次 连接的电机、五通阀第一通路、第一水泵、换热器、电池冷却器、第 三膨胀水壶、五通阀第二通路和第二水泵依次连接，用于对所述锂电 池和燃料电池电堆进行加热。
进一步的，所述制热回路还包括第二制热冷却液回路，包括依次 连接的节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵，用于燃料电池电进 行加热。
进一步的，所述制冷回路包括第一制冷制冷剂回路，包括依次连 接的压缩机、四通阀第三通路、冷凝器、第一膨胀水壶、第一膨胀阀、 蒸发器、四通阀第四通路，用于对乘员舱进行制冷。
进一步的，所述制冷回路还包括第二制冷制冷剂回路，包括依次 连接的压缩机、四通阀第五通路、冷凝器、第一膨胀水壶、第二膨胀 阀、三通阀第一通路、电池冷却器、四通阀第六通路和气液分离器， 用于对锂电池进行冷却。
进一步的，所述制冷回路还包括第一制冷冷却液回路，包括依次 连接的第一水泵、五通阀第三通路、第三膨胀水壶、电池冷却器和换 热器，用于对锂电池进行冷却。
进一步的，所述制冷回路还包括第二制冷冷却液回路，包括依次 连接的五通阀第四通路、第二膨胀水壶、散热器和第二水泵依次连接 组成，用于对电机进行冷却。
进一步的，所述制冷回路还包括第三制冷冷却液回路和第四制冷 冷却液回路，用于对所述燃料电池电堆进行冷却；所述第三制冷冷却 液回路包括依次连接的燃料电池电堆、节温器、暖风水箱、散热器、 第四膨胀水壶和第三水泵，所述第四制冷冷却液回路包括依次连接的 节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵。
本发明还提供了一种基于燃料电池汽车整车热管理***的控制 方法，基于上述任意一项所述的燃料电池汽车整车热管理***，包 括以下步骤：
获取车辆状态，获取锂电池、所述电机、所述燃料电池堆的温度 和环境温度，选择热管理模式，所述热管理模式包括：乘员舱制冷模 式、锂电池冷却模式、锂电池加热模式、燃料电池堆冷却模式、燃料 电池堆加热模式、电机冷却模式。
上述方案的有益效果：
本发明提供的燃料电池汽车整车热管理***利用制冷剂回路的 四通和三通阀，冷却液回路的五通阀进行制冷和制热模式的改变。在 制热模式下，充分利用了电机余热和热泵空调辅助PTC加热器进行加 热，降低了整体***的功耗，并且改善了燃料电池汽车冷启动的性能； 在制冷模式下，可以利用燃料电池电堆余热对驾驶舱进行加热，减少 了能量的浪费，增加了汽车的续驶里程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中 所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发 明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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 获得其他相关的附图。
图1为发明提供的燃料电池汽车整车热管理***管路第一实施例示意图；
图2为发明提供的燃料电池汽车整车热管理***管路第二实施例示意图；
图3位发明提供的五通阀结构示意图。
图标：
100-燃料电池汽车整车热管理***；
110-电机；120-锂电池；130-燃料电池堆；140-四通阀；150- 五通阀；160-三通阀；170-压缩机；180-电池冷却器；190-PTC加热 器；
101-第一膨胀阀；102-第一膨胀水壶；103-第一水泵；104-第二 膨胀阀；105-第二膨胀水壶；106-第三水泵；107-蒸发器；108-冷凝 器；109-气液分离器；1010-换热器；1011-节温器；1012-暖风水箱； 1013-第四膨胀水壶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件 可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的 本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围， 而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域 普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行 进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、 “下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该 发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发 明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的 方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限 定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解， 例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以 是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒 介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
以下针对本发明实施例的一种燃料电池汽车整车热管理*** 100100进行具体说明：
本实施例提供一种燃料电池汽车整车热管理***100，应用于燃 料电池汽车内乘员舱、动力部件进行温度调节，其中针对于动力部件 在本实施例中为锂电池120、燃料电池包和电机110。包括多个回路， 具体为两个整体的基于控制模式确定的制热回路和制冷回路，其中制 热回路用于对制冷剂预热回路，其中制冷剂预热回路用于对电池包、 燃料电池堆130进行加热控制，其中制冷回路用于对乘员舱、电机 110、锂电池120和燃料电池包进行冷却控制。
在本实施例中，针对于以上制冷回路、制热回路以及对对应动力 部件和乘员舱进行热管理主要通过四通阀140和五通阀150切换多个 回路进行实现。
针对于此***主要包括多个控制部件以及多个工作部件，首先对 以上的控制部件和工作部件进行介绍。
其中针对于制热回路包括：压缩机170、四通阀140、电池冷却 器180、三通阀160、蒸发器107、第一膨胀阀101、第一膨胀水壶 102、冷凝器108、四通阀140、气液分离器109、电机110、五通阀 150、第一水泵103、换热器1010、第三膨胀水壶、第二水泵、节温 器1011、换热器1010、PTC加热器190和第三水泵106，用于对锂电 池120和燃料电池电堆进行加热。
针对于制冷回路包括：电机110、五通阀150、第一水泵103、 换热器1010、电池冷却器180、第三膨胀水壶、第二水泵、节温器 1011、PTC加热器190、第三水泵106、压缩机170、四通阀140、冷 凝器108、第一膨胀水壶102、第一膨胀阀101、蒸发器107、气液分 离器109、第二膨胀阀104、三通阀160、散热器、节温器1011、暖 风水箱1012、第四膨胀水壶1013，用于对乘员舱、锂电池120、燃 料电池堆130、电机110进行制冷。
并且，本实施例还提供一种燃料电池汽车整车热管理***100 的控制方法，实现热控制。
具体的方法包括：获取车辆状态，获取电机110、锂电池120、 燃料电池堆130的温度和乘员舱的环境温度，选择热管理模式，所述 热管理模式包括：乘员舱采暖模式、电池包加热模式、电池包冷却模 式、乘员舱除湿再加热模式。
因为本实施例提供的燃料电池汽车整车热管理***100整体为 回路管理，所以针对于不同模式下其部件不变但是其路径、回路结构 产生改变。而在本实施例中，热管理***包括制热模式和制冷模式， 现针对于以上两种不同模式进行详细的说明。
参阅图1，本实施例提供在制热模式下热管理***的回路结构， 具体为：
主要回路结构包括制热回路和制冷回路，在本实施例中，制热回 路包括制热制冷剂回路、第一制热冷却液回路和第二制热冷却液回 路，其中制热制冷剂回路对锂电池120、燃料电池电堆进行加热。其 中制热回路包括制热制冷剂回路、第一制热冷却液回路、第二制热冷 却液回路。其中，制冷回路包括第一制冷制冷剂回路、第二制冷制冷 剂回路、第一制冷冷却液回路、第二制冷冷却液回路、第三制冷冷却 液回路和第四制冷冷却液回路。
其中，针对于制热制冷剂回路包括依次连接的压缩机170、四通 阀140第一通路、电池冷却器180、三通阀第一通路、蒸发器107、 第一膨胀阀101、第一膨胀水壶102、冷凝器108、四通阀140第二 通路和气液分离器109。用于锂电池120和燃料电池电堆加热。
在本实施例中，参阅图1，四通阀140第一通路为D-C端连接通 路，四通阀140第二通路为A-B端连接通路，三通阀第一通路为A-B 端通路。
针对于第一制热冷却液回路包括依次连接的电机110、五通阀第 一通路、第一水泵103、换热器1010、电池冷却器180、第三膨胀水 壶、五通阀第二通路和第二水泵依次连接。用于锂电池120和燃料电 池电堆加热。其中第二水泵推动冷却液进行循环，换热器1010使得 锂电池120***与燃料电池电堆***进行换热。
在本实施例中，可参阅图1，五通阀第一通路为五通阀的D-E端 连接通路，五通阀第二通路为五通阀的A-C端连接通路。
针对于第二制热冷却液回路，包括依次连接的节温器1011、换 热器1010、PTC加热器190和第三水泵106。用于加热燃料电池电堆， 其中节温器1011根据温度调节两个回路端口的开度来调节两个回路 的冷却液流量，PTC加热器190对冷却液进行加热。
在本实施例中对于制热回路，通过对五通阀A-C端、D-E端连接， 四通阀140A-B端、D-C端连接，三通阀A-B端连接，实现电机110 冷却和锂电池120冷却串联，PTC加热器190、换热器1010和电池冷 却器180开启，节温器1011仅开启第二加热冷却液回路，PTC加热器190、热泵空调和电机110余热对锂电池120和燃料电池电堆进行加 热。
其中针对于制冷回路中的第一制冷制冷剂回路，包括依次连接的 压缩机170、四通阀第三通路、冷凝器108、第一膨胀水壶102、第 一膨胀阀101、蒸发器107、四通阀第四通路，用于对乘员舱进行制 冷。
参阅图2，针对于四通阀的第三通路为四通阀A-D端连接通路， 四通阀第四通路为四通阀B-C端连接通路。
针对于第二制冷制冷剂回路，包括依次连接的压缩机170、四通 阀第五通路、冷凝器108、第一膨胀水壶102、第二膨胀阀104、三 通阀第一通路、电池冷却器180、四通阀第六通路和气液分离器109， 用于对锂电池120进行冷却。
参阅图2，四通阀第五通路为四通阀A-D端连接通路，三通阀第 一通路为三通阀A-C端连接通路，四通阀第六通路为四通阀B-C端连 接通路。
针对于第一制冷冷却液回路，包括依次连接的第一水泵103、五 通阀第三通路、第三膨胀水壶、电池冷却器180和换热器1010，用 于对锂电池120进行冷却。
参阅图2，本实施例中五通阀第三通路为五通阀A-E端连接通路。
针对于第二制冷冷却液回路，包括依次连接的五通阀第四通路、 第二膨胀水壶105、散热器和第二水泵依次连接组成，用于对电机110 进行冷却。
参阅图2，五通阀第四通路为五通阀B-D端连接通路。
针对于第三制冷冷却液回路包括依次连接的燃料电池电堆、节温 器1011、暖风水箱1012、散热器、第四膨胀水壶1013和第三水泵 106。其中，暖风水箱1012利用燃料电池电堆***的高温冷却液进行 加热
针对于第四制冷冷却液回路包括依次连接的节温器1011、换热器 1010、PTC加热器190和第三水泵106。
在本实施例中，针对于制冷回路，通过五通阀A-E,B-D连接，四 通阀A-B,D-C连接，三通阀A-C连接，电池冷却器180开启，PTC加 热器190和换热器1010关闭，节温器1011根据燃料电池温度调节两 个回路即第三制冷冷却液回路和第四制冷冷却液回路的冷却液流量， 锂电池120利用热泵空调***进行冷却，电机110和燃料电池电堆利 用各自冷却***进行冷却，乘员舱根据需求使用鼓风机利用燃料电池 电堆余热进行制热。针对于鼓风机根据需求开启，对由燃料电池电堆 冷却***冷却液加热的暖风水壶进行吹扫，对乘员舱进行加热。
其中五通阀由电机110控制转动来改变冷却液流道，以此进行制 热制冷两种模式的切换。参阅图3，五通阀整体为圆柱形，五个冷却 液通道均匀分布，当进行模式切换时，电机110控制冷却液通道转动， 冷却液流向随之改变。
本实施例中，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和 变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、 改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本实施例中，以上所述 仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车整车热管理***，应用于燃料电池汽车内乘员舱和动力部件的温度调节，其特征在于，所述动力部件包括电机、锂电池和燃料电池堆；包括制热回路和制冷回路，所述制热回路和所述制冷回路通过四通阀和五通阀进行切换；所述制热回路包括压缩机、四通阀、电池冷却器、三通阀、蒸发器、第一膨胀阀、第一膨胀水壶、冷凝器、四通阀、气液分离器、电机、五通阀、第一水泵、换热器、第三膨胀水壶、第二水泵、节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵，用于对所述锂电池和所述燃料电池电堆进行加热；所述制冷回路包括电机、五通阀、第一水泵、换热器、电池冷却器、第三膨胀水壶、第二水泵、节温器、PTC加热器、第三水泵、压缩机、四通阀、冷凝器、第一膨胀水壶、第一膨胀阀、蒸发器、气液分离器、第二膨胀阀、三通阀、散热器、节温器、暖风水箱、第四膨胀水壶，用于对所述乘员舱、所述锂电池、所述燃料电池堆、所述电机进行制冷。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制热回路包括制热制冷剂回路，所述制热制冷剂回路包括依次连接的压缩机、四通阀第一通路、电池冷却器、三通阀第一通路、蒸发器、第一膨胀阀、第一膨胀水壶、冷凝器、四通阀第二通路和气液分离器，用于对所述锂电池、所述燃料电池电堆进行加热。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制热回路还包括第一制热冷却液回路，包括依次连接的电机、五通阀第一通路、第一水泵、换热器、电池冷却器、第三膨胀水壶、五通阀第二通路和第二水泵依次连接，用于对所述锂电池和燃料电池电堆进行加热。
4.根据权利要求2所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制热回路还包括第二制热冷却液回路，包括依次连接的节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵，用于燃料电池电进行加热。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制冷回路包括第一制冷制冷剂回路，包括依次连接的压缩机、四通阀第三通路、冷凝器、第一膨胀水壶、第一膨胀阀、蒸发器、四通阀第四通路，用于对乘员舱进行制冷。
6.根据权利要求5所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制冷回路还包括第二制冷制冷剂回路，包括依次连接的压缩机、四通阀第五通路、冷凝器、第一膨胀水壶、第二膨胀阀、三通阀第一通路、电池冷却器、四通阀第六通路和气液分离器，用于对锂电池进行冷却。
7.根据权利要求5所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制冷回路还包括第一制冷冷却液回路，包括依次连接的第一水泵、五通阀第三通路、第三膨胀水壶、电池冷却器和换热器，用于对锂电池进行冷却。
8.根据权利要求5所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制冷回路还包括第二制冷冷却液回路，包括依次连接的五通阀第四通路、第二膨胀水壶、散热器和第二水泵依次连接组成，用于对电机进行冷却。
9.根据权利要求5所述的燃料电池汽车整车热管理***，其特征在于，所述制冷回路还包括第三制冷冷却液回路和第四制冷冷却液回路，用于对所述燃料电池电堆进行冷却；所述第三制冷冷却液回路包括依次连接的燃料电池电堆、节温器、暖风水箱、散热器、第四膨胀水壶和第三水泵，所述第四制冷冷却液回路包括依次连接的节温器、换热器、PTC加热器和第三水泵。
10.一种燃料电池汽车整车热管理***控制方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意一项所述的燃料电池汽车整车热管理***，包括以下步骤：获取车辆状态，获取锂电池、所述电机、所述燃料电池堆的温度和环境温度，选择热管理模式，所述热管理模式包括：乘员舱制冷模式、锂电池冷却模式、锂电池加热模式、燃料电池堆冷却模式、燃料电池堆加热模式、电机冷却模式。
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