用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种用于燃料电池车辆的热管理系统，其包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其包括冷却剂加热器和相变材料(PCM)，并且被连接到第一管线以形成冷却剂泵、堆、冷却剂加热器和PCM布置在其中的第一回路；第三管线，其包括散热器并且被连接到第一管线以形成冷却剂泵、堆和散热器布置在其中的第二回路；以及开闭阀，其打开和关闭第一管线、第二管线和第三管线中的每一个以允许冷却剂在第一回路和第二回路中的至少一个中循环，其中PCM被配置为与冷却剂加热器和冷却剂的每一个热交换。

Thermal management system for fuel cell vehicle and its control method

The present invention discloses a heat management system for fuel cell vehicles, which includes a first pipeline including a coolant pump and a fuel cell stack; a second pipeline, which includes a coolant heater and a phase change material (PCM), and is connected to the first pipeline to form a coolant pump, reactor, coolant heater and PCM. The first circuit; third pipeline, which includes a radiator and connected to the first pipeline to form a coolant pump, a reactor, and a radiator arranged in the second loop, and the opening and closing valves, which open and close each of the first, second, and third pipelines to allow the coolant in the first and second loops. At least one medium cycle, where PCM is configured to heat each heat exchanger with coolant heater and coolant.

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法相关申请的交叉引用本申请基于并且要求于2016年10月26日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2016-0140404的韩国专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
本公开涉及一种用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法。
技术介绍
燃料电池是一种电生成装置，其通过燃料电池堆内的电化学反应将燃料的化学能转化为电能，而不是通过燃烧将化学能变成热。燃料电池可用于供给用于小型电气/电子产品，特别地，便携式装置的电力、以及用于工业用途的电力、用于家庭用途的电力和用于驱动车辆的电力。作为燃料电池的示例，已经被研究的作为用于驱动车辆的动力源的聚合物电解质膜燃料电池或质子交换膜燃料电池(PEMFC)包括其中发生电化学反应的催化电极层附接到氢离子移动的电解质膜的相对侧的膜电极组件(MEA)，均匀分布反应气体并且传递电能的气体扩散层(GDL)，用于保持反应气体和冷却剂的气密性和适当压缩的垫圈和夹紧机构，以及允许反应气体和冷却剂移动的双极板。在燃料电池中，作为燃料的氢和作为氧化剂的氧(空气)通过双极板的流动通道分别被供给到MEA的阳极和阴极，并且此处，氢被供给到阳极并且氧(空气)被供给到阴极。供给到阳极的氢被分解成氢离子(质子)(H+)和电子(e-)，并且只有氢离子选择性地通过电解质膜、阳离子交换膜，并被传递到阴极，同时电子通过作为导体GDL和双极板被传递到阴极。在阴极中，发生如下反应：通过电解质膜被提供的氢离子和通过双极板被传递的电子与通过空气供给装置供给到阴极的空气中的氧相遇以生成水。此处，氢离子的移动导致电子流经外部导线从而生成电流。安装在车辆中的燃料电池系统包括：燃料电池堆，其生成电能；燃料供给装置，其将燃料(氢)供给到燃料电池堆；空气供给装置，其供给空气中的氧；氧化剂，其用于燃料电池堆的电化学反应；以及热管理系统(TMS)，其将燃料电池堆的反应移除到系统外部并且控制燃料电池堆的操作温度。通过该配置，在燃料电池系统中，通过基于作为燃料的氢和空气中的氧的电化学反应来生成电并且排出作为反应副产物的热和水。在燃料电池系统中，特别地，作为反应副产物，热被生成，并且因此，冷却堆的冷却装置是必要的以便防止堆的温度升高。并且，燃料电池系统的最紧迫但困难的问题是确保冷启动性能的策略，并且因此，热管理系统的作用是至关重要的。热管理系统(TMS)管线的冷却剂用作冷却堆的冷介质并且当在冷启动时，其被加热器快速加热并被供给到堆时，其也作为用于快速解冻堆的热介质。然而，此处，燃料电池系统需要长时间用于冷启动，这降低了驾驶员的便利性。并且，相关技术的燃料电池系统具有冷却剂的复杂回路以确保冷启动性能并且具有安装在回路中的大量的阀，导致复杂的、重的、并且具有较高安装成本的系统结构。另外，在相关技术的燃料电池系统中，用于使冷却剂具有高温以达到预定冷却剂温度极限值的时间非常短，使得堆的输出降低。本部分的公开是用于提供本专利技术的
技术介绍
。申请人注意到，本部分可包含本申请之前可用的信息。然而，通过提供本部分，申请人不承认本部分中包含的任何信息构成现有技术。
技术实现思路
已经进行本公开以解决上述挑战，同时通过相关技术的燃料电池系统实现的优点被完整保持。本公开的一个方面提供一种用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法，该热管理系统具有被改进为具有高的冷启动性能的结构。本公开的另一个方面提供一种用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法，该热管理系统具有被改进为延长用于冷却剂的温度达到冷却剂温度极限值的时间的结构。本公开的另一个方面提供一种用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法，该热管理系统具有被改进为简化冷却剂的回路的结构。本公开的另一个方面提供一种用于燃料电池车辆的热管理系统及其控制方法，该热管理系统具有被改进为最小化安装在冷却剂的回路中的阀的数量的结构。根据本公开的实施例，用于燃料电池车辆的热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其包括冷却剂加热器和相变材料(PCM)并且被连接到第一管线以形成冷却剂泵、堆、冷却剂加热器和PCM布置在其中的第一回路；第三管线，其包括散热器并且被连接到第一管线以形成冷却剂泵、堆和散热器布置在其中的第二回路；以及开闭阀，其打开和关闭第一管线、第二管线和第三管线中的每一个以使冷却剂在第一回路和第二回路中的至少一个中循环，其中PCM被配置为与冷却剂加热器和冷却剂的每一个热交换。冷却剂加热器可具有加热器壳体和加热器芯体，加热器壳体被配置为允许冷却剂从其通过，加热器芯体被安装在加热器壳体内并且加热冷却剂，并且PCM可被安装在加热器壳体内并且可与冷却剂接触。冷却剂加热器可进一步具有热管，其被安装在壳体内并且热连接加热器芯体和PCM。冷却剂加热器可具有基于第二管线设置的至少一个加热器芯体，并且PCM可被安装成围绕加热器芯体和第二管线的至少一部分。冷却剂加热器可进一步具有金属线圈，其在加热器芯体和第二管线的外圆周部分的周围缠绕以热连接加热器芯体和第二管线。PCM可具有相变温度，其低于预定的冷却剂温度极限值。根据本公开的另一个实施例，如上所述的用于燃料电池车辆的热管理系统的控制方法包括：(a)当在冷却剂具有低于预定的冷启动温度的温度的状态下启动车辆时，使用从堆输出的电力来致动冷却剂加热器并且将从冷却剂加热器输出的热储存在PCM中；以及(b)在操作(a)之后，当PCM的温度升高到相变温度或更高时，使用冷却剂泵和开闭阀，使冷却剂在第一回路中循环。控制方法可进一步包括：(c)在操作(b)之后，当在预定的正常状态下致动堆时，使用冷却剂泵和开闭阀，使冷却剂以预定分配比在第一回路和第二回路中循环。控制方法可进一步包括：(d)在操作(b)之后，当在预定的高输出状态下致动堆时，使用冷却剂泵和开闭阀，使冷却剂在第二回路中循环；以及(e)在操作(d)之后，当冷却剂的温度达到预定的冷却剂温度极限值时，使用冷却剂泵和开闭阀，使冷却剂以预定分配比在第一回路和第二回路中循环，其中PCM的相变温度低于冷却剂温度极限值。当执行操作(d)时，可以预定的最大输出来致动冷却剂泵。附图说明根据结合附图的以下详细描述，本公开的上述和其它目的、特征以及优点将更加显而易见。图1是根据本公开的第一实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。图2A和图2B是示出用于联接图1所示的冷却剂加热器和相变材料(PCM)的方法的视图。图3是示出用于联接图1所示的冷却剂加热器和PCM的另一种方法的视图。图4A和图4B是示出用于联接图1所示的冷却剂加热器和PCM的另一种方法的视图。图5是示出图1所示的热管理系统的控制方法的流程图。图6是根据本公开的第二实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。图7是示出图6所示的热管理系统的控制方法的流程图。图8是根据本公开的第三实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。图9是根据本公开的第四实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。图10是根据本公开的第五实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。图11是示出图10所示的热管理系统的控制方法的流程图。图12是根据本公开的第六实施例的用于燃料电池车辆的热管理系统的概念图。附图中每个元件的符号1、2、3、4、5、6：热管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池车辆的热管理系统，所述热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其包括冷却剂加热器和相变材料即PCM，并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述堆、所述冷却剂加热器和所述PCM布置在其中的第一回路；第三管线，其包括散热器并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述堆和所述散热器布置在其中的第二回路；以及开闭阀，其打开和关闭所述第一管线、所述第二管线和所述第三管线中的每一个以允许所述冷却剂在所述第一回路和所述第二回路中的至少一个中循环，其中所述PCM被配置为与所述冷却剂加热器和所述冷却剂的每一个热交换。

【技术特征摘要】
2016.10.26 KR 10-2016-01404041.一种用于燃料电池车辆的热管理系统，所述热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其包括冷却剂加热器和相变材料即PCM，并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述堆、所述冷却剂加热器和所述PCM布置在其中的第一回路；第三管线，其包括散热器并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述堆和所述散热器布置在其中的第二回路；以及开闭阀，其打开和关闭所述第一管线、所述第二管线和所述第三管线中的每一个以允许所述冷却剂在所述第一回路和所述第二回路中的至少一个中循环，其中所述PCM被配置为与所述冷却剂加热器和所述冷却剂的每一个热交换。2.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述冷却剂加热器具有加热器壳体和加热器芯体，所述加热器壳体被配置为允许所述冷却剂从其通过，所述加热器芯体被安装在所述加热器壳体内并且加热所述冷却剂，并且所述PCM被安装在所述加热器壳体内并且与所述冷却剂接触。3.根据权利要求2所述的热管理系统，其中所述冷却剂加热器进一步具有热管，其被安装在所述壳体内并且热连接所述加热器芯体和所述PCM。4.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述冷却剂加热器具有基于所述第二管线设置的至少一个加热器芯体，并且所述PCM被安装成围绕所述加热器芯体和所述第二管线的至少一部分。5.根据权利要求4所述的热管理系统，其中所述冷却剂加热器进一步具有金属线圈，其在所述加热器芯体和所述第二管线的外圆周部分的周围缠绕以热连接所述加热器芯体和所述第二管线。6.根据权利要求1所述的热管理系统，其中所述PCM具有相变温度，其低于预定的冷却剂温度极限值。7.一种用于燃料电池车辆的热管理系统，所述热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵、冷却剂加热器、相变材料即PCM以及燃料电池堆；第二管线，其连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述冷却剂加热器、所述PCM和所述燃料电池堆布置在其中的第一回路；第三管线，其具有散热器并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述冷却剂加热器、所述PCM、所述燃料电池堆和所述散热器布置在其中的第二回路；第四管线，其具有离子过滤器并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述冷却剂加热器和所述PCM中的至少一个以及所述离子过滤器布置在其中的第三回路；以及开闭阀，其打开和关闭所述第一管线、所述第二管线、所述第三管线和所述第四管线中的每一个以允许所述冷却剂在所述第一回路、所述第二回路和所述第三回路中的至少一个中循环，其中所述PCM被配置为与所述冷却剂加热器和所述冷却剂的每一个热交换。8.根据权利要求7所述的热管理系统，其中所述第四管线进一步具有加热器，其中所述第四管线连接到所述第一管线，使得所述冷却剂泵、所述冷却剂加热器和所述PCM中的至少一个、所述加热器以及所述离子过滤器被布置在所述第三回路中。9.一种用于燃料电池车辆的热管理系统，所述热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵和所述燃料电池堆布置在其中的第一回路；第三管线，其具有散热器并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述燃料电池堆和所述散热器布置在其中的第二回路；第四管线，其具有冷却剂加热器、相变材料即PCM，以及离子过滤器，并且被连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵、所述冷却剂加热器、所述PCM和所述离子过滤器布置在其中的第三回路；以及开闭阀，其打开和关闭所述第一管线、所述第二管线、所述第三管线和所述第四管线中的每一个以使所述冷却剂在所述第一回路、所述第二回路和所述第三回路中的至少一个中循环，其中所述PCM被配置为与所述冷却剂加热器和所述冷却剂的每一个热交换。10.一种用于燃料电池车辆的热管理系统，所述热管理系统包括：第一管线，其包括冷却剂泵和燃料电池堆；第二管线，其连接到所述第一管线以形成所述冷却剂泵和所述燃料电池堆布置在其中的第一回路；第三管线，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：权赫律，李南遇，罗盛煜，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR