一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法，系统包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，电机循环回路与电池组循环回路独立布置；燃料电池循环回路连接有第一换热器，第一换热器还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器，热泵循环回路与电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器。在满足各部件热管理需求的前提下，最大程度利用电池、电机运行过程产生的废热，解决低温环境中燃料电池的冷启动等问题。低温环境中燃料电池的冷启动等问题。低温环境中燃料电池的冷启动等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池插电式混合动力汽车
，特别是涉及一种燃料电池汽车热管理系统及控制方法。

技术介绍

[0002]根据国内外现有的研究基础及市场情况可以看出，尽管纯电动汽车是大部分国家和地区推广普及的重心，但插电式混合动力电动车仍以其良好的续航性能和较好的压缩成本潜力得到了众多研究机构和整车企业的认可与投入，而采用燃料电池作为增程器的插电式混合动力汽车既满足纯电动汽车零排放的要求，同时又能满足对于车辆续航里程的要求，逐渐成为了各整车生产企业今后的主要技术路线和开发方向之一。
[0003]燃料电池具有高效率、无污染、低噪声以及便携性好等优点，在汽车领域和电源等领域得到了大规模的应用。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为氢燃料电池中的典型代表，工作温度低，响应性好，原料来源广，但存在成本高，动态响应慢，不能回收电能等缺点，因此将燃料电池和动力电池串联，构成搭载燃料电池插电式混合动力系统的电动车，从而充分发挥燃料电池和动力电池的各自优势。
[0004]燃料电池的启动问题在行业发展中一直没有得到较好的解决，当燃料电池启动温度在0℃及以下时，其反应生成的水可能结冰覆盖反应气体流道、催化层和膜电极，阻碍电化学反应的进行。同时电极结冰，其体积发生膨胀，损坏电极结构，进一步降低燃料电池性能。燃料电池冷启动采用较多的手段是利用外部液体加热，使燃料电池工作在较为合适的温度区间，但通常加热效率较低，耗费电能较多。同时，较低温度的气体进入燃料电池发生反应，会一定程度上影响燃料电池的效率，因此也需要对燃料电池气路进行加热或者预加热。
[0005]电动汽车乘员舱低温制热一般采用PTC制热系统，尽管可靠性较高，但是制热效率不高，制热系数较低，导致耗能巨大，消耗大量电能。采用热泵空调系统可以通过逆卡诺循环实现乘员舱制冷，制热一体的功能，制热效率更高，其COP超过2.0，能够极大程度上降低系统消耗的电能。但是热泵空调系统也面临一些突出的技术难题，主要是当环境温度降低时，系统的制热COP值会显著下降，同时因为换热器结霜等问题，不能持续高效稳定运行，仍需要PTC进行辅热，增加电能的消耗。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种燃料电池汽车热管理系统，以解决上述现有技术存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种燃料电池汽车热管理系统，包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；所述燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，所述电机循环回路与电池
组循环回路独立布置；所述燃料电池循环回路连接有第一换热器，所述第一换热器还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；所述热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器，所述热泵循环回路与燃料电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器。
[0009]优选的，所述燃料电池循环回路包括燃料电池循环主回路、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环第三支路；所述燃料电池循环主回路包括依次连接的电堆、一号PTC加热装置、四号三通阀、二号散热器、五号三通阀、二号三通阀、三号水泵、三号三通阀；所述燃料电池循环第一支路包括连接在所述一号PTC加热装置和二号三通阀之间的第一换热器和三号截止阀；所述燃料电池循环第二支路包括连接在所述一号PTC加热装置和二号三通阀之间的且依次布置的第二换热器、四号三通阀和五号三通阀；所述燃料电池循环第三支路包括连接在所述三号三通阀和二号三通阀之间的且依次布置的相变换热器、四号三通阀、第一换热器和三号截止阀。
[0010]优选的，所述电机循环回路包括电机循环主回路、电机循环第一支路和电机循环第二支路，所述电机循环主回路包括依次连接成回路的一号水泵、一号三通阀、一号散热器、电机控制器和电机；所述电机循环第一支路包括连接在所述一号三通阀和电机控制器之间的二号截止阀和第一换热器；所述电机循环第二支路包括连接在一号三通阀和电机控制器之间的一号截止阀和第三换热器。
[0011]优选的，所述电池组循环回路包括依次连接成回路的二号水泵、六号三通阀、二号PTC加热装置和电池包，所述第一换热器连接在六号三通阀和电池包之间。
[0012]优选的，所述热泵循环回路包括热泵循环主回路和热泵循环主支路；所述热泵循环主回路包括四通阀，所述四通阀的两端之间依次连接有四号截止阀、五号截止阀、干燥器和压缩机，所述四通阀的另外两端之间依次连接有七号三通阀、冷凝器、三号电子膨胀阀和蒸发器，所述蒸发器外侧设置有风侧PTC，所述七号三通阀连接有四号电子膨胀阀，所述四号电子膨胀阀的另外一侧与冷凝器背离所述七号三通阀的一端连通；所述热泵循环主支路包括连接在四号截止阀和五号截止阀之间管路上的三通换向阀，所述三通换向阀与干燥器之间连接有第三换热器与二号电子膨胀阀，所述三通换向阀与四通阀之间连接有第二换热器与一号电子膨胀阀。
[0013]优选的，所述氢气循环回路包括氢气送料管和氢气回料管，所述氢气送料管的一端与电堆连通，所述氢气送料管的另一端连通有氢瓶，所述氢气送料管贯穿所述相变换热器且与之进行热交换；所述氢气回料管的一端与电堆连通，所述氢气回料管的另一端与氢瓶出料口连通，所述氢气回料管上设置有氢气循环泵；所述电堆还连接有氧气进料管，所述氧气进料管上依次设置有空气压缩机和空气滤清器。
[0014]一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
[0015]步骤一：动力电池启动后，判断燃料电池是否启动；
[0016]步骤二：当燃料电池需要启动，启动前，检测燃料电池的温度，根据检测到的燃料电池温度选择合适的启动方式；
[0017]步骤三：燃料电池启动后，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷、判断电机循环回路是否需要散热以及判断燃料电池循环回路是否需要散热；是，则进行供热；
[0018]步骤四：当燃料电池不启动时，判断乘员舱是否需要供热：否，判断乘员舱是否需要制冷以及判断电机循环回路是否需要散热；是，则进行供热。
[0019]优选的，步骤三中，乘员舱进行供热时，判断环境温度是否大于T0温度：
[0020]是，进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热后，判断燃料电池温度是否大于T1温度：否，继续进行环境热源、电机循环回路双热源热泵循环回路加热；是，则进行环境热源、电机循环回路、燃料电池循环回路三热源热泵循环回路加热；
[0021]否，则进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热，判断燃料电池温度是否大于设定温度：否，则继续进行电机循环回路单热源热泵循环回路加热；是，则进行电机循环回路、燃料电池循环回路双热源热泵循环回路加热。
[0022]优选的，步骤三中，判断乘员舱是否需要制冷，需要则通过热泵循环回路制冷乘员舱；判断电机循环回路是否需要散热，需要则通过电机循环回路中的一号散热器散热；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：包括燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路和氢气循环回路；所述燃料电池循环回路、电机循环回路、电池组循环回路、热泵循环回路均与氢气循环回路独立布置，所述电机循环回路与电池组循环回路独立布置；所述燃料电池循环回路连接有第一换热器(8)，所述第一换热器(8)还分别与电机循环回路、电池组循环回路连接；所述热泵循环回路与电机循环回路之间连接有用于热交换的第三换热器(24)，所述热泵循环回路与燃料电池循环回路之间连接有用于热交换的第二换热器(21)。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述燃料电池循环回路包括燃料电池循环主回路、燃料电池循环第一支路、燃料电池循环第二支路、燃料电池循环第三支路；所述燃料电池循环主回路包括依次连接的电堆(15)、一号PTC加热装置(16)、四号三通阀(17)、二号散热器(20)、五号三通阀(18)、二号三通阀(12)、三号水泵(13)、三号三通阀(14)；所述燃料电池循环第一支路包括连接在所述一号PTC加热装置(16)和二号三通阀(12)之间的第一换热器(8)和三号截止阀(9)；所述燃料电池循环第二支路包括连接在所述一号PTC加热装置(16)和二号三通阀(12)之间的且依次布置的第二换热器(21)、四号三通阀(17)和五号三通阀(18)；所述燃料电池循环第三支路包括连接在所述三号三通阀(14)和二号三通阀(12)之间的且依次布置的相变换热器(19)、四号三通阀(17)、第一换热器(8)和三号截止阀(9)。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述电机循环回路包括电机循环主回路、电机循环第一支路和电机循环第二支路，所述电机循环主回路包括依次连接成回路的一号水泵(1)、一号三通阀(5)、一号散热器(4)、电机控制器(3)和电机(2)；所述电机循环第一支路包括连接在所述一号三通阀(5)和电机控制器(3)之间的二号截止阀(7)和第一换热器(8)；所述电机循环第二支路包括连接在一号三通阀(5)和电机控制器(3)之间的一号截止阀(6)和第三换热器(24)。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述电池组循环回路包括依次连接成回路的二号水泵(10)、六号三通阀(34)、二号PTC加热装置(35)和电池包(11)，所述第一换热器(8)连接在六号三通阀(34)和电池包(11)之间。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于：所述热泵循环回路包括热泵循环主回路和热泵循环主支路；所述热泵循环主回路包括四通阀(28)，所述四通阀(28)的两端之间依次连接有四号截止阀(33)、五号截止阀(42)、干燥器(26)和压缩机(27)，所述四通阀(28)的另外两端之间依次连接有七号三通阀(40)、冷凝器(29)、三号电子膨胀阀(30)和蒸发器(31)，所述蒸发器(31)外侧设置有风侧PTC(32)，所述七号三通阀(40)连接有四号电子膨胀阀(41)，所述四号电子膨胀阀(41)的另外一侧与冷凝器(29)背离所述七号三通阀(40)的一端连通；所述热泵循环主支路包括连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵海涛，郑鹏，孙维毅，王鹏宇，张照普，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：