一种燃料电池汽车冷启动热管理系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池汽车冷启动热管理系统及其控制方法，包括燃料电池电堆模块热管理回路、非电池堆工作模块热管理回路及空调回路，各回路通过水阀、板式换热器进行流量调节和热量交换。本发明专利技术用一套集成式水冷回路实现燃料电池汽车中电堆、空气压缩机和电机等多热源热管理回路的互联互通；同时安装空调系统提高制热功率，实现燃料电池低温冷启动，减小电能消耗；再通过采集各模块温度，进而控制热管理回路的模式切换及部件启停，既实现热管理回路零部件的简化，又改善系统效率。又改善系统效率。又改善系统效率。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池汽车冷启动热管理系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池汽车领域，特别涉及一种燃料电池汽车冷启动热管理系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料汽车具有高效率、高功率密度和零排放，这使其成为汽车应用中很有前景的技术。实际上，汽车行业在过去几十年一直在开发这项技术，因此燃料电池汽车的商业化已经开始。尽管如此，低于0℃时燃料电池电堆有效启动和汽车启动过程中对乘员舱制热的技术挑战仍需解决。
[0003]在从零下温度启动，通常称为冷启动，此时燃料电池电堆内生成水可能会冻结，阻碍气体传输路径，减少电化学活性表面积，甚至导致电堆性能下降或关闭，影响汽车的耐用性。PEM燃料电池的冷启动能力是许多现有燃料电池技术路线图中的关键目标之一。美国能源部发布的最新目标包括从
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30℃的电堆无辅助启动，从
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40℃的电堆有辅助启动。我国在《节能与新能源汽车技术路线图(2.0版)》提出2025
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2035年燃料电池汽车实现从
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40℃成功冷启动。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决上述问题提供了一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统及其控制方法，用一套集成式水冷回路实现燃料电池汽车中电堆、空气压缩机和电机等多热源热管理回路的互联互通。同时安装空调系统提高制热功率，实现燃料电池低温冷启动，减小电能消耗。再通过采集各模块温度，进而控制热管理回路的模式切换及部件启停，既实现热管理回路零部件的简化，又改善系统效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种燃料电池汽车冷启动热管理系统，包括燃料电池电堆模块热管理回路、非电池堆工作模块热管理回路及空调回路，各回路通过水阀、板式换热器进行流量调节和热量交换；
[0007]所述燃料电池电堆模块热管理回路包括燃料电池电堆模块热管理主回路和燃料电池电堆模块热管理第一支路；燃料电池电堆模块热管理主回路包括依次连接成回路的第一水泵101、燃料电池电堆102、第一水温传感器103、水暖加热器104、第一三通阀106、板式换热器107、第二三通阀108；燃料电池电堆模块热管理第一支路包括通过第一三通阀106与水暖加热器104并联的散热器105，散热器105表面安装有散热器风扇109；第一水温传感器103测量燃料电池电堆102的出口水温；
[0008]所述空调回路包括两级压缩热泵主回路、两级压缩热泵支路、板式换热器并联支路；两级压缩热泵主回路包括依次连接成回路的高压压缩机201、第一四通阀202、第三三通阀203、蒸发器204、第四三通阀205、中间冷却器206、第一膨胀阀207、冷凝器210、第六三通阀211、低压压缩机212、单向阀213；两级压缩热泵支路包括第二膨胀阀208，第二膨胀阀208
一端通过第四三通阀205与蒸发器204连接，第二膨胀阀208另一端通过第五三通阀209与中间冷却器后206相连；板式换热器并联支路中的板式换热器107通过第三三通阀203与蒸发器204并联；蒸发器204表面安装有蒸发器风扇214，冷凝器210表面安装有冷凝器风扇215；
[0009]所述非电池堆工作模块热管理回路包括依次连接成回路的第二水泵301、第七三通阀302、空气压缩机303、第二水温传感器305、第二四通阀306，且空气压缩机303通过第七三通阀302并联电机304；非电池堆工作模块热管理回路通过第二四通阀306分别与所述燃料电池电堆模块热管理回路的第二三通阀108、板式换热器107相连接，控制非电池堆工作模块热管理回路在大循环与自循环间切换。
[0010]本专利技术同时提供一种燃料电池汽车冷启动热管理系统的控制方法，包括以下步骤：
[0011]S1、环境温度传感器216测量环境温度，判断燃料电池电堆102是否冷启动；若环境温度小于0℃则开启燃料电池电堆模块热管理回路制热，此时开启燃料电池电堆模块热管理主回路和水暖加热器104加热燃料电池电堆；否则执行步骤S2；
[0012]S2、根据燃料电池电堆102的温度，对燃料电池电堆模块热管理回路和空调回路的工作状态进行控制，具体包括以下步骤：
[0013]S2.1、燃料电池电堆102冷启动，此时开启板式换热器并联支路，若燃料电池电堆102温度小于温度阈值T1，则进入空调回路两级压缩热泵制热，否则进入空调回路单级压缩热泵制热；
[0014]S2.2、燃料电池电堆102非冷启动，燃料电池电堆102温度小于温度阈值T2，T2＞0＞T1，则开启燃料电池电堆模块热管理回路制热；燃料电池电堆102温度大于温度阈值T3，T3＞T2，则开启燃料电池电堆模块热管理回路散热，此时开启燃料电池电堆模块热管理第一支路和散热器风扇对燃料电池电堆进行散热；燃料电池电堆102温度大于温度阈值T2且小于温度阈值T3，则开启燃料电池电堆模块热管理回路自循环，此时燃料电池电堆模块热管理主回路实现冷却液自循环；
[0015]S3、若非电池堆工作模块有制冷需求，则开启非电池堆工作模块热管理回路大循环；若非电池堆工作模块没有制冷需求，则开启非电池堆工作模块热管理回路自循环；
[0016]S4、根据乘员舱需求对空调回路的工作状态进行控制，具体包括以下步骤：
[0017]S4.1、燃料电池电堆102冷启动时，乘员舱有制热需求，则开启蒸发器风扇214，对乘员舱制热；燃料电池电堆102非冷启动时，乘员舱有制热需求，开启空调回路单级压缩热泵制热，同时关闭板式换热器并联支路和开启蒸发器风扇214，对乘员舱制热；若乘员舱无制热需求，则乘员舱无需热管理，关闭蒸发器风扇214；
[0018]S4.2、乘员舱有制冷需求，开启空调回路制冷，对乘员舱进行制冷，否则执行步骤S4.1。
[0019]进一步地，所述步骤S1中，燃料电池电堆模块热管理回路制热模式，是开启水暖加热器104给燃料电池电堆102升温，此时燃料电池电堆模块热管理回路中冷却液循环流向为：第一水泵101
→
燃料电池电堆102
→
第一水温传感器103
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水暖加热器104
→
第一三通阀106
→
板式换热器107
→
第二三通阀108。
[0020]进一步地，所述步骤S2.1中，所述空调回路两级压缩热泵制热模式，调节第一四通阀202使冷却液经过高压压缩机201流向第三三通阀203；第三三通阀203、第四三通阀205、
第五三通阀209的阀门均全部开启，第六三通阀211连接中间冷却器206的阀门关闭；两级压缩热泵主回路、两级压缩热泵支路中冷却液的流动实现了空调回路两级压缩热泵制热；
[0021]所述空调回路中冷却液循环流向为：高压压缩机201
→
第一四通阀202
→
第三三通阀203
→
蒸发器204/板式换热器107
→
第四三通阀205...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池汽车冷启动热管理系统，其特征在于，包括燃料电池电堆模块热管理回路、非电池堆工作模块热管理回路及空调回路，各回路通过水阀、板式换热器进行流量调节和热量交换；所述燃料电池电堆模块热管理回路包括燃料电池电堆模块热管理主回路和燃料电池电堆模块热管理第一支路；燃料电池电堆模块热管理主回路包括依次连接成回路的第一水泵(101)、燃料电池电堆(102)、第一水温传感器(103)、水暖加热器(104)、第一三通阀(106)、板式换热器(107)、第二三通阀(108)；燃料电池电堆模块热管理第一支路包括通过第一三通阀(106)与水暖加热器(104)并联的散热器(105)，散热器(105)表面安装有散热器风扇(109)；第一水温传感器(103)测量燃料电池电堆(102)的出口水温；所述空调回路包括两级压缩热泵主回路、两级压缩热泵支路、板式换热器并联支路；两级压缩热泵主回路包括依次连接成回路的高压压缩机(201)、第一四通阀(202)、第三三通阀(203)、蒸发器(204)、第四三通阀(205)、中间冷却器(206)、第一膨胀阀(207)、冷凝器(210)、第六三通阀(211)、低压压缩机(212)、单向阀(213)；两级压缩热泵支路包括第二膨胀阀(208)，第二膨胀阀(208)一端通过第四三通阀(205)与蒸发器(204)连接，第二膨胀阀(208)另一端通过第五三通阀(209)与中间冷却器(206)相连；板式换热器并联支路中的板式换热器(107)通过第三三通阀(203)与蒸发器(204)并联；蒸发器(204)表面安装有蒸发器风扇(214)，冷凝器(210)表面安装有冷凝器风扇(215)；所述非电池堆工作模块热管理回路包括依次连接成回路的第二水泵(301)、第七三通阀(302)、空气压缩机(303)、第二水温传感器(305)、第二四通阀(306)，且空气压缩机(303)通过第七三通阀(302)并联电机(304)；非电池堆工作模块热管理回路通过第二四通阀(306)分别与所述燃料电池电堆模块热管理回路的第二三通阀(108)、板式换热器(107)相连接，控制非电池堆工作模块热管理回路在大循环与自循环间切换。2.如权利要求1所述的一种燃料电池汽车冷启动热管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、环境温度传感器216测量环境温度，判断燃料电池电堆(102)是否冷启动；若环境温度小于0℃则开启燃料电池电堆模块热管理回路制热，此时开启燃料电池电堆模块热管理主回路和水暖加热器(104)加热燃料电池电堆；否则执行步骤S2；S2、根据燃料电池电堆(102)的温度，对燃料电池电堆模块热管理回路和空调回路的工作状态进行控制，具体包括以下步骤：S2.1、燃料电池电堆(102)冷启动，此时开启板式换热器并联支路，若燃料电池电堆(102)温度小于温度阈值T1，则进入空调回路两级压缩热泵制热，否则进入空调回路单级压缩热泵制热；S2.2、燃料电池电堆(102)非冷启动，燃料电池电堆(102)温度小于温度阈值T2，T2＞0＞T1，则开启燃料电池电堆模块热管理回路制热；燃料电池电堆(102)温度大于温度阈值T3，T3＞T2，则开启燃料电池电堆模块热管理回路散热，此时开启燃料电池电堆模块热管理第一支路和散热器风扇对燃料电池电堆进行散热；燃料电池电堆(102)温度大于温度阈值T2且小于温度阈值T3，则开启燃料电池电堆模块热管理回路自循环，此时燃料电池电堆模块热管理主回路实现冷却液自循环；S3、若非电池堆工作模块有制冷需求，则开启非电池堆工作模块热管理回路大循环；若
非电池堆工作模块没有制冷需求，则开启非电池堆工作模块热管理回路自循环；S4、根据乘员舱需求对空调回路的工作状态进行控制，具体包括以下步骤：S4.1、燃料电池电堆(102)冷启动时，乘员舱有制热需求，则开启蒸发器风扇(214)，对乘员舱制热；燃料电池电堆(102)非冷启动时，乘员舱有制热需求，开启空调回路单级压缩热泵制热，同时关闭板式换热器并联支路和开启蒸发器风扇(214)，对乘员舱制热；若乘员舱无制热需求，则乘员舱无需热管理，关闭蒸发器风扇(214)；S4.2、乘员舱有制冷需求，开启空调回路制冷，对乘员舱进行制冷，否则执行步骤S4.1。3.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车冷启动热管理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，燃料电池电堆模块热管理回路制热模式，是开启水暖加热器(104)给燃料电池电堆(102)升温，此时燃料电池电堆模块热管理回路中冷却液循环流向为：第一水泵(101)
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燃料电池电堆(102)
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第一水温传感器(103)
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水暖加热器(104)
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第一三通阀(106)
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板式换热器(107)
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第二三通阀(108)。4.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车冷启动热管理系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2.1中，所述空调回路两级压缩热泵制热模式，调节第一四通阀(202)使冷却液经过高压压缩机(201)流向第三三通阀(203)；第三三通阀(203)、第四三通阀(205)、第五三通阀(209)的阀门均全部开启，第六三通阀(211)连接中间冷却器(206)的阀门关闭；两级压缩热泵主回路、两级压缩热泵支路中冷却液的流动实现了空调回路两级压缩热泵制热；所述空调回路中冷却液循环流向为：高压压缩机(201)
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第一四通阀(202)
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第三三通阀(203)
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蒸发器(204)/板式换热器(107)
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第四三通阀(205)
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中间冷却器(206)
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第一膨胀阀(207)
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冷凝器(210)
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第六三通阀(211)
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低压压缩机(212)
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单向阀(213)
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第一四通阀(202)
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高压压缩机(201)；以及高压压缩机(201)
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【专利技术属性】
技术研发人员：闵海涛，曹起铭，于远彬，张照普，蒋俊宇，郑鹏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：