一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，包括：燃料电池主冷却系统，通过冷却液循环直接为燃料电池电堆散热；蓄冷系统，蓄冷水在其中循环，并通过第一换热器与所述燃料电池主冷却系统的冷却液换热；制冷系统，制冷剂在其中循环流动，并经过第二换热器与所述蓄冷系统中的蓄冷水换热；该系统有效增加了燃料电池的现有散热系统的峰值散热能力，可提升燃料电池车的动力性能、运行可靠性和使用寿命。用寿命。用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种将燃料(氢气)的化学能转换为电能的发电装置，由于其高效、环保、续驶能力强等优点，越来越多地用于车辆动力动力系统。随着燃料电池技术的发展，输出功率不断增加，散热问题越来越成为制约其发展的瓶颈。在额定工况下，燃料电池发电量与发热量约为1：1，其工作温度通常在65
‑
80℃之间，相比燃油车105℃左右的工作温度，其散热温差过小，散热负荷较大，在环境温度较高的应用场景下，容易出现过温故障，导致动力系统限制功率运行，严重影响驾乘安全和体验。
[0003]而目前一般从以下三个方面提升燃料电池系统的散热能力：一是提升散热器性能，开发换热系数更高的散热器，其优点是不需要占用更大的空间，但是依赖于行业的技术进步，且开发费用高；二是提高电堆工作温度，但是过高的温度会使燃料电池膜内含水量快速降低，导致性能下降甚至膜损坏；三是增加散热器面积，该方法需要选用更大或者更多的散热器，不仅会对整车有更高的布置空间要求，增加系统冷却液用量从而导致重量增加，另外还会在低温环境下对系统的温度控制带来不利影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提出一种不占用较大空间、开发费用低的提升燃料电池系统散热能力的方案。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出了一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，包括：
[0006]燃料电池主冷却系统，通过冷却液循环直接为燃料电池电堆散热；
[0007]蓄冷系统，蓄冷水在其中循环，并通过第一换热器与所述燃料电池主冷却系统的冷却液换热；
[0008]制冷系统，制冷剂在其中循环流动，并经过第二换热器与所述蓄冷系统中的蓄冷水换热。
[0009]优选的，所述第一换热器包括高温管路和低温管路，其中，第一换热器高温管路连接在燃料电池主冷却系统中，第一换热器低温管路连接在蓄冷系统中；
[0010]所述第二换热器也包括高温管路和低温管路，其中，第二换热器高温管路连接在蓄冷系统中，第二换热器低温管路连接在制冷系统中。
[0011]优选的，所述燃料电池主冷却系统包括通过管路连接的：
[0012]第一循环水泵，为燃料电池主冷却系统中的冷却液提供循环动力；
[0013]第一温度传感器，设置在燃料电池电堆上游，检测进入燃料电池电堆管路的冷却液的入堆水温；
[0014]散热器，与所述第一换热器的高温管路并联，该散热器与第一换热器均设置在所
述燃料电池电堆的下游，为冷却液散热；
[0015]第一三通阀，设置在散热器和第一换热器与燃料电池电堆之间，控制和分配经过散热器和第一换热器高温管路的冷却液流量。
[0016]优选的，所述蓄冷系统包括通过管路连接的：
[0017]第二循环水泵，设置在所述第一换热器低温管路的上游，为蓄冷系统的蓄冷水提供循环动力；
[0018]第二三通阀，设置在第一换热器低温管路和第二循环水泵之间，用于控制流入第一换热器低温管路的蓄冷水流量；
[0019]储水箱，设置在第一换热器低温管路下游，在无需蓄冷水循环时储存蓄冷水；
[0020]第二温度传感器，设置在所述储水箱出口，用于检测蓄冷系统的蓄冷水水温；
[0021]其中，所述第二换热器高温管路连接在所述第二温度传感器和第二循环水泵之间，用于蓄冷系统与制冷系统之间的换热。
[0022]优选的，所述储水箱及其两端的管路设有保温层，该储水箱的容积取决于燃料电池峰值散热能力所需持续时间。
[0023]优选的，设置与所述第一换热器低温管路并联的且分别连接第二三通阀和储水箱的旁路，当燃料电池主冷却系统的散热能力不足时，第一三通阀控制适当流量的冷却液流经第一换热器高温管路，第二三通阀控制适当流量的蓄冷水流经第一换热器低温管路；当燃料电池主冷却系统的散热能力足够时，第一三通阀控制所有的冷却液流经散热器，第二三通阀所有的蓄冷水经过与所述第一换热器低温管路并联的旁路。
[0024]优选的，在第一三通阀、第二三通阀与第一温度传感器之间设置PID闭环控制，通过第一三通阀调整经过第一换热器高温管路的冷却液流量、通过第二三通阀调整经过第一换热器低温管路的蓄冷水流量，并监测第一温度传感器的测量值，使其达到要求值。
[0025]优选的，所述制冷系统包括通过管路连接的：
[0026]压缩机，设置在第二换热器低温管路的下游，压缩流经的制冷剂使其升温，并提供制冷剂在管路中的循环动力；
[0027]冷凝器，设置在所述压缩机下游，制冷剂在其中与环境换热降温；
[0028]节流阀，设置在冷凝器和第二换热器低温管路之间，使经过的制冷剂的压力下降。
[0029]优选的，所述具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，包括三个工作阶段：
[0030]怠速工作阶段：开启制冷系统和蓄冷系统的第二循环水泵；通过第一三通阀控制冷却液全部流经散热器；通过第二三通阀控制蓄冷水全部流经与所述第一换热器并联的旁路；
[0031]正常工作阶段：通过第一三通阀控制冷却液全部流经散热器；监测储水箱出口的第二温度传感器的温度，当其高于第一阈值温度时，打开第二循环水泵使蓄冷水循环流动，同时开启制冷系统给蓄冷系统中的蓄冷水降温，其中，通过第二三通阀控制蓄冷水全部流经与所述第一换热器低温管路并联的旁路；当第二温度传感器的测量温度低于第二阈值温度时，关闭制冷系统，同时关闭第二循环水泵，将足量的蓄冷水储存在储水箱内；
[0032]过热负荷工作阶段：关闭制冷系统；打开第二循环水泵，使蓄冷水循环流动；通过第一三通阀控制适量的冷却液流经第一换热器高温管路；通过第二三通阀控制适量的蓄冷水流经第一换热器低温管路，使蓄冷水对冷却液进行换热降温。
[0033]优选的，所述第一阈值温度和第二阈值温度根据散热需要设置，且第一阈值温度高于第二阈值温度。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0035]本专利技术在燃料电池系统中增加了蓄冷系统作为缓冲，有效增加了燃料电池的现有散热系统的峰值散热能力，提升了燃料电池车的动力性能；
[0036]本专利技术提供了一种有效的燃料电池系统怠速零输出方案；燃料电池系统如果怠速时不能做到零功率输出，则需要将多余电能存储在整车动力电池中；然而在动力电池高SOC或者低温的情况下不能充入电能，此时只能关闭燃料电池系统，等待整车有功率需求时再启动，显然会增加系统启停频率；为了实现怠速零输出，通常做法是将多余电力通过空压机、加热器或散热风扇消耗掉，无疑是一种浪费；本专利技术可以用制冷系统将系统怠速时的多余电能消耗掉，并将其以蓄冷水的形式储存起来；
[0037]本专利技术能够减少燃料电池系统的故障发生率及变工况频次，提升燃料电池系统的可靠性和耐久性；由于本专利技术可以大大增加燃料电池系统的散热能力，从而有效地缓解了其短时峰值功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，包括：燃料电池主冷却系统，通过冷却液循环直接为燃料电池电堆散热；蓄冷系统，蓄冷水在其中循环，并通过第一换热器与所述燃料电池主冷却系统的冷却液换热；制冷系统，制冷剂在其中循环流动，并经过第二换热器与所述蓄冷系统中的蓄冷水换热。2.如权利要求1所述的具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述第一换热器包括高温管路和低温管路，其中，第一换热器高温管路连接在燃料电池主冷却系统中，第一换热器低温管路连接在蓄冷系统中；所述第二换热器也包括高温管路和低温管路，其中，第二换热器高温管路连接在蓄冷系统中，第二换热器低温管路连接在制冷系统中。3.如权利要求2所述的具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述燃料电池主冷却系统包括通过管路连接的：第一循环水泵，为燃料电池主冷却系统中的冷却液提供循环动力；第一温度传感器，设置在燃料电池电堆上游，检测进入燃料电池电堆管路的冷却液的入堆水温；散热器，与所述第一换热器的高温管路并联，该散热器与第一换热器均设置在所述燃料电池电堆的下游，为冷却液散热；第一三通阀，设置在散热器和第一换热器与燃料电池电堆之间，控制和分配经过散热器和第一换热器高温管路的冷却液流量。4.如权利要求3所述的具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述蓄冷系统包括通过管路连接的：第二循环水泵，设置在所述第一换热器低温管路的上游，为蓄冷系统的蓄冷水提供循环动力；第二三通阀，设置在第一换热器低温管路和第二循环水泵之间，用于控制流入第一换热器低温管路的蓄冷水流量；储水箱，设置在第一换热器低温管路下游，在无需蓄冷水循环时储存蓄冷水；第二温度传感器，设置在所述储水箱出口，用于检测蓄冷系统的蓄冷水水温；其中，所述第二换热器高温管路连接在所述第二温度传感器和第二循环水泵之间，用于蓄冷系统与制冷系统之间的换热。5.如权利要求4所述的具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，所述储水箱及其两端的管路设有保温层，该储水箱的容积取决于燃料电池峰值散热能力所需持续时间。6.如权利要求4所述的具有蓄冷功能的燃料电池热管理系统，其特征在于，设置与所述第一换热器低温管路并联的且分别连接第二三通阀和储水箱的旁路，当燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：祖文强，蒋永伟，冯帝文，周道武，宋永平，姜远坤，吴海龙，任建宇，
申请(专利权)人：航天氢能上海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：