一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法技术

本发明专利技术提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，共有四个子系统，由三大循环回路耦合在一起，分别是：燃料电池热管理子系统、动力电池热管理子系统、电驱动热管理子系统、乘员舱热管理子系统，与热泵空调回路、燃料电池热管理回路、动力电池和电驱动系统热管理回路，通过两个热交换器相互连接起来。其中动力电池和电驱动系统热管理回路分为三个小回路：动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路，整体架构高内聚低耦合，还有两处实现余热回收功能。本发明专利技术通过高集成度可实现车辆在各种环境温度下的热管理的需求；通过燃料电池的余热利用和电驱动系统的余热利用和回收可大大提高燃料电池汽车的热管理效率和续航里程。续航里程。续航里程。

【技术实现步骤摘要】
一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法


[0001]本专利技术提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，属于燃料电池汽车的热管理


技术介绍

[0002]乘用车的电动化，尤其是燃料电池汽车正朝着未来的主流方向发展。目前现有的质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电化学反应将电能转换为电能的效率在40％～60％之间，其他以热量的形式产生，而燃料电池最佳的工作温度在60℃～80℃之间，过高和过低的温度都会对燃料电池的效率产生影响，极端情况下会导致交换膜干枯破裂等不可恢复的损坏。合理的燃料电池热管理不仅能提高效率，更能保证燃料电池安全可靠的运行。对于动力电池(锂电池)，温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0℃)对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路，其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。对于电机来说，过高的温度会造成零件变形和损坏。因此针对大功率燃料电池汽车的热管理至关重要。
[0003]热管理系统肩负着保障乘员舱舒适性和避免供电系统热失控的双重使命，正朝着集成化、可控制化和精细化的方向不断发展。如何在复杂环境中平衡乘员舱舒适性和燃料电池汽车续航里程之间的关系，也是热管理系统设计过程中面临的重要问题。设计一个集成式的整车热管理方案是重要的研究方向，Xu(Xu J,Zhang C,Fan R,et al.Modelling and control of vehicle integrated thermal management system of PEM fuel cell vehicle[J].Energy,2020,199(4):117495.)等人提出了一种整车集成式的热管理系统，该系统包含了燃料电池回路、动力电池回路、电机回路、空调回路、增压空气回路等五大回路。系统全面解释了燃料电池汽车各部件的产热原理，对燃料电池汽车热管理设计初期具有指导意义。
[0004]燃料电池的余热利用是提高冬季续航里程的关键技术之一，现有的余热利用方式有直接利用和间接利用。Sun等人(Sun W,Yi F,Hu D,et al.Research on matching design method of waste heat reuse system of fuel cell vehicle considering system energy consumption and waste heat exchange rate[J].International Journal of Energy Research,2020,45(4):5470
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5485.)建立包括燃料电池、散热器、液
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液交换器、PTC加热器以及暖风芯体等部件的余热直接利用子系统模型。通过液
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液交换器将燃料电池产生的余热传递给乘员舱的暖风芯体回路，结合PTC给乘员舱加热。
[0005]Chang等人(Chang H,Wan Z,Zheng Y,et al.Energy
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and exergy
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based operating fluid selection and performance analysis of a high
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temperature PEMFC
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based micro combined cooling heating and power system[J].Applied Energy,2017,204:446
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458.)提出一种基于燃料电池的冷、热、电联合的余热间接利用子系统。该系统由燃料电池系统、有机朗肯循环子系统和蒸汽压缩循环子系统组成。将燃料电池
产生的热量通过有机朗肯循环产生蒸汽带动蒸汽压缩机工作。
[0006]以上两种余热的利用大大提高了燃料电池汽车在低温下的续航里程，具有研究的重要意义。但很难应对复杂多变的驾驶环境，如车辆怠速过程中，燃料电池处于低功率输出阶段，很难满足乘员舱的供热需求，且结构复杂，不利于实车布局。为此，如何提供一种环境适应性强、集成度高，且续航里程较高的一种整车热管理架构成为了急需解决的难题。

技术实现思路

[0007]根据上述提出的技术问题，本专利技术提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，本方法提出一种环境适应性强、成本低、集成度高的整车热管理构型，包括燃料电池热管理、动力电池热管理、电驱动热管理、乘员舱热管理。其中涉及电驱动的余热回收和利用，燃料电池系统的余热利用等。其中有两处实现余热回收功能，一是燃料电池系统的余热通过第一热交换器传递到热泵空调，二是电驱动系统可将自身的余热通过六通阀调节给动力电池加热。本专利技术能够显著提高低温下热泵空调的制热效果，提高整车热管理的效率，从而提高车辆的续航里程，尤其是车辆在低温行驶环境下的续航里程。
[0008]本专利技术采用的技术手段如下：
[0009]为了实现上述目的，本专利技术提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，包括：
[0010]燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路；
[0011]燃料电池热管理回路包括大小循环回路；
[0012]动力电池及电驱动热管理回路包括动力电池回路、电驱动回路、散热回路；
[0013]热泵空调回路包括制热模式和制冷模式；
[0014]热泵空调回路与燃料电池热管理回路和动力电池及电驱动热管理回路分别用第一热交换器，第二热交换器连接。
[0015]进一步地，所述的大循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、第一散热器、电子节温器和燃料电池；
[0016]所述的小循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、电子节温器和燃料电池；
[0017]所述的小循环回路主要用于自加热，大循环回路主要用于散热。
[0018]进一步地，在车辆冷启动时，燃料电池系统电流较高，此时电化学能主要转化为热能，开启小循环自加热模式；
[0019]当燃料电池系统的温度到达工作温度时，电子节温器控制冷却液从小循环到大循环，此时大循环散热模式开启，燃料电池产生的热量通过第一散热器散发到车外。
[0020]进一步地，所述动力电池及电驱动热管理回路的动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路由六通阀进行连接；
[0021]所述的六通阀用于调节动力电池和电驱动系统进行散热以及进行驱动电机的余热利用和余热回收；
[0022]所述的动力电池回路包括：动力电池、第三电子水泵；所述回路用于实现动力电池的加热、散热功能；
[0023]所述的电驱动回路包括：电驱动系统、第二电子水泵；所述回路用于实现电驱动系
统的散热；
[0024]所述的散热回路包括：第二散热器、第二膨胀水箱，所述的散热回路用于实现动力电池和电驱动系统的散热。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于，包括：燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路；燃料电池热管理回路包括大小循环回路；动力电池及电驱动热管理回路包括动力电池回路、电驱动回路、散热回路；热泵空调回路包括制热模式和制冷模式；热泵空调回路与燃料电池热管理回路和动力电池及电驱动热管理回路分别用第一热交换器，第二热交换器连接。2.根据权利要求1所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述的大循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、第一散热器、电子节温器和燃料电池；所述的小循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、电子节温器和燃料电池；所述的小循环回路主要用于自加热，大循环回路主要用于散热。3.根据权利要求2所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：在车辆冷启动时，开启小循环自加热模式；当燃料电池系统的温度到达工作温度时，电子节温器控制冷却液从小循环到大循环，此时大循环散热模式开启，燃料电池产生的热量通过第一散热器散发到车外。4.根据权利要求1所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述动力电池及电驱动热管理回路的动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路由六通阀进行连接；所述的六通阀用于调节动力电池和电驱动系统进行散热以及进行驱动电机的余热利用和余热回收；所述的动力电池回路包括：动力电池、第三电子水泵；所述回路用于实现动力电池的加热、散热功能；所述的电驱动回路包括：电驱动系统、第二电子水泵；所述回路用于实现电驱动系统的散热；所述的散热回路包括：第二散热器、第二膨胀水箱，所述的散热回路用于实现动力电池和电驱动系统的散热。5.根据权利要求4所述所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：余热利用模式为：当动力电池需要加热时，电驱动系统产生的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，给动力电池进行加热；余热回收模式为：低温环境下，当车辆停止时，电驱动系统的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，在动力电池包的保温层进行储...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱仲文，汪鑫，江维海，李丞，季传龙，佟强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：