CN114335595A - 一种燃料电池汽车热管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车热管理系统及其控制方法。该热管理系统共有五个循环回路组成：空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路、高压部件低温冷却循环回路、燃料电池冷却/加热循环回路、乘员舱加热循环回路。燃电系统和动力电池系统同时采用液冷的方式进行散热，满足散热需求的同时能够提高输出功率的响应速率。即当车辆有急加速或大功率需求时，单独的燃电系统功率无法覆盖整车需求，且需要动力电池输出较大功率进行补充时，热燃料电池系统通过发动机前舱的翅片式散热器散热，动力电池通过Chiller板式换热器与空调制冷循环回路相互耦合散热，使得两套动力源均能在最佳工作环境下工作，不受到功率输出限制，满足整车的动力性要求。

Description

一种燃料电池汽车热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车技术领域，具体涉及一种燃料电池汽车热管理系统及其控制方法。

背景技术

近年来，能源危机日益严峻，环境空气质量日趋严重。新能源汽车发展大步向前，纯电动汽车和混合动力汽车收到越来越多用户的关注，但受限于充电速度慢和电池低温性能差等原因，成为动力电池新能源汽车发发展的瓶颈，即使目前快充技术的发展能够大幅缓解充电等待时间，但是与传统加油时间相比，仍有较大差距；此外，在低温环境中电池的输出功率受到较大限制，续驶里程也大打折扣。

电堆散热需求较高，国内目前大部分燃料电池汽车仅能够满足燃电系统的散热，但是无法兼顾动力电池系统的散热需求，动力电池采用自然风冷散热。考虑到目前国内电堆厂家处于中等水平，电堆功率上升较慢，无法满足车辆的动力性需求。因此需要动力电池补充整车动力性需求。在急加速等极限工况下，燃电系统和动力电池系统均已较大功率输出，两系统的发热量较高，以上两系统均冷却系统进行散热。

鉴于上述问题，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池汽车热管理系统及其控制方法，既能够满足燃电系统的散热需求，同时采用液冷散热的方式兼顾动力电池的冷却需求。使得车辆在满足动力性的同时，各高压系统子部件均在正常工作温度下运行。

本发明采用的技术方案在于：

一方面，提供一种燃料电池汽车热管理系统，包括空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路、高压部件低温冷却循环回路、燃料电池冷却/加热循环回路；

所述空调制冷循环回路包括依次串联形成闭环回路的冷凝器、蒸发器、压缩机，所述蒸发器设置于乘员舱，所述冷凝器和所述蒸发器之间连接第一膨胀阀；

所述动力电池冷却循环回路包括Chiller板式换热器、第一水泵，动力电池冷却管路出液口依次串联所述第一水泵、所述Chiller板式换热器后连接动力电池冷却管路进液口形成回路；所述Chiller板式换热器与所述蒸发器并联接入所述空调制冷循环回路，所述冷凝器和所述Chiller板式换热器之间连接第二膨胀阀；

所述高压部件低温冷却循环回路采用液冷系统，包括独立的燃料电池高压部件冷却循环回路和动力电池高压部件冷却循环回路；

所述燃料电池冷却/加热循环回路包括翅片式散热器、第一PTC电加热器、第二水泵、节温器，所述翅片式散热器设置于发动机前舱，所述翅片式散热器的出液口连接电堆的进液口，电堆的出液口连接所述第二水泵的进口，所述第二水泵的出口连接所述节温器的进口，所述节温器的第一出口连接所述翅片式散热器的进液口形成燃料电池冷却循环回路；所述节温器的第二出口连接所述第一PTC电加热器的进口，所述第一PTC电加热器的出口与所述电堆的进液口连通形成燃料电池加热循环回路。

进一步地，所述燃料电池冷却/加热循环回路还包括：中冷器，用于对燃料电池的增压进气空气进行冷却；

所述中冷器与所述电堆并联，即所述中冷器的进液口与所述翅片式散热器的出液口相连通，所述中冷器的出液口与所述第二水泵的进口相连通。

进一步地，所述燃料电池冷却/加热循环回路还包括电堆水壶和去离子器，所述第二水泵的进口与所述电堆水壶的出口相连通，所述电堆水壶的进口与所述去离子器的出口相连通，所述去离子器的出口与所述第二水泵的出口相连通。

进一步地，所述动力电池高压部件冷却循环回路包括依次串联形成闭环回路的第一低温循环散热器、第三水泵、充电机、降压DC/DC、电机、功率电子；

所述燃料电池高压部件冷却循环回路包括第二低温循环散热器、第四水泵、空压机、空压机控制器和升压DC/DC，所述第二低温循环散热器、第四水泵、空压机控制器和升压DC/DC依次串联形成闭环回路，所述空压机与所述空压机控制器、升压DC/DC并联。

进一步地，还包括乘员舱加热循环回路，包括第二PTC电加热器、第五水泵和暖风换热器，所述暖风换热器设置于乘员舱内，所述第二PTC电加热器的出液口与所述暖风换热器的进液口相连通，所述暖风换热器的出液口经过所述第五水泵与所述第二PTC电加热器的进液口相连通。

进一步地，还包括控制器，所述控制器与车辆CAN总线连接；

各循环回路中分别设有对应的温度传感器，用于测量各回路中的冷却液温度，各温度传感器与所述控制器相连接；

所述控制器通过CAN总线连接各水泵、第一膨胀阀、第二膨胀阀、压缩机、散热风扇。

另一方面，提供一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法：

判断乘员舱内是否有制冷需求；

判断动力电池是否有冷却需求；

当乘员舱内有制冷需求，而动力电池无冷却需求时，控制器控制第一膨胀阀开启、第二膨胀阀关闭；

当动力电池有冷却需求，而乘员舱内无制冷需求时，控制器控制第二膨胀阀开启、第一膨胀阀关闭；

当乘员舱和动力电池均有冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时开启，通过提升压缩机的功率实现空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路的制冷需求；

当乘员舱和动力电池均无冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时关闭。

进一步地，所述控制器包括BMS，动力电池冷却循环回路的控制方法包括：

BMS实时监测动力电池包的温度，当动力电池包的温度达到对应阈值时，通过CAN总线发送第一水泵和散热风扇的PWM信号，以及第二膨胀阀的开度信号。

进一步地，所述控制器还包括FCU燃料电池控制单元，燃料电池冷却/加热循环回路的控制方法包括：

FCU燃料电池控制器单元实时监测电堆的出液口的冷却液温度，采用PID反馈控制策略，实现第二水泵和散热风扇的实时调节。

进一步地，所述控制器还包括空调控制单元。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提供的燃料电池汽车热管理系统及其控制方法，将燃料电池、动力电池、乘员舱和相关高压部件的热管理需求全部考虑在内，确保所有元器件在正常工作温度范围内运行。同时，与其他整车厂相比，燃电系统和动力电池系统同时采用液冷的方式进行散热，满足散热需求的同时能够提高输出功率的响应速率。即当车辆有急加速或大功率需求时，单独的燃电系统功率无法覆盖整车需求，且需要动力电池输出较大功率进行补充时，热管理系统会通过水泵的驱动，燃料电池系统通过发动机前舱的翅片式散热器散热，动力电池通过Chiller板式换热器散热，使得两套动力源均能在最佳工作环境下工作，不受到功率输出限制，满足整车的动力性要求。

本发明有如下5个优点：

1.本发明的整车热管理系统设计方案针对燃料电池系统和动力电池系统两套动力源均采用液冷的散热方式，在满足散热需求的同时，兼顾两套动力系统同时的大功率输出，满足整车动力性要求；

2.本发明的整车热管理系统满足燃料电池系统和动力电池系统所有相关散热部件的散热需求，满足部件功能的同时提高使用寿命；

3.本发明的热管理系统采用PTC电加热器满足乘员舱内的制热需求；

4.本发明的整车热管理系统的燃料电池系统回路中采用PTC电加热器，满足电堆在低温情况下的冷启动功能；

5.本发明的整车热管理系统的控制策略能够实时满足各循环回路的温度调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的实施方式的燃料电池汽车热管理系统的原理图；

图2示出了本发明的实施方式的热管理系统控制结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明的燃料电池汽车热管理系统共有五个循环回路组成：空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路、高压部件低温冷却循环回路、燃料电池冷却/加热循环回路、乘员舱加热循环回路。

空调制冷循环回路主要由冷凝器32、蒸发器30、压缩机31和第一膨胀阀33等部件组成。冷凝器32、蒸发器30、压缩机31依次串联形成闭环回路，蒸发器30设置于乘员舱内，冷凝器32和蒸发器30之间连接第一膨胀阀33。

动力电池冷却循环回路通过Chiller板式换热器12与空调制冷循环回路相互耦合，即利用空调冷媒实现动力电池的散热需求。具体地，动力电池冷却循环回路包括Chiller板式换热器12、第一水泵11，动力电池10的冷却管路出液口依次串联第一水泵11、Chiller板式换热器12后连接动力电池10的冷却管路进液口形成回路。Chiller板式换热器12与蒸发器30并联接入空调制冷循环回路，即，冷凝器32、Chiller板式换热器12、压缩机31依次串联形成回路，冷凝器32和Chiller板式换热器12之间连接第二膨胀阀13。

空调制冷循环回路同时满足乘员舱的制冷需求，以及动力电池的冷却需求。通过电池管理系统BMS控制膨胀阀的开启与关闭来实现上述功能。当乘员舱内有制冷需求，而动力电池无冷却需求时，BMS控制第一膨胀阀33开启、第二膨胀阀13关闭，来实现乘员舱的制冷；同理，当动力电池有冷却需求，而乘员舱无制冷需求时，BMS控制第二膨胀阀13开启、第一膨胀阀33关闭。当乘员舱和动力电池均有冷却需求时，第一、第二膨胀阀同时开启，通过提升压缩机的功率实现空调循环的两类制冷需求。

当整车存在急加速和大功率输出需求时，需要动力电池以较大电流放电。根据焦耳定律，考虑到电池内部的欧姆内阻和极化内阻，大电流放电情况下电池发热量较大，若动力电池不能及时散热，当BMS监测到电池温度超过其允许工作温度范围时，将会限制电池的输出电流，进而限制其输出功率，最终无法满足整车的动力性需求。动力电池的液冷方式是，Chiller通过制冷剂相变吸热来散失动力电池产生的热量，由于制冷剂属于有机工质，在低温低压下的潜热较大，能够满足动力电池的散热需求；而自然风冷方式是，通过动力电池与环境空气的对流换热对电池进行冷却，该冷却方式的主要因素是两者的温差与换热系数，受车速和环境温度影响，自然风冷的散热功率较小。因此对比上述两种散热方式，选取通过Chiller的液冷散热方式对动力电池进行温度控制，能够大大提高的整车动力需求，即为本发明确定的动力电池冷却方案。

乘员舱加热考虑到乘员舱在寒冷环境时有加热需求，而燃料电池汽车不像传统燃油车利用发动机冷却液的余热进行乘员舱的加热。同时，考虑到整车内部的布置空间，利用PTC电加热器对乘员舱提供暖风，满足寒冷环境下的乘员舱舒适性要求。具体的，乘员舱加热循环回路包括第二PTC电加热器42、第五水泵41和暖风换热器40，暖风换热器40设置于乘员舱内，第二PTC电加热器42的出液口与暖风换热器40的进液口相连通，暖风换热器40的出液口经过第五水泵41与第二PTC电加热器42的进液口相连通。

燃料电池汽车主要包括两套动力系统，燃料电池系统和动力电池系统。每套系统涉及的重要高压部件较多，并且与燃料电池系统和动力电池系统相比，高压部件的散热需求处于较低的级别，因此将高压部件设计单独的低温冷却循环来满足其工作温度范围的要求。考虑到燃料电池系统和动力电池系统的工作温度不同，其对应的高压部件工作温度区间也存在明显差异，因此设计两套低温冷却循环，分别满足动力电池系统高压部件和燃料电池系统高压部件的散热需求。即，高压部件低温冷却循环回路包括独立的燃料电池高压部件冷却循环回路和动力电池高压部件冷却循环回路。具体地，动力电池高压部件冷却循环回路包括依次串联形成闭环回路的第一低温循环散热器60、第三水泵61、充电机、降压DC/DC、电机、功率电子。燃料电池高压部件冷却循环回路包括第二低温循环散热器50、第四水泵51、空压机、空压机控制器和升压DC/DC，第二低温循环散热器50、第四水泵51、空压机控制器和升压DC/DC依次串联形成闭环回路，空压机与空压机控制器、升压DC/DC并联。

燃料电池冷却/加热循环回路包括翅片式散热器21、第一PTC电加热器24、第二水泵22、节温器23，翅片式散热器21设置于发动机前舱，翅片式散热器21的出液口连接电堆20的进液口，电堆20的出液口连接第二水泵22的进口，第二水泵22的出口连接节温器23的进口，节温器23的第一出口连接翅片式散热器21的进液口形成燃料电池冷却循环回路；节温器23的第二出口连接第一PTC电加热器24的进口，第一PTC电加热器24的出口与电堆20的进液口连通形成燃料电池加热循环回路。基于典型的燃料电池汽车的正常工作温度为-20摄氏度～50，因此整车的低温冷启动性能也是需要考虑的重要评价指标。使用PTC电加热器在整车低温启动的情况下，通过加热冷却液的方式对电堆进行加热，确保电堆内的生成产物水不在低温环境下结冰，进而保证电堆系统的正常工作。为了保证加热循环和冷却循环的及时切换，在两循环回路中增加节温器23，通过节温器23即时测量循环内冷却液的温度，实现两循环回路的自动切换。

燃料电池冷却和加热循环，燃料电池系统为整车输出功率的主要动力源之一，根据燃电系统的工作效率，其中氢氧反应约50％左右的能量转化为热量由冷却系统散失。为提高燃料电池电堆内的反应效率，需对进气空气进行增压，并利用中冷器25对增压后的空气进行冷却，保证其在电堆系统内的正常工作。考虑到增压空气是燃电系统的反应物之一，为节省整套系统的布置空间，将中冷器25与燃电系统的冷却循环并联设计，同时满足两者的散热需求。具体的，中冷器25与电堆20并联，即中冷器25的进液口与翅片式散热器21的出液口相连通，中冷器25的出液口与第二水泵22的进口相连通。

在本燃料电池汽车热管理系统中，散热风扇70为翅片式散热器21、第一低温循环散热器60、冷凝器32、第二低温循环散热器50进行散热。

如图2所示，本发明的燃料电池汽车热管理系统的控制器包括BMS(电池管理系统)、FCU(燃料电池控制单元)、空调控制单元等，实现控制策略的执行，通过温度传感器监测各回路的冷却液温度，利用控制器通过CAN总线实现水泵、电磁阀和风扇等执行器的实施调节。具体地，控制器与车辆CAN总线连接；各循环回路中分别设有对应的温度传感器，用于测量各回路中的冷却液温度，各温度传感器与控制器相连接，控制器通过CAN总线连接第一水泵～第五水泵11、22、61、51、41、第一膨胀阀33、第二膨胀阀13、压缩机31、散热风扇70。

对于动力电池冷却循环回路和空调制冷循环回路的控制，通过电池管理系统BMS实现：

通过电池管理系统BMS判断乘员舱内是否有制冷需求、判断动力电池是否有冷却需求；

当乘员舱内有制冷需求，而动力电池无冷却需求时，BMS控制第一膨胀阀开启、第二膨胀阀关闭；

当动力电池有冷却需求，而乘员舱内无制冷需求时，BMS控制第二膨胀阀开启、第一膨胀阀关闭；

当乘员舱和动力电池均有冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时开启，通过提升压缩机的功率实现空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路的制冷需求；

当乘员舱和动力电池均无冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时关闭。

动力电池冷却回路中的两级冷却调节，通过BMS监测电池包的温度达到对应阈值时，通过CAN总线发送水泵和散热风扇的PWM信号，以及电磁阀的开度信号，实现动力电池温度的实时管控。

燃料电池系统通过FCU(燃料电池控制单元)监测电堆出口的冷却液温度，采用PID反馈控制策略，实现水泵和风扇的实时调节，满足燃电系统的温度管控，进而实现整车热管理系统的温度智能调节。

以上仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本发明中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，包括空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路、高压部件低温冷却循环回路、燃料电池冷却/加热循环回路；

所述空调制冷循环回路包括依次串联形成闭环回路的冷凝器、蒸发器、压缩机，所述蒸发器设置于乘员舱，所述冷凝器和所述蒸发器之间连接第一膨胀阀；

所述动力电池冷却循环回路包括Chiller板式换热器、第一水泵，动力电池冷却管路出液口依次串联所述第一水泵、所述Chiller板式换热器后连接动力电池冷却管路进液口形成回路；所述Chiller板式换热器与所述蒸发器并联接入所述空调制冷循环回路，所述冷凝器和所述Chiller板式换热器之间连接第二膨胀阀；

所述高压部件低温冷却循环回路采用液冷系统，包括独立的燃料电池高压部件冷却循环回路和动力电池高压部件冷却循环回路；

所述燃料电池冷却/加热循环回路包括翅片式散热器、第一PTC电加热器、第二水泵、节温器，所述翅片式散热器设置于发动机前舱，所述翅片式散热器的出液口连接电堆的进液口，电堆的出液口连接所述第二水泵的进口，所述第二水泵的出口连接所述节温器的进口，所述节温器的第一出口连接所述翅片式散热器的进液口形成燃料电池冷却循环回路；所述节温器的第二出口连接所述第一PTC电加热器的进口，所述第一PTC电加热器的出口与所述电堆的进液口连通形成燃料电池加热循环回路。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，所述燃料电池冷却/加热循环回路还包括：中冷器，用于对燃料电池的增压进气空气进行冷却；

所述中冷器与所述电堆并联，即所述中冷器的进液口与所述翅片式散热器的出液口相连通，所述中冷器的出液口与所述第二水泵的进口相连通。

3.如权利要求2所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，所述燃料电池冷却/加热循环回路还包括电堆水壶和去离子器，所述第二水泵的进口与所述电堆水壶的出口相连通，所述电堆水壶的进口与所述去离子器的出口相连通，所述去离子器的出口与所述第二水泵的出口相连通。

4.如权利要求1-3任一所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，

所述动力电池高压部件冷却循环回路包括依次串联形成闭环回路的第一低温循环散热器、第三水泵、充电机、降压DC/DC、电机、功率电子；

所述燃料电池高压部件冷却循环回路包括第二低温循环散热器、第四水泵、空压机、空压机控制器和升压DC/DC，所述第二低温循环散热器、第四水泵、空压机控制器和升压DC/DC依次串联形成闭环回路，所述空压机与所述空压机控制器、升压DC/DC并联。

5.如权利要求4所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，还包括乘员舱加热循环回路，包括第二PTC电加热器、第五水泵和暖风换热器，所述暖风换热器设置于乘员舱内，所述第二PTC电加热器的出液口与所述暖风换热器的进液口相连通，所述暖风换热器的出液口经过所述第五水泵与所述第二PTC电加热器的进液口相连通。

6.如权利要求5所述的一种燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与车辆CAN总线连接；

各循环回路中分别设有对应的温度传感器，用于测量各回路中的冷却液温度，各温度传感器与所述控制器相连接；

所述控制器通过CAN总线连接各水泵、第一膨胀阀、第二膨胀阀、压缩机、散热风扇。

7.一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求5所述的一种燃料电池汽车热管理系统，该方法包括：

判断乘员舱内是否有制冷需求；

判断动力电池是否有冷却需求；

当乘员舱内有制冷需求，而动力电池无冷却需求时，控制器控制第一膨胀阀开启、第二膨胀阀关闭；

当动力电池有冷却需求，而乘员舱内无制冷需求时，控制器控制第二膨胀阀开启、第一膨胀阀关闭；

当乘员舱和动力电池均有冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时开启，通过提升压缩机的功率实现空调制冷循环回路、动力电池冷却循环回路的制冷需求；

当乘员舱和动力电池均无冷却需求时，第一膨胀阀和第二膨胀阀同时关闭。

8.如权利要求7所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制器包括BMS，动力电池冷却循环回路的控制方法包括：

BMS实时监测动力电池包的温度，当动力电池包的温度达到对应阈值时，通过CAN总线发送第一水泵和散热风扇的PWM信号，以及第二膨胀阀的开度信号。

9.如权利要求8所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制器还包括FCU燃料电池控制单元，燃料电池冷却/加热循环回路的控制方法包括：

FCU燃料电池控制单元实时监测电堆的出液口的冷却液温度，采用PID反馈控制策略，实现第二水泵和散热风扇的实时调节。

10.如权利要求9所述的一种燃料电池汽车热管理系统的控制方法，其特征在于，所述控制器还包括空调控制单元。

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