用于交通工具燃料电池的热管理的方法

发明领域

本发明涉及汽车领域中燃料电池的热管理。

现有技术描述

近几年的特点是传统内燃机交通工具向电动交通工具的转换趋势。当致力于用燃料电池(FC)驱动的动力系统取代传统动力系统技术(内燃机，ICE)时，汽车工业面临的挑战之一与燃料电池(FC)驱动的动力系统的冷却有关。燃料电池的冷却液温度约为70℃，而传统发动机的冷却液温度约为85℃。由于散热能力取决于冷却液相对于环境温度的温差，因此在散热量不变的情况下，交通工具散热器表面必须增加。这种增加可能很大。

然而，显著增加交通工具上的散热器面积可能是一个重要的挑战。

此外，根据交通工具的任务，FC可能会因功率传输过低而过早退化。根据申请人找到的解决方案，通常通过暂时关闭FC或通过将能量转移到蓄电池来避免FC的过早退化。然而，当蓄电池充满时，第二种选择可能是不可能的。

因此，燃料电池的热管理是其广泛实施中最相关的挑战之一。

发明概述

本发明的主要目的是提供一种能够减少或克服上述问题/缺点的用于燃料电池的热管理系统。

本发明的主要原理是通过二次冷却回路进一步降低冷却液的温度来增强燃料电池冷却回路的性能，该二次冷却回路被布置成冷却交通工具的至少一个子系统，例如交通工具座舱、冷藏室(如果适用的话)和/或蓄电池和/或其他子系统。

特别地，不仅利用了二次冷却回路的较低工作温度，而且通过被布置在二次冷却回路(以下称为“二次回路(secondary circuit)”)中的低温箱(low temperature tank)增加了其热容量。

根据本发明，燃料电池冷却回路(以下称为“主回路(main circuit)”)实现了为燃料电池应用专门设计的不导电的冷却液，例如去离子水或者去离子水和不导电的乙二醇，而二次回路实现了第二介质，例如水或者水和乙二醇。由于这个原因，主回路不与二次回路交换物质。主回路和二次回路之间的热能通过耦合热交换器进行交换。

根据本发明的优选实施例，二次回路借助于热交换器或热泵来冷却，该热交换器或该热泵被布置成冷却二次介质(secondary medium)。合适的循环装置(例如泵等)被布置成使二次介质循环通过耦合热交换器并通过交通工具的冷却子系统。

燃料电池大部分时间在部分负载下运行。二次回路可能尺寸过大，特别是当被布置成冷却交通工具蓄电池时。

这意味着燃料电池和蓄电池都需要最大冷却能力的同时概率通常较低。

此外，低温箱的存在允许稳定二次回路的工作温度以及补偿二次回路和主回路暂时增加的冷却需求。

根据本发明的优选实施例，甚至主回路也设置有箱(tank)，以下称为高温箱，该箱被布置成增加主回路的热容量和稳定性。

这些目的和其他目的通过所附权利要求来实现，所附权利要求描述了本发明的优选实施例，形成本说明书的组成部分。

附图简述

从下面的详细描述中，以及参考附图阅读，本发明将变得充分清楚，这些详细描述仅通过示例性和非限制性的示例给出，其中图1-图3示出了本发明的三个不同实施例。具体地，从图1的实施例开始，图2公开了图1的回路的一个第一部分的变型，而图3公开了图1的回路的一个第二部分的变型。因此，第四回路可以被解释为图2和图3的组合。

图4和图5公开了基于图2的高温箱的另外的实施例，

图6示意了由燃料电池和蓄电池供电的电动交通工具。

附图中相同的附图标记和字母表示相同或功能等同的部件。

根据本发明，术语“第二元件”并不意味着存在“第一元件”，第一、第二等仅用于提高描述的清晰度，而不应以限制性方式解释。

优选实施例的详细描述

图1-图5公开了本发明的三个示例。

主回路HTCC(高温冷却回路)限定至少主环路，其中包括用标签“燃料电池系统”指示的燃料电池和适合于在环境中消散燃料电池产生的热量的至少一个散热器R。第一泵P使适用于在燃料电池冷却领域中实现的第一冷却介质循环。

二次回路LTCC(低温冷却回路)限定至少第一环路，其包括用标签“A/C蓄电池冷却系统等”指示的至少一个子系统和低温箱LTT。

根据本发明，二次回路包括热配对交换器(heat pairing exchanger)X1，该热配对交换器X1被布置成将主回路与二次回路耦合。

优选地，配对交换器X1被布置在二次回路的第二环路中。

优选地，根据主回路中第一冷却介质循环的取向H1，热配对交换器X1被布置在燃料电池系统的紧邻上游。在燃料电池设置有旁路装置B、V1的情况下，旁路装置的三通阀位于热配对交换器X1和燃料电池之间。

二次回路LTCC优选地包括第一C1和第二收集器C2。根据第二冷却介质循环的取向H2、H3，第一收集器被布置在低温箱的紧邻上游，而第二收集器被布置在低温箱的紧邻下游。二次回路具有第一环路H2，其中可选的第二泵PA沿着第二环路布置以确保上述循环H2，该循环H2包括子系统：座舱/蓄电池子系统和/或其他。

二次回路还包括第三环路H3，该第三环路H3包括低温箱LTT和上述配对热交换器X1以及第三循环泵PB。第二泵PA和第三泵PB分别通过考虑要冷却的燃料电池和子系统的操作条件来控制。

应该清楚的是，第一冷却介质和第二冷却介质可以具有不同的物理化学性质。

冷却器回路(chiller circuit)耦合到二次回路以冷却第二冷却液。冷却器回路扼要表示包括压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀的热泵。这里仅明确公开了热交换器，并用X2表示。该热交换器可以是冷却器回路的蒸发器或将蒸发器与二次回路耦合的热交换器。

根据图1的实施例，蒸发器被布置在二次回路的第四环路上。因此，该第四环路包括低温箱LTT、热交换器X2和第四泵PC，该第四泵PC被布置成使第二介质也循环通过第四环路。

在冷却器回路中实现的流体可以是R134、R32或任何合适的和允许的热力学流体。

根据图3的实施例，热交换器X2被布置在低温箱内，因此，避开了第四环路和第四泵PC。根据图3的解决方案，热交换器X2的热交换效率取决于第二泵PA、第三泵PB的启动和相关冷却器回路泵的启动。因此，第二泵不仅可以根据主回路和二次回路之间的热配对来控制，而且还可以根据冷却器回路与二次回路的热配对来控制。

返回到主回路HTCC，优选地，主回路还包括旁路装置BP、V2，即管连接件BP和三通阀V2，其被布置成旁路热配对交换器X1。三通阀可以是开/关型的，或者可以适于计量流量的混合。可选地，可以实施两个流量调节器来代替三通阀。

优选地，主回路包括被布置成将燃料电池系统与主回路的其余部分隔离的主旁路装置B、V1。泵P以总是可操作地与燃料电池系统连接的方式被布置，以便更好地控制燃料电池中的液体流动，而不管三通阀V1的状况如何，三通阀V1选择性地将燃料电池系统与主回路HTCC隔离。

图2的方案与图1的不同之处主要在于主回路HTCC，其包括子环路SL，该子环路SL包括散热器R、子环路循环泵P1和高温箱，该高温箱具有稳定主环路温度的范围。

工作原理如下：

-冷却器回路(Chiller Circuit，RC)被布置成冷却低温箱LTT。二次介质的温度总是低于任何子系统(如座舱调节和/或蓄电池冷却)所需的最低温度。这样，LTT用作热缓冲器，其处于比燃料电池的操作温度相对低的温度；

-当燃料电池在高负载下操作时，在高负载下其常规冷却回路容量不足，主回路LTCC利用二次回路的冷却，切换旁路装置BP、V2以便将主回路与二次回路配对；

-当交通工具作为一个整体所需的电能低于燃料电池能够提供的最小值时，则通过降低二次回路中的操作温度来实现过剩的电力容量驱动冷却器回路。换句话说，燃料电池的操作下限被用来储存在相反的满载条件下有用的冷却。

另一方面，由于本策略，燃料电池的开/关切换受到强烈限制，对它们的寿命有积极的影响。

在这种情况下，图2的方案表现得具有进一步的优点，因为它提供了更高的冷却剂质量(mass)，从而提高了温度稳定性。

应该考虑的是，高温箱本身提高了主回路的性能，因为它通过平滑热峰值迫使散热器风扇工作更长时间。

此外，LTT可以用静态混合器代替，或者它可以是箱和静态混合器的组合，以确保进入的液体的适当混合。静态混合器是一种设备，其在没有移动部件的情况下，通过利用两个或更多个流体流的流动来混合该两个或更多个流体流，该静态混合器的功能有助于LTT中温度的均匀化，且从而有助于提升冷却系统的性能。如果没有实现收集器C1，这是特别重要的。

应该清楚的是，根据情况，在冷却器回路和二次回路之间可以提供另一中间交换回路，或者，可选地，热交换器X2可以是冷却器回路的蒸发器。

根据附图中未公开的本发明的另一实施例，从图2的方案开始，高温箱HTT可以包括相关的旁路装置。该方面可以在满载峰值之后相关，以便减少借助于散热器R和二次回路冷却下来(refresh)的热质量(thermal mass)。

图4公开了本发明的另一个实施例，该实施例基本上基于作为图2的解决方案的高温箱HTT的存在。

这里，高温箱HTT、燃料电池系统和散热器R被布置在并联分支上。

与先前的附图相同

-燃料电池系统可以通过旁路装置B、V1旁路，

-主回路可以通过旁路装置BP、V2与二次冷却回路配对，

-由于另一个三通阀V3，高温箱可以与主回路连接或断开。

特别地，当三通阀V3将高温箱连接到主回路时，由泵P泵送的流量部分地穿过散热器以及部分地穿过高温箱。

另一热交换器X3与高温箱串联布置在同一分支上，其中所述另一热交换器X3与高温箱部分串联，并与被布置在限定具有散热器的子回路SL的分支上的另一泵P1部分串联。

因此，热交换器X3为液体/液体类型。

这种配置是有用的，因为它允许定义由泵P和P1管理的两个独立环路。以这种方式，当不需要散热器的冷却效果来冷却燃料电池系统时，先前累积在高温箱中的热量被散热器消散到环境中。换句话说，泵P和P1的控制允许优先冷却燃料电池系统，在温度峰值的情况下利用高温箱中液体的最终较低温度，并在燃料电池系统产热相对较低时消散累积的多余热量。

图5公开了另一实施例，其中二次回路LTCC可以是图1-图4的任何示例，其中差异在于主回路上。这里，高温箱被布置成与散热器R并联，其中旁路装置V3被布置成实现第一配置、第二配置以及第三配置，在第一配置中散热器和高温箱流体连接到主回路，在第二配置中高温箱与主回路流体断开而散热器与主回路流体连接，在第三配置中高温箱和散热器都与主回路断开，限定子回路(SL)，在该子回路中另一泵(P1)被布置成使冷却液仅在子回路中循环。泵P1可以在两个流动方向上操作。

由于本发明的当前实施例，利用燃料电池技术中的限制来减小主回路的散热器的交换表面，使得技术限制与冷却器回路操作协同配对。

明显的是，低温箱LTT是适当隔热的，以便不“分散”累积的冷却。

提供了示例实施例，使得本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员完全传达范围。阐述了许多特定细节，例如特定部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员来说明显的是，不需要采用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，并且特定的细节和示例实施例都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。

本发明可以有利地以计算机程序实现，包括用于当这种程序在计算机上运行时执行所述方法的一个或更多个步骤的程序代码装置。因此，该专利还应涵盖这种计算机程序和包括记录的消息的计算机可读介质，该计算机可读介质包括用于当这种程序在计算机上运行时执行这种方法的一个或多个步骤的程序代码装置。

对于本领域技术人员来说，在考虑说明书和附图之后，本发明的许多变化、修改、变型以及其他用途和应用将变得明显，所述说明书和附图公开了如在所附权利要求中所述的优选实施例。

介绍现有技术背景中公开的特征只是为了更好地理解本发明，而不是作为关于已知现有技术存在的声明。此外，所述特征限定本发明的上下文，因此这些特征应被认为与详细描述有共同点。

将不描述进一步的实现细节，因为本领域技术人员能够从上述描述的教导开始执行本发明。