基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池汽车领域，特别涉及一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法。

背景技术

作为当前新能源汽车的重要组成部分，燃料电池汽车是一个非线性、多变量、时变的复杂系统，其热管理水平决定着整车的性能与寿命。当燃料电池稳定在60-80℃时能保持较高的能量转换效率。燃料电池运行时温度过低时，电池阻抗增大，极化较大，燃料电池整体性能下降，效率降低；燃料电池运行温度过高时，会导致质子交换膜脱水，容易造成安全事故。对于动力电池热管理，由于电池在充放电过程中，温度过高或过低都会影响其性能的发挥，特别是当电池温度过高时，可能会引起电池爆炸。关于驱动电机热管理，电机系统作为燃料电池汽车的能量转换单元，由于在能量转换过程中不可避免的出现损失而转化为热量，如果这些热量不及时的散出，将影响电机的使用寿命和使用性能。

在低温环境下，如何快速提高燃料电池的温度一直是当前热管理的研究热点。现有燃料电池汽车包括丰田Mirai与现代NEXO均采用传统的PTC进行加热。利用PTC加热可以快速提高燃料电池的温度，但同时也带来了低温环境下整车能耗大的问题。因此需要合理的燃料电池汽车集成热管理系统及控制方法来提高能量利用率和整车经济性。现有的专利如中国专利公布号为CN111463453A，公布日为2020-07-28，公开了一种具有相变蓄热及预加热功能的燃料电池热管理系统，该发明可将燃料电池余热存储在相变换热器中，用于液路和气路预热燃料电池，或用于燃料电池保温；此外燃料电池余热可加热进气、锂电池或乘员舱，提高能量利用率。又如专利申请公布号为CN111855247A，公开日为2020-10-30，公开了一种电动车热泵空调测试系统及电动汽车热管理试验台架。用于测试电动车热泵空调系统，热泵空调系统包括压缩机、四通换向阀、车内换热器、膨胀阀以及车外换热器，可进一步优化整车能耗，达到节能的目标，提高检测精确和效率。上述专利均没有将热泵空调与燃料电池整车其他部件热管理考虑在内。

针对上述的技术不足，本发明提供一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法，首先通过环境温度判断整车的运行条件，然后根据各回路的温度来综合判断此时切换装置与各回路三通阀的开闭状态，从而实现整车热管理的热量高效利用。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供了一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法，通过环境温度和各回路的温度综合判断整车的运行条件与各回路的开闭状态，从而实现整车热管理的热量高效利用。

本发明提供的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统，包括燃料电池热管理回路、电机热管理回路、乘员舱热管理回路和动力电池热管理回路。燃料电池热管理回路包括燃料电池、散热器一、水泵一和三通阀一；电机热管理回路包括电机、电机控制器、水泵二、散热器二和三通阀二；乘员舱热管理回路包括乘员舱、HVAC系统、切换装置和三通阀三；动力电池回路包括动力电池、散热器三、水泵三和三通阀四。

所述燃料电池热管理回路中的燃料电池、三通阀一、散热器一、水泵一依次连接；所述电机热管理回路中的电机、电机控制器、水泵二、散热器二依次连接；所述乘员舱热管理回路中的乘员舱、HVAC系统、三通阀三和切换装置依次连接；所述动力电池回路中的动力电池、三通阀四、水泵三、散热器三依次连接；四个热管理回路的支路均通过热交换器，正常状态下，四个三通阀均处于关闭状态，此时各热管理回路不通过热交换器，当三通阀开启后，回路通过热交换器进行热量交换。

本发明提供的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统控制方法为：首先通过环境温度判断整车的运行条件，将整车运行分为低温模式、正常运行和高温模式；根据不同的运行模式分别执行相应的控制方法；当整车处于低温模式时，通过切换装置将热泵空调开启；若燃料电池温度小于其温度低阈值且动力电池温度小于其温度低阈值，说明燃料电池与动力电池温度过低需要进行加热，此时利用热泵空调来给燃料电池和动力电池进行加热；当燃料电池温度大于其低阈值时，则判断电机温度是否小于其温度低阈值，若满足则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值，若满足则利用热泵空调来加热动力电池和电机；当整车处于高温模式时，通过切换装置将热泵空调关闭，首先判断燃料电池温度是否大于其高温阈值，若大于则说明此时燃料电池需要散热，如果此时乘员舱温度和动力电池温度小于其高温阈值，则可以利用三者之间温度水平的差异，利用乘员舱和动力电池的相对低温水平来给燃料电池散热；若燃料电池温度低于其高温阈值，其次考虑用乘员舱和动力电池的相对低温水平来给电机散热；具体实施方式如下所述。

当处于低温模式时，通过切换装置将热泵空调开启，首先判断燃料电池温度是否小于其温度低阈值，若小于则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值，若满足则开启三通阀一、三、四，此时利用热泵空调来加热燃料电池和动力电池；若燃料电池温度大于其温度低阈值，则判断电机温度是否小于其温度低阈值，若满足则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值，若满足则开启阀二、三、四，此时利用热泵空调来加热电机和动力电池；当处于高温模式时，通过切换装置将热泵空调关闭，首先判断燃料电池温度是否大于其温度高阈值，若大于则判断乘员舱温度和动力电池温度是否小于其温度高阈值，若满足则开启三通阀一、三、四，此时利用乘员舱和动力电池的低温来冷却燃料电池；若燃料电池温度小于其温度高阈值，则判断电机温度是否大于其温度高阈值，若满足则判断乘员舱温度和动力电池温度是否小于其温度高阈值，若满足则开启阀二、三、四，此时利用乘员舱和动力电池的低温来冷却电机；其余情况则根据各热管理回路的正常运行状态来运行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明的集成热管理系统综合考虑了燃料电池汽车的乘员舱、燃料电池、动力电池和电机的热管理，并把热泵空调引入系统中，将独立的热管理回路耦合起来。

2)本发明通过引入热泵空调，判断整车运行环境，分别对低温和高温环境下的热管理回路进行控制，提高了整车在不同环境下的适应能力。

3)本发明的集成热管理系统可减少低温环境下PTC消耗的能量，控制简单，结构合理，提高了燃料电池汽车的经济性与能量利用率。

附图说明

本发明的上述方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统原理图；

图中：1-燃料电池，2-三通阀一，3-散热器一，4-水泵一，5-电机控制器，6-电机，7-三通阀二，8-散热器二，9-水泵二，10-热交换器，11-三通阀三，12-散热器三，13-水泵三，14-三通阀四，a-电磁阀一，b-电磁阀二，c-电磁阀三。

图2为根据本发明实施例的切换装置原理图。

图3为根据本发明实施例的具体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系只是为了便于叙述本发明各部件之间的关系而确定的关系词，并非特指某一部件，不能理解为对本发明的限制；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解具体含义。

如图1所示，本发明提供的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统，包括燃料电池热管理回路、电机热管理回路、乘员舱热管理回路和动力电池热管理回路。燃料电池热管理回路包括燃料电池1、散热器一3、水泵一4和三通阀一2；电机热管理回路包括电机6、电机控制器5、水泵二9、散热器二8和三通阀二7；乘员舱热管理回路包括乘员舱、HVAC系统和三通阀三11；动力电池回路包括动力电池、散热器三12、水泵三13和三通阀四14。

所述燃料电池热管理回路中的燃料电池1、三通阀一2、散热器一3、水泵4依次连接；所述电机热管理回路中的电机6、电机控制器5、水泵二9、散热器二8、和三通阀二7依次连接；所述乘员舱热管理回路中的乘员舱、HVAC系统、三通阀三11依次连接；所述动力电池回路中的动力电池、三通阀四14、水泵三13、散热器三12依次连接；四个热管理回路的支路均通过热交换器10，正常状态下，四个三通阀均处于关闭状态，此时各热管理回路不通过热交换器10，当三通阀开启后，回路通过热交换器10进行热量交换。

切换装置内部原理图如2所示，通过控制电磁阀一a、电磁阀二b和电磁阀三c的开闭来实现外部回路的流动方向。当电磁阀一a打开，电磁阀二b和电磁阀三c关闭时，外部回路流动方向如实心箭头所示为逆时针方向；当电磁阀一a关闭，电磁阀二b和电磁阀三c打开时，外部回路流动方向如空心箭头所示为顺时针方向。

如图3所示，本发明提供的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统控制方法为：首先通过环境温度判断整车的运行条件，将整车运行分为低温模式、正常运行和高温模式；若环境温度小于环境低阈值T1，则为低温模式；若环境温度大于环境高阈值T2，则为高温模式，否则为正常运行；根据不同的运行模式分别执行相应的控制方法；当整车处于低温模式时，通过切换装置将热泵空调开启；若燃料电池1温度小于其温度低阈值T3且动力电池温度小于其温度低阈值T9，说明此时燃料电池1与动力电池温度过低需要进行加热，此时利用热泵空调来给燃料电池1和动力电池进行加热；当燃料电池1温度大于其低阈值时，则判断电机6温度是否小于其温度低阈值T5，若满足则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值T9，若满足则利用热泵空调来加热动力电池和电机6；当整车处于高温模式时，通过切换装置将热泵空调关闭，首先判断燃料电池1温度是否大于其高温阈值T4，若大于则说明此时燃料电池1需要散热，如果此时乘员舱温度和动力电池温度小于其高温阈值T8和T10，则可以利用三者之间温度水平的差异，利用乘员舱和动力电池的相对低温水平来给燃料电池1散热；若燃料电池1温度低于其高温阈值T4，其次考虑用乘员舱和动力电池的相对低温水平来给电机6散热；具体实施方式如下所述。

当处于低温模式时，通过切换装置将热泵空调开启，首先判断燃料电池1温度是否小于其温度低阈值T3，若小于则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值T9，若满足则开启三通阀一2、三通阀三11、三通阀四14，此时利用热泵空调来加热燃料电池1和动力电池；若燃料电池1温度大于其温度低阈值T3，则判断电机6温度是否小于其温度低阈值T5，若满足则判断动力电池温度是否小于其温度低阈值T9，若满足则开启三通阀二7、三通阀三11、三通阀四14，此时利用热泵空调来加热电机6和动力电池；当处于高温模式时，通过切换装置将热泵空调关闭，首先判断燃料电池1温度是否大于其温度高阈值T4，若大于则判断乘员舱温度和动力电池温度是否小于其温度高阈值T8和T10，若满足则开启三通阀一2、三通阀三11、三通阀四14，此时利用乘员舱和动力电池的低温来冷却燃料电池1；若燃料电池1温度小于其温度高阈值T4，则判断电机6温度是否大于其温度高阈值T6，若满足则判断乘员舱温度和动力电池温度是否小于其温度高阈值T8和T10，若满足则开启阀二7、三通阀三11、三通阀四14，此时利用乘员舱和动力电池的低温来冷却电机6；其余情况则根据各热管理回路的正常运行状态来运行。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。

本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。