一种氢燃料电池汽车热管理控制系统及其控制方法

技术领域

本发明一种氢燃料电池汽车热管理控制系统及其控制方法，属于氢燃料电池汽车热管理控制系统及其控制方法技术领域。

背景技术

低碳化的能源变革是世界各国能源发展的主题。太阳能、风能等可再生能源发电具有不稳定性，不能作为替代能源大规模使用。氢是一种洁净的二次能源载体，来源途径多，且能方便地转换成电和热。氢能可作为连接可再生能源与传统化石能源的桥梁，是未来能源的重要组成部分。氢燃料电池汽车因燃料补充时间短、续航里程长，被视为替代传统油车的理想方案之一。发展氢能和氢燃料电池汽车具有巨大的能源战略意义。

氢燃料电池动力系统工作温度在60~70℃区间，其发电过程约一半能量转化为热能。氢燃料电池汽车热管理系统涉及空调、采暖、锂离子电池、燃料电池、电机及电控等，协调各子系统间能量利用，以提高能量利用率，是整车集成的关键技术。

但是现有的氢燃料电池热管理控制系统缺乏对冬夏两种不同环境下的氢燃料电池的热管理，且燃料电池的热能利用率低，因此，需要提出一种能够同时实现夏季、冬季两种热管理的控制系统及其控制方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种氢燃料电池汽车热管理控制系统硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种氢燃料电池汽车热管理控制系统，包括燃料电池热管理管路和空调制冷/制热管路，所述燃料电池热管理管路和空调制冷/制热管路之间通过与第二三通阀相连的第一热交换器、第二热交换器实现整车冷、热流能量的交换；

所述第二三通阀的进口通过管路与空调冷/热出风管路的出口相连，所述第二三通阀的第一出口通过管路与第一热交换器的第一进口相连，所述第二三通阀的第二出口通过管路与第二热交换器的第一进口相连；

所述第一热交换器的第二进口通过管路与燃料电池热管理管路的出口相连，所述第二热交换器的第二进口通过管路与空调制冷/制热管路的冷流出口相连，所述第二热交换器的第一出口通过管路与空调制冷/制热管路的热流出口管路相连。

所述热管理控制系统还包括锂离子电池的热管理管路，所述锂离子电池的热管理管路的第一进口通过管路与第二热交换器的第二出口相连，所述锂离子电池的热管理管路的第二进口通过管路与第一热交换器的第二出口相连，所述锂离子电池的热管理管路的出口通过管路与空调冷/热出风管路的进口相连。

所述燃料电池热管理管路包括氢燃料电池，所述氢燃料电池的进口通过管路分别与第一膨胀水箱、PTC加热器的一端、燃料电池散热器的出口相连，所述氢燃料电池的出口通过管路与第一三通阀的进口相连，所述第一三通阀的第一出口通过管路与第一热交换器的第二进口相连，所述第一热交换器的第一出口、第一三通阀的第二出口分别通过管路与第一水泵的进口相连，所述第一水泵的出口通过管路与燃料电池专用节温器的进口相连，所述燃料电池专用节温器的第一出口通过管路与PTC加热器的另一端相连，所述燃料电池专用节温器的第二出口通过管路与燃料电池散热器的进口相连；

所述氢燃料电池的进口管路上还设置有燃料电池温度传感器。

所述空调制冷/制热管路包括冷凝器，所述冷凝器的出口通过管路与第二热交换器的第二进口相连，所述冷凝器的出口还通过管路与蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口通过管路与压缩机的进口相连，所述压缩机的出口通过管路与冷凝器的进口相连；

所述蒸发器的出口还通过管路与第二热交换器的第一出口相连；

所述冷凝器与第二热交换器相连的出口管路上设置有开关阀，所述冷凝器与蒸发器相连的出口管路上设置有电子膨胀阀。

所述锂离子电池的热管理管路包括锂离子电池，所述锂离子电池的出口通过管路与第三三通阀的进口相连，所述第三三通阀的第一出口通过管路与空调冷/热出风管路的进口相连，所述第三三通阀的第二出口通过管路与第四三通阀的第二进口相连，所述第四三通阀的出口通过管路与第二水泵的进口相连，所述第二水泵的出口通过管路与锂离子电池的进口相连；

所述第四三通阀的第一进口通过管路与第五三通阀的出口相连，所述第五三通阀的第一进口通过管路与第二热交换器的第二出口相连，所述第五三通阀的第二进口通过管路与第一热交换器的第二出口相连；

所述锂离子电池的进口管路上设置有锂离子电池温度传感器、第三膨胀水箱。

所述热管理控制系统还包括用于实现汽车上电气部分散热的电驱动散热管路，所述电驱动散热管路包括电机、第三水泵、电驱系统散热器，所述第三水泵的进水管路与电驱系统散热器的出口相连，所述第三水泵的出水管路依次通过多合一总成、电机的散热管路后接入电驱系统散热器的进口管路；

所述第三水泵的进水管路上设置有第二膨胀水箱。

所述压缩机、电子膨胀阀、燃料电池散热器、燃料电池专用节温器、PTC加热器、第一水泵、第二水泵、电机、多合一总成、第三水泵、电驱系统散热器、第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第四三通阀、第五三通阀的控制端分别通过导线与整车控制单元的控制器相连，所述燃料电池温度传感器、锂离子电池温度传感器的信号输出端分别通过导线与整车控制单元的控制器相连。

一种氢燃料电池汽车热管理控制方法，包括如下步骤：

步骤一：汽车开启“ON”档，即将汽车上电给车内所有电器供电；

步骤二：低压辅助系统上电后锂离子热管理系统和燃料电池热管理系统分别进行自检；

步骤三：当控制器判断锂离子电池温度传感器采集的温度在锂离子电池的工作温度区间时，锂离子电池采用独立的热管理结构，即启动锂离子电池的热管理管路；

当控制器判断锂离子电池温度传感器采集的温度低于锂离子电池的工作温度下限时，启动燃料电池热管理管路的PTC加热器；

当控制器判断锂离子电池温度传感器采集的温度高于锂离子电池的工作温度上限时，启动空调制冷系统、电驱动散热管路辅助降温；

同时控制器判断燃料电池温度传感器采集的氢燃料电池系统温度是否达到开启燃料电池专用节温器的温度，当达到开启燃料电池专用节温器的温度时，氢燃料电池热管理采用大循环模式，即燃料电池专用节温器连接PTC加热器的管路截止，燃料电池专用节温器连接燃料电池散热器的管路导通；

当未达到开启燃料电池专用节温器的温度时，氢燃料电池热管理采用小循环模式，即燃料电池专用节温器连接PTC加热器的管路导通，燃料电池专用节温器连接燃料电池散热器的管路截止；

步骤四：高压上电。

所述步骤三中的启动锂离子电池的热管理管路的具体过程为：第三三通阀的第二出口导通，第四三通阀的第二进口导通；

所述步骤三中启动燃料电池热管理管路的PTC加热器的具体过程为：第一三通阀的第一出口导通，第二三通阀的第一出口导通，第三三通阀的第一出口导通，第四三通阀的第一进口导通，第五三通阀的第二进口导通，燃料电池专用节温器连接PTC加热器的管路导通；

所述步骤三中的启动空调制冷系统、电驱动散热管路辅助降温的具体过程为：第一三通阀的第二出口导通，第二三通阀的第二出口导通，第三三通阀的第一出口导通，第四三通阀的第一进口导通，第五三通阀的第一进口导通，开关阀打开，电子膨胀阀打开。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：1）燃料电池的热能用于冬季驾驶室采暖，提高了整车能量利用率，有助于解决冬季电动车续航短的技术弊端。

2）燃料电池的热能用于冬季锂离子电池的加热，使锂离子电池工作在最佳温度范围，可延长锂离子电池的使用寿命、提高锂离子电池的使用安全。

3）燃料电池与锂离子电池共用一个加热PTC，简化了汽车加热结构设计。

4）热交换器外侧设计多个三通阀，可在两个热交换器中实现两种冷媒流通、多种热管理交换，夏、冬两季分别利用空调制冷、燃料电池热能，为锂电池提供冷却、加热功能，并分别满足驾驶员的冷风、暖风需求。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明在冬季汽车启动时的燃料电池-锂离子电池-暖风热管理系统结构示意图；

图3为本发明在冬季汽车正常行程时的燃料电池-锂离子电池-暖风热管理系统结构示意图；

图4为本发明在夏季汽车正常行程时的空调制冷-锂离子电池散热系统结构示意图；

图5为本发明的锂离子电池独立的热管理系统结构示意图；

图6为本发明的控制方法的流程图。

图中：1为冷凝器、2为压缩机、3为蒸发器、4为电子膨胀阀、5为开关阀、6为氢燃料电池、7为燃料电池散热器、8为燃料电池专用节温器、9为PTC加热器、10为第一水泵、11为第一热交换器、12为第一膨胀水箱、13为第一三通阀、14为锂离子电池、15为第二水泵、16为第二热交换器、17为电机、18为多合一总成、20为第三水泵、21为第二膨胀水箱、22为空调冷/热出风管路、23为第五三通阀、24为第二三通阀、25为电驱系统散热器、26为燃料电池温度传感器、27为锂离子电池温度传感器、28为第三三通阀、29为第四三通阀、30为第三膨胀水箱、111为燃料电池热管理管路、112为空调制冷/制热管路、113为锂离子电池的热管理管路、114为电驱动散热管路。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明一种氢燃料电池汽车热管理控制系统，包括燃料电池热管理管路111和空调制冷/制热管路112，所述燃料电池热管理管路111和空调制冷/制热管路112之间通过与第二三通阀24相连的第一热交换器11、第二热交换器16实现整车冷、热流能量的交换；

所述第二三通阀24的进口通过管路与空调冷/热出风管路22的出口相连，所述第二三通阀24的第一出口通过管路与第一热交换器11的第一进口相连，所述第二三通阀24的第二出口通过管路与第二热交换器16的第一进口相连；

所述第一热交换器11的第二进口通过管路与燃料电池热管理管路111的出口相连，所述第二热交换器16的第二进口通过管路与空调制冷/制热管路112的冷流出口相连，所述第二热交换器16的第一出口通过管路与空调制冷/制热管路112的热流出口管路相连。

所述热管理控制系统还包括锂离子电池的热管理管路113，所述锂离子电池的热管理管路113的第一进口通过管路与第二热交换器16的第二出口相连，所述锂离子电池的热管理管路113的第二进口通过管路与第一热交换器11的第二出口相连，所述锂离子电池的热管理管路113的出口通过管路与空调冷/热出风管路22的进口相连。

所述燃料电池热管理管路111包括氢燃料电池6，所述氢燃料电池6的进口通过管路分别与第一膨胀水箱12、PTC加热器9的一端、燃料电池散热器7的出口相连，所述氢燃料电池6的出口通过管路与第一三通阀13的进口相连，所述第一三通阀13的第一出口通过管路与第一热交换器11的第二进口相连，所述第一热交换器11的第一出口、第一三通阀13的第二出口分别通过管路与第一水泵10的进口相连，所述第一水泵10的出口通过管路与燃料电池专用节温器8的进口相连，所述燃料电池专用节温器8的第一出口通过管路与PTC加热器9的另一端相连，所述燃料电池专用节温器8的第二出口通过管路与燃料电池散热器7的进口相连；

所述氢燃料电池6的进口管路上还设置有燃料电池温度传感器26。

所述空调制冷/制热管路112包括冷凝器1，所述冷凝器1的出口通过管路与第二热交换器16的第二进口相连，所述冷凝器1的出口还通过管路与蒸发器3的进口相连，所述蒸发器3的出口通过管路与压缩机2的进口相连，所述压缩机2的出口通过管路与冷凝器1的进口相连；

所述蒸发器3的出口还通过管路与第二热交换器16的第一出口相连；

所述冷凝器1与第二热交换器16相连的出口管路上设置有开关阀5，所述冷凝器1与蒸发器3相连的出口管路上设置有电子膨胀阀4。

所述锂离子电池的热管理管路113包括锂离子电池14，所述锂离子电池14的出口通过管路与第三三通阀28的进口相连，所述第三三通阀28的第一出口通过管路与空调冷/热出风管路22的进口相连，所述第三三通阀28的第二出口通过管路与第四三通阀29的第二进口相连，所述第四三通阀29的出口通过管路与第二水泵15的进口相连，所述第二水泵15的出口通过管路与锂离子电池14的进口相连；

所述第四三通阀29的第一进口通过管路与第五三通阀23的出口相连，所述第五三通阀23的第一进口通过管路与第二热交换器16的第二出口相连，所述第五三通阀23的第二进口通过管路与第一热交换器11的第二出口相连；

所述锂离子电池14的进口管路上设置有锂离子电池温度传感器27、第三膨胀水箱30。

所述热管理控制系统还包括用于实现汽车上电气部分散热的电驱动散热管路114，所述电驱动散热管路114包括电机17、第三水泵20、电驱系统散热器25，所述第三水泵20的进水管路与电驱系统散热器25的出口相连，所述第三水泵20的出水管路依次通过多合一总成18、电机17的散热管路后接入电驱系统散热器25的进口管路；

所述第三水泵20的进水管路上设置有第二膨胀水箱21。

所述压缩机2、电子膨胀阀4、燃料电池散热器7、燃料电池专用节温器8、PTC加热器9、第一水泵10、第二水泵15、电机17、多合一总成18、第三水泵20、电驱系统散热器25、第一三通阀13、第二三通阀24、第三三通阀28、第四三通阀29、第五三通阀23的控制端分别通过导线与整车控制单元的控制器相连，所述燃料电池温度传感器26、锂离子电池温度传感器27的信号输出端分别通过导线与整车控制单元的控制器相连。

一种氢燃料电池汽车热管理控制方法，包括如下步骤：

步骤一：汽车开启“ON”档，即将汽车上电给车内所有电器供电；

步骤二：低压辅助系统上电后锂离子热管理系统和燃料电池热管理系统分别进行自检；

步骤三：当控制器判断锂离子电池温度传感器27采集的温度在锂离子电池14的工作温度区间时，锂离子电池14采用独立的热管理结构，即启动锂离子电池的热管理管路113；

当控制器判断锂离子电池温度传感器27采集的温度低于锂离子电池14的工作温度下限时，启动燃料电池热管理管路111的PTC加热器9；

当控制器判断锂离子电池温度传感器27采集的温度高于锂离子电池14的工作温度上限时，启动空调制冷系统、电驱动散热管路114辅助降温；

同时控制器判断燃料电池温度传感器26采集的氢燃料电池6系统温度是否达到开启燃料电池专用节温器8的温度，当达到开启燃料电池专用节温器8的温度时，氢燃料电池热管理采用大循环模式，即燃料电池专用节温器8连接PTC加热器9的管路截止，燃料电池专用节温器8连接燃料电池散热器7的管路导通；

当未达到开启燃料电池专用节温器8的温度时，氢燃料电池热管理采用小循环模式，即燃料电池专用节温器8连接PTC加热器9的管路导通，燃料电池专用节温器8连接燃料电池散热器7的管路截止；

步骤四：高压上电。

所述步骤三中的启动锂离子电池的热管理管路113的具体过程为：第三三通阀28的第二出口导通，第四三通阀29的第二进口导通；

所述步骤三中启动燃料电池热管理管路111的PTC加热器9的具体过程为：第一三通阀13的第一出口导通，第二三通阀24的第一出口导通，第三三通阀28的第一出口导通，第四三通阀29的第一进口导通，第五三通阀23的第二进口导通，燃料电池专用节温器8连接PTC加热器9的管路导通；

所述步骤三中的启动空调制冷系统、电驱动散热管路114辅助降温的具体过程为：第一三通阀13的第二出口导通，第二三通阀24的第二出口导通，第三三通阀28的第一出口导通，第四三通阀29的第一进口导通，第五三通阀23的第一进口导通，开关阀5打开，电子膨胀阀4打开。本发明提供的氢燃料电池汽车热管理控制系统首先，在汽车热管理系统中设计多个三通阀，便于冬、夏两种极端环境下，通过三通阀的控制，实现不同的控制策略，提高系统能量效率；其次，在燃料电池热管理系统设置PTC加热器9和燃料电池专用节温器8，满足冬季环境下燃料电池系统的快速升温；在燃料电池热管理系统与暖风管路之间设置第一热交换器11，冬季将燃料电池生成的热能引入到采暖系统，用于驾驶室取暖；在氢燃料电池6与锂离子电池14的热管理系统之间设置第二热交换器16，冬季将燃料电池热能用于锂离子电池的加热，使锂离子电池工作在最佳温度范围；燃料电池与锂离子电池共用一个PTC加热器9，简化加热单元；多合一总成18包含：电机控制器、能量分配单元、转向泵DC-AC、制动泵DC-AC、低压蓄电池DC-DC。

本发明在冬季使用时的原理为：如图2所示，汽车在冬季启动时，氢燃料电池6采用小循环热管理系统，即冷却液不经过燃料电池散热器7，可快速升温至燃料电池最佳工作区间在60-80℃，取70℃为最佳温度值；氢燃料电池6与空调暖风、锂离子电池14通过第一热交换器11的热能交换，共用一个PTC加热器9，简化了加热结构；汽车正常行驶后，当氢燃料电池6温度达到燃料电池专用节温器8的打开温度在55-75℃时，取65℃为最佳温度值，冷却水由小循环过渡到大循环，如图3所示，即冷却液流经燃料电池散热器7，此时，氢燃料电池6生成热与燃料电池散热器7之间相互协调，调控氢燃料电池6工作在最佳温度区间；同时，氢燃料电池6生成热通过第二热交换器16给空调暖风、锂离子电池14加热，避免了空调取暖及由此导致的续航缩水问题。

本发明在夏季使用时的原理为：夏季汽车行驶时，因环境温度高，主要考核各子系统的散热能力。从整车布置角度，首先考虑将燃料电池散热器7、电驱系统散热器25放置于通风性能好的位置，利于燃料电池生成热及时与空气进行热交换。锂离子电池14工作过程生成热较小，且其工作最佳温度区间为15-35℃，取25℃为最佳温度值，可以设置用空调制冷系统通过第二热交换器16，同时满足锂离子电池14进行散热和空调冷风。夏季汽车行驶时，空调制冷-锂离子电池散热系统结构示意图如图4所示，燃料电池热管理独立控制的结构示意图如图5所示。

本发明的汽车热管理系统的工作流程如图6所示。

（1）汽车开启“ON”档。

（2）低压辅助系统上电。

（3）系统自检。

锂离子电池热管理系统：①当锂离子电池温度传感器27采集的温度满足其工作温度区间，则锂离子电池14采用独立的热管理结构，电磁阀按照图5所示连接；②当锂离子电池温度传感器27采集的温度低于其工作温度下限，则需要PTC加热，即按照图2方式连接（当温度达到节温器开启温度后，按照图3所示连接）；③当锂离子电池温度传感器27采集的温度高于其工作温度上限，则需要空调制冷系统辅助降温，即按照图4方式连接。

燃料电池热管理系统：①当燃料电池系统温度低于节温器8的开启温度，则燃料电池采用小循环热管理结构，节温器按照图2所示连接；②当燃料电池系统温度高于节温器8的开启温度，按照图3所示连接。

（4）高压上电。

本发明提出的氢燃料电池汽车热管理控制系统及其控制方法，通过设置热交换器、节温器和三通阀等关键组件，实现空调与电池间的热能交互，并设置夏季、冬季两种热管理方案及控制策略。冬季燃料电池电堆余热用于驾驶室取暖及锂离子电池箱的温度调节，解决新能源汽车冬季续航缩减的技术问题；夏季用空调制冷系统辅助锂电池散热，保障锂离子电池工作在最佳温度。本发明不仅保障了各子系统适宜的运行温度区间，延长其工作寿命；而且可提高整车能量利用率，冬、夏均可保持整车续航能力。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。