燃料电池电电混动系统的热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池电电混动系统的热管理系统及其控制方法。

背景技术

与传统内燃机相比，PEMFC(燃料电池)虽然具有更高的效率，但对于温度的要求也更为严苛，温度过高或过低容易产生膜干和结冰现象，损电池性能，影响使用寿命，因此需要选取更合适的热管理方法。

目前电电混动燃料电池系统通常具有电堆和电池的两套热管理系统，根据传热介质的不同，热管理系统常见的方案为风冷与液冷，液冷相对直冷成本更低，冷却效果也优于风冷，具备主流应用趋势。其中，空气冷却只需将环境中的空气通过电池阴极或是电池之间附加冷却板，需要最小的平衡设备，冷却系统的结构也相对简单。空气冷却主要应用于额定功率小于5kW的燃料电池；当功率更大时，散热要求将变得更高，实际应用过程中可能无法满足燃料电池的散热需求。与空气冷却相比，液体冷却适用于额定功率大于5kW的燃料电池，但却存在泄露的安全风险。

然而，在电电混动燃料电池系统中，由于电堆和动力电池系统散热需求较高，通常均采用液冷的方式，但常规的液冷系统也存在温度不一致性问题，且燃料电池内部产生的余热利用不充分。同时，电堆和电池的两套热管理系统独立，导致常规电电混动热管理系统的结构复杂和体积过大，且电堆中的热量没有得到充分利用，余热利用不充分。因此亟需一种能够充分利用余热且换热效果充分的新型热管理技术。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种燃料电池电电混动系统的热管理系统，该热管理系统具有快速升温、温度可控、升温均匀性好、结构简单及成本低等优点。

本发明的另一个目的在于提出一种燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种燃料电池电电混动系统的热管理系统，包括：燃料电池热管理组件，用于对燃料电池电堆进行热管理；动力电池热管理组件，用于对动力电池系统进行热管理，其中，所述动力电池系统由多个单体电池和水凝胶组成的模组组成；水热再利用组件，用于液化降温所述燃料电池电堆工作时产生的水蒸气；控制组件，用于在所述系统处于燃料电池热管理工况时，控制所述燃料电池热管理组件对燃料电池电堆进行热管理，在所述系统处于动力电池热管理工况时，控制所述动力电池热管理组件对动力电池系统进行热管理，在所述系统处于水热再利用工况时，控制所述水热再利用组件液化降温的水蒸气，并流入水凝胶内，以通过水凝胶受热使得水凝胶内的水蒸发汽化对所述动力电池系统进行散热。

本发明实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统，通过燃料电池热管理系统回路、动力电池系统热管理回路和燃料电池水热再利用回路，根据不同工况及冷却或加热的需求，切换相应的回路，实现高效散热和加热，并有效利用燃料电池电堆系统所产生的水热，具有快速升温、温度可控、升温均匀性好、结构简单及成本低等优点，有效解决了燃料电池电堆系统内部换热不充分，外部附加冷却设备体积过大，结构复杂等问题。

另外，根据本发明上述实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述燃料电池热管理组件包括：第一保温水箱、第一散热器、第一水泵、第一三通阀和第二三通阀，所述第一保温水箱的一端与所述燃料电池电堆的出水口相连，所述第一保温水箱的另一端与所述第一三通阀的第一端相连，所述第一三通阀的第二端分别与所述第一保温水箱的入水口和所述燃料电池电堆的出水口相连，所述第一三通阀的第三端与所述第一散热器的一端相连，所述第一散热器的另一端与所述第二三通阀的第一端相连，所述第二三通阀的第二端与所述水泵的一端相连，所述水泵的另一端与所述燃料电池电堆的入水口相连；其中，当所述燃料电池电堆的温度满足第一加热条件时，所述控制组件控制所述第一保温水箱打开，将所述第一保温水箱存储的热水流入所述燃料电池电堆中，以对所述燃料电池电堆进行加热；当所述燃料电池电堆的温度满足第一冷却条件时，所述控制组件控制所述第一保温水箱打开，将所述燃料电池电堆中第一预设体积的热水存储至所述第一保温水箱后，控制所述第一保温水箱关闭的同时打开所述第一散热器，以对所述燃料电池电堆进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述动力电池热管理组件包括：第二保温水箱、PTC加热器、第二散热器、第二水箱和第三三通阀，所述第二保温水箱的一端与所述第二三通阀的一端相连，所述第二保温水箱的另一端与所述第三三通阀的第一端相连，所述第三三通阀的第二端与所述动力电池系统的一端相连，所述第三三通阀的第三端与所述PTC加热器的一端相连，所述PTC加热器的另一端与所述第二散热器的一端相连，所述第二散热器的另一端与所述第二水箱的一端相连，所述第二水箱的另一端与所述动力电池系统的另一端相连；其中，当所述动力电池系统的温度满足第二加热条件时，所述控制组件控制所述第二保温水箱打开，将所述第二保温水箱存储的热水流入所述动力电池热管理组件中，以对所述动力电池系统进行加热；当所述动力电池系统的温度满足第二冷却条件时，所述控制组件控制所述第二保温水箱打开，将所述动力电池系统中第二预设体积的热水存储至所述第二保温水箱后，控制所述第二保温水箱关闭的同时打开所述第二散热器，对动力电池冷却系统液进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在通过所述第二保温水箱存储的热水对所述动力电池系统进行加热之后，所述控制组件还用于：当所述动力电池系统或燃料电池电堆的温度满足第三加热条件时，控制所述水泵和/或所述PTC加热器打开，以对流入所述动力电池系统的冷却液进行加热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述水热再利用组件包括冷凝器。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法，所述热管理系统为上述实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统，包括以下步骤：检测所述热管理系统的当前工况，其中，所述当前工况包括燃料电池热管理工况、动力电池热管理工况和水热再利用工况；在所述系统处于燃料电池热管理工况时，控制所述燃料电池热管理组件对燃料电池电堆进行热管理，在所述系统处于动力电池热管理工况时，控制所述动力电池热管理组件对动力电池系统进行热管理，在所述系统处于水热再利用工况时，控制所述水热再利用组件液化降温的水蒸气，并流入水凝胶内，以通过水凝胶受热使得水凝胶内的水蒸发汽化对所述动力电池系统进行散热。

本发明实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法，通过燃料电池热管理系统回路、动力电池系统热管理回路和燃料电池水热再利用回路，根据不同工况及冷却或加热的需求，切换相应的回路，实现高效散热和加热，并有效利用燃料电池所产生的水热，具有快速升温、温度可控、升温均匀性好、结构简单及成本低等优点，有效解决了燃料电池内部换热不充分，外部附加冷却设备体积过大，结构复杂等问题。

另外，根据本发明上述实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述在所述系统处于燃料电池热管理工况时，控制所述燃料电池热管理组件对燃料电池电堆进行热管理，还包括：判断所述燃料电池电堆的温度是否满足第一加热条件或第一冷却条件；如果所述燃料电池电堆的温度满足第一加热条件，则控制所述第一保温水箱打开，将所述第一保温水箱存储的热水流入所述燃料电池电堆中，以对所述燃料电池电堆进行加热；如果所述燃料电池电堆的温度满足第一冷却条件时，则控制所述第一保温水箱打开，将所述燃料电池电堆中第一预设体积的热水存储至所述第一保温水箱后，控制所述第一保温水箱关闭的同时打开所述第一散热器，以对所述燃料电池电堆进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述在所述系统处于动力电池热管理工况时，控制所述动力电池热管理组件对动力电池系统进行热管理，包括：判断所述动力电池系统的温度是否满足第二加热条件或第二冷却条件；如果所述动力电池系统的温度满足第二加热条件，则控制所述第二保温水箱打开，将所述第二保温水箱存储的热水流入所述动力电池热管理组件中，以对所述动力电池系统进行加热；如果所述动力电池系统的温度满足第二冷却条件时，则控制所述第二保温水箱打开，将所述动力电池系统中第二预设体积的热水存储至所述第二保温水箱后，控制所述第二保温水箱关闭的同时打开所述第二散热器，对动力电池系统流出的冷却液进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在通过所述第二保温水箱存储的热水对所述动力电池系统进行加热之后，还包括：判断所述动力电池系统或燃料电池电堆的温度是否满足第三加热条件；如果所述动力电池系统或燃料电池电堆的温度满足第三加热条件，则控制所述水泵和/或所述PTC加热器打开，以对流入所述动力电池系统的冷却液进行加热。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的方框示意图；

图2为根据本发明一个实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的冷凝胶的安装位置示例图；

图4为根据本发明一个实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池电电混动系统的热管理系统及其控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池电电混动系统的热管理系统。

图1是本发明一个实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的方框示意图。

如图1所示，该燃料电池电电混动系统的热管理系统10包括：燃料电池热管理组件100、动力电池热管理组件200、水热再利用组件300和控制组件400。

其中，燃料电池热管理组件100用于对燃料电池电堆进行热管理；动力电池热管理组件200用于对动力电池系统进行热管理，其中，动力电池系统由多个单体电池和水凝胶组成的模组组成；水热再利用组件300用于液化降温燃料电池电堆工作时产生的水蒸气；控制组件400用于在系统处于燃料电池热管理工况时，控制燃料电池热管理组件100对燃料电池电堆进行热管理，在系统处于动力电池热管理工况时，控制动力电池热管理组件200对动力电池系统进行热管理，在系统处于水热再利用工况时，控制水热再利用组件300液化降温的水蒸气，并流入水凝胶内，以通过水凝胶受热使得水凝胶内的水蒸发汽化对动力电池系统进行散热。

需要说明的是，燃料电池热管理组件100可以为图2所示的燃料电池热管理系统回路，动力电池热管理组件200可以为图2所示的动力电池系统热管理回路，水热再利用组件300可以为图2所示的燃料电池水热再利用回路。

可以理解的是，如图2所示，本发明实施例的系统10包含燃料电池热管理系统回路、动力电池系统热管理回路和燃料电池水热再利用回路，可以根据不同工况及冷却或加热的需求，切换相应的回路，实现高效散热和加热，并有效利用燃料电池所产生的水，同时有效利用了燃料电池内部产生的液态水，倒入冷凝胶内，从侧面对电池进行冷却，大大减小了电池之间的温度不一致性，且能耗较低，结构简单，安装便捷。其中，冷凝胶的安装示例如图3所示，冷凝胶可以贴在电池两侧和电池之间。

进一步地，在本发明的一个实施例中，燃料电池热管理组件100包括：第一保温水箱、第一散热器、第一水泵、第一三通阀和第二三通阀。

其中，第一保温水箱的一端与燃料电池电堆的出水口相连，第一保温水箱的另一端与第一三通阀的第一端相连，第一三通阀的第二端分别与第一保温水箱的入水口和燃料电池电堆的出水口相连，第一三通阀的第三端与第一散热器的一端相连，第一散热器的另一端与第二三通阀的第一端相连，第二三通阀的第二端与水泵的一端相连，水泵的另一端与燃料电池电堆的入水口相连。

燃料电池热管理组件100的热管理流程为：当燃料电池电堆的温度满足第一加热条件时，控制组件控制第一保温水箱打开，将第一保温水箱存储的热水流入燃料电池电堆中，以对燃料电池电堆进行加热；当燃料电池电堆的温度满足第一冷却条件时，控制组件控制第一保温水箱打开，将燃料电池电堆中第一预设体积的热水存储至第一保温水箱后，控制第一保温水箱关闭的同时打开第一散热器，以对燃料电池电堆进行散热。

具体而言，如图2所示，燃料电池热管理系统回路中安装有储存热水的保温水箱，在冬季燃料电池电堆和动力电池系统中有加热需求时，保温水箱打开，热水从水箱中流入燃料电池电堆，加热燃料电池电堆。在有冷却需求时，保温水箱储存一部分热水后关闭并打开散热器，对燃料电池电堆冷却液进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，动力电池热管理组件200包括：第二保温水箱、PTC加热器、第二散热器、第二水箱和第三三通阀。

其中，第二保温水箱的一端与第二三通阀的一端相连，第二保温水箱的另一端与第三三通阀的第一端相连，第三三通阀的第二端与动力电池系统的一端相连，第三三通阀的第三端与PTC加热器的一端相连，PTC加热器的另一端与第二散热器的一端相连，第二散热器的另一端与第二水箱的一端相连，第二水箱的另一端与动力电池系统的另一端相连。

动力电池热管理组件200的热管理流程为：当动力电池的温度满足第二加热条件时，控制组件控制第二保温水箱打开，将第二保温水箱存储的热水流入动力电池热管理组件中，以对动力电池系统进行加热；当动力电池系统的温度满足第二冷却条件时，控制组件控制第二保温水箱打开，将动力电池系统中第二预设体积的热水存储至第二保温水箱后，控制第二保温水箱关闭的同时打开第二散热器，对动力电池系统流出的冷却液进行散热；在通过第二保温水箱存储的热水对动力电池系统进行加热之后，控制组件还用于：当动力电池系统或燃料电池电堆的温度满足第三加热条件时，控制水泵和/或PTC加热器打开，以对流入动力电池系统的冷却液进行加热。

具体而言，如图2所示，动力电池热管理系统回路中安装有保温水箱、散热器、水泵和PTC加热器。当电池中有加热需求时，保温水箱打开，热水流入动力电池系统中加热，若还需要进一步加热，打开水泵和PTC加热器，对冷却水进行加热。在有冷却需求时，保温水箱储存一部分热水后关闭并打开散热器，对动力电池系统冷却液进行散热。

需要说明的是，第一至第三三通阀可以为电子三通阀，对此不作具体限定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，水热再利用组件300可以包括冷凝器。

具体而言，结合2可知，燃料电池水热再利用回路工作流程如下：燃料电池电堆在正常工作时会产生大量的水，该水温度较高不宜直接冷却电池，所以流经冷凝器，液化降温后，流入电池系统中的水凝胶内。水凝胶受热，胶内的气态水蒸发汽化，被风扇抽出动力电池系统内。

根据本发明实施例提出的燃料电池电电混动系统的热管理系统，通过燃料电池热管理系统回路、动力电池系统热管理回路和燃料电池水热再利用回路，根据不同工况及冷却或加热的需求，切换相应的回路，实现高效散热和加热，并有效利用燃料电池所产生的水热，具有快速升温、温度可控、升温均匀性好、结构简单及成本低等优点，有效解决了燃料电池内部换热不充分，外部附加冷却设备体积过大，结构复杂等问题。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法。

图4是本发明一个实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法。

其中，热管理系统为上述实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统。如图4所示，该燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法包括以下步骤：

在步骤S101中，检测热管理系统的当前工况，其中，当前工况包括燃料电池热管理工况、动力电池热管理工况和水热再利用工况；

在步骤S102中，在系统处于燃料电池热管理工况时，控制燃料电池热管理组件对燃料电池电堆进行热管理，在系统处于动力电池热管理工况时，控制动力电池热管理组件对动力电池系统进行热管理，在系统处于水热再利用工况时，控制水热再利用组件液化降温的水蒸气，并流入水凝胶内，以通过水凝胶受热使得水凝胶内的水蒸发汽化对动力电池系统进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在系统处于燃料电池热管理工况时，控制燃料电池热管理组件对燃料电池电堆进行热管理，还包括：判断燃料电池电堆的温度是否满足第一加热条件或第一冷却条件；如果燃料电池电堆的温度满足第一加热条件，则控制第一保温水箱打开，将第一保温水箱存储的热水流入燃料电池电堆中，以对燃料电池电堆进行加热；如果燃料电池电堆的温度满足第一冷却条件时，则控制第一保温水箱打开，将燃料电池电堆中第一预设体积的热水存储至第一保温水箱后，控制第一保温水箱关闭的同时打开第一散热器，以对燃料电池电堆进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在系统处于动力电池热管理工况时，控制动力电池热管理组件对动力电池系统进行热管理，包括：判断动力电池的温度是否满足第二加热条件或第二冷却条件；如果动力电池系统的温度满足第二加热条件，则控制第二保温水箱打开，将第二保温水箱存储的热水流入动力电池热管理组件中，以对动力电池系统进行加热；如果动力电池系统的温度满足第二冷却条件时，则控制第二保温水箱打开，将动力电池系统中第二预设体积的热水存储至第二保温水箱后，控制第二保温水箱关闭的同时打开第二散热器，对动力电池系统流出冷却液进行散热。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在通过第二保温水箱存储的热水对动力电池系统进行加热之后，还包括：判断动力电池系统或燃料电池电堆的温度是否满足第三加热条件；如果动力电池系统或燃料电池电堆的温度满足第三加热条件，则控制水泵和/或PTC加热器打开，以对流入动力电池系统的冷却液进行加热。

需要说明的是，前述对燃料电池电电混动系统的热管理系统实施例的解释说明也适用于该实施例的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的燃料电池电电混动系统的热管理系统的控制方法，通过燃料电池热管理系统回路、动力电池系统热管理回路和燃料电池水热再利用回路，根据不同工况及冷却或加热的需求，切换相应的回路，实现高效散热和加热，并有效利用燃料电池所产生的水热，具有快速升温、温度可控、升温均匀性好、结构简单及成本低等优点，有效解决了燃料电池内部换热不充分，外部附加冷却设备体积过大，结构复杂等问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，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，例如两个，三个等，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；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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。