一种氢燃料车辆集成式热管理控制系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆热管理技术领域，具体为一种氢燃料车辆集成式热管理控制系统及方法。

背景技术

近年来，新能源行业迎来一波利好，以纯电动汽车、氢燃料电池汽车为代表的新能源汽车正在取代以燃油为动力的传统内燃机汽车。其中，氢燃料电池汽车具有能量转换效率高、续航能力强和能量补给快等优点，是代替内燃机汽车的优选。

然而，在行驶过程中氢燃料电池汽车会产生大量的废热，这些废热的排放给整车热管理系统带来了诸多挑战和难题。不同于内燃机汽车可以通过汽车尾气带走一部分热量，燃料电池汽车大部分废热必须通过冷却液带至车头散热器散热；而且燃料电池正常运行温度较低，汽车的热管理系统可利用的换热温差较小，导致车头散热器的负荷巨大，容易造成氢燃料电池电堆过热，使汽车性能和安全受到影响。

目前国内氢燃料重卡车辆的氢堆、动力电池、电驱动系统、空调四个系统的加热/冷却回路通常是相互独立的，各个回路都采用独立控制器ECU进行加热、冷却控制，另氢堆、驱动电机产生的废热使用散热器将热量散发到空气中，未能够充分利用能量。

专利号：CN 113352861 A 《一种氢能燃料电池汽车的热管理控制系统》提供了氢燃料车辆氢堆、储能、空调、驱动电机系统热管理系统控制说明，包括空调系统、燃料电池冷却/加热系统、储能冷却/加热系统以及电驱冷却系统，燃料电池系统无冷却需求或储能系统无加热需求时，燃料电池冷却/加热系统和储能冷却加/热系统互相独立；燃料电池冷却/加热系统温度大于a1时，热管理控制器热管理通过控制三通阀门并启动空调系统利用储能系统的电池/FC热交换器来给燃料电池冷却/加热系统降温，储能冷却/加热系统温度低于b4时，储能冷却/加热系统向热管理控制器发送加热请求，热管理控制器通过计算确定料电池冷却/加热系统有热富余后，热管理控制器热管理控制三通阀门利用储能系统的电池/FC热交换器来给储能冷却/加热系统加热。然而其公开的热管理控制系统结构复杂，且氢堆系统加热冷却为独立系统，未能充分利用氢堆热量。

专利CN109278590A《一种氢燃料电池汽车热管理系统》，其包括第一冷却回路和第二冷却回路，第一冷却回路为氢燃料电堆冷却，第一冷却回路上设置有第一散热器、氢燃料电堆和循环泵；第一冷却回路包括设置有去离子器的第一支路；第二冷却回路为氢燃料电池辅助系统及电驱动系统冷却，第二冷却回路上设置有第二散热器、电子水泵、空压机驱动电机、空压机控制器、DC/DC转换器、电机控制器和车辆驱动电机；第一散热器与第二散热器在车辆行驶方向上串联布置。该系统具有散热效果好、氢燃料电池冷却液电导率可控的特点。然而其存在结构复杂，能源利用率低的问题。

因此提供一种结构简单，能源利用率高的氢燃料电池汽车热管理系统已经成为本领域亟待解决的问题之一。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供氢燃料车辆集成式热管理控制系统及方法，本发明的技术方案一方面采用集成式热管理控制器，减少零部件数量；另一方面充分利用废热，提高能量利用率。

为达此目的，本发明的技术解决方案是：

本发明提供一种氢燃料车辆集成式热管理控制系统，包括燃料电池热管理系统、车内热管理系统和动力电池热管理系统；

所述燃料电池热管理系统包括电堆、第1电子水泵、第1加热器PTC、第1散热器、三通电磁阀、二通电磁阀、第1换热器；所述电堆一端通过第1电子水泵连接三通电磁阀A口，所述三通电磁阀的B口一路经第1散热器连接至电堆，另一路经二通电磁阀连接第1换热器然后连接至电堆；所述三通电磁阀的C口连接第一加热器PTC连接至电堆；

所述车内热管理系统包括第2电子水泵、第2加热器PTC、空调暖风芯体、空调压缩机、冷凝器、第1电子膨胀阀、空调蒸发器、第2电子膨胀阀、第2换热器；所述第1换热器通过所述第2水泵连接所述第2加热器PTC，然后连接所述空调暖风芯体，然后所述空调暖风芯体再连接到所述第1换热器；所述空调压缩机连接所述冷凝器，所述冷凝器一路通过所述第1电子膨胀阀连接所述空调蒸发器，另一路通过所述第2电子膨胀阀连接所述第2换热器，所述空调蒸发器和所述第2换热器连接回所述空调压缩机；

所述动力电池热管理系统包括第3水泵、第3加热器PTC、第2换热器；所述第3水泵一端连接第3加热器PTC然后连接到动力电池，再连接到所述第2换热器；所述第3水泵另一端连接所述第2换热器。

优选的，还包括燃电辅件热管理系统，所述燃电辅件热管理系统包括第4水泵、第2散热器、四通电磁阀、燃电辅件；所述第4水泵通过所述四通电磁阀C-B口连接所述第2散热器，所述第2散热器连接所述燃电辅件，所述燃电辅件连接至第4水泵另一端；所述第2换热器通过所述四通电磁阀A-D口连接所述第3水泵。

优选的，还包括第2电子风扇，设置在所述第2散热器和所述空调蒸发器后方，可配合所述第2散热器进行散热，也可配合所述空调蒸发器进行降温。

优选的，驱动电机和电机电控器连接于所述第2散热器和所述第4水泵之间。

优选的，所述燃料电池热管理系统还包括第1水箱，为燃料电池热管理系统系统供水。

优选的，所述车内热管理系统还包括第2水箱，为车内热管理系统系统供水。

优选的，还包括第1电子风扇，配合所述第1散热器进行散热。

优选的，还包括热管理控制器装置，所述热管理控制器装置根据车辆情况控制热管理控制系统的运行；热管理控制器装置包括微控制器、电源模块、CAN通讯接口、LIN通讯接口、A/D采集模块、PWM驱动模块、电磁阀驱动。

优选的，所述微控制器采用32位汽车级处理器，输入信号包括散热器进出水温度传感器，空调压缩机高压、低压传感器以及水箱的液位传感器；输出端连接有PWM驱动模块和电磁阀模块，通过CAN总线与动力电池、电机控制器、氢堆ECU进行交互，并通过CAN进行PTC、电动压缩机HVAC进行控制，以及通过LIN线控制三通、四通、电子膨胀阀。

本发明另一方面提供一种氢燃料车辆集成式热管理控制方法，包括

电池加热控制流程：

系统上电后检测电池温度低于设定温度a0，如电机处于工作状态且温度高于设定温度b0，则接通四通阀，利用驱动电机系统温度给电池加热，否则就采用第3加热器PTC给电池加热。当电池温度升高到设定温度a1时，关闭第3加热器PTC，四通阀，电池加热结束；

驾驶室加热流程：

系统上电后检测驾舱温度低于设定温度d0，如氢堆处于工作状态且温度高于设定温度c0，则接通三通阀A-B，二通阀、第2水泵工作，利用氢堆系统水温给驾舱加热，否则就采用第2加热器PTC给驾舱加热；当驾舱温度升高到设定温度d1时，关闭第2加热器PTC及第2水泵，驾舱加热结束。

以上设定温度a0、a1、b0、b1、c0、d0、d1为本领域技术人员可根据需要进行设定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)车辆内部具有取暖要求，特别是重卡驾驶室比较大，冬天需要加热量比较大，利用换热器将氢堆高热量传递给驾驶室取暖，减少高压PTC能量消耗；

2)利用四通阀将驱动电机系统热量传递给动力电池加热保温，减少高压PTC能量消耗，提高能量利用率；

3)热管理控制器集成了氢堆、动力电池、空调系统、电驱动系统的控制功能。减少控制器数量，集成度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种氢燃料车辆集成式热管理控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种氢燃料车辆集成式热管理控制总体流程示意图；

图3为本发明实施例提供的电池辅助加热控制流程示意图；

图4为本发明实施例提供的驾驶室辅助加热流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种氢燃料车辆集成式热管理控制器装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种氢燃料车辆集成式热管理控制系统，参见附图1，其包括燃料电池热管理系统、车内热管理系统、动力电池热管理系统和燃电辅件热管理系统。

燃料电池热管理系统包括电堆、第1电子水泵、第1加热器PTC、第1散热器、三通电磁阀、二通电磁阀、第1换热器；所述电堆一端通过第1电子水泵连接三通电磁阀A口，所述三通电磁阀的B口一路经第1散热器连接至电堆，另一路经二通电磁阀连接第1换热器然后连接至电堆；所述三通电磁阀的C口连接第1加热器PTC连接至电堆。电堆低温时，三通阀A-C通、A-B关，启动第1加热器PTC、水泵、开始给电堆加热。电堆温度高时，三通阀A-C关、A-B通，关闭第1加热器PTC，启动第1电子水泵，第1散热器，给氢堆散热。如此时驾驶室有加热请求，二通电磁阀通，通过第1换热器给驾驶室提供热量。

车内热管理系统包括第2电子水泵、第2加热器PTC、空调暖风芯体、空调压缩机、冷凝器、第1电子膨胀阀、空调蒸发器、第2电子膨胀阀、第2换热器；所述第1换热器通过所述第2水泵连接所述第2加热器PTC，然后连接所述空调暖风芯体，然后所述空调暖风芯体再连接到所述第1换热器；所述空调压缩机连接所述冷凝器，所述冷凝器一路通过所述第1电子膨胀阀连接所述空调蒸发器，另一路通过所述第2电子膨胀阀连接所述第2换热器，所述空调蒸发器和所述第2换热器连接回所述空调压缩机。驾驶室加热请求，氢堆未启动时，启动第2电子水泵、第2加热器PTC进行预热。氢堆启动温度升高后，关闭第2加热器PTC，采用第1换热器进行加热。驾驶室有冷却请求时，启动空调压缩机、第1电子膨胀阀、进行空调制冷。

动力电池热管理系统包括第3水泵、第3加热器PTC、第2换热器；所述第3水泵一端连接第3加热器PTC然后连接到动力电池，再连接到所述第2换热器；所述第3水泵另一端连接所述第2换热器。动力电池有冷却请求时，启动压缩机、第2电子膨胀阀、通过换热器2进行空调强制制冷。动力电池有加热请求时，开启四通阀A-B通、C-D通，关闭第3加热器PTC，利用驱动电机系统进行保温。

燃电辅件热管理系统包括第4水泵、第2散热器、四通电磁阀、燃电辅件；所述第4水泵通过所述四通电磁阀C-B口连接所述第2散热器，所述第2散热器连接所述燃电辅件，所述燃电辅件连接至第4水泵另一端；所述第2换热器通过所述四通电磁阀A-D口连接所述第3水泵。驱动电机及电机控制器连接在第2散热器和第4水泵之间，动力电池与驱动电机独立回路。

实施例2

总体控制流程

如图2所示，点火锁ON档上电，控制器完成初始化。氢燃料电池处于工作状态，温度较低时，开启加热控制，温度达到要求时，关闭加热；当氢燃料电池温度较高时，开启散热；驾驶室加热需求时，判断氢燃料电池温度，高于70℃则打开2通电磁阀，利用氢燃料电池温度加热，低于70℃则通过第2PTC加热。驾驶室/电池冷却需求时，均通过空调系统冷却。电驱冷却需求时，通过第2散热器进行散热。

电池辅助加热控制流程

参见附图3，测电池温度低于a0（8°C），如电机处于工作状态且温度高于b0（65°C），则接通四通阀，利用驱动电机系统温度给电池加热，否则就采用第3加热器PTC给电池加热。当电池温度升高到a1（25°C）时，关闭第3加热器PTC，四通阀，电池加热结束。

驾驶室辅助加热流程

参见附4，温度低于d0（15°C），如氢堆处于工作状态且温度高于c0（70°C），则接通三通阀A-B，二通阀、第2水泵工作，利用氢堆系统水温给驾舱加热，否则就采用第2加热器PTC给驾舱加热。当驾舱温度升高到d1（25°C）时，关闭第2加热器PTC及第2水泵，驾舱加热结束。

以上设定温度a0、a1、b0、b1、c0、d0、d1仅仅为举例说明，其具体值为本领域技术人员可根据车辆参数，使用情况，环境温度等情况进行设定的。

实施例3

如附图5所示，热管理控制器装置包括微控制器、电源模块、CAN通讯接口、LIN通讯接口、A/D采集模块、PWM驱动模块、电磁阀驱动。微控制器采用32位汽车级处理器，输入信号包括散热器进出水温度传感器，空调压缩机高压、低压传感器以及水箱的液位传感器；输出端连接有PWM驱动模块和电磁阀模块，通过CAN总线与动力电池、电机控制器、氢堆ECU进行交互，并通过CAN进行PTC、电动压缩机HVAC进行控制，以及通过LIN线控制三通、四通、电子膨胀阀。