一种用于燃料电池汽车的热管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及车辆辅助系统技术领域，具体涉及一种用于燃料电池汽车的热管理系统。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将化学能直接转化为直流电能的发电装置，具有清洁、高效、环境友好的优点。在国家双碳政策推动下，氢燃料电池在新能源汽车、分布式发电、轨道交通等领域发展迅速，应用前景十分广阔。
3.氢燃料电池在工作过程中产生与输出电能相当的热能，如不能及时有效将这部门热能进行转移，则可能导致质子交换膜干燥，降低膜性能，进而影响燃料电池输出特性和寿命；而在低温下，因结冰、电化学活性降低等原因，导致燃料电池无法直接启动，必须将其加热至合适的低温启动温度。对于锂离子动力电池，在极低温度下放电可能会诱导正极活性物质颗粒破裂，造成容量不可逆损失；在低温下充电，锂离子可能在负极表面直接生成金属锂枝晶，易引发严重的安全事故；高温可能造成锂离子电池内部副反应增加，形成不可逆容量损失，甚至有可能引发热失控。因此，在现有的燃料电池汽车中，通常采用既为燃料电池配备若干电加热装置的方法实现燃料电池能够在低温环境下实现冷启动，又为动力电池配备若干电加热装置，确保动力电池能够在低温环境下工作；同时，在燃料电池和动力电池工作温度较高时，分别通过散热器为其散热，确保工作在合适的温度区间。显然在这套系统中需要布置多个电加热装置，而也会需要较多的高低压束线进行配置，从而导致系统成本较高，且存在一定的高压漏电风险；这是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于燃料电池汽车的热管理系统，以实现动力电池和燃料电池低温快速预热和精准温度控制，降低燃料电池汽车热管理系统成本，提高安全性。
5.为解决上述问题，本实用新型提供了如下技术方案：
6.一种用于燃料电池汽车的热管理系统；它包括中冷器和电堆；在中冷器和电堆的冷却管路出口侧均通过电堆冷却液循环泵后汇入至电堆冷却液循环三通电磁阀；在电堆的出入口管路侧分别安装有电堆冷却液出口温度传感器以及压力传感器和电堆冷却液入口温度传感器；电堆冷却液循环三通电磁阀的另外两个接口分别接至电堆散热器和电加热装置上；在电堆冷却液循环泵输入至电堆冷却液循环三通电磁阀的管道上还接有支管，该支管通过去离子装置后连接到电堆冷却液膨胀壶上；电堆散热器的一个出口侧连接至电堆冷却液膨胀壶上；在电堆冷却液膨胀壶、电加热装置和电堆散热器的出口端还设置有一根并接至至电堆的入口处的管线，且在该管线上还设置有与中冷器入口侧相接的支管；
7.在电加热装置上还设置有一对出入口接管，该入口接管与动力电池加热循环三通电磁阀的一个出口相接，而出口接管则接至动力电池加热循环三通电磁阀输出到与动力电
池冷却液循环泵的管路上；动力电池加热循环三通电磁阀的入口接至动力电池包上；动力电池冷却液循环泵的出口管通过动力电池冷却液循环三通电磁阀分为两股管路，其中一股经过动力电池散热器后与另一股相汇连接至动力电池包的入口处；在动力电池包的入口管道上还设置有动力电池冷却液进口温度传感器；在连接动力电池冷却液进口温度传感器与动力电池包之间的管道上还设置有用于接入动力电池冷却液膨胀壶的支管；电池冷却液膨胀壶的出口接入至动力电池加热循环三通电磁阀输出到与动力电池冷却液循环泵的管路上。
8.优选的，该控制器以中冷器和电堆作为电堆热管理系统的管理对象；以压力传感器、电堆冷却液入口温度传感器、电堆冷却液出口温度传感器为电堆热管理系统的控制输入；同时又以动力电池包为动力电池热管理系统的热管理对象；以动力电池冷却液进口温度传感器为动力电池热管理系统的控制输入。
9.本实用新型有益效果：
10.本实用新型的有益效果体现在将现有的燃料电池系统与动力电池系统改造为仅需一个电加热装置的系统构造，减少了电加热装置及高低压线束配置数量，降低了系统成本；同时，因高压器件数量减少，降低了高压漏电风险点数，也提高了安全性。
附图说明
11.图1是本实施例中燃料电池汽车热管理系统的示意图；
12.附图标记说明：1-中冷器；2、压力传感器；3、电堆冷却液入口温度传感器；4、电堆；5、电堆冷却液出口温度传感器；6、电堆冷却液循环泵；7、电堆冷却液循环三通电磁阀；8、电堆散热器；9、电加热装置；10、去离子装置；11、电堆冷却液膨胀壶；12、动力电池冷却液膨胀壶；13、动力电池冷却液循环泵；14、动力电池冷却液循环三通电磁阀；15、动力电池散热器；16、动力电池冷却液进口温度传感器；17、动力电池包；18、动力电池加热循环三通电磁阀。
具体实施方式
13.下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍：
14.实施例：
15.参照图1，本实施例提供一种用于燃料电池汽车的热管理系统，它包括中冷器1和电堆4；在中冷器1和电堆4的冷却管路出口侧均通过电堆冷却液循环泵6后汇入至电堆冷却液循环三通电磁阀7；在电堆4的出入口管路侧分别安装有电堆冷却液出口温度传感器5以及压力传感器2和电堆冷却液入口温度传感器3；电堆冷却液循环三通电磁阀7的另外两个接口分别接至电堆散热器8和电加热装置9上；在电堆冷却液循环泵6输入至电堆冷却液循环三通电磁阀7的管道上还接有支管，该支管通过去离子装置10后连接到电堆冷却液膨胀壶11上；电堆散热器8的一个出口侧连接至电堆冷却液膨胀壶11上；在电堆冷却液膨胀壶11、电加热装置9和电堆散热器8的出口端还设置有一根并接至至电堆4的入口处的管线，且在该管线上还设置有与中冷器1入口侧相接的支管；
16.在电加热装置9上还设置有一对出入口接管，该入口接管与动力电池加热循环三通电磁阀18的一个出口相接，而出口接管则接至动力电池加热循环三通电磁阀18输出到与动力电池冷却液循环泵13的管路上；动力电池加热循环三通电磁阀18的入口接至动力电池
包17上；动力电池冷却液循环泵13的出口管通过动力电池冷却液循环三通电磁阀14分为两股管路，其中一股经过动力电池散热器15后与另一股相汇连接至动力电池包17的入口处；在动力电池包17的入口管道上还设置有动力电池冷却液进口温度传感器16；在连接动力电池冷却液进口温度传感器16与动力电池包17之间的管道上还设置有用于接入动力电池冷却液膨胀壶12的支管；电池冷却液膨胀壶12的出口接入至动力电池加热循环三通电磁阀18输出到与动力电池冷却液循环泵13的管路上。
17.在上述设备中，中冷器1、压力传感器2、电堆冷却液入口温度传感器3、电堆4、电堆冷却液出口温度传感器5、电堆冷却液循环泵6、电堆冷却液循环三通电磁阀7、电堆散热器8、电加热装置9、去离子装置10和电堆冷却液膨胀壶11形成了一个电堆热管理系统
18.动力电池冷却液膨胀壶12、动力电池冷却液循环泵13、动力电池冷却液循环三通电磁阀14、动力电池散热器15、动力电池冷却液进口温度传感器16、动力电池包17和动力电池加热循环三通电磁阀18形成了一个动力电池热管理系统
19.所述中冷器1用于调控进入燃料电池电堆4的压缩空气的温度，其换热介质为电堆冷却液；
20.所述压力传感器2用于检测电堆冷却液进堆压力；
21.所述电堆冷却液入口温度传感器3用于检测电堆冷却液进堆温度；所述电堆冷却液出口温度传感器5用于检测电堆冷却液出堆温度；电堆冷却液入口温度传感器5与电堆冷却液入口温度传感器3检测到的温度差值，以及电堆冷却液入口温度传感器3检测到的温度值，作为电堆散热器8的风扇转速调节输入；一般地，所述电堆冷却液入口温度传感器5与电堆冷却液入口温度传感器3检测到的温度差值控制在10k以内；
22.所述电堆4是一个将化学能直接转化为直流电能的发电场所，能够根据负载需求输出电能，同时产生热量；
23.所述电堆冷却液循环泵6用于控制流经电堆4的燃料电池冷却液流量；
24.所述电堆冷却液循环三通电磁阀7用于控制电堆冷却液流经电堆散热器8进行散热，或者流经电加热装置9对电堆进行快速加热；
25.所述电堆散热器8用于将电堆4输出电能时所产生的热量及时与大气进行交换；
26.所述电加热装置9用于加热电堆冷却液和动力电池冷却液；其结构为双腔，电堆冷却液和动力电池冷却液双流体互不混合，同时要求该加热装置流体腔与上述两种冷却液均具有良好的材料相容性，要求注入纯净水后在不低于25℃条件下静置48h后冷却液电导率≤10μs/cm，优选静置48h后冷却液电导率≤5μs/cm；另外，所述电加热装置9可选用恒电阻型或ptc产品，优选恒电阻型产品；
27.所述去离子装置10的作用是去除电堆冷却液在循环使用过程中与其接触的管路、双极板等析出的金属离子，降低电堆冷却液电导率；
28.所述电堆冷却液膨胀壶11的作用是储存电堆冷却液，缓冲进入电堆散热器8冷却液温度，以及去除电堆冷却液循环过程中产生的气体；
29.所述动力电池冷却液膨胀壶12储存动力电池冷却液，缓冲进入动力电池散热器15冷却液温度，以及去除动力电池冷却液循环过程中产生的气体；
30.所述动力电池冷却液循环泵13的作用是控制流经动力电池包17的动力电池冷却液流量；
31.所述动力电池冷却液循环三通电磁阀14的作用在于当动力电池包17在低温环境下需要加热时，动力电池冷却液流经动力电池冷却液循环三通电磁阀14后直接进入动力电池包17，不流经动力电池散热器15，降低动力电池冷却液流阻，减少动力电池冷却液循环泵13工作负荷，同时避免了动力电池冷却液流经动力电池散热器15散热翅片而造成热量损失；
32.所述动力电池散热器15用于控制动力电池包17在充电或放电过程中动力电池冷却液温度超过散热器15散热风扇启动的最低阈值温度时，控制其散热风扇动作，以保证动力电池冷却液进入动力电池包17的温度所需范围内；
33.所述动力电池冷却液进口温度传感器16用于检测进入动力电池包17的动力电池冷却液温度；为热管理控制器提供控制输入
34.所述动力电池包17用于为整车驱动提供高压直流电源，同时为燃料电池系统启动时其辅助系统（如空压机、空压机控制器、回氢泵等）提供启动电源，以及为低温环境下电加热装置9工作时输出电能；
35.所述动力电池加热循环三通电磁阀18的作用在于当动力电池包17需要加热时，动力电池冷却液流经动力电池加热循环三通电磁阀18后进入电加热装置9，并通过动力电池冷却液循环泵13进行循环，当动力电池包17不需要加热时，动力电池冷却液流经动力电池加热循环三通电磁阀18后直接进入动力电池冷却液循环泵13进行循环。
36.实施例2：
37.本实施例提供了对上述的整套燃料电池热管理系统的操作方法：
38.对于充电工况，当环境温度t
envir
不高于动力电池的第一最高充电温度t
char_max1
，且u
cell_max
低于u
cell_1
时，或者环境温度t
envir
不高于动力电池的第二最高充电温度t
char_max2
，t
char_max2
＜t
char_max1
，且u
cell_max
不低于u
cell_1
时，动力电池管理系统向热管理系统控制器发送加热请求，电加热装置9开始工作，动力电池加热循环三通电磁阀18接通加热循环回路，动力电池冷却液循环三通电磁阀14接通冷却液直接进入动力电池包17回路；当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
char_max1
+δt1，且u
cell_max
低于u
cell_1
时，或者动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
char_max2
+δt2，且u
cell_max
不低于u
cell_1
时，电动力电池管理系统向热管理系统控制器发送关闭指令，加热装置9关闭，动力电池加热循环三通电磁阀18关闭加热循环回路，直接与动力电池冷却液循环泵13接通。动力电池冷却液循环三通电磁阀14接通冷却液直接进入动力电池包17回路，当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
char_max1
+δt3时，动力电池冷却液循环三通电磁阀14逐渐调整开度，当当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
char_max1
+δt4时，动力电池冷却液动力电池冷却液循环三通电磁阀14全开接通与动力电池散热器15连接的循环回路，并切断直接与动力电池包17连接的回路；当当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度低于t
char_max1
+δt3时，动力电池冷却液循环三通电磁阀14关闭与动力电池散热器15连接的循环回路；
39.对于放电工况，当环境温度t
envir
不大于动力电池包17的最低放电温度t
mindisch_on
时，动力电池管理系统向热管理系统控制器发送加热请求，电加热装置9开始工作，动力电池加热循环三通电磁阀18接通加热循环回路，动力电池冷却液循环三通电磁阀14接通冷却液直接进入动力电池包17回路，当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
mindisch_off
时，动力电池加热循环三通电磁阀18切断动力电池冷却液加热循环回路，接通与动力电池冷却液循环泵13直接连接的循环回路，同时，如果当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
mindisch_off
+δt5时，动力电池冷却液循环三通电磁阀14根据检测到的温度值，逐渐调整开度，当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度不低于t
mindisch_off
+δt6时，动力电池冷却液循环三通电磁阀14全开接通与动力电池散热器15连接的循环回路，并切断直接与动力电池包17连接的回路；当当动力电池冷却液进口温度传感器16检测到的动力电池冷却液温度或动力电池管理系统检测到的电池单体平均温度低于t
mindisch_off
+δt5时，动力电池冷却液循环三通电磁阀14关闭与动力电池散热器15连接的循环回路；
40.所述电堆4低温自启动温度为t
fc_min
，当燃料电池系统控制器收到开机指令，如环境温度t
envir
低于t
mindisch_on
，则热管理系统优先响应动力电池管理系统发送的加热请求，热管理系统控制电加热装置9进入工作模式，动力电池按照上述放电工况进行热管理；电堆冷却液循环三通电磁阀7接通与电加热装置9直接连接的循环回路，使燃料电池冷却液快速升温，直至电堆冷却液入口温度传感器3检测到的温度不低于t
fc_min
，电堆4低温启动，低温启动成功后逐渐调节电堆冷却液循环三通电磁阀7的开度，部分燃料电池冷却液继续流经电加热装置9进行加热循环，部分流经电堆散热器8；当电堆冷却液出口温度传感器5检测到的温度值达到电堆散热器8散热风扇启动温度阈值时，电堆冷却液循环三通电磁阀7关闭与电加热装置9直接连接的循环回路，同时散热风扇启动，并且散热风扇根据电堆冷却液出口温度传感器5检测到的温度值及电堆冷却液出口温度传感器5与电堆冷却液入口温度传感器3检测温度差值与目标控制差值实时调整转速；
41.如环境温度t
envir
不低于t
mindisch_off
，但低于t
fc_min
，则燃料电池系统控制器向热管理系统控制器发送加热请求，电加热装置9开始工作，同时，动力电池加热循环三通电磁阀18保持与动力电池冷却液循环泵13直接连接的循环回路接通，切断动力电池冷却液加热循环回路，而电堆冷却液循环三通电磁阀7接通与电加热装置9直接连接的循环回路，使燃料电池冷却液快速升温，直至电堆冷却液入口温度传感器3检测到的温度不低于t
fc_min
，电堆4低温启动，低温启动成功后逐渐调节电堆冷却液循环三通电磁阀7的开度，部分燃料电池冷却液继续流经电加热装置9进行加热循环，部分流经电堆散热器8；当电堆冷却液出口温度传感器5检测到的温度值达到电堆散热器8散热风扇启动温度阈值时，电堆冷却液循环三通电磁阀7关闭与电加热装置9直接连接的循环回路，同时散热风扇启动，并且散热风扇根据电堆冷却液出口温度传感器5检测到的温度值及电堆冷却液出口温度传感器5与电堆冷却液入口温度传感器3检测温度差值与目标控制差值实时调整转速；
42.如环境温度t
envir
不低于t
fc_min
，则热管理系统控制电加热装置9处于关闭状态。
43.根据实际情况需要，δt1~δt6的取值可参考以下几组数值：
44.1、δt1=1℃，δt2=2℃，δt3=10℃，δt4=15℃，δt5=42℃，δt6=48℃
45.2、δt1=3℃，δt2=5℃，δt3=14℃，δt4=18℃，δt5=46℃，δt6=52℃。
46.3、δt1=6℃，δt2=7℃，δt3=17℃，δt4=23℃，δt5=50℃，δt6=56℃。
47.在具体操作时，可将上述数值组代入至实施例2中的对应温差参量进行替换即可。
48.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种用于燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于：它包括中冷器（1）和电堆（4）；在中冷器（1）和电堆（4）的冷却管路出口侧均通过电堆冷却液循环泵（6）后汇入至电堆冷却液循环三通电磁阀（7）；在电堆（4）的出入口管路侧分别安装有电堆冷却液出口温度传感器（5）以及压力传感器（2）和电堆冷却液入口温度传感器（3）；电堆冷却液循环三通电磁阀（7）的另外两个接口分别接至电堆散热器（8）和电加热装置（9）上；在电堆冷却液循环泵（6）输入至电堆冷却液循环三通电磁阀（7）的管道上还接有支管，该支管通过去离子装置（10）后连接到电堆冷却液膨胀壶（11）上；电堆散热器（8）的一个出口侧连接至电堆冷却液膨胀壶（11）上；在电堆冷却液膨胀壶（11）、电加热装置（9）和电堆散热器（8）的出口端还设置有一根并接至至电堆（4）的入口处的管线，且在该管线上还设置有与中冷器（1）入口侧相接的支管；在电加热装置（9）上还设置有一对出入口接管，该入口接管与动力电池加热循环三通电磁阀（18）的一个出口相接，而出口接管则接至动力电池加热循环三通电磁阀（18）输出到与动力电池冷却液循环泵（13）的管路上；动力电池加热循环三通电磁阀（18）的入口接至动力电池包（17）上；动力电池冷却液循环泵（13）的出口管通过动力电池冷却液循环三通电磁阀（14）分为两股管路，其中一股经过动力电池散热器（15）后与另一股相汇连接至动力电池包（17）的入口处；在动力电池包（17）的入口管道上还设置有动力电池冷却液进口温度传感器（16）；在连接动力电池冷却液进口温度传感器（16）与动力电池包（17）之间的管道上还设置有用于接入动力电池冷却液膨胀壶（12）的支管；电池冷却液膨胀壶（12）的出口接入至动力电池加热循环三通电磁阀（18）输出到与动力电池冷却液循环泵（13）的管路上。2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池汽车的热管理系统，其特征在于：还包括控制器，该控制器以中冷器（1）和电堆（4）作为电堆热管理系统的管理对象；以压力传感器（2）、电堆冷却液入口温度传感器（3）、电堆冷却液出口温度传感器（5）为电堆热管理系统的控制输入；同时又以动力电池包（17）为动力电池热管理系统的热管理对象；以动力电池冷却液进口温度传感器（16）为动力电池热管理系统的控制输入。

技术总结
本实用新型公开了一种用于燃料电池汽车的热管理系统，属于车辆辅助系统技术领域；它包括中冷器、压力传感器、电堆冷却液入口温度传感器、电堆、电堆冷却液出口温度传感器、电堆冷却液循环泵、电堆冷却液循环三通电磁阀、电堆散热器、电加热装置、去离子装置、电堆冷却液膨胀壶、动力电池冷却液膨胀壶、动力电池冷却液循环泵、动力电池冷却液循环三通电磁阀、动力电池散热器、动力电池冷却液进口温度传感器、动力电池包、动力电池加热循环三通电磁阀；本实用新型有效地实现了动力电池和燃料电池低温快速预热和精准温度控制，降低燃料电池汽车热管理系统成本，提高安全性。提高安全性。提高安全性。


技术研发人员：季丽君 何昌奎 罗才震 田云波 文小伟 陈大华 朱前兵 汪克华 李建芳 许洪珊
受保护的技术使用者：奇瑞万达贵州客车股份有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/5