[发明专利]一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法，包括低压水泵、板式换热器、散热器、四通阀、PTC加热器、暖风芯体、高压水泵、燃料电池电堆、两个温度‑压力传感器和控制模块；通过合理布置构成暖风循环回路、余热回收回路、大循环回路和小循环回路；两个温度‑压力传感器分别设置在燃料电池电堆输出端和输入端，低压水泵、四通阀、PTC加热器、高压水泵和两个温度‑压力传感器分别与控制模块连接，余热回收回路、大循环回路和小循环回路的开闭通过控制四通阀实现。本发明的车用燃料电池热管理系统，成本低，能够对燃料电池的温度更精确控制，避免传统大小循环回路切换带来的温度剧烈波动。

技术领域

本发明涉及车用燃料电池热管理技术领域，尤其涉及一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法。

背景技术

作为21世纪对人类社会产生重大影响的高新技术之一，燃料电池凭借其零污染、高效率、噪音小等优势受到了世界各相关领域的高度重视。燃料电池是一种能将化学能直接转化为电能的装置，产生的电能可作为主要动力源驱动整车行驶，此外，在人类发展受限于环境条件逐渐恶化和能源逐渐枯竭的严峻情形下，燃料电池汽车的研发更具有重要意义及巨大的发展前景。燃料电池发动机的热管理系统是指通过控制流经电堆的冷却液流量进行燃料电池电堆的温度控制和热量传递，以达到降低系统能耗和提升电堆性能的目的，对燃料电池电堆的使用寿命和运行安全性都具有重要影响。

研究表明，质子交换膜燃料电池在80摄氏度左右的温度条件下能达到最佳工作工况，且同时对质子膜的湿润度也有一定要求。传统的燃油发动机的散热途径主要是以尾气的形式通过机体或排气管散出，而通过散热器只散发出少部分的热量。相对于此，燃料电池系统则主要依靠散热器释放出系统热量。一般地，相较于传统燃油发动机，在同种运行工况下，燃料电池的散热量要大很多，且燃料电池系统的运行温度较低，与环境的温差较小，这对燃料电池的水热管理系统提出了更高的技术要求。现有的燃料电池乘用车热管理技术中，存在以下不足：燃料电池水热管理系统部件繁多，空间体积占用较大，但由于燃料电池乘用车空间有限，因此要求燃料电池水热管理系统在满足高效工作的同时，对其体积及安装也提出更高要求，这对燃料电池冷却带来更大的挑战；节温器通常被用来调节电堆系统的运行温度，但节温器的开关控制方式易造成系统温度变化不平稳、波动较大，这会造成电堆的输出功率不稳定，从而降低电堆的工作性能和耐久性；现有热管理方案因电堆电导率要求，热管理系统中的零部件全都要求采用去离子清洗工艺，增加零部件成本；现有热管理方案常采用低压风扇和低压水泵，对于燃料电池系统散热需求远远不够。

发明内容

本发明的目的是提供一种车用燃料电池热管理系统及其控制方法，成本低，不仅能更精确的控制燃料电池的温度，避免传统大小循环回路切换带来的温度剧烈波动影响燃料电池输出，还能提高去离子器的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种车用燃料电池热管理系统，包括低压水泵、板式换热器、散热器、四通阀、PTC加热器、暖风芯体、高压水泵、燃料电池电堆、第一温度-压力传感器、第二温度-压力传感器和控制模块；所述低压水泵、PTC加热器、暖风芯体和板式换热器依次相连构成暖风循环回路；所述四通阀的第一输出端、板式换热器、高压水泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成余热回收回路；其中，板式换热器将暖风循环回路中冷却液和余热回收回路中冷却液分离开；所述四通阀的第二输出端、散热器、高压水泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成大循环回路；所述四通阀的第三输出端、高压水泵、燃料电池电堆和四通阀的输入端依次连接构成小循环回路；其中，所述四通阀的第三输出端到高压水泵之间的管路长度小于所述四通阀的第二输出端到高压水泵之间的管路长度；

所述第一温度-压力传感器设置在燃料电池电堆输出端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆输出端冷却液的温度和压力，所述第二温度-压力传感器设置在燃料电池电堆输入端的管道上，用于实时监测燃料电池电堆输入端冷却液的温度和压力；所述低压水泵、四通阀、PTC加热器、高压水泵、第一温度-压力传感器和第二温度-压力传感器分别与控制模块连接，并通过控制四通阀三个输出端的开闭控制余热回收回路、大循环回路和小循环回路的开闭。