[发明专利]一种多堆燃料电池冷却系统及其水热管理方法

说明书

本发明提出一种多堆燃料电池冷却系统及其水热管理方法，所述系统包括冷却水箱和水泵，水泵的进水端连接冷却水箱，水泵的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管连接至冷却水箱；第一、第二冷却支路均包括开关阀、电堆、三通电磁阀、中冷器以及单向阀，第三冷却支路包括开关阀、单向阀、电堆、节温器及中冷器。第一冷却支路和第二冷却支路、第二冷却支路和第三却支路之间还通过单向阀连接。该系统可以回收利用前端燃料电池堆的废气热量，无需消耗额外电能即可实现后端电堆的快速启动，提高了系统的能量利用率。该水热管理方法实现了预热温度和工作温度都得到了的精确控制，保证了系统运行的稳定性。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种多堆燃料电池冷却系统及其水热管理方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)性能优异，在交通、军事等领域得到广泛应用。目前新能源汽车上搭载的燃料电池系统多采用单一大功率燃料电池系统，大功率燃料电池由于技术和材料尚未完全突破，存在价格高、电堆老化快、无法长期运行等缺点。另外，频繁的功率变化会加速燃料电池的老化，同时电堆内部的燃料电池单体损坏也会导致整个燃料电池系统无法正常工作。为了解决这些问题，人们常采用多堆燃料电池系统(multi-stack fuel cell system,MFCS)来满足大功率的需求问题。多堆燃料电池系统由几套低功率燃料电池系统组成，而不是只由一个大功率电堆构成，避免了电堆耐久性不足的问题，增强了系统的稳定性。

多堆燃料电池系统多采用独立的并联式的水热管理结构，即每一个燃料电池堆搭配一套独立的冷却水管路，这种结构成本高，并且不能有效利用冷却水中的废弃热量。如果将多个燃料电池堆串联在一个冷却水回路中，这种方案虽然可以有效利用废弃热量，但不能很好的控制后续燃料电池的工作温度，并且会出现热量堆积在最后一个燃料电池堆中的现象，导致其无法正常工作。

目前多堆燃料电池的能量管理主要根据当前的需求功率决定多堆燃料电池中的某一个电堆的开启，当功率需求较小时仅需少量电堆工作，由于车辆的功率是实时变化的，当需求功率变大时则需要更多的电堆参与供电，而燃料电池的启动需要一段时间，尤其是在寒冷环境中，未经过预热的燃料电池冷启动需要2-5min，这会导致燃料电池多堆系统无法快速满足整车实时行驶的能量需求，进而造成动力不足的现象。通常可以采用电加热的方式给燃料电池保持温度，但这种方式会消耗额外的电能。

发明内容

本发明针对现有的多堆燃料电池系统水热管理结构成本高、控制复杂的技术问题，提出一种结构成本低、可充分利用电堆余热给后端电堆个体预热的多堆燃料电池冷却系统以及水热管理方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多堆燃料电池冷却系统，包括冷却水箱、水泵及电池控制器，水泵的进水端连接冷却水箱，水泵的出水端连接三条冷却支路，三条冷却支路经回水管连接至冷却水箱；

第一冷却支路包括经管路依次连接的开关阀一、PTC加热器、电堆一、三通电磁阀一、中冷器一以及单向阀一，电堆一上连接有温度传感器一；第二冷却支路包括经管路依次连接的开关阀二、单向阀五、电堆二、三通电磁阀二、中冷器二以及单向阀二，电堆二上连接有温度传感器二；第三冷却支路包括经管路依次连接的开关阀三、单向阀六、电堆三、节温器及单向阀三，节温器的第三接口连接至中冷器三，中冷器三经单向阀四连接至回水管，电堆三上连接有温度传感器三；

所述三通电磁阀一的第三接口与电堆二之间还连接有单向阀七，所述三通电磁阀二的第三接口与电堆三之间还连接有单向阀八。

一种多堆燃料电池冷却系统水热管理方法，包括预热冷启动环节和多堆工作环节，具体包括如下步骤：

S1、当冷启动时运行预热冷启动环节，FCU控制三通电磁阀一导通通往单向阀七的回路，关闭通往中冷器一的回路；