帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統及控制方法與流程

本發明涉及一種燃料電池的熱管理系統及控制方法，更具體地說，本發明涉及一種帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統及控制方法。

背景技術：

傳統燃油汽車為石油資源和環境保護帶來了巨大壓力，開發新能源汽車成為世界各國研究的熱點。采用燃料電池為動力源的新能源車，能夠實現零排放，且不受續航里程限制，是未來新能源車的一種發展方向。但燃料電池需要在一定溫度范圍內才具有最佳性能，最佳溫度范圍下限值Tmin一般為60℃，上限值Tmax一般為75℃。因此，設計合理的熱管理系統對于燃料電池的可靠、高效運行尤為重要。

目前燃料電池熱管理系統采用電加熱的方式實現燃料電池的低溫加熱，存在能量利用率低和控制粗糙的問題；此外，離子交換器安裝在循環水路中，存在影響循環水路的水流量以及高溫水可能導致離子交換器失效的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統及控制方法。

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現：

帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統及控制方法包括小循環水路系統、大循環冷卻系統、去離子水循環系統和控制系統。控制系統可以為控制器ECU。

所述的小循環水路系統的功能在于燃料電池低溫加熱和對蓄熱器進行蓄熱，包括電子水泵、電磁閥、蓄熱器、電子節溫器、流量計、壓力傳感器、燃料電池、溫度傳感器和硬質水管；冷卻液經電子水泵流出，經三通分成兩部分，一部分經過蓄熱器另一部分經過電磁閥，經電子節溫器匯合后，依次經流量計、壓力傳感器、燃料電池、溫度傳感器后回到電子水泵完成水路循環；當燃料電池出口溫度T小于最佳溫度范圍下限值Tmin時，ECU給出指令，關閉電子節溫器，調節電磁閥使得進入燃料電池的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池最高許用壓力，完成對燃料電池進行加熱；當燃料電池出口溫度T大于最佳溫度范圍上限值Tmax且蓄熱器內相變材料單元的溫度低于其相變溫度Ts時，ECU采用相同指令，不同的是流經蓄熱器的高溫冷卻液將熱量傳遞給蓄熱器，完成對蓄熱器的加熱蓄熱功能。

所述的電磁閥的作用在于調節經過蓄熱器和電磁閥所在支路的流量分配，使得進入燃料電池的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池最高許用壓力。

所述的蓄熱器是采用交叉流熱交換器的結構，包括蓄熱器進水口、相變材料單元、水側流道、蓄熱器出水口、溫度傳感器。所述的相變材料單元內儲存的相變材料的相變溫度Ts略小于燃料最佳溫度范圍上限值Tmax，如Tmax為75℃時，可選擇CH₃COONa·3H₂O基相變材料，相變溫度Ts在70℃左右。所述的溫度傳感器用于檢測相變材料單元內部溫度，該溫度低于相變材料的相變溫度Ts時，控制器ECU會根據系統運行情況，及時啟動蓄熱程序。

所述的大循環冷卻系統的功能在于及時帶走燃料電池工作過程中產生的熱量，包括電子水泵、多風扇冷卻模塊、電子節溫器、流量計、壓力傳感器、燃料電池、溫度傳感器和硬質水管；高溫冷卻液經燃料電池流出經溫度傳感器和電子水泵后進入多風扇冷卻模塊被冷卻，在經過子節溫器、流量計和壓力傳感器流回燃料電池完成水路循環；當燃料電池出口溫度T大于最佳溫度范圍上限值Tmax且蓄熱器內溫度不小于相變溫度Ts時，ECU14給出指令，電子節溫器完全開啟，同時調節電子風扇的轉速，將燃料電池運行中產生的熱量及時散出，進而將燃料電池的溫度控制在最佳溫度范圍內。所述的多風扇冷卻模塊中的散熱器采用的是管帶式鋁散熱器，具有重量輕、換熱效率高的特點。所述的多風扇冷卻模塊中的電子風扇采用無刷無霍爾技術，通過PWM控制模式無級調速，可實現對燃料電池出口水溫的精確控制。

所述的去離子水循環系統的功能在于去除系統運行過程中產生的正、負離子和空氣，包括膨脹水箱、電子水泵、多風扇冷卻模塊、離子交換器和去離子循環系統用軟質水管；冷卻液經過電子水泵進入多風扇冷卻模塊中的散熱器時，一部分冷卻液經散熱器最高處的散熱器泄氣口后，攜帶著系統運行中產生的空氣一起進入離子交換器，再通過膨脹水箱中的膨脹水箱蓋的進入膨脹水箱；冷卻液經過離子交換器時可去除系統運行過程中產生的正、負離子，經過膨脹水箱可去除系統運行中的空氣。該水循環系統巧妙地將去離子功能與系統除氣功能結合在一起，消除了阻力極大的離子交換器對大、小水循環系統水流量的影響。所述的離子交換器采用耐溫技術，溫度≤95℃時可穩定工作。所示的軟質水管與大、小水循環系統中的硬質水管的不同之處在于管徑較小、材質柔軟，可實現管路的靈活布置、對大、小循環水路系統的管路布置沒有任何影響。

所述的帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理控制方法，以控制器ECU為核心，輸入信號包括溫度傳感器測得的燃料電池的出口溫度、壓力傳感器測得的燃料電池的進口壓力、流量計測得的管路水流量、溫度傳感器測得的蓄熱器內部相變材料單元的溫度和膨脹水箱中液位傳感器測得的膨脹水箱內的冷卻水液位信息；輸出的指令包括電子水泵的轉速以調節循環水系統內的水流量、控制電子節溫器的開度以調節小循環水路和大循環水路的水流量分配、控制電磁閥的開度以調節通過蓄熱器的水流量進而調節小循環時進入燃料電池的水流量和進口壓力、控制電子風扇的轉速以調節多風扇冷卻模塊散出的熱量大小進而實現燃料電池溫度的精確控制。

所述的帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理控制方法，僅控制大、小循環水路系統中的各種工況的切換，對去離子水循環系統不做單獨控制，具體的方法為：

B1：啟動電子水泵，使得管路水流量最大、入口壓力小于限值；

B2：判斷燃料電池出口溫度是否大于燃料電池最佳溫度范圍下限值Tmin，

不大于則立即執行B3，大于立即執行B4；

B3：調節電磁閥的開度大小使得進入燃料電池的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池最高許用壓力，開始對燃料電池加熱；加熱過程中，控制器ECU間隔1s，執行B2，一旦出口溫度大于Tmin，立即停止執行B3，并立即執行B4；

B4：啟動燃料電池堆；

B5：判斷燃料電池出口溫度T的變化范圍：當T≤Tmin時，立即執行B6；當Tmin<T≤Tmax時，立即執行B7；當T>Tmax時，立即執行B8；

B6：調節電磁閥的開度大小使得進入燃料電池的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池最高許用壓力，開始對燃料電池加熱；加熱過程中，控制器ECU間隔1s，執行B5；

B7：電磁閥全開，調節電子節溫器的大小，以控制冷卻液流經電磁閥所在小循環水路系統和大循環水路系統中的水流量分配，進而控制多風扇冷卻模塊通過自然對流所散出的熱量大小；同樣，控制器ECU間隔1s，執行B5；

B8：判斷相變材料溫度是否小于Ts；小于Ts時開始執行B9，不小于時開始執行B10；

B9：關閉電子節溫器，調節電磁閥使得進入燃料電池的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池最高許用壓力，對蓄熱器進行蓄熱，同時完成對燃料電池的散熱功能；在此過程中，控制器ECU間隔1s，執行B5，以判斷下一個執行工況；

B10：電子節溫器全開，使得冷卻液全部通過大循環水路系統，并依據出口水溫的大小調節電子風扇轉速大小，及時帶走燃料電池熱量；在此過程中，控制器ECU間隔1s，執行B5，以判斷下一個執行工況。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

采用蓄熱型加熱器，燃料電池出口水溫較高時，對蓄熱器進行蓄熱的同時，可以減輕大循環水路的功耗，燃料電池溫度較低時，采用蓄熱加熱器對其進行加熱相對于傳統的電加熱器技術，具有控制精度更高、更節能高效的優點。同時，本發明采的去離子水循環系統巧妙地設計在大循環水路的除氣管路上面，將系統除氣和去離子功能完美的結合起來，有效地避免了現有技術中高水阻的離子交換器對主循環水路的影響。

附圖說明

圖1為帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統的結構示意圖；

圖2為本發明中所采用的蓄熱器的結構示意圖；

圖3為帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統的控制信號連接示意圖；

圖4為帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統的控制方法的流程圖。

圖中附圖標記為：1膨脹水箱；101膨脹水箱蓋；102液位傳感器；2電子水泵；3離子交換器；4去離子循環系統用軟質水管；5多風扇冷卻模塊；501散熱器；502電子風扇；5011散熱器泄氣口；6電磁閥；7蓄熱器；701蓄熱器進水口；702相變材料單元；703水側流道；704蓄熱器出水口；705溫度傳感器；8電子節溫器；9流量計；10壓力傳感器；11燃料電池；12溫度傳感器；13大、小水循環用硬質水管；14控制器ECU。

具體實施方式

如圖1所示，帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理系統及控制方法包括小循環水路系統、大循環冷卻系統、去離子水循環系統和控制系統。控制系統可以為控制器ECU，或以ECU為核心的控制系統。本實施例中控制器為控制器ECU14。

所述的小循環水路系統作用在于燃料電池11低溫加熱和給蓄熱器7進行蓄熱，由電子水泵2、電磁閥6、蓄熱器7、電子節溫器8、流量計9、壓力傳感器10、燃料電池11、溫度傳感器12和硬質水管13組成。如圖4所示，當燃料電池11出口溫度T小于最佳溫度范圍下限值Tmin時，ECU14給出指令，關閉電子節溫器8，調節電磁閥6至管路水流量最大且壓力小于限值，對燃料電池11進行加熱；當燃料電池11出口溫度T大于最佳溫度范圍上限值Tmax且蓄熱器7內相變材料單元702的溫度低于其相變溫度Ts時，ECU14給出指令，啟動小循環，對蓄熱器7進行蓄熱。如圖2所示，所述的蓄熱器7是采用交叉流熱交換器的結構，包括蓄熱器進水口701、相變材料單元702、水側流道703、蓄熱器出水口704、溫度傳感器705。所述的相變材料單元702內儲存的是CH₃COONa·3H₂O基相變材料，相變溫度在70℃左右，相變潛熱大，可以快速地進行蓄熱儲能和加熱水側流道703內冷卻水。所述的溫度傳感器705用于檢測相變材料單元702內部溫度，該溫度低于相變材料的相變溫度Ts時，控制器ECU14會根據系統運行情況，及時啟動蓄熱程序。

所述的大循環冷卻系統作用在于及時帶走燃料電池11工作過程中的熱量，由電子水泵2、多風扇冷卻模塊5、電子節溫器8、流量計9、壓力傳感器10、燃料電池11、溫度傳感器12和硬質水管13組成的水路循環系統。當燃料電池出口溫度T大于最佳溫度范圍上限值Tmax時，ECU14給出指令，電子節溫器8完全開啟，同時調節電子風扇502的轉速，將燃料電池11運行中產生的熱量及時散出，進而將燃料電池11的溫度控制在最佳溫度范圍內。所述的多風扇冷卻模塊5中的散熱器501采用的是管帶式鋁散熱器，具有重量輕、換熱效率高的特點。所述的多風扇冷卻模塊5中的電子風扇502采用無刷無霍爾技術，通過PWM控制模式無級調速，可實現對燃料電池11出口水溫的精確控制。

所述的去離子水循環系統包括膨脹水箱1、電子水泵2、多風扇冷卻模塊5、離子交換器3和去離子循環系統用軟質水管4，主要用于去除系統運行過程中產生的正、負離子，延遲燃料電池11的使用壽命，還可通過膨脹水箱1消除系統中可能混入的空氣，實現系統除氣功能。該水循環系統巧妙地將去離子功能與系統除氣功能結合在一起，消除了阻力極大的離子交換器3對大、小水循環系統水流量的影響。所述的離子交換器3采用耐溫技術，溫度≤95℃時可穩定工作。

如圖2所示，所述的蓄熱器采用交叉流熱交換器的結構，包括蓄熱器進水口、相變材料單元、水側流道、蓄熱器出水口、溫度傳感器；相變材料單元與水側流道交替排列；所述的相變材料單元內儲存的相變材料的相變溫度Ts小于燃料最佳溫度范圍上限值Tmax。

所述的多風扇冷卻模塊包括散熱器和電子風扇，散熱器為管帶式鋁散熱器，電子風扇采用無刷無霍爾技術，通過PWM控制模式無級調速，可實現對燃料電池水溫的精確控制。

如圖3和圖4所示，所述的帶蓄熱加熱功能的燃料電池熱管理控制方法是以控制器ECU14為核心的控制系統，系統輸入信號包括溫度傳感器12測得的燃料電池11的出口溫度、壓力傳感器10測得的燃料電池11的進口壓力、流量計9測得的管路水流量、溫度傳感器705測得的蓄熱器7內部相變材料單元702的溫度和膨脹水箱1中液位傳感102測得的膨脹水箱內的冷卻水液位信息；系統輸出的控制指令包括電子水泵2轉速以調節循環水系統內的水流量、電子節溫器8的開度以調節小循環水路和大循環水路的水流量分配、電磁閥6的開度和控制電子風扇502的轉速；具體的控制方法為：

B1：啟動電子水泵，使得管路水流量最大、入口壓力小于限值；

B2：判斷燃料電池11出口溫度是否大于燃料電池最佳溫度范圍下限值Tmin，

不大于則立即執行B3，大于立即執行B4；

B3：調節電磁閥6的開度大小使得進入燃料電池11的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池11最高許用壓力，開始對燃料電池11加熱；加熱過程中，控制器ECU14間隔1s，執行B2，一旦出口溫度大于Tmin，立即停止執行B3，并立即執行B4；

B4：啟動燃料電池堆11；

B5：判斷燃料電池11出口溫度T的變化范圍：當T≤Tmin時，立即執行B6；當Tmin<T≤Tmax時，立即執行B7；當T>Tmax時，立即執行B8Tmax為燃料電池11最佳溫度范圍上限值；

B6：調節電磁閥6的開度大小使得進入燃料電池11的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池11最高許用壓力，開始對燃料電池11加熱；加熱過程中，控制器ECU14間隔1s，執行B5；

B7：電磁閥6全開，調節電子節溫器8的大小，以控制冷卻液流經電磁閥6所在小循環水路系統和大循環水路系統中的水流量分配，進而控制多風扇冷卻模塊5通過自然對流所散出的熱量大小；同樣，控制器ECU14間隔1s，執行B5；

B8：判斷相變材料溫度是否小于Ts；小于Ts時開始執行B9，不小于時開始執行B10；

B9：關閉電子節溫器8，調節電磁閥6使得進入燃料電池11的水流量最大、且進口壓力小于燃料電池11最高許用壓力，對蓄熱器7進行蓄熱，同時完成對燃料電池11的散熱功能；在此過程中，控制器ECU14間隔1s，執行B5，以判斷下一個執行工況；

B10：電子節溫器8全開，使得冷卻液全部通過大循環水路系統，并依據出口水溫的大小調節電子風扇502轉速大小，及時帶走燃料電池11熱量；在此過程中，控制器ECU14間隔1s，執行B5，以判斷下一個執行工況。

最后，還需注意的是，以上公布的僅是本發明的具體實施例。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護范圍。