一种燃料电池车用暖风系统及包含其的汽车的制作方法

1.本发明涉及氢燃料电池汽车技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池车用暖风系统及包含其的汽车。


背景技术：

2.在应对全球能源安全、金融危机、油价攀升和气候变化等问题时，氢燃料电池汽车已经逐渐成为各国解决这些问题的重要措施之一。质子交换膜燃料电池是一种将氢气和氧气的化学反应转化为电能的装置，在转化的过程中伴随着热量的产生，通过冷却液在双极板内部的循环，将这些热量带走，避免因电堆内部温度过高而导致的失效，从电堆出口流出的冷却液温度可以达到80℃左右。
3.一方面，当搭载燃料电池的汽车在低温下使用时，为了提高驾驶舱内人员的驾乘舒适性，需要使用暖风对驾驶舱供热。此外，汽车在低温、空气湿度大或者低温雨雪天气使用时，汽车的风挡玻璃容积结霜，为了提高驾驶的安全性，需要利用暖风对玻璃进行除霜。通常，现有搭载燃料电池汽车暖风的能量来源有些是完全来自ptc，即通过消耗汽车的电能转化为热能，而ptc的加热功率一般在几千瓦，并且是在低温下使用，电量耗用大，不经济。在使用暖风时，希望尽可能的降低对能量的消耗，以最终降低汽车的燃料消耗，提高汽车的续航里程。另一方面，搭载燃料电池的汽车在低温下启动时，电堆需要达到一定的温度才能够正常工作，并以额定的功率输出，希望这一段升温的时间尽可能的短，以降低等待的时间。
4.公开号为cn 112158050a中国发明专利申请公开了一种用于氢燃料电池车的温度控制系统，是在燃料电池电堆的冷却液进、出口管路间连接暖风芯体，将从电堆冷却液出口流出的部分高温冷却液通过管路流通到暖风芯体，在暖风芯体内与鼓风机送来的空气进行热交换，加热后的空气用来除霜或者做为暖风使用。然而，这一支路是常通的，在燃料电池低温冷启动的时候也参与循环，这增加了冷启动时参与循环的冷却液的体积，并且暖风系统热辐射也会散发一定的热量，这些都会导致电堆冷启动时间的增加；同时，这一方案在电堆达到正常的工作温度后，特别在夏天不需要使用暖风时，暖风支路将电堆出口流出的高温冷却液直接导通至电堆入口，与经过散热器冷却后的低温冷却液汇合后流入电堆冷却液入口，可能会导致冷却液温度不均匀并出现冷却液温度过高的问题。
5.公开号为cn110641248a的中国发明专利申请公开了一种燃料电池汽车热泵空调系统，能利用燃料电池余热，降低热泵空调室外机结霜概率；利用热泵空调制冷剂为燃料电池提升冷启动性能。然而，该系统将暖风芯体与水暖ptc串联使用，通过控制5个三通阀和1个四通阀来控制冷却液的流道，管道设计复杂，控制难度大，安全性较低。公开号为cn 109249773 a的中国发明专利申请同样存在类似的问题。
6.因此，开发一种高效、安全且便利地利用燃料电池的电堆冷却液余热的车用暖风系统是一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种燃料电池车用暖风系统及包含其的汽车，以解决如何高效、安全且便利地利用燃料电池的电堆冷却液余热提供车辆暖风的问题。
8.为实现上述目的，一方面，本发明提供一种燃料电池车用暖风系统，包括燃料电池电堆、循环水泵，所述燃料电池电堆包括原料气的入口、生成物水的排出口、电堆的冷却液流道以及所述冷却液的进、出水口，其特征在于，还包括电子节温器、散热器总成、暖风芯体、鼓风机、风暖ptc、膨胀水箱、温度传感器和数据采集及控制单元；
9.所述电子节温器连接所述冷却液的三个支路，为冷却液温度控制的三通阀门；当所述冷却液温度低于设定值时，通过所述电子节温器使所述冷却液流经所述燃料电池电堆进行小圈循环；当所述冷却液温度高于设定值时，通过所述电子节温器使所述冷却液依次流经所述散热器总成、暖风芯体和所述燃料电池电堆进行大圈循环；
10.所述电子节温器出口和所述散热器总成入口的管路上并联暖风芯体，所述暖风芯体旁边并排设置所述鼓风机和风暖ptc；
11.所述膨胀水箱包括排气接口、补水接口和加注口，所述排气接口连接所述散热器总成排气管，所述补水接口通过补水管补充冷却液到系统中，所述加注口用于加注冷却液；
12.所述温度传感器探测所述燃料电池电堆冷却液出口的冷却液温度；所述数据采集及控制单元接收所述温度传感器采集的数据并判断输出指令给执行组件。
13.本发明提供的燃料电池车用暖风系统，当车辆低温冷启动或者利用动力蓄电池储存的电量行驶、电堆不工作时采用辅助风暖ptc除霜供暖；当冷却液低温时大圈循环关闭，暖风芯体和散热器总成不参与循环，不影响电堆冷启动的时间；当大循环连通且电堆出口温度未达到额定的工作温度前，利用电堆产生的余热和风暖ptc同时除霜供暖；当大循环连通且电堆达到正常的使用温度后，辅助风暖ptc停止工作，电堆冷却液出口流出的高温冷却液流经暖风芯体，鼓风机吹动外部空气流经暖风芯体与冷却液的热量进行热交换，将加热后的空气送入驾驶室为驾乘人员供暖或者除霜使用。由于这部分能量完全来自电堆产生的余热，合理地利用了能量，降低了对车辆能量的损耗。
14.优选地，所述暖风芯体具有中央换热芯体，芯体两端有水室，水室上有所述冷却液的进、出水口。
15.优选地，所述暖风芯体的并联管路上设置节流口。所述节流口调节冷却液的流量在暖风芯体内部和与之并联的管路的分配，保证暖风芯体内部达到设计的冷却液流量。
16.优选地，所述节流口为中空圆形金属件。
17.优选地，所述小圈循环管路上并联一路包含去离子器的管路。
18.优选地，所述去离子器的内部是由滤网封装的交换树脂，外壳有冷却液进出水口，冷却液通过滤网流经树脂进行离子交换。所述去离子器交换系统冷却液当中零件析出的离子，降低冷却液的电导率。
19.优选地，所述燃料电池电堆的冷却液进水口前设置颗粒过滤器。
20.优选地，所述颗粒过滤器外壳具有冷却液进出水口，内部有滤网，外壳和滤网间具有杂质存储空间。所述颗粒过滤器过滤系统的杂质，避免杂质堵塞电堆冷却液通道及进入其它零件造成零件的损坏。
21.优选地，所述散热器总成排气管和所述膨胀水箱补水管为车用冷却系统常用橡胶软管。
22.另一方面，本发明提供一种燃料电池汽车，所述汽车包括动力系统、传动系统、转向系统、制动系统、行走系统、仪表配件、饰品配件，其特征在于，还包括上述的燃料电池车用暖风系统。
23.与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：
24.(1)根据车辆实际的运行工况，可合理选择单独风暖ptc、风暖ptc与暖风芯体联用或者单独暖风芯体为车辆除霜和提供暖风，在不影响燃料电池电堆启动时间且满足车辆对于除霜和暖风需求的前提下，最大程度地利用电堆产生的余热，降低了暖风的能耗，提升了车辆在低温环境下使用暖风功能时的续航里程；
25.(2)当冷却液低温时大圈循环关闭，暖风芯体和散热器总成不参与循环，缩短了电堆冷启动的时间；
26.(3)部分工况下暖风芯体先对空气进行预热，预热后的空气再进入风暖ptc加热，最大程度的利用了电堆化学反应产生的余热；
27.(4)电堆出口流出的高温冷却液先经过暖风芯体后再流过冷却系统的主散热器总成进行散热，便于通过散热器总成上的电子风扇对冷却液的温度进行控制，相比将暖风芯体连接在电堆冷却液进出水口，从散热器总成散热后和暖风芯体散热后流出的冷却液在电堆冷却液入口混合，降低了电堆冷却液入口温度的波动；
28.(5)采用并联暖风芯体和辅助风暖ptc，仅设置少量节温器，管路设计更加合理，便于电气控制，且在汽车待机时，无需启动大量部件。
29.本发明公开了一种燃料电池车用暖风系统及包含其的汽车，所述暖风系统包括燃料电池电堆、循环水泵，其特征在于，还包括电子节温器、散热器总成、暖风芯体、鼓风机、风暖ptc、膨胀水箱、温度传感器和数据采集及控制单元。本发明的暖风系统可合理选择单独风暖ptc、风暖ptc与暖风芯体联用或者单独暖风芯体为车辆除霜和提供暖风，在不影响燃料电池电堆启动时间且满足车辆对于除霜和暖风需求的前提下，最大程度地利用电堆产生的余热，降低了暖风的能耗，提升了车辆在低温环境下使用暖风功能时的续航里程；仅设置少量节温器，管路设计更加合理，便于电气控制，且在汽车待机时，无需启动大量部件。
附图说明
30.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
31.图1为本发明的暖风系统的结构示意图；
32.图2为本发明的暖风系统的工作流程图；
33.其中，1为燃料电池，2为循环水泵，3为电子节温器，4为散热器总成，5为暖风芯体，6为鼓风机，7为风暖ptc，8为节流口，9为膨胀水箱，10为去离子器，11为颗粒过滤器，12为排气管，13为补水管，14为温度传感器，15为数据采集及控制单元。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
35.实施例1
36.如图1所示，一种燃料电池车用暖风系统，包括燃料电池电堆1、循环水泵2、电子节温器3、散热器总成4、暖风芯体5、鼓风机6、风暖ptc7、膨胀水箱9、温度传感器14和数据采集及控制单元15。燃料电池电堆1包括原料气的入口、生成物水的排出口、电堆的冷却液流道以及所述冷却液的进、出水口。循环水泵2提供冷却液循环的动力。散热器总成4将内部流通冷却液的热量传递给外部流通空气，进行热交换。暖风芯体5具有中央换热芯体，芯体两端有水室，水室上有所述冷却液的进、出水口。暖风芯体5将内部流通冷却液的热量传递给外部流通空气，进行热交换。鼓风机6为暖风芯体5和风暖ptc7提供进行热交换的外部空气，是暖风芯体5和风暖ptc7外部空气循环的动力，将加热后的气体送入驾驶室制暖或者送到前风挡玻璃除霜。风暖ptc7利用系统的电能转化为热能，与鼓风机6吹过来的空气进行热交换，加热鼓风机吹过来的空气为驾驶室供暖。
37.电子节温器3连接所述冷却液的三个支路，为冷却液温度控制的三通阀门；当冷却液温度低于设定值时，通过电子节温器3使a、c导通，此时冷却液流经燃料电池电堆1进行小圈循环；当冷却液温度高于设定值时，通过电子节温器3使a、b导通，此时冷却液依次流经散热器总成4、暖风芯体5和燃料电池电堆1进行大圈循环；电子节温器3出口和散热器总成4入口的管路上并联暖风芯体5，暖风芯体5旁边并排设置鼓风机6和风暖ptc7；膨胀水箱9包括排气接口、补水接口和加注口，所述排气接口连接散热器总成4的排气管12，所述补水接口通过补水管13补充冷却液到系统中，所述加注口用于加注冷却液；温度传感器14探测燃料电池电堆1冷却液出口的冷却液温度；数据采集及控制单元15接收温度传感器14采集的数据并判断输出指令给执行组件。
38.暖风芯体5的并联管路上可设置节流口8，用于调节冷却液的流量在暖风芯体5内部和与之并联的管路的分配，保证暖风芯体5内部达到设计的冷却液流量。节流口8优选为中空圆形金属件。小圈循环管路上可并联一路包含去离子器10的管路。去离子器10的内部是由滤网封装的交换树脂，外壳有冷却液进出水口，冷却液通过滤网流经树脂进行离子交换。燃料电池电堆1的冷却液进水口前可设置颗粒过滤器11。颗粒过滤器11的外壳具有冷却液进出水口，内部有滤网，外壳和滤网间具有杂质存储空间。散热器总成4的排气管12和膨胀水箱9的补水管13为车用冷却系统常用橡胶软管。
39.如图2所示，包含所述燃料电池车用暖风系统的燃料电池汽车开启暖风的工作流程如下：
40.s1、收到暖风开启指令，判断燃料电池电堆是否启动。
41.s2、当燃料电池电堆未启动时，燃料电池冷却系统内部无冷却液的流动。在数据采集及控制单元15的控制下，给鼓风机6和风暖ptc7供电，风暖ptc7利用电能转化为热能与鼓风机吹过来的空气进行热交换，加热后的空气用于为驾驶室加热或者除霜。当燃料电池电堆启动时，判断电堆冷却液温度是否达到节温器大圈循环开启的温度设定。
42.s3、当电堆冷却液出口温度未达到节温器大圈循环开启温度时，电子节温器小圈循环通道a、c接通，在循环水泵2的动力作用下，冷却液自循环水泵出口流出后，经电子节温
器a口流入然后经过c口流出电子节温器，最后流回电堆，暖风芯体5内部无冷却液的流动。此时在数据采集及控制单元15的控制下，给鼓风机6和风暖ptc7供电，风暖ptc7利用电能转化为热能与鼓风机吹过来的空气进行热交换，加热后的空气用于为驾驶室加热或者除霜。当电堆冷却液出口温度达到节温器大圈循环开启温度时，电子节温器大圈循环通道a、b接通，判断电堆冷却液温度是否达到电堆额定工作的温度设定。
43.s2、当电堆冷却液出口温度未达到电堆额定工作的温度时，从节温器b口流出的冷却液一部分流入暖风芯体5，此时如果要使用暖风为驾驶室加热或者除霜，给鼓风机6通电，按照温度传感器14输出的电堆出口冷却液温度，数据采集及控制单元15控制风暖ptc7处于不同的部分功率下工作，鼓风机6将风吹过暖风芯体5预热后流入风暖ptc7加热，加热后的热空气用于为驾驶室加热或者除霜，暖风的热能部分来自于电堆内部氢气和空气化学反应产生的余热，部分来自于风暖ptc7将电能转化的热能。当电堆冷却液出口温度达到电堆额定工作的温度时，数据采集及控制单元15控制鼓风机6通电、风暖ptc7不通电，在鼓风机的作用下气体通过风暖ptc7进行热交换，加热后的热空气用于为驾驶室加热或者除霜。这个过程使用的是电堆化学反应产生的余热，不消耗系统的电能，车辆多数情况在此工况下工作，最终降低了车辆燃料的消耗。
44.综上，本发明公开的一种燃料电池车用暖风系统及包含其的汽车，所述暖风系统包括燃料电池电堆、循环水泵，其特征在于，还包括电子节温器、散热器总成、暖风芯体、鼓风机、风暖ptc、膨胀水箱、温度传感器和数据采集及控制单元。本发明的暖风系统可合理选择单独风暖ptc、风暖ptc与暖风芯体联用或者单独暖风芯体为车辆除霜和提供暖风，在不影响燃料电池电堆启动时间且满足车辆对于除霜和暖风需求的前提下，最大程度地利用电堆产生的余热，降低了暖风的能耗，提升了车辆在低温环境下使用暖风功能时的续航里程；仅设置少量节温器，管路设计更加合理，便于电气控制，且在汽车待机时，无需启动大量部件。
45.本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
46.以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。