用于燃料电池的热管理装置、控制方法和存储介质与流程

本发明主要涉及氢燃料电池，并且更具体地，涉及用于燃料电池的热管理装置、控制方法和存储介质。

背景技术：

燃料电池系统的散热问题制约着其性能的提高，现有散热器在环境温度较高时可能存在无法完全满足燃料电池系统散热的情况，导致燃料电池系统内部热量堆积，温度不断升高，轻则影响燃料电池系统输出性能，重则导致燃料电池系统停止运行，大大缩短寿命。

现有技术方案（例如，cn107994242a等）一般只为燃料电池系统配一个散热器，冬季冷启动依靠燃料电池自发热或外部电加热的方式实现，未考虑燃料电池热量的余热利用。此外，这些技术方案在整车应用时需要热量的时间和燃料电池产生热量的时间不一致时，无法实现对于热量的有效利用。

技术实现要素：

根据本公开的示例实施例，提供了一种用于燃料电池的热管理技术方案。该方案的目的在于，在散热器散热性能不足的情况下，分担一部分散热量，起到辅助散热的作用。此外，通过将燃料电池产生的热量储存起来，可以在需要时有控制地利用，为燃料电池系统冷启动和整车暖风系统等提供热量。

在本公开的第一方面中，提供了一种用于燃料电池的热管理装置。该装置包括：散热循环系统，包括散热器，通过管路流体连接至燃料电池，适于将燃料电池产生的热量排放到环境中；以及加热循环系统，用于为燃料电池加热。该装置还包括储热缓冲系统，该储热缓冲系统包括：储热分支管路，被配置为与散热器并联，其中在储热分支管路的入口处设置有三通阀，三通阀能够被操作以控制媒质在散热器和储热分支管路中的流动；换热器，被设置在储热分支管路上，用于其中的媒质的热交换；储热缓冲装置，包含储热缓冲材料，用于储存来自燃料电池的热量或者向燃料电池提供热量；以及第一储热循环管路，被配置为在换热器和储热缓冲装置之间传递热量，其中在换热器处，第一储热循环管路中的媒质适于与储热分支管路中的媒质流体隔绝地进行热交换，并且在储热缓冲装置处，第一储热循环管路中的媒质适于与储热缓冲材料流体隔绝地进行热交换。

在本公开的第二方面中，提供了一种根据上述第一方面的用于燃料电池的热管理装置的控制方法。该方法包括：（a）响应于燃料电池的温度低于或等于电池温度低目标值，将媒质流动限制在加热循环系统中，以加热燃料电池；（b）响应于燃料电池的温度高于电池温度低目标值并且低于或等于电池温度中目标值，将媒质流动按预定比例限制在加热循环系统和散热循环系统中；（c）响应于燃料电池的温度高于电池温度中目标值并且低于或等于电池温度高目标值，将媒质流动限制在散热循环系统中；以及（d）响应于燃料电池的温度高于电池温度高目标值，控制三通阀，使得媒质流动经过散热循环系统和储热缓冲系统，以将来自燃料电池的热量部分地储存在储热缓冲材料中。

在本公开的第三方面中，提供了一种根据上述第一方面的用于燃料电池的热管理装置的控制方法。该方法包括：（a）响应于储热缓冲装置中媒质的温度高于或等于预定目标值，使媒质流动经过储热分支管路；（b）在储热缓冲系统中，利用储热缓冲材料中储存的热量来加热储热分支管路中的媒质，以向燃料电池提供热量；以及（c）在预定时间间隔后，响应于燃料电池的温度高于或等于电池温度低目标值，使燃料电池进入正常运行状态。

在本公开的第四方面中，提供了一种根据上述第一方面的用于燃料电池的热管理装置的控制方法。该方法包括：（a）响应于燃料电池的温度低于或等于电池温度低目标值，将媒质流动限制在加热循环系统中，以加热燃料电池；（b）响应于燃料电池的温度高于电池温度低目标值并且低于或等于电池温度中目标值，（b1）将媒质流动按预定比例限制在加热循环系统和储热缓冲系统中，以及（b2）开启至少一个电动阀，以启用供暖换热器；（c）响应于燃料电池的温度高于电池温度中目标值并且低于或等于电池温度高目标值，（c1）将媒质流动按预定比例限制在储热缓冲系统和散热循环系统中，以及（c2）开启至少一个电动阀，以启用供暖换热器；以及（d）响应于燃料电池的温度高于电池温度高目标值，控制三通阀，使得媒质流动经过散热循环系统。

在本公开的第五方面中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现根据本公开的第二方面至第四方面中任一方面的方法。

根据本公开的示例实施例，储热缓冲系统可以在散热器散热性能不足的情况下，分担一部分燃料电池的散热量，达到缓冲的目的。此外，储热缓冲系统可以将上述热量收集并储存起来，并保温一段时间，以供各种应用。例如，在燃料电池冷启动的条件下，可以在预定的时间段中完全依靠上述储存的热量来为低温的燃料电池加热，以完成冷启动，从而有效降低冷启动时消耗的电能。另外，在整车有热量需求的情况下，使用储热缓冲装置中储存的热量，还可以有其他多种用途。例如，将上述热量提供给整车暖风系统来加热车舱，或者提供给空调系统中的车外换热器，以达到节能和提高空调系统性能的目的。上述热量还可以提供给车窗的除霜除雾系统使用。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了根据本公开的一个示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的示意图；

图2示出了根据本公开的一个示例实施例的储热缓冲装置的结构示意图；

图3示出了根据本公开的另一个示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的示意图；

图4示出了根据本公开的另一个示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的示意图；

图5示出了根据本公开的又一个示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的示意图；

图6示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的控制方法的流程图；

图7示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的另一控制方法的流程图；以及

图8示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的另一控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的范围。

在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

总体上，根据本公开的实施例，提供了一种用于燃料电池的热管理装置的改进和控制方案。在该方案中，利用储热缓冲装置将燃料电池在高温运行时产生的热量暂时地储存起来。在后续的应用中，根据需要可以将该储存的热量用于燃料电池和车辆的各种用途。以此方式，一方面提高了燃料电池的散热性能；另一方面，可以为燃料电池冷启动和车辆空调系统等提供热源，达到节省能耗的目的。

以下将参照附图来具体描述本公开的实施例。图1示出了根据本公开的一个示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的示意图。根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置包括散热循环系统。在图1中，燃料电池散热循环以箭头i表示。

具体地，散热循环系统包括燃料电池1。循环i的管路从燃料电池1出发。在邻近燃料电池1的位置处，设置有温度传感器16，以监测管路中的循环媒质在离开燃料电池1时的温度。循环媒质继续流动，到达散热器11。该散热器11适于将燃料电池1产生的热量排放到环境中。在散热器11的上下游分别设置温度传感器17和18，以监测散热器11入口和出口处循环媒质的温度。接着，循环媒质经过循环水泵14流回燃料电池1，并且开始新的循环。在循环水泵14和燃料电池1之间的靠近燃料电池1的位置处还设置有温度传感器15，以监测流回燃料电池1的循环媒质的温度。

循环媒质的作用在于携带和传导热量。循环媒质可以是防冻液、冷却液或水等。本公开在此方面不作出特别的限制。

在一些实施例中，该热管理装置还可以包括膨胀水箱13，起到补水、排气、稳压的作用。在散热器11的入口至膨胀水箱13的管路上还可以设置去离子装置12。此外，在膨胀水箱13底部可以设置液位传感器20，以监测膨胀水箱13中的水位。

该热管理装置还包括加热循环系统，用于为燃料电池加热（图1中未图示）。后面将详细描述该加热循环系统的示例实施例的组成、结构和功能。

该热管理装置还包括储热缓冲系统。在图1中，该储热缓冲系统的循环包括箭头ii和iii所示的两个循环。

具体地，在温度传感器16和散热器11之间的管路中（即散热器11的上游）可以设置三通阀4。三通阀4的其中一个分支为储热分支管路l1。管路l1被配置为与散热器11并联。该三通阀4能够被操作（例如，被系统控制器控制或者远程控制），以控制媒质在散热器11和储热分支管路l1中的流动。例如，可以控制三通阀4使得全部媒质流经散热器11，而不经过储热分支管路l1；也可以使得全部媒质流经储热分支管路l1，而不经过散热器11；还可以使得媒质按照预定的比例流过储热分支管路l1和散热器11。

在储热分支管路l1上设置换热器5，用于储热分支管路l1中的媒质和后面将要详述的循环iii中的媒质的热交换。在循环iii的管路（在本文中又称为“第一储热循环管路”）中设置储热缓冲装置7，其中包含储热缓冲材料。储热缓冲材料具有储存热量的功能，从而能够将燃料电池1运行时产生的热量（暂时地）储存在其中；并且根据需要，向燃料电池1提供其储存的热量。

根据本公开的示例实施例的储热缓冲材料应当具有比热容大、导热系数较小等特点，从而具有较好的储存热量的效果。作为储热缓冲材料的示例，可以采用无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料、聚氨酯、硅酸铝等。其中，较佳地采用各种相变材料。例如，无机相变材料可以采用naso4·10h2o、mgcl2·6h2o等水合盐；有机相变材料可以采用石蜡、聚乙二醇等。此外，复合相变材料可以是利用相变材料与金属、陶瓷、石墨等无机材料通过一定工艺后所形成的材料。

第一储热循环管路将换热器5和储热缓冲装置7关联起来，并且其中的媒质可以在换热器5和储热缓冲装置7之间传递热量。具体地，在换热器5处，第一储热循环管路中的媒质适于与储热分支管路l1中的媒质流体隔绝地进行热交换；在储热缓冲装置7处，第一储热循环管路中的媒质适于与储热缓冲材料流体隔绝地进行热交换。

此外，在第一储热循环管路中还可以设置有循环泵6，以及用于监测储热缓冲装置7中媒质温度和液位的温度传感器19和液位传感器21。

在该热管理装置运行中，媒质流过燃料电池1，吸收燃料电池1工作时产生的热量，温度上升。在换热器5处，循环ii中的媒质将其热量传递给循环iii中的媒质。后者流经储热缓冲装置7，高温的媒质和储热缓冲材料之间存在温度差，并且将热量传递给储热缓冲材料并储存在其中。当燃料电池系统停机一段时间后，循环ii和iii中的媒质温度下降。此时，储热缓冲材料的温度高于媒质温度，储热缓冲材料中储存的热量又被传递至媒质，最终达到给燃料电池1加热的效果。

图2示出了可以用于热管理装置的储热缓冲装置7的示例实施例的结构示意图。本公开对于储热缓冲装置7的外形无特殊要求，可以是圆柱体、长方体或其他三维结构。储热缓冲装置7可以包括外壳701。外壳701可以由具有一定硬度和刚性的材料制成，具有隔热、防冲击、防腐蚀、防火等性能。外壳701的内部还可以设置有内壳703，其由导热性材料制成并且内部形成用于媒质的腔体704。腔体704内可以容纳循环iii中的媒质。外壳701和内壳703之间可以填充有储热缓冲材料702。储热缓冲材料702可以通过导热良好的内壳703与腔体704内的媒质交换热量。

图6示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的控制方法的流程图。在图6所示的流程图中，提供了在燃料电池1运行时，将其产生的热量储存在储热缓冲装置7中的方法。

具体地，方法首先判断燃料电池的当前温度（t_st）与预设的燃料电池温度低目标值（t_tar_low）之间的关系。如果t_st≤t_tar_low，说明此时燃料电池温度过低，需要利用热管理装置中的加热循环系统为燃料电池加热，所以应当把媒质的流动限制在该加热循环系统中。

如果t_st＞t_tar_low并且t_st低于或者等于预设的电池温度中目标值（t_tar_mid），说明燃料电池已经开始正常工作。这时一方面可以继续给燃料电池保温加热以维持其正常运行，另一方面也需要将其产生的热量散热掉一部分。因此，在这样的情况下，需要将媒质流动按预定比例限制在加热循环系统和散热循环系统中。

如果t_st＞t_tar_mid并且t_st低于或者等于预设的电池温度高目标值（t_tar_high），说明此时燃料电池的温度已经较高，需要为其快速散热。因此，在这样的情况下，媒质循环不再经过加热循环系统，而是全部在散热循环系统中循环，以尽量块地将燃料电池产生的热量散失掉。

如果燃料电池的温度继续升高超过t_tar_high，则启动储热缓冲系统来辅助散热。例如，可以使得媒质流动经过散热循环系统和储热缓冲系统，以将来自燃料电池1的热量部分地储存在储热缓冲材料中。具体地，参见图1，可以控制三通阀4，使得媒质部分地流入储热分支管路l1，并且在换热器5处将热量传递给第一储热循环管路中的媒质，并且最终储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中。

根据本公开的示例实施例，储热缓冲装置7可以在散热器5散热性能不足的情况下，分担一部分燃料电池1的散热量，达到辅助散热和缓冲的目的。储热缓冲装置7的具体散热量可以根据储热缓冲材料的种类与质量决定，同时也与燃料电池1的种类及工作温度有关。

如前所述，储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量可以根据需要以多种方式应用。本公开接下来将详细描述这些应用方式中的若干示例实施例。应当理解，这些示例实施例的应用方式并不构成对上述储热缓冲系统的结构和应用方式的限制。本领域技术人员可以根据需要将储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量应用于各种已知的或未知的用途。

在一些实施例中，如图3所示，储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量可以用来作为车辆空调系统的热源。在这些实施例中，储热缓冲系统还可以包括第二储热循环管路。在图3中，该第二储热循环管路以箭头iv的形式示出。该第二储热循环管路与储热缓冲装置7并联，并且包括供暖换热器10。供暖换热器10可以用来为车辆所需的各种热量提供来源。例如，供暖换热器10可以设置在整车空调系统风道中，以为整车空调系统提供加热车内空间所需的热量。供暖换热器10还可以用来为车辆的前挡风玻璃等车窗的除霜/除雾提供热量。第二储热循环管路还包括电动阀，以控制媒质是否在第二储热循环管路中流动。作为示例，可以在第二储热循环管路的入口和出口处各设置一个电磁阀8和9。在无需第二储热循环管路连入系统以为车辆提供热量的情况下，电磁阀8和9可以保持关闭状态。例如，在上述的储热模式中，如图6所示，为了将来自燃料电池1的热量储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中，电磁阀8和9应当保持关闭状态。

图7示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的控制方法的流程图。在图7所示的流程图中，提供了在为车辆提供热量时，热管理装置的第二储热循环管路启用状态下的控制方法。

具体地，方法首先判断燃料电池的当前温度t_st与预设的燃料电池温度低目标值t_tar_low之间的关系。如果t_st≤t_tar_low，说明此时燃料电池温度过低，需要利用热管理装置中的加热循环系统为燃料电池加热，所以应当把媒质的流动限制在该加热循环系统中。

如果t_st＞t_tar_low并且t_st≤t_tar_mid，说明燃料电池已经开始正常工作，产生出一定的热量，也就是可以为车辆提供热量。在该条件下，方法一方面继续给燃料电池保温加热以维持其正常运行；另一方面控制媒质流经储热缓冲系统，并且通过第一储热循环管路和第二储热循环管路将燃料电池产生的部分热量传递至供暖换热器10以供车辆使用。这时，需要控制媒质按预定比例流入加热循环系统和储热缓冲系统中，并且保持电磁阀8和9开启，以便热量可以通过第二储热循环管路最终被传递至供暖换热器10。

如果t_st＞t_tar_mid并且t_st≤t_tar_high，说明此时燃料电池的温度已经较高，无需再利用加热循环系统为其加热。在该条件下，需要控制三通阀4，使媒质按预定比例流入储热缓冲系统和散热循环系统中，一方面为燃料电池1散热，另一方面通过储热缓冲系统来为车辆加热。同样地，这时需要保持电磁阀8和9开启，以便热量可以通过第二储热循环管路最终被传递至供暖换热器10。

如果燃料电池的温度继续升高超过t_tar_high，这时燃料电池温度较高，通过储热缓冲系统无法快速给燃料电池1降温，所以此时要求媒质完全在散热循环系统中流动，目的是快速使燃料电池1降温。另外，根据实际情况，在该工况下运行时间相对较短。

由此可见，根据本公开的示例实施例的储热缓冲装置7可以将燃料电池1运行时产生的热量收集并储存起来，后续在整车有热量需求时，利用该储存的热量作为热源，可以给整车暖风系统、车窗除霜/除雾系统等提供热量，从而达到节能和提高空调系统性能的目的。

在另一些实施例中，如图4所示，储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量可以用来作为燃料电池1冷启动时的热源。根据这些实施例，加热循环系统以箭头v表示，并且具体可以包括加热分支管路l2。加热分支管路l2可以被配置为与储热分支管路l1并联。在加热分支管路l2的入口处设置有节温器3。节温器3能够被操作以控制媒质在加热分支管路l2中的流动。加热循环系统还可以包括加热装置2，用来加热流经加热分支管路l2的媒质。

图8示出了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池的热管理装置的控制方法的流程图。在图8所示的流程图中，提供了燃料电池1冷启动的控制方法。

具体地，方法首先判断储热缓冲装置7中媒质的温度（t_l）与预定的目标温度（t_l_tar）之间的关系。如果t_l≥t_l_tar，说明此时储热缓冲装置7中媒质的温度达到了加热燃料电池1所需的温度，则控制节温器3和三通阀4，使媒质流动经过储热分支管路l1，以将储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量传递给储热分支管路l1中的媒质，从而启用储热缓冲系统来为燃料电池1加热。

在预定时间间隔后（例如，120秒），方法判断燃料电池1的温度t_l是否达到了正常运行所需的燃料电池温度低目标值t_tar_low。如果满足上述条件，则使燃料电池1进入正常运行状态。

反之，则启动加热循环系统，以加热燃料电池1。直到燃料电池1的温度t_l达到燃料电池温度低目标值t_tar_low，使燃料电池1进入正常运行状态。

由此可见，根据本公开的示例实施例的储热缓冲装置1可以将燃料电池1运行时产生的热量收集并储存起来。这样，当燃料电池1在低温环境中放置一段时间后，可以在预定的时间段（例如，120秒）内，完全依靠之前储存在储热缓冲装置7的储热缓冲材料中的热量完成冷启动，从而有效地降低冷启动时消耗的电能。

以上结合图1至图4分别介绍了根据本公开的示例实施例的用于燃料电池1的热管理装置的各个子系统。应当理解，上述各个子系统可以以各种方式独立地或结合地运行。例如，如图5所示，在一些实施例中，根据本公开的示例实施例的用于燃料电池1的热管理装置包括前述的各个子系统。这些子系统协同运行，能够实现前述的热量储存、辅助散热、燃料电池冷启动加热以及为车辆空调系统供热等多种功能。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列（fpga）、专用集成电路（asic）、专用标准产品（assp）、芯片上系统的系统（soc）、负载可编程逻辑设备（cpld）等等。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读储存介质。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、可擦除可编程只读存储器（eprom或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（cd-rom）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。