一种电动汽车电池的低温预约启动系统及控制方法与流程

1.本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车电池的低温预约启动系统及控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此燃料电池具有效率高、噪音低、无污染等优点，并在电动汽车上得到广泛应用，然而现有的燃料电池电动汽车在使用过程中存在着下列问题：1、燃料电池电动汽车使用燃料电池系统的工作温度范围在60-80℃，能量转换效率一般在50%以上，剩余的能量将以热量的形式散发，例如燃料电池系统输出功率是100kw，则同时产生100kw热量，造成能量的损耗，现有燃料电池电动汽车对这部份的废热利用率极低。
3.2、燃料电池电动汽车在低温环境下启动车辆困难，主要是由于动力电池低温可允许充电功率趋近为零，且放电功率也受到限制，导致燃料电池系统无法满足启动条件，整车从而无法满足正常行驶，现有的动力电池主要依靠内部加热膜加热，加热时长达一个多小时方可满足燃料电池系统启动条件，等待时间较长。
4.3、燃料电池电动汽车乘客舱低温取暖一般采用电加热器、冷暖空调、ptc加热器、燃油加热器等方案，但是均需要额外消耗电动汽车的电能或附加燃料，甚至产生尾气排放与噪音，不仅严重缩短电动汽车续航里程，而且还造成大气的污染。
5.4、燃料电池系统在运行时会产生水，停机之后，产生的水就会停留在燃料电池内部，当环境温度高于0℃时，停留在燃料电池内部的水不会对燃料电池造成伤害，燃料电池发动机可正常运行。当环境温度低于0℃时，停留在燃料电池内部的水会结成冰，燃料电池内部的水结成冰，一方面会使燃料电池发动机无法工作，另一方面会对燃料电池发动机造成一定的损害，影响燃料电池的使用寿命。


技术实现要素：

6.本发明提供一种电动汽车电池的低温预约启动系统及控制方法，目的在于解决现有的燃料电池在低温环境下较难启动、等待启动时间较长、运行中产生能源损耗等问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电动汽车动力电池的低温预约启动系统，其特征在于，包括：燃料电池余热系统，收集电动汽车燃料电池产生的余热；动力电池水加热系统，通过燃料电池余热系统收集的余热对循环介质加热，从而对动力电池加热使其升温；动力电池电加热系统，通过电加热使动力电池升温；
当动力电池温度处于低温状态时，采用动力电池水加热系统和动力电池电加热系统，共同对动力电池加热；当动力电池温度达到正常状态时，仅采用动力电池水加热系统对动力电池加热。
8.优选的，动力电池水加热系统还可通过电加热器对循环介质进行加热。
9.优选的，还包括乘客舱非独立水暖系统，当动力电池无需加热时，利用燃料电池余热系统为乘客舱非独立水暖系统供热，从而对乘客舱进行加热。
10.优选的，乘客舱非独立水暖系统还可通过电加热器对循环介质进行加热。
11.优选的，上述燃料电池余热系统包括经过燃料电池系统并吸收其散发出热量的热循环管路，热循环管路上设有用于散发热量的燃料电池散热器；热循环管路还包括一个对外供热的分支管路，该分支管路上设有对外供热的换热板块。
12.优选的，上述动力电池电加热系统包括与动力电池连接并对其输入电流的燃料电池系统及对动力电池进行加热的电加热设备。
13.优选的，上述燃料电池余热系统中设有第一冷却循环介质，该第一冷却循环介质为电导率小于5us/cm去离子防冻液；动力电池水加热系统和乘客舱非独立水暖系统中均设有第二冷却循环介质，该第二冷却循环介质为乙二醇加防冻液。
14.本发明还包括一种电动汽车电池低温预约启动系统的控制方法，旨在通过提前预约启动，使车辆满足开启条件，具体步骤如下：s1、收集燃料电池产生的余热；s2、利用燃料电池产生的余热为循环介质进行加热，并通过热循环管路使循环介质加热后产生的热量对动力电池进行加热；s3、当动力电池处于低温状态时，采用上述循环介质和电加热两种加热方式共同对动力电池进行加热；s4、当动力电池处于较低温状态时，单独采用循环介质对动力电池进行加热。
15.进一步，循环介质的加热方式还可采用电加热器的方式。
16.在动力电池加热到正常温度停止加热时，整车综合热管理系统利用燃料电池产生的余热对乘客舱进行加热，具体步骤如下：s5、若动力电池处于无需加热的状态时，利用燃料电池产生的余热对乘客舱进行加热升温。
17.进一步，上述乘客舱的加热方式还可采用电加热器的方式。
18.燃料电池收集热量并传输到热循环管路的步骤为：燃料电池开启自加热模式，加热设置在其内的循环介质，循环介质加热后产生的热量用于对动力电池和乘客舱进行加热。
19.当燃料电池余热系统中的循环介质处于低温状态或高温状态时，整车综合热管理系统采用如下加热模式：当循环介质的温度处于高温状态时，车辆同时开启电加热、循环介质加热及乘客舱加热；当循环介质的温度处于低温状态时，车辆单独开启电加热。
20.车辆预约系统启动的步骤如下：车辆接收到预约启动信号后开启系统并检测动力电池的温度，若动力电池温度处
于低温状态，开启动力电池电加热和燃料电池自加热；在预约启动过程中，若预约启动信号处于关闭或整车出现系统严重故障，燃料电池开启吹扫与关机模式，且整车下电并进入睡眠状态由上述对本发明结构的描述可知，本发明具有如下优点：其一，本发明采用预约启动系统实现动力电池提前加热，确保在发车前车辆满足燃料电池系统开启的条件，整车达到正常的使用性能且动力电池充电和放电功率不受限制，缩短启动车辆的等待时间。
21.其二，本发明采用动力电池冷却液加热和加热膜加热两种加热方案，并能通过整车综合热管理系统根据整车状态和温度智能选择动力电池最佳加热方案，使动力电池快速温升，实现在低温环境下动力电池及时满足燃料电池系统正常工作的条件，降低了加热能耗，且动力电池充电与放电功率不受限制。
22.其三，本发明动力电池水加热系统采用燃料电池系统余热加热和电加热器两个方案，通过整车综合热管理系统根据当前整车状态和温度智能选择冷却液加热模式，实现燃料电池系统余热利用。
23.其四，本发明乘客舱非独立水暖系统不仅保留传统电加热器方案，而且增加了燃料电池余热系统的加热方案，一方面可以降低加热器功率，另一方面可以充分利用燃料电池产生的热量，降低整车加热能耗，要整车综合热管理系统可以根据整车状态和温度智能选择最佳的加热方案。
24.其五，在动力电池停止加热时，采用动力电池水加热系统和燃料电池余热系统，利用燃料电池产生的余热使动力电池继续温升，同时延长燃料电池开机时间，提高了燃料电池质子交换膜在冬季夜晚的活性。
附图说明
25.图1为本发明电动汽车电池低温预约启动系统控制方法的流程示意图。
26.图2为本发明电动汽车电池低温预约启动系统的结构示意图。
27.图3为本发明电动汽车电池低温预约启动系统的电气结构示意图。
28.图中，附图标记分别是：r1-燃料电池余热系统；r2-动力电池水加热系统；r3-乘客舱非独立水暖系统；r4-动力电池电加热系统；1-燃料电池系统；11-燃料电池正极；12-燃料电池负极；21-第一温度传感器；22-第二温度传感器；23-第三温度传感器；24-第四温度传感器；201-第一三通阀；202-第二三通阀；203-第三三通阀；204-第四三通阀；31-第一水泵；32-第二水泵；33-第三水泵；41-第一膨胀水箱；42-第二膨胀水箱；5-燃料电池散热器；6-换热板块；61-第一通道；62-第二通道；7-第一电池箱体；71-第二电池箱体；73-第n 电池箱体；73-动力电池正极；74-动力电池负极；8-电加热器；81-电加热器正极；82-电加热器负极；9-车内散热器；10-高压配电盒；101-加热膜；102-加热膜正极；103-加热膜负极；1001-冷却管路；图中s1、s2、s3、s4、s5表示为继电器。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施
例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.参照图2至图3, 一种电动汽车电池的低温预约启动系统及控制方法，通过可对整车进行控制的整车综合热管理系统来实现，包括可收集燃料电池产生的余热并对其进行利用的燃料电池余热系统r1、可利用燃料电池产生的余热对动力电池进行加热的动力电池水加热系统r2、可利用燃料电池产生的余热对乘客舱进行加热的乘客舱非独立水暖系统r3及动力电池电加热系统r4，电动汽车可通过该预约启动系统实现对电池的提前加热，确保在发车前车辆满足燃料电池系统开启的条件，使车辆达到正常的使用性能，缩短了车辆的等待时间。
31.在本发明中要说明的是，车辆预约启动的信号可以来自整车定时设定、自主唤醒、手机app远程控制、或人为操作遥控钥匙等多种方式触发。
32.参照图2，燃料电池余热系统r1由依次连接的燃料电池系统1、第一温度传感器21、第一三通阀201的pb接口、换热板块6、燃料电池散热器5、第一膨胀水箱41、第一水泵31、第二温度传感器22及冷却管路1001共同组成的循环构成。其中，在第一三通阀201的pb接口开启时，第一三通阀201的pa接口处于关闭状态，上述换热板块6包括第一通道61和第二通道62，可通过调节三通阀的位置和切换换热板块6的不同通道，实现循环系统的智能转换。
33.动力电池水加热系统r2包括有两个循环系统，第一个循环系统采用燃料电池余热加热系统，是由依次连接的第二通道62、第二三通阀202的ap接口、第三温度传感器23、第n电池箱体72、第四温度传感器24、第二水泵32、第四三通阀204的pa接口及冷却管路1001组成的加热循环；该动力电池水加热系统r2的第二个循环系统采用电加热器水热系统，是由依次连接的第二水泵32、第四三通阀204的pb接口、电加热器8、第三三通阀203的pa接口、第二三通阀202的bp接口、第三温度传感器23、第n电池箱体72、第四温度传感器24及冷却管路1001组成的加热循环，整车综合热管理系统可以根据车辆的状态和温度智能选择合适的加热模式，不仅实现了对燃料电池系统余热的利用，同时也使动力电池快速温升。
34.乘客舱非独立水暖系统r3有两个循环系统，第一个循环系统采用燃料电池余热加热系统，是由依次连接的第二通道62、第二三通阀202的ab接口、第三三通阀203的ab接口、车内散热器9、第三水泵33、第四三通阀204的ab接口及冷却水管1001等组成；该乘客舱非独立水暖系统的第二个循环系统采用电加热器8进行加热水暖系统，由第三三通阀203的pb接口、车内散热器9、第三水泵33、电加热器8及冷却管路1001等组成，通过增加了燃料电池余热加热系统，有效的降低加热器功率，还可以根据整车的状态、温度等情况智能选择适合当前状态的加热方案，这样充分利用了燃料电池产生的热量，降低了整车的加热能耗。
35.参照图3，动力电池电加热系统r4采用动力电池内置加热膜101加热方案，由相互电联接第一电池箱体7、第二电池箱体71、第n电池箱体72、加热膜101、动力电池正极73、动力电池负极74、加热膜正极102、加热膜负极103、高压配电盒10、继电器s1、继电器s2、继电器s3、继电器s4、继电器s5、燃料电池正极11、燃料电池负极12、电加热器8、电加热器正极81、电加热器负极82及燃料电池系统1等组成。
36.其中第一电池箱体7、第二电池箱体71及第n电池箱体72内部的加热膜101采用串联方案，加热膜101的正极102通过继电器s2与电加热器8或燃料电池系统1的正极相连，加热膜101的负极103通过继电器s5与电加热器8或燃料电池系统1的负极相连接，并且加热膜
101紧贴在电池电芯模组的侧面，通过通电线圈进行发热的原理，再经过热传递从而提高电池的温度。
37.上述燃料电池正极11通过继电器s1与动力电池正极73连接，燃料电池负极12通过继电器s4与动力电池负极74连接；电加热器正极81通过继电器s3与动力电池正极73连接，电加热器负极82与燃料电池负极12共用继电器s4，均与动力电池负极74连接，动力电池与燃料电池系统1、电加热器8等整车其他设备的高压连接，均通过高压配电盒进行分配、管理及检测，保证了安全且线路更为清晰明了。
38.参照图2至图3，燃料电池系统1、第一温度传感器21、第一三通阀201、换热板块6的第一通道61、燃料电池散热器5、第一膨胀水箱41、第一水泵31、第二温度传感器22及冷却管路1001均使用第一冷却循环介质，该第一冷却循环介质是采用电导率小于5us/cm去离子防冻液。换热板块6的第二通道62、第二水泵32、第二三通阀202、第三温度传感器23、第一电池箱体7、第二电池箱体71、第n电池箱体72、第四温度传感器24、第三三通阀203、第三水泵33、第二膨胀水箱42、电加热器8、车内散热器9及冷却管路1001均使用第二冷却循环介质，该第二冷却循环介质是采用乙二醇加防冻液。
39.参照图2，在工作中，燃料电池余热系统r1通过控制第一三通阀201的pa接口和pb接口，可以实现第一冷却循环介质在换热板块6与燃料电池散热器5之间进行串联与并联的系统切换。在整车无需燃料电池余热时，第一三通阀201切换至pa接口，此时pb接口处于关闭状态，直接将换热板块6进行短路，有效降低第一冷却循环介质的水阻，提高燃料电池系统1散热效率；在冬季温度低于0
°
以下时，整车需要燃料电池余热加热时，第一三通阀201切换至pb接口，此时pa接口处于关闭状态，第一冷却循环介质将换热板块6的第一通道61与燃料电池散热器5进行串联，且第一冷却循环介质在换热板块6之间实现热量传递，同时可以降低燃料电池散热器5的散热能力；在整车无需燃料电池余热时，第一冷却循环介质依次经过燃料电池系统1、第一温度传感器21、第一三通阀201的pa接口、燃料电池散热器5、第一膨胀水箱41、第一水泵31和第二温度传感器22，此时燃料电池产生的热量主要从燃料电池散热器5中吹向空气中，确保燃料电池系统内部温度控制在适宜温度范围。在冬季温度低时，整车需要燃料电池余热时，第一冷却循环介质依次经过燃料电池系统1、第一温度传感器21、第一三通阀201的pb接口、第一通道61、燃料电池散热器5、第一膨胀水箱41、第一水泵31和第二温度传感器22，此时燃料电池产生的热量会先被换热板块6吸收，然后剩余热量会被燃料电池散热器5吹向空气中。
40.上述第一电池箱体7、第二电池箱体71及第n电池箱体72的冷却水路均采取并联方案，能有效降低电池箱体内部水冷板的流阻，且第二冷却循环介质在电池箱体外部先经第三温度传感器23，然后分流到n个电池箱体，最后总地汇合后穿过第四温度传感器24，在满足使用要求的冷却流量下，电池单体温度差控制在t0，使电池的温度保持在健康状态。
41.在本发明的第二实施例中，还可以只采用动力电池水加热系统r2和动力电池电加热系统r4这两种方案，取消乘客舱非独立水暖系统r3的加热方案，实现系统的简单化，确保动力电池低温环境下的温升有效提高。
42.在本发明中，采用动力电池冷却液是优选的方案，也可以单独采用电加热器8或ptc提供能量，无需考虑燃料电池余热利用方案，此时系统更加简单，动力电池的加热功能
也可以实现。
43.参照图1，该预约启动系统的控制方法是可根据预约启动信号提前启动电动汽车，免去了等待的时间，具体步骤如下：第一步，系统上电，车辆接收到事先设定的预约启动信号时，整车控制器处于唤醒状态，进而整车控制器开启系统自检与信号校验，判断车辆当前是否处于低温环境（如-10℃或-10℃以下），整车有无故障，若无故障，则整车开始自行上低压电和高压电，闭合高压配电盒10中的继电器s1和继电器s5，但驱动系统及其他负载处于断开状态，此时动力电池因温度低于设定值（如-10℃或-10℃以下），开启系统内部加热膜101加热模式，高压配电盒10中的继电器s2和继电器s5处于闭合状态，此时动力电池电加热系统r4中加热膜101的加热功率为p
bat_heat
。
44.第二步，通过整车控制器综合判断当前是否满足燃料电池开堆条件，比如整车故障状态、氢气压力、动力电池剩余电量soc、动力电池放电功率等信号，若满足条件，则发送燃料电池系统1启动信号，此时低温下燃料电池系统1开启内循环加热第一冷却循环介质；若不满足燃料电池开堆条件，燃料电池系统1处于停机状态。
45.第三步，当燃料电池系统1第一冷却循环介质温度达到t1时，燃料电池系统1开始启动发电状态，且燃料电池系统1发电功率为p
fc
。此时为确保动力电池不过充，需要满足燃料电池系统1发电功率p
fc
小于动力电池当前允许最大充电功率p
bat_maxchargepower
或其他用电设备及时转化吸收。
46.第四步，若燃料电池系统1输出功率满足p
fc
≥p
bat_heat
,则闭合高压配电盒10中的继电器s3，冷却循环水路上的电加热器8处于加热状态，同时断开继电器s4，动力电池处于断开高压状态。此时，整车综合热管理采用动力电池电加热系统r4和动力电池水加热系统r2，快速提高动力电池温升,同时吸收燃料电池产生的剩余电功率。
47.第五步，当燃料电池系统出水温度高于t2，整车综合热管理采用动力电池电加热系统r4加动力电池水加热系统r2加燃料电池余热系统r1再加上乘客舱非独立水暖系统r3，燃料电池净输出功率实时满足p
fc
＜p
bat_heat
+p
加热器
+p
其它用电设备
。
48.第六步，若燃料电池系统1输出功率满足p
fc
＜p
bat_heat
冷却循环水路上的电加热器8处于关闭状态，高压配电盒10中的继电器s3处于断开状态，此时当燃料电池系统1出水温度高于t2，整车综合热管理系统采用动力电池电加热系统r4加动力电池水加热系统r2再加上燃料电池余热系统r1；当燃料电池系统1出水温度低于t2,整车综合热管理仅采用动力电池电加热系统r4，此时燃料电池余热系统r1和动力电池水加热系统r2处于关闭状态。
49.第七步，随着动力电池温度快速上升，动力电池最高温度高于t
bat_mac0
或电池单体平均温度高于t
bat_mean0
，动力电池加热膜101停止加热，整车综合热管理采用动力电池水加热系统r2加燃料电池余热系统r1，利用燃料电池的余热提高动力电池的温升，同时延长燃料电池开机时间，确保提高燃料电池质子交换膜在冬季夜晚的活性。
50.第八步，随着动力电池温度进一步上升，动力电池最高温度高于t
bat_max1
时或电池单体平均温度高于t
bat_mean1
时，动力电池无需进行加热，此时若整车控制器仍收到预约启动信号时，整车综合热管理采用燃料电池余热加热系统加乘客舱非独立水暖系统r3，利用燃料电池余热提高乘客舱温度。
51.第九步，在整个预约启动过程中，若预约启动信号处于关闭或整车出现系统严重
故障，则燃料电池系统1开启吹扫与关机模式，高压盒配电盒10中的继电器s1、s2、s3、s4和s5处于断开状态，整车下电并进入睡眠状态。
52.采用这种低温预约启动系统的电动汽车通过整车热管理系统的控制，能根据整车状态和温度智能选择动力电池最佳的加热方案，实现动力电池温度快速提升，使动力电池能在低温环境下正常使用，及时满足了燃料电池系统1的正常工作，而且动力电池充电与放电的功率不会受到限制。
53.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。