燃料电池车及其热管理系统的制作方法

本发明属于新能源车辆动力系统技术领域，具体涉及一种燃料电池车及其热管理系统。

背景技术：

燃料电池汽车通过燃料电池发生电化学反应产生的电能来驱动汽车，由于其具有效率高、零排放、运行平稳、无噪声等一系列优良性能，被称为“真正的节能环保汽车”，是未来汽车产业发展的趋势。燃料电池汽车其核心部件为燃料电池堆，采用电化学反应方式将化学能转化为电能，直接发电效率高达45％，广泛应用于电站、移动式电源、电动汽车、航天飞船、军用装备以及民用产品等领域。

燃料电池在工作时产生大量的废热，常常采用循环冷却介质对燃料电池进行散热，将热量直接排放到空气中，以维持燃料电池工作在适宜的温度范围内。但是，采用这种方式燃料电池所产生的热量不仅增加了大气中的废热排放量，同时造成了热量的严重浪费。

为了减少热量的浪费，授权公告号为cn205632164u的中国实用新型专利公开了一种包含燃料电池与锂电池的动力系统的温度控制系统，该系统中设置有高温尾气排放管道、余热再利用管道和旁路管道，高温尾气排放管道和余热再利用管道相连通后的两端再分别连通燃料电池组模块和锂电池组模块，高温尾气排放管道和旁路管道连通后一端与燃料电池组模块相连，另一端设置为开口。该系统依据锂电池组模块的温度来判断是利用燃料电池组模块的高温余热对锂电池组模块进行加热，还是直接将燃料电池组模块产生的废热直接排放掉。

该系统依据锂电池组模块的温度来进行余热的再利用，能够在一定程度上减少资源的浪费、提高能源利用率，但是，该系统并未考虑燃料电池组模块的温度。燃料电池组模块在运行过程中会产生大量热能，约占燃料化学能的50％，以一个输出为60kw的燃料电池组模块为例，其会产生约60kw的热量，该部分热量使燃料电池组模块温度升高，过高的温度会降低交换膜的性能，使燃料电池组模块性能发生不可逆的衰减，缩短交换膜的使用寿命，降低燃料电池堆的稳定性、性能和使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种燃料电池车的热管理系统，用以解决现有的热管理系统的燃料电池的使用寿命低的问题，本发明还提供了一种燃料电池车，用以解决现有燃料电池车中的热管理系统的燃料电池的使用寿命低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明提供了一种燃料电池车的热管理系统，包括用于设置在燃料电池和动力电池之间的燃料电池余热利用管路，还包括控制装置、燃料电池冷却管路和用于检测燃料电池温度的第一温度传感器；所述燃料电池冷却管路上设置有散热装置、第一泵机和第一控制阀；所述控制装置采样连接所述第一温度传感器，所述控制装置控制连接所述第一泵机和第一控制阀，且所述控制装置用于根据第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值，控制第一控制阀的电压以改变第一控制阀的开度和/或控制第一泵机的电压以改变第一泵机的转速。

该系统中设置有用于检测燃料电池温度的第一温度传感器，可对燃料电池的温度进行实时检测，在检测到燃料电池温度较高的情况下，控制装置控制第一泵机和第一控制阀工作，以利用燃料电池冷却管路对燃料电池进行降温操作，使燃料电池工作在合适的温度范围内，保证了燃料电池的安全，提高了燃料电池的使用寿命，进而保证了系统的稳定运行。同时，该系统中的第一泵机和第一控制阀皆为可控的，且是根据燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值来改变对应的转速和开度的，兼顾了第一泵机的工作效率、第一控制阀的工作效率和燃料电池的降温效率。而且，在该系统中还设置有燃料电池余热利用管路，可充分利用燃料电池的余热，对动力电池进行升温操作，最大化提升能源的利用率，降低能源的浪费。

进一步的，所述燃料电池余热利用管路上设置有第二泵机和第二控制阀，所述控制装置控制连接所述第二泵机和第二控制阀。在燃料电池余热利用管路上设置第二泵机和第二控制阀，使得对该管路的控制更为便捷。

进一步的，所述燃料电池余热利用管路上还设置有用于为所述燃料电池余热利用管路中的冷却介质加热的辅助加热装置，所述控制装置控制连接所述辅助加热装置，且所述第二泵机和第二控制阀均设置在辅助加热装置和动力电池之间的燃料电池余热利用管路上。辅助加热装置可在动力电池温度较低的情况给动力电池升温，便于动力电池低温启动。

进一步的，该系统还包括设置在燃料电池余热利用管路与动力电池进水口连接处的第二温度传感器，所述控制装置采样连接所述第二温度传感器；所述控制装置还用于根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值，控制所述第二控制阀的电压以改变第二控制阀的开度、控制第二泵机的电压以改变第二泵机的转速和/或控制辅助加热装置的电压以改变辅助加热装置的功率。该系统设置第二温度传感器来对动力电池进水口处冷却介质的温度进行检测，并控制第二控制阀的开度和第二泵机的转速根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值来变化，使得第二泵机和第二控制阀的工作效率更高。

进一步的，冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值和辅助加热装置的电压的关系为：其中，u1为辅助加热装置的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ufu为辅助加热装置的额定电压，k1为设定增益系数；冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值和第二泵机的电压的关系为：其中，u2为第二泵机的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ubeng2为第二泵机的额定电压，k2为设定增益系数；冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值和第二控制阀的电压的关系为：其中，u3为第二控制阀的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ufa2为第二控制阀的额定电压，k3为设定增益系数。在冷却介质温度较高的情况下控制减少第二泵机的转速和/或第二控制阀的开度，以在无需第二泵机和/或第二控制阀高强度工作的情况下降低其工作功率；在冷却介质温度较低的情况下控制增加第二泵机的转速和/或第二控制阀的开度，以加快冷却介质升温速度，提高动力电池的升温效率。

进一步的，燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值和第一泵机的电压的关系为：其中，u4为第一泵机的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，ubeng1为第一泵机的额定电压，k4为设定增益系数；燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值和第一控制阀的电压的关系为：其中，u5为第一控制阀的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，ufa1为第一控制阀的额定电压，k5为设定增益系数。使第一泵机的转速大小和第一控制阀的开度根据第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值来变化，使得第一控制阀和第一泵机的工作效率较高。

进一步的，所述燃料电池和辅助加热装置之间的燃料电池余热利用管路上设置有热交换装置，且热交换装置和燃料电池之间的燃料电池余热利用管路上设置有第三泵机，所述控制装置控制连接所述第三泵机，且所述控制装置还用于根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值、或者第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值控制所述第三泵机的电压，以改变第三泵机的转速。使第三泵机的转速大小根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值或者第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值来变化，使得第三泵机的工作效率较高。

进一步的，第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值、第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值和第三泵机的电压的关系为：其中，u6为第三泵机的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ubeng3为第三泵机的额定电压，k6为设定增益系数。在冷却介质温度较高或者燃料电池温度较低的情况下控制减少第三泵机的转速，以在无需第三泵机高强度工作的情况下降低其工作功率；在冷却介质温度较低或者燃料电池温度较高的情况下控制增加第三泵机的转速，以提高动力电池的升温效率。

本发明还提供了一种燃料电池车，包括车辆本体、动力电池和燃料电池，还包括上述介绍的燃料电池车的热管理系统。该燃料电池车的热管理系统中设置有用于检测燃料电池温度的第一温度传感器，可对燃料电池的温度进行实时检测，在检测到燃料电池温度较高的情况下，控制装置控制第一泵机和第一控制阀工作，以利用燃料电池冷却管路对燃料电池进行降温操作，使燃料电池工作在合适的温度范围内，保证了燃料电池的安全，提高了燃料电池的使用寿命，进而保证了系统的稳定运行。同时，该系统中的第一泵机和第一控制阀皆为可控的，且是根据燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值来改变对应的转速和开度的，兼顾了第一泵机的工作效率、第一控制阀的工作效率和燃料电池的降温效率。而且，在该系统中还设置有燃料电池余热利用管路，可充分利用燃料电池的余热，对动力电池进行升温操作，最大化提升能源的利用率，降低能源的浪费。

附图说明

图1是本发明的燃料电池车的热管理系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

燃料电池车实施例：

该实施例提供了一种燃料电池车，该车辆包括车辆本体，在车辆本体中设置有燃料电池和动力电池(可为锂电池)，以给车辆负载提供动力来源。为了同时兼顾充分利用燃料电池的余热和燃料电池的安全，该车辆还设置有燃料电池车的热管理系统系统，该系统的原理图如图1所示。

该系统包括控制装置和燃料电池冷却管路。控制装置为整个系统的控制中心，根据设定的系统控制策略，实时监控各个部件的状况，同时控制系统中各个部件的安全运行。燃料电池冷却管路上设置有散热装置、第一泵机b1和第一控制阀f1，散热装置、第一泵机b1和第一控制阀f1均与控制装置相连以接受控制装置的控制。该系统还包括用于检测燃料电池温度的第一温度传感器(图1中并未画出)，第一温度传感器也与控制装置通过相应的数据线相连，以将检测的燃料电池温度信息传递给控制装置。

其工作原理为：第一温度传感器实时检测燃料电池的温度，并将检测的温度信息通过数据线传递给控制装置，控制装置将检测的温度信息与设定燃料电池保护温度阈值进行比较判断，在判定检测的温度信息大于设定燃料电池保护温度阈值时，控制装置控制第一泵机b1工作，同时第一控制阀f1闭合，使燃料电池冷却管路中的冷却介质通过燃料电池，对燃料电池进行散热操作，防止燃料电池的温度过高，以保护燃料电池。

该实施例中的第一泵机为可改变转速的泵机，控制装置根据第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值，控制第一泵机的电压以改变第一泵机的转速；该实施例中的第一控制阀为可改变阀开度的控制阀，控制装置通过控制第一控制阀的电压以改变第一控制阀的开度。从而使控制装置根据燃料电池的温度情况对燃料电池冷却管路中冷却介质的流速大小、流量多少进行控制，提高燃料电池冷却效率。

具体的，第一泵机b1的流量由控制装置输出给第一泵机b1的电压高低来控制，即：

其中，u4为第一泵机的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，ubeng1为第一泵机的额定电压，k4为设定增益系数。(tran-tr)的值越大，第一泵机b1的电压越高，第一泵机b1的转速越高，流量越大。

第一控制阀f1的开度大小由控制装置输出给第一控制阀f1的电压高低来控制，即：

其中，u5为第一控制阀的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，ufa1为第一控制阀的额定电压，k5为设定增益系数。(tran-tr)的值越大，第一控制阀f1的电压越高，第一控制阀f1的开度越大。

需说明的是，式(1)和式(2)中，当时，取1；当时，取0。

整体来看，该系统中泵机(即第一泵机)的控制逻辑为：当燃料电池的温度较高时，泵机以最大转速运行，随着燃料电池温度的下降，泵机逐步降低转速，当燃料电池的温度降低至设定燃料电池保护温度阈值时，泵机以最小转速运行，当动力电池的温度低于设定燃料电池保护温度阈值时，关闭泵机。控制阀(即第一控制阀)的控制逻辑与泵机的控制逻辑相同，即当燃料电池的温度较高时，控制阀以最大开度运行，随着燃料电池温度的下降，控制阀逐步降低转速，当燃料电池的温度降低至设定燃料电池保护温度阈值时，控制阀以最小开度运行，当动力电池的温度低于设定燃料电池保护温度阈值时，关闭控制阀。

而且，该系统还包括设置在燃料电池的和动力电池之间的燃料电池余热利用管路，在该管路上设置有热交换装置，热交换装置将燃料电池的冷却介质和动力电池的冷却介质隔离开。热交换装置和燃料电池之间的燃料电池余热利用管路上设置有第三泵机b3。在热交换装置和动力电池之间的燃料电池余热利用管路上设置有辅助加热装置，辅助加热装置和动力电池之间的燃料电池余热利用管路上设置有第二泵机b2和第二控制阀f2。热交换装置、辅助加热装置、第二泵机b2、第二控制阀f2均与控制装置相连以接受控制装置的控制。而且，在燃料电池余热利用管路与动力电池进水口连接处设置有用于检测冷却介质温度的第二温度传感器w1，第二温度传感器w1与控制装置通过相应的数据线相连，以将检测的燃料电池温度信息传递给控制装置。

其中，辅助加热装置是在极端低温下在回收的燃料电池废热无法满足动力电池温升需求时、提供辅助热源的装置，可用电辅助、燃油(汽油、煤油)、燃气(lng、cng)等辅助加热装置。

其工作原理为：第二温度传感器w1实时检测冷却介质的温度，并将检测的温度信息通过数据线传递给控制装置，控制装置将检测的温度信息与设定冷却介质温度目标值进行比较判断，在判定检测的温度信息小于设定冷却介质温度目标值时，控制装置控制第二泵机b2、第三泵机b3工作，同时第二控制阀f2闭合，使燃料电池的余热通过燃料电池余热利用管路传递给动力电池，或者辅助加热装置给燃料电池余热利用管路中的冷却介质进行加热，以对动力电池进行升温操作，对燃料电池的余热进行充分利用，提高能源利用率。

该实施例中的第二泵机为可改变转速的泵机，控制装置根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值，控制第二泵机的电压以改变第二泵机的转速；该实施例中的第二控制阀为可改变阀开度的控制阀，控制装置通过控制第二控制阀的电压以改变第二控制阀的开度；该实施例中的第三泵机为可改变转速的泵机，控制装置根据第二温度传感器检测的冷却介质温度与设定冷却介质温度目标值的差值或者第一温度传感器检测的燃料电池温度与设定燃料电池保护温度阈值的差值控制第三泵机的电压以改变第三泵机的转速。从而使控制装置根据动力电池进水口处的冷却介质的温度情况/燃料电池温度情况对燃料电池余热利用管路中冷却介质的流速大小、流量多少进行控制，提高动力电池的升温效率。

具体的，第二泵机b2的流量由控制装置输出给第二泵机b1的电压高低来控制，即：

其中，u2为第二泵机的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ubeng2为第二泵机的额定电压，k2为设定增益系数。(tn-tleng)的值越大，第二泵机b2的电压越高，第一泵机b2的转速越高，流量越大。

第二控制阀f2的开度大小由控制装置输出给第二控制阀f2的电压高低来控制，即：

其中，u3为第二控制阀的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ufa2为第二控制阀的额定电压，k3为设定增益系数。(tn-tleng)的值越大，第二控制阀f2的电压越高，第二控制阀f2的开度越大。

第三泵机b3的流量由控制装置输出给第三泵机b3的电压高低来控制，即：

其中，u6为第三泵机的电压，tran为燃料电池温度，tr为设定燃料电池保护温度阈值，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ubeng3为第三泵机的额定电压，k6为设定增益系数。(tn-tleng)和(tran-tr)的最大值越大，第三泵机b3的电压越高，第二控制阀f2的开度越大。

而且，对于辅助加热装置，其实时发热功率与冷却介质的温度存在如下控制关系：

其中，p为辅助加热装置的实时发热功率，pn为辅助加热装置的额定发热功率，tn为设定冷却介质温度目标值，tleng为冷却介质温度。

辅助加热装置的输出功率大小由控制装置输出给辅助加热装置的电压高低来控制，即：

其中，u1为辅助加热装置的电压，tleng为冷却介质温度，tn为设定冷却介质温度目标值，ufu为辅助加热装置的额定电压，k1为设定增益系数。(tn-tleng)的值越大，辅助加热装置的电压越高，发热功率越大。

需说明的是，式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)中，当时，取0；且式(5)中，当时，取1，当时，取0。

另外，需说明的是，为了安全起见，的取值范围可在[0.10,0.25]内，也就是说，在燃料电池温度高于设定燃料电池保护温度阈值，且高于设定燃料电池保护温度阈值的程度并没有很大的情况下控制第一控制阀和第一泵机工作。

整体来看，该系统中泵机(即第二泵机)的控制逻辑为：当冷却介质的温度较低时，泵机以最大转速运行，随着冷却介质温度的上升(会导致动力电池温度的上升)，泵机逐步降低转速，当冷却介质的温度达到设定冷却介质温度目标值时，泵机以最小转速运行，当动力电池的温度高于设定冷却介质温度目标值时，关闭泵机。控制阀(即第二控制阀)的控制逻辑与泵机的控制逻辑相同，这里不再赘述。对于第三泵机，需要考虑的条件为冷却介质的温度或者燃料电池的温度，但其内在控制逻辑与第二泵机的相同，这里不再赘述。

下面具体说明该系统中涉及的控制策略。

为了提高整个系统的鲁棒性，所有温度信息的波动差值为±3℃，即目标温度值±3℃以内即为达到目标状态。该系统中需要对辅助加热装置、第一控制阀、第一泵机、第二控制阀、第二泵机、第三控制阀的电压进行控制。辅助加热装置、第一控制阀、第二控制阀的额定电压为5v，第一泵机、第二泵机、第三泵机的额定电压为24v。对于额定电压为5v的部件，增益系数设置为1.2，用以对电压进行修正，对于额定电压为24v的部件，增益系数设置为1.1，用以对电压进行修正。

在-20℃的极低的环境温度下，车辆开始运行时，车辆需求的电能由动力电池提供。车辆中的电池管理系统检测动力电池的温度，发现动力电池的温度低于0℃时，此时动力电池的温度过低会影响动力电池的输出功率，需要对动力电池进行加热、升温操作，电池管理系统向控制装置发出动力电池加热请求。此时第二温度传感器w1检测冷却介质温度，若冷却介质温度低于设定冷却介质温度目标值15℃时，按照式(3)、(4)、(7)输出对应的控制信息给第二泵机、第二控制阀和辅助加热装置，对应的电压分别为：当tn＝35℃，pn＝36kw时，p、tn-tleng、u2、u3和u1的典型取值如下表1所示，该表格中p的单位为kw，u1、u2、u3的单位为v。

表1

在-20℃初始温度下，设置tr＝60℃，按照式(1)、(2)输出对应的控制信息给第一泵机、第一控制阀，对应的电压分别为：则tran-tr、u4、u5的典型取值如下表2所示，该表格中u4、u5的单位为v。

表2

在燃料电池余热利用管路上的第三泵机b3的转速同时受制于动力电池的温度和燃料电池入水口处冷却介质的温度，控制装置按照公式(5)输出对应的控制信息给第三泵机，对应的电压为：其典型取值如下表3所示，该表格中u6的单位为v。

表3

燃料电池车的热管理系统实施例：

该实施例提供了一种燃料电池车的热管理系统，该系统已在燃料电池车实施例中做了详细说明与介绍，这里不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。