一种多能量源燃料电池汽车热管理系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多能量源燃料电池汽车热管理系统及其控制方法。所述燃料电池汽车热管理系统包括燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统和后处理子系统。所述控制方法包括检测各能量源的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量，和根据所述参数在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换热管理系统控制方法。所述各个模式下，热管理系统控制器通过控制各子系统所通过的冷却液流量实现整个动力源部分效率最优，低温环境下还需考虑整个动力源部分的快速响应，从而提升所述燃料电池汽车的经济性和低温环境下的快速响应性能。车的经济性和低温环境下的快速响应性能。车的经济性和低温环境下的快速响应性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多能量源燃料电池汽车热管理系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池汽车领域，具体涉及一种多能量源燃料电池汽车热管理系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]燃料电池汽车以燃料电池堆作为主要的能量来源，相较于传统汽车中的内燃机系统和纯电动汽车中的电池系统分别具有节能、环保、能量转化率高、噪音低和燃料加注快、能量密度大等优势。其中由燃料电池、蓄电池和超级电容组成的多能量源燃料电池汽车能够结合三者能量密度大、动态响应快和功率密度大的特点，保证整车的性能。但对于多能量源的燃料电池汽车，各个能量源部分的热管理系统及其控制方法仍是阻碍多能量源燃料电池汽车发展的一大因素。
[0003]目前，已有的关于燃料电池汽车热管理系统及其控制方法的专利大多仅仅考虑某个部件或系统的冷却问题或冷启动问题，且并未将热管理系统对动力源部分效率的影响纳入到热管理系统及其控制方法的设计过程中。如中国专利公布号为CN109962268B，公布日为2019
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02，公开了一种燃料电池汽车热管理方法，该方法仅仅考虑了低温下燃料电池快速启动问题和动力电池保温问题，没有考虑热管理系统在高温条件下的运行，也没有涉及到热管理系统对动力源部分效率的影响。针对包含燃料电池、蓄电池和超级电容三个能量源的燃料电池汽车，考虑动力源部分效率的热管理系统及其控制方法，尚未出现。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术针对如何保证多能量源的燃料电池汽车在包含低温和高温等极限工况的所有条件下保证效率最优的技术问题，提供了一种多能量源燃料电池汽车热管理系统及其控制方法。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种多能量源燃料电池汽车热管理系统，包括：
[0006]燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统、热交换子系统和后处理子系统；
[0007]所述的燃料电池子系统由流量调节阀、温度传感器、燃料电池堆、温度传感器和副电机通过管路依次连接而成，控制阀并联在副电机两端；所述的燃料电池子系统用于给整车提供能量和热量；
[0008]所述的蓄电池子系统由流量调节阀、温度传感器、蓄电池和温度传感器通过管路依次连接而成；所述的蓄电池子系统用于给整车提供能量；
[0009]所述的超级电容子系统由流量调节阀、温度传感器、超级电容、温度传感器通过管路依次连接而成；所述的超级电容子系统用于给整车提供能量；
[0010]所述的热交换子系统由三通控制阀、控制阀、驾驶舱、温度传感器、三通控制阀、主散热器、温度传感器、副散热器、温度传感器和主电机通过管路依次连接而成，单向阀的左端与热交换子系统的前三通控制阀通过管路连接，单向阀的右端与热交换子系统的副散热
器进口端通过管路连接；所述热交换子系统用于为热管理系统散热；
[0011]所述的后处理子系统由离子检测装置、三通控制阀、流量计、三通控制阀通过管路依次连接而成，去离子装置和水箱分别通过管路接在两个三通控制阀的下端，去离子装置和水箱又通过管路连接；所述后处理子系统用于为冷却液减小离子浓度与补充冷却液。
[0012]所述的燃料电池子系统、蓄电池子系统与超级电容子系统的冷却液进出口端分别通过管路连接，并在其出口端通过管路与热交换子系统连接，后处理子系统出口端与热交换子系统的主电机的进口端通过管路连接，进口端与热交换子系统的最后的温度传感器的出口端通过管路连接；
[0013]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种燃料电池汽车热管理控制方法，包括下列步骤；检测所述多能量源燃料电池汽车的各能量源的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量；和根据所述参数在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换，并改变所述燃料电池汽车的热管理系统控制方法。
[0014]由此，根据本专利技术的燃料电池汽车热管理系统及其控制方法通过在极寒模式下利用副电机驱动冷却液将燃料电池堆产生的热量合理分配给蓄电池和超级电容，优化了整个燃料电池电池汽车的快速冷启动性能和在极寒环境下的动力源部分效率；在其他模式下利用通过对每个部件所经过流量的合理分配，优化了燃料电池汽车的动力源部分效率，因此能够满足在多种条件下实现经济性最优和极寒环境下快速响应的目的。另外，本专利技术的燃料电池汽车热管理系统及其控制方法简单有效。
[0015]另外，根据本专利技术的上述实施例的还可以具有如下附加技术特征；
[0016]根据本专利技术的一个实施例，当所述燃料电池汽车的燃料电池堆冷却液出口温度T1小于此时燃料电池堆工作的最佳温度T
u1
，或蓄电池冷却液出口温度T2小于此时蓄电池工作的最佳温度T
u2
，或超级电容冷却液出口温度T3小于此时燃料电池堆工作的最佳温度T
u3
时，热交换子系统的控制阀关闭，热交换子系统的前三通控制阀右端关闭，左端、下端导通，燃料电池子系统的控制阀关闭，副电机启动，热管理系统切换到极寒模式，冷却液只在燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统之间循环，不经过热交换子系统和后处理子系统；当燃料电池堆的需求功率大于等于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于需求功率；燃料电池堆的需求功率小于燃料电池堆最小输出功率时，令燃料电池堆的输出功率P1等于最小输出功率；
[0017]根据式(1)可计算出各能量源再不同冷却液流量下冷却液进出口温度变化量；
[0018][0019]式中ΔT代表各部件冷却液的进出口温度变化量；P代表各能量源的输出功率；η代表各能量源的效率；S代表所流经的冷却液流量；C代表冷却液的比热容；
[0020]根据燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出电流、输出功率和冷却液出口温度查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3以及对于各能量源单位流量的增加所带来的效率的增加Δη1、Δη2、Δη3，通过式(2)可计算出各能量源单位流量的增加对于动力源部分总效率η的提升η
a1
、η
a2
、η
a3
；
[0021][0022]式中，P1、P2、P3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的输出功率，η1、η2、η3分别为燃料电池堆、蓄电池、超级电容的效率；
[0023]蓄电池和超级电容所需冷却液流量之间关系如式(3)；
[0024][0025]式中S2、S3分别为蓄电池、超级电容所需冷却液流量；S2、S3与燃料电池堆所需冷却液流量S1还需满足式(4)；
[0026]S1＝S2+S3ꢀꢀ
(4)
[0027]S1可遍历0至此时燃料电池子系统的最大流量，寻求使动力源部分总效率η达到最大值的最优流量S
u1
，结合式(3)与式(4)计算出S
u2
和S
u3
；
[0028]利用流量调节阀使燃料电池子系统、蓄电池子系统、超级电容子系统的冷却液流量分别达到S
u1
、S
u2
、S
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多能量源燃料电池汽车热管理系统，其特征在于，包括：燃料电池子系统(a)、蓄电池子系统(b)、超级电容子系统(c)、热交换子系统(d)和后处理子系统(e)；所述的燃料电池子系统(a)由流量调节阀(11)、温度传感器(12)、燃料电池堆(1)、温度传感器(2)和副电机(3)通过管路依次连接而成，控制阀(31)并联在副电机(3)两端；所述的燃料电池子系统(a)用于给整车提供能量和热量；所述的蓄电池子系统(b)由流量调节阀(7)、温度传感器(13)、蓄电池(6)和温度传感器(5)通过管路依次连接而成；所述的蓄电池子系统(b)用于给整车提供能量；所述的超级电容子系统(c)由流量调节阀(8)、温度传感器(14)、超级电容(9)、温度传感器(10)通过管路依次连接而成；所述的超级电容子系统(c)用于给整车提供能量；所述的热交换子系统(d)由三通控制阀(4)、控制阀(15)、驾驶舱(18)、温度传感器(19)、三通控制阀(17)、主散热器(20)、温度传感器(21)、副散热器(22)、温度传感器(23)和主电机(29)通过管路依次连接而成，单向阀(16)的左端与三通控制阀(4)通过管道连接，右端与温度传感器(21)通过管路连接；所述热交换子系统(d)用于为整车散热；所述的后处理子系统(e)由离子检测装置(24)、三通控制阀(25)、流量计(28)、三通控制阀(30)通过管路依次连接而成，去离子装置(26)通过管路接在三通控制阀(25)的下端，水箱(27)通过管路接在三通控制阀(30)的下端，去离子装置(26)和水箱(27)又通过管路连接；所述后处理子系统(e)用于为冷却液去除离子与补充冷却液；所述的燃料电池子系统(a)、蓄电池子系统(b)与超级电容子系统(c)的冷却液进出口端分别通过管路连接，并在其出口端通过管路与热交换子系统(d)连接，后处理子系统(e)出口端与热交换子系统(d)的主电机(29)的进口端通过管路连接，进口端与热交换子系统(d)的温度传感器(23)的出口端通过管路连接。2.一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法，利用权利1要求中所述的热管理系统，其特征在于，包括以下步骤：检测所述多能量源燃料电池汽车的各能量源的输出电流、输出功率及其冷却液出口温度、乘员舱所需的热量；和根据所述参数在极寒模式、小循环、中循环、大循环和极热模式之间切换，并改变所述燃料电池汽车热管理系统控制方法。3.根据权利要求2所述的一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于，利用检测得到的所述燃料电池汽车的各部分能量源的输出功率和输出电流可得各部分的最佳工作温度，当所述燃料电池汽车的燃料电池堆(1)冷却液出口温度T1小于此时燃料电池堆(1)工作的最佳温度T
u1
，或蓄电池(6)冷却液出口温度T2小于此时蓄电池(6)工作的最佳温度T
u2
，或超级电容(9)冷却液出口温度T3小于此时超级电容(9)工作的最佳温度T
u3
时，控制阀(15)关闭，三通控制阀(4)右端关闭，左端、下端导通，控制阀(31)关闭，副电机(3)启动，热管理系统切换到极寒模式，冷却液只在燃料电池子系统(a)、蓄电池子系统(b)、超级电容子系统(c)之间循环，不经过热交换子系统(d)和后处理子系统(e)；当燃料电池堆(1)的需求功率大于或等于燃料电池堆(1)最小输出功率时，令燃料电池堆(1)的输出功率P1等于需求功率；燃料电池堆(1)的需求功率小于燃料电池堆(1)最小输出功率时，令燃料电池堆(1)的输出功率P1等于最小输出功率；根据式(1)可计算出各能量源不同冷却液流量所导致的冷却液进出口温度变化量；
式中ΔT代表各部件冷却液的进出口温度变化量；P代表各能量源的输出功率；η代表各能量源的效率；S代表所流经的冷却液流量；C代表冷却液的比热容；根据燃料电池堆(1)、蓄电池(6)、超级电容(9)的输出电流、输出功率和冷却液出口温度查表可知此时的各部分能量源效率η1、η2、η3，结合式(1)可得对于各能量源单位流量的增加所带来的温度的变化及效率的增加Δη1、Δη2、Δη3，通过式(2)可计算出各能量源单位流量的增加对于动力源部分总效率η的提升η
a1
、η
a2
、η
a3
；式中，P1、P2、P3分别为燃料电池堆(1)、蓄电池(6)、超级电容(9)的输出功率，η1、η2、η3分别为燃料电池堆(1)、蓄电池(6)、超级电容(9)的效率；蓄电池(1)和超级电容(6)所需冷却液流量之间关系如式(3)；式中S2、S3分别为蓄电池(6)、超级电容(9)所需冷却液流量；S2、S3与燃料电池堆(1)所需冷却液流量S1还需满足式(4)；S1＝S2+S
3 (4)S1可遍历0至此时燃料电池子系统(a)的最大流量，寻求使动力源部分总效率η达到最大值的最优流量S
u1
，结合式(3)与式(4)可计算出S
u2
和S
u3
；利用流量调节阀(7)、(8)、(11)使燃料电池子系统(a)、蓄电池子系统(b)、超级电容子系统(c)的冷却液流量分别达到S
u1
、S
u2
、S
u3
。4.根据权利要求2所述的一种多能量源燃料电池汽车热管理控制方法，其特征在于：利用检测得到的所述燃料电池汽车的各部分能量源的输出功率、输出电流和冷却液出口温度可得各部分的最佳工作温度及达到最佳工作温度所需释放的热量，当各部分能量源的冷却液出口温度都大于其工作的最佳温度且燃料电池堆(1)达到最优效率值所需要散出的热量Q
out1
小于驾驶舱(18)所需热量Q
D
时，三通控制阀(4)下端关闭，左端、右端导通，控制阀(15)打开、三通控制阀(17)右端关闭，左端、下端导通，主电机(29)启动，副电机(3)关闭，控制阀(31)打开，热管理系统切换到小循环模式，冷却液主要在燃料电池子系统(a)、驾驶舱(18)形成的支路1和蓄电池子系统(b)、超级电容子系统(c)和副散热器(22)所形成的支路2中流动，最终经过后处理子系统(e)，冷却液不流经热交换子系统(d)中的主散热器(20)；其中Q
out1
的计算如式(5)；式中η
u1
为燃料电池堆(1)在此输出功率及电流下所能达到的最优效率值；利用式(6)、(7)和(8)可分别求得燃料电池堆(1)、蓄电池(6)、超级电容(9)所需冷却液流量S
u1
、S
u2
和S
u3
；
式中Δt1、Δt2、Δt3分别为燃料电池堆(1)、蓄电池(6)和超级电容(9)冷却液进出口的温度变化量，Q
out2
和Q
out3
分别为蓄电池(6)和超级电容(9)达到最优效率值所需要散出的热量，可分别由式(9)和式(10)计算得到；量，可分别由式(9)和式(10)计算得到；式中η
u2
、η
u3
分别为蓄电池(6)和超级电容(9)在...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾小华，李亚朋，聂彦鑫，杜邵峰，武庆涛，牛超凡，岳一霖，黄钰峰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：