一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统及方法

    专利查询2025-03-02  9


    本发明属于燃料电池汽车,特别是涉及一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统及方法。


    背景技术:

    1、质子交换膜燃料电池汽车作为清洁能源的前沿技术之一,在推动应用领域实现零排放、高效能源利用方面具有巨大潜力,是过去几十年以来的研发热点。随着质子交换膜燃料电池汽车的大规模商业应用,其在寒冷环境下的低温启动问题是目前亟待解决的关键技术难题。在燃料电池电堆冷启动过程中,其内部产生的水会在低温下结冰,阻碍气体传输并降低电化学反应面积。这种冻结现象不仅会导致电堆性能下降,还可能引发急停,严重影响车辆的耐久性和安全性。为此,美国能源部设定的最新目标包括实现从-30°c无辅助启动,以及从-40°c有辅助启动;中国在《节能与新能源汽车技术路线图(2.0版)》中也明确提出,到2025-2035年间燃料电池汽车需实现从-40°c的冷启动能力。因此,如何有效应对低温停机后保温问题,进而实现燃料电池顺利低温启动,成为推动燃料电池汽车在极寒环境中可靠运行的关键基础。


    技术实现思路

    1、本发明的目的是提供一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统及方法,以解决上述现有技术存在的问题。

    2、一方面为实现上述目的,本发明提供了一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,包括:

    3、燃料电池电堆,所述燃料电池电堆的进液端连通第一三通阀的第一阀口,出液端连通第二三通阀的第一阀口;

    4、蓄热器,所述蓄热器的进液端与所述燃料电池电堆的出液端连通,出液端与所述第一三通阀的第二阀口连通;

    5、加热器,所述加热器的进液端与所述第二三通阀的第三阀口连通,出液端与第三三通阀的第二阀口连通,所述第二三通阀的第二阀口和所述第三三通阀的第一阀口均与所述第一三通阀的第三阀口连通;

    6、散热器,所述散热器的进液端与所述第二三通阀的第三阀口连通,出液端与第三三通阀的第三阀口连通。

    7、可选的,所述燃料电池电堆的出液端连接有水泵,所述水泵的输出端分别连接所述蓄热器的进液端和所述第二三通阀的第一阀口。

    8、可选的,所述燃料电池电堆的出液端与所述水泵之间设置有第一水温传感器。

    9、可选的,所述蓄热器的出液端与所述第一三通阀之间设置有第二水温传感器。

    10、可选的,所述散热器的出液端与第三三通阀之间设置有第三水温传感器,所述散热器一侧安装有散热风扇。

    11、另一方面为实现上述目的,本发明提供了一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,应用于所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,包括:

    12、步骤s1:判断燃料电池电堆的运行状况,当所述燃料电池电堆停机时,执行步骤s2;当所述燃料电池电堆未停机时,执行步骤s3;

    13、步骤s2:当所述燃料电池电堆的实时电堆温度数据小于预设自启动温度阈值时,对比蓄热器的实时蓄热器温度数据与预设自启动温度阈值,当所述实时蓄热器温度数据大于等于所述预设自启动温度阈值时,通过所述蓄热器对所述燃料电池电堆进行加热;当所述实时蓄热器温度数据小于所述预设自启动温度阈值时,通过所述加热器对所述燃料电池电堆进行加热;

    14、步骤s3:当所述燃料电池电堆的实时电堆温度数据小于预设额定环境温度时,通过所述加热器对所述燃料电池电堆进行加热;

    15、当所述燃料电池电堆的实时电堆温度数据大于等于预设额定环境温度且小于第一设定温度时,使所述燃料电池电堆出液端的冷却液依次通过第二三通阀和第一三通阀进入所述燃料电池电堆的进液端;

    16、当所述燃料电池电堆的实时电堆温度数据大于等于所述第一设定温度且小于预设额定工作最大温度时,通过所述蓄热器对所述燃料电池电堆进行冷却;

    17、当所述燃料电池电堆的实时电堆温度数据大于等于所述预设额定工作最大温度时,对比实时蓄热器温度数据、实时散热器温度数据与预设额定工作最小温度;

    18、当所述实时蓄热器温度数据小于预设额定工作最小温度且实时散热器温度数据大于等于预设额定工作最小温度时,通过散热器对所述燃料电池电堆进行冷却,并通过所述蓄热器对所述燃料电池电堆进行冷却;

    19、当所述实时蓄热器温度数据大于等于预设额定工作最小温度且实时散热器温度数据小于预设额定工作最小温度时,通过散热器对所述燃料电池电堆进行冷却。

    20、可选的,通过所述蓄热器对所述燃料电池电堆进行加热,具体包括:

    21、使所述燃料电池电堆出液端的冷却液依次通过第一水温传感器和水泵进入所述蓄热器中进行加热,加热后的冷却液依次通过第二水温传感器和所述第一三通阀进入所述燃料电池电堆的进液端。

    22、可选的,通过所述加热器对所述燃料电池电堆进行加热,具体包括:

    23、使所述燃料电池电堆出液端的冷却液依次通过第一水温传感器、水泵和第二三通阀进入所述加热器中进行加热,加热后的冷却液依次通过第三三通阀和第一三通阀进入所述燃料电池电堆的进液端。

    24、可选的,通过所述蓄热器对所述燃料电池电堆进行冷却,具体包括:

    25、使所述燃料电池电堆出液端的冷却液依次通过第一水温传感器和水泵进入所述蓄热器中进行换热冷却,换热冷却后的冷却液依次通过第二水温传感器和所述第一三通阀进入所述燃料电池电堆的进液端。

    26、可选的,通过散热器对所述燃料电池电堆进行冷却,具体包括:

    27、使所述燃料电池电堆出液端的冷却液依次通过第一水温传感器、水泵和第二三通阀进入所述散热器中进行降温,降温后的冷却液依次通过第三水温传感器、第三三通阀和第一三通阀进入所述燃料电池电堆的进液端。

    28、本发明的技术效果为:

    29、本发明包括燃料电池电堆、蓄热器、加热器和散热器,各装置通过三通阀连接形成循环回路,本发明通过集成水冷回路,有效提升了燃料电池汽车在低温环境下的快速启动能力,减少了电堆加热过程中的电能消耗,克服了传统冷启动方式在极寒环境下启动缓慢的问题。本发明将燃料电池电堆的散热、加热、旁通及保温功能集成在一套系统中,利用三通阀实现灵活切换,满足燃料电池电堆在不同工况下的热管理需求,减少了系统的部件数量,提升了整体紧凑性和布置效率。本发明实现了燃料电池系统的低温保温功能,减少了在极寒条件下启动时的热量损失,提高了燃料电池汽车的续航里程和低温环境下的运行效率。



    技术特征:

    1.一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,包括:

    2.根据权利要求1所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,所述燃料电池电堆(101)的出液端连接有水泵(103),所述水泵(103)的输出端分别连接所述蓄热器(104)的进液端和所述第二三通阀(201)的第一阀口。

    3.根据权利要求2所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,所述燃料电池电堆(101)的出液端与所述水泵(103)之间设置有第一水温传感器(102)。

    4.根据权利要求1所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,所述蓄热器(104)的出液端与所述第一三通阀(106)之间设置有第二水温传感器(105)。

    5.根据权利要求1所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,所述散热器(401)的出液端与第三三通阀(302)之间设置有第三水温传感器(403),所述散热器(401)一侧安装有散热风扇。

    6.一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,应用于权利要求1-5中任一项所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统,其特征在于,包括:

    7.根据权利要求6所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,其特征在于,通过所述蓄热器(104)对所述燃料电池电堆(101)进行加热,具体包括:

    8.根据权利要求6所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,其特征在于,通过所述加热器(301)对所述燃料电池电堆(101)进行加热,具体包括:

    9.根据权利要求6所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,其特征在于,通过所述蓄热器(104)对所述燃料电池电堆(101)进行冷却,具体包括:

    10.根据权利要求6所述的一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理方法,其特征在于,通过散热器(401)对所述燃料电池电堆(101)进行冷却,具体包括:


    技术总结
    本发明属于燃料电池汽车技术领域,并公开了一种针对燃料电池汽车冷启动的热管理系统及方法,包括燃料电池电堆、蓄热器、加热器和散热器,通过三通阀连接形成循环回路,热管理包括:判断燃料电池电堆状态,停机且温度低时,利用蓄热器或加热器加热;未停机且温度低时,直接加热;当电堆温度处于额定环境温度与第一设定温度间,冷却液循环使用;温度继续上升,蓄热器参与冷却;若达到工作最大温度,根据蓄热器和散热器温度,选择散热器单独冷却或两者共同冷却,确保电堆温度适宜;本发明有效管理燃料电池汽车冷启动及运行中的温度变化,提高热效率,延长电池寿命,优化整体性能,通过智能调控,实现热能的高效利用与分配,适应不同工况需求。

    技术研发人员:曹起铭,闵海涛,孙维毅,张照普,郑鹏,吴慧铎,罗春麒
    受保护的技术使用者:吉林大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/11/26
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