一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法

1.本发明提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，属于燃料电池汽车的热管理技术领域。


背景技术：

2.乘用车的电动化，尤其是燃料电池汽车正朝着未来的主流方向发展。目前现有的质子交换膜燃料电池(pemfc)的电化学反应将电能转换为电能的效率在40％～60％之间，其他以热量的形式产生，而燃料电池最佳的工作温度在60℃～80℃之间，过高和过低的温度都会对燃料电池的效率产生影响，极端情况下会导致交换膜干枯破裂等不可恢复的损坏。合理的燃料电池热管理不仅能提高效率，更能保证燃料电池安全可靠的运行。对于动力电池(锂电池)，温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0℃)对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路，其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。对于电机来说，过高的温度会造成零件变形和损坏。因此针对大功率燃料电池汽车的热管理至关重要。
3.热管理系统肩负着保障乘员舱舒适性和避免供电系统热失控的双重使命，正朝着集成化、可控制化和精细化的方向不断发展。如何在复杂环境中平衡乘员舱舒适性和燃料电池汽车续航里程之间的关系，也是热管理系统设计过程中面临的重要问题。设计一个集成式的整车热管理方案是重要的研究方向，xu(xu j,zhang c,fan r,et al.modelling and control of vehicle integrated thermal management system of pem fuel cell vehicle[j].energy,2020,199(4):117495.)等人提出了一种整车集成式的热管理系统，该系统包含了燃料电池回路、动力电池回路、电机回路、空调回路、增压空气回路等五大回路。系统全面解释了燃料电池汽车各部件的产热原理，对燃料电池汽车热管理设计初期具有指导意义。
[0004]
燃料电池的余热利用是提高冬季续航里程的关键技术之一，现有的余热利用方式有直接利用和间接利用。sun等人(sun w,yi f,hu d,et al.research on matching design method of waste heat reuse system of fuel cell vehicle considering system energy consumption and waste heat exchange rate[j].international journal of energy research,2020,45(4):5470-5485.)建立包括燃料电池、散热器、液-液交换器、ptc加热器以及暖风芯体等部件的余热直接利用子系统模型。通过液-液交换器将燃料电池产生的余热传递给乘员舱的暖风芯体回路，结合ptc给乘员舱加热。
[0005]
chang等人(chang h,wan z,zheng y,et al.energy-and exergy-based operating fluid selection and performance analysis of a high-temperature pemfc-based micro combined cooling heating and power system[j].applied energy,2017,204:446-458.)提出一种基于燃料电池的冷、热、电联合的余热间接利用子系统。该系统由燃料电池系统、有机朗肯循环子系统和蒸汽压缩循环子系统组成。将燃料电池
产生的热量通过有机朗肯循环产生蒸汽带动蒸汽压缩机工作。
[0006]
以上两种余热的利用大大提高了燃料电池汽车在低温下的续航里程，具有研究的重要意义。但很难应对复杂多变的驾驶环境，如车辆怠速过程中，燃料电池处于低功率输出阶段，很难满足乘员舱的供热需求，且结构复杂，不利于实车布局。为此，如何提供一种环境适应性强、集成度高，且续航里程较高的一种整车热管理架构成为了急需解决的难题。


技术实现要素：

[0007]
根据上述提出的技术问题，本发明提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，本方法提出一种环境适应性强、成本低、集成度高的整车热管理构型，包括燃料电池热管理、动力电池热管理、电驱动热管理、乘员舱热管理。其中涉及电驱动的余热回收和利用，燃料电池系统的余热利用等。其中有两处实现余热回收功能，一是燃料电池系统的余热通过第一热交换器传递到热泵空调，二是电驱动系统可将自身的余热通过六通阀调节给动力电池加热。本发明能够显著提高低温下热泵空调的制热效果，提高整车热管理的效率，从而提高车辆的续航里程，尤其是车辆在低温行驶环境下的续航里程。
[0008]
本发明采用的技术手段如下：
[0009]
为了实现上述目的，本发明提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，包括：
[0010]
燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路；
[0011]
燃料电池热管理回路包括大小循环回路；
[0012]
动力电池及电驱动热管理回路包括动力电池回路、电驱动回路、散热回路；
[0013]
热泵空调回路包括制热模式和制冷模式；
[0014]
热泵空调回路与燃料电池热管理回路和动力电池及电驱动热管理回路分别用第一热交换器，第二热交换器连接。
[0015]
进一步地，所述的大循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、第一散热器、电子节温器和燃料电池；
[0016]
所述的小循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、电子节温器和燃料电池；
[0017]
所述的小循环回路主要用于自加热，大循环回路主要用于散热。
[0018]
进一步地，在车辆冷启动时，燃料电池系统电流较高，此时电化学能主要转化为热能，开启小循环自加热模式；
[0019]
当燃料电池系统的温度到达工作温度时，电子节温器控制冷却液从小循环到大循环，此时大循环散热模式开启，燃料电池产生的热量通过第一散热器散发到车外。
[0020]
进一步地，所述动力电池及电驱动热管理回路的动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路由六通阀进行连接；
[0021]
所述的六通阀用于调节动力电池和电驱动系统进行散热以及进行驱动电机的余热利用和余热回收；
[0022]
所述的动力电池回路包括：动力电池、第三电子水泵；所述回路用于实现动力电池的加热、散热功能；
[0023]
所述的电驱动回路包括：电驱动系统、第二电子水泵；所述回路用于实现电驱动系
统的散热；
[0024]
所述的散热回路包括：第二散热器、第二膨胀水箱，所述的散热回路用于实现动力电池和电驱动系统的散热。
[0025]
进一步地，余热利用模式为：当动力电池需要加热时，电驱动系统产生的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，给动力电池进行加热；
[0026]
余热回收模式为：低温环境下，当车辆停止时，电驱动系统的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，在动力电池包的保温层进行储存，下次车辆启动时可使用电池包中储存的热量。
[0027]
进一步地，所述热泵空调回路包括：室内散热器，室外散热器，四通阀，第一膨胀阀，第二膨胀阀、气液分离器和压缩机；
[0028]
所述热泵空调回路通过四通阀调节包括：制热模式和制冷模式，所述制热模式包括乘员舱制热、动力电池加热；所述制冷模式包括乘员舱制冷和动力电池散热；
[0029]
所述制热模式是将室外的热量由压缩机通过室外换热器搬运到室内，进行乘员舱的制热；
[0030]
所述制冷模式是将室内的热量由压缩机通过室内换热器搬运到室外，进行乘员舱的制冷。
[0031]
进一步地，所述的制热模式，通过第二热交换器对动力电池冷却液进行加热，达到动力电池加热的效果；
[0032]
所述的制冷模式，通过第二热交换器对动力电池冷却液进行冷却，达到动力电池散热的效果。
[0033]
进一步地，制热模式还包括燃料电池的余热利用，所述的燃料电池余热利用模式是在低温下，当燃料电池系统启动并且自加热模式完成时，燃料电池系统的余热通过第一热交换器将热量传递给热泵空调系统中的冷媒，经过压缩机压缩后将热量传递给乘员舱或，通过第二热交换器将热量传递给动力电池。
[0034]
进一步地，所述电驱动系统回路包括电机、电机控制器、dcdc、空压机、空压机控制器，当电驱动系统的温度超过其最佳工作温度范围时，所述电驱动系统通过散热回路中第二散热器散热。
[0035]
本发明还提供了一种基于上述温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构的热管理方法，包括：
[0036]
获取燃料电池的工作状态、燃料电池温度数据以及乘员舱温度数据，动力电池的温度数据，电驱动系统的温度数据；
[0037]
基于获取的电池的工作状态及各项温度数据判断获取的温度数据处于哪一预设的温度区间；
[0038]
控制系统控制燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路的各组件的运行状态，以保证各项温度数据调节至优选值或是优选区间内。
[0039]
具体地，所述的燃料电池回路包括：
[0040]
电子节温器：控制大小循环且节温的作用。
[0041]
第一电子水泵：驱动冷却液，控制流速。
[0042]
第一散热器：对燃料电池回路的冷却液进行散热。
[0043]
第一膨胀水箱:为燃料电池回路的冷却液给予额外的储存空间。
[0044]
可选地，依据公式(1)确定发热量，从而确定燃料电池系统的散热需求及回路的最大流量，
[0045][0046]
其中q为燃料电池额定功率下的发热量，εo为燃料电池单体电压，ε
cell
为燃料电池单体实际电压，i为电流，n为燃料电池片数。
[0047]
依据所述燃料电池系统的散热需求确定第一散热器的选型。
[0048]
依据公式(2)计算燃料电池热管理回路所述的最大流量，
[0049][0050]
其中，g为所述的回路最大流量，q为燃料电池额定功率下的发热量，c为冷却液比热容，δt为电堆进出口水温差。
[0051]
可选地，依据所述回路的最大流量从而确定第一电子水泵的选型。
[0052]
依据公式(3)确定第一散热器的总换热功率，
[0053]
p＝dm
·c·
δt
ꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
其中，p为总换热功率(w)，dm为质量流量(kg/s)，c为冷却液比热容，δt为进出散热器的温差(℃)。
[0055]
可选地，依据散热器总换热功率确定第一散热器的选型；
[0056]
所述的燃料电池回路由大小循环回路组成；
[0057]
所述的大循环回路包括：燃料电池、电子节温器、第一散热器、第一电子水泵、第一膨胀水箱；
[0058]
所述的小循环回路包括:燃料电池、电子节温器、第一电子水泵、第一膨胀水箱；
[0059]
所述的小循环回路主要用于自加热，大循环回路主要用于散热。
[0060]
所述的动力电池及电驱动回路包括：
[0061]
六通阀：调节动力电池回路、电驱动回路和整车散热回路进行互通。所述的六通阀是连接三大回路的重要部件，可调节动力电池和电驱动系统进行散热，还可进行驱动电机的余热利用和余热回收。
[0062]
第二散热器：给动力电池和电驱动系统进行散热。
[0063]
第二膨胀水箱：为动力电池及电驱动回路的冷却液给予额外的储存空间。
[0064]
第二电子水泵：驱动冷却液，控制电驱动回路流速。
[0065]
第三电子水泵：驱动冷却液，控制动力电池回路流速。
[0066]
所述的动力电池及电驱动回路包含三个小回路：动力电池回路、电驱动回路、散热回路，可实现动力电池和电驱动系统的散热以及电驱动系统的余热利用以及余热回收。
[0067]
所述动力电池和电驱动系统的散热，可由冷却液将多余的热量通过第二散热器散发到车外。
[0068]
所述的余热利用模式为：当动力电池需要加热时，电驱动系统产生的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，给动力电池进行加热；
[0069]
所述的余热回收模式为：低温环境下，当车辆停止时，电驱动系统的余热通过冷却
液的方式由六通阀调节到动力电池回路，在动力电池包的保温层进行储存，下次车辆启动时可使用电池包中储存的热量。
[0070]
所述的热泵空调回路包括:
[0071]
室内换热器:给乘员舱提供冷风和热风。
[0072]
室外换热器:冷媒通过室外换热器进行热交换。
[0073]
压缩机：压缩并驱动制冷剂，控制流速。
[0074]
气液分离器:处理含有少量凝液的气体，分离液体。
[0075]
四通阀:调节冷媒的流向。
[0076]
第一膨胀阀：将低冷媒的压力和温度。
[0077]
第二膨胀阀：将低冷媒的压力和温度。
[0078]
第一热交换器：空调冷媒与燃料电池冷却液进行热交换。
[0079]
第二热交换器：空调冷媒与动力电池与电驱动冷却液进行热交换。
[0080]
所述热泵空调回路通过四通阀调节包括：制热模式和制冷模式。
[0081]
所述制热模式可分为乘员舱制热、动力电池加热：
[0082]
所述乘员舱制热是将室外的热量由压缩机通过室外换热器搬运到室内，进行乘员舱的制热；
[0083]
所述动力电池加热是通过第二热交换器可对动力电池冷却液进行加热，达到动力电池合适的工作温度。
[0084]
所述的热泵空调制热功率由公式(4)表示：
[0085]
qk＝m
·
qkꢀꢀꢀ
(4)
[0086]
其中，m为循环制冷剂的质量流量，kg/s；qk为单位质量制冷剂在冷凝器的放热量，kj/kg。
[0087]
所述的热交换器的换热量由公式(5)表示：
[0088]
qe＝∈ao·
δth
σ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0089]
其中，∈为热交换器冷侧平均传热系数，w/(m2·
k)；ac为冷测(低温液体所在侧)换热面积，m2；δt
lcc
为冷热侧进出口的对数平均温差。
[0090]
所述制冷模式可分为乘员舱制冷和动力电池散热：
[0091]
所述乘员舱制冷是将室内的热量由压缩机通过室内换热器搬运到室外，进行乘员舱的制冷；
[0092]
所述动力电池散热是通过第二热交换器可对动力电池冷却液进行冷却，达到动力电池散热的效果。其中，动力电池的产生的热量主要由公式(6)表示：
[0093]
qz＝qg+q
p
+qs+qjꢀꢀꢀ
(6)
[0094]
其中，qz是动力电池产生的总热量，qg是电池发生化学反应产生的热量，单位j；q
p
是发生极化现象产生的热量，单位j；qs是电极材料分解产生的热量，单位j；qj是电池充放电过程中内阻产生的热量，单位j，而在实际生热计算过程中，qg、q
p
、qs相对较小，因此，动力电池主要的产热量主要取决于qj。
[0095]
所述的制热模式还包括燃料电池的余热利用，在低温下，当燃料电池系统启动并且自加热模式完成时，燃料电池系统的余热通过第一热交换器将热量传递给热泵空调系统中的冷媒，经过压缩机压缩后将热量传递给乘员舱或，通过第二热交换器将热量传递给动
力电池。
[0096]
所述电驱动系统主要包括电机、电机控制器、dcdc、空压机、空压机控制器等。当电驱动系统的温度超过其最佳工作温度范围时，所述电驱动系统通过散热回路散热。
[0097]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0098]
通过上述技术方案，本发明提供的一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，通过高集成度可实现车辆在各种环境温度下的热管理的需求；通过燃料电池的余热利用和电驱动系统的余热利用和回收可大大提高燃料电池汽车的热管理效率和续航里程。
附图说明
[0099]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0100]
图1是根据发明实施例的燃料电池汽车热管理的逻辑框图；
[0101]
图2是燃料电池汽车整车集成式热管理的架构总图；
[0102]
图3是燃料电池未工作时乘员舱单独加热模式的架构图；
[0103]
图4是燃料电池未工作时乘员舱和动力电池同时加热模式的架构图；
[0104]
图5是燃料电池未工作时动力电池同时单独加热模式的架构图；
[0105]
图6是燃料电池开始工作时自加热模式的架构图；
[0106]
图7是燃料电池余热利用时乘员舱单独加热模式的架构图；
[0107]
图8是燃料电池余热利用时动力电池单独加热模式的架构图；
[0108]
图9是燃料电池余热利用时乘员舱和动力电池同时加热模式的架构图；
[0109]
图10是电驱动系统余热给动力电池加热模式的架构图；
[0110]
图11是燃料电池冷却模式的架构图；
[0111]
图12是乘员舱单独冷却模式的架构图；
[0112]
图13是电驱动系统单独冷却模式的架构图；
[0113]
图14是室外温度《20℃时动力电池单独冷却模式的架构图；
[0114]
图15是室外温度《20℃时动力电池和电驱动系统冷却模式的架构图；
[0115]
图16是室外温度》20℃时动力电池单独冷却模式的架构图；
[0116]
图17是室外温度》20℃时乘员舱和动力电池同时冷却模式的架构图；
[0117]
图18是室外温度》20℃时动力电池和电驱动系统冷却模式的架构图；
[0118]
图19是乘员舱、动力电池、电驱动系统同时冷却模式的架构图；
[0119]
图20是在燃料电池余热利用模式下的乘员舱和电堆的温度变化图；
[0120]
图21是在余热回收的模式下压缩机的功耗对比和制热量变化图。
[0121]
图中：1-压缩机，2-气液分离器，3-四通阀，4-室内换热器，5-第二电子膨胀阀，6-第一电子膨胀阀，7-室外换热器，8-第一热交换器，9-第二热交换器，10-燃料电池，11-电子节温器，12-第一散热器，13-第一电子水泵，14-第一膨胀水箱，15-第二电子水泵，16-电驱动系统，17-第三电子水泵，18-六通阀，19-第二散热器，20-第二膨胀水箱，21-动力电池。
具体实施方式
[0122]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0123]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0124]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0125]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0126]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0127]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0128]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0129]
实施例1
[0130]
如图1所示的是本发明实施方式中一个环境自适应的燃料电池整车热管理流程
图，乘员舱的温度tcab包括第一阈值tcab1，第二阈值tcab2，动力电池的温度tbat包括第一阈值tbat1，第二阈值tbat2，燃料电池的温度包括第一阈值tfc1，第二阈值tfc2，电驱动系统的温度tmoter包括第一阈值tmoter1，本实施例中，tcab1取值为20℃，tcab2取值为30℃，tbat1取值为20℃，tbat2取值为40℃，tfc1取值为60℃，tfc2取值为80℃，tmoter1取值为70℃。在其他可选的实施方式中，本领域技术人员可以根据实际应用场景进行适当的调整，均属于本发明的保护范围。
[0131]
依据系统要求乘员舱温度保持在20℃～30℃之间，燃料电池的温度保持在60℃～80℃之间，动力电池的温度保持在20℃～40℃之间，电驱动系统的温度低于70℃。
[0132]
如图2所示的是本发明实施方式的一个集成式的燃料点电池整车热管理架构图，此架构利用两个热交换器，很好的将燃料电池热管理、动力电池热管理、电驱动热管理以及乘员舱热管理集成起来。此外热泵空调系统给乘员舱和动力电池制热，比传统的ptc制热更加节能；所述架构还将燃料电池的余热利用到热泵空调中，还将电驱动系统的余热通过六通阀给动力电池加热，更加提高了燃料电池汽车在冬季的续航里程。
[0133]
如流程图具体实施方式如下所示：
[0134]
模式1：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度小于20℃且动力电池的温度也小于20℃，此时热泵空调给乘员舱和动力电池同时制热，此模式具体架构如图3所示。
[0135]
具体地：热泵将室外的热量通过室外换热器搬运到室内和动力电池，其中冷媒在回路中流过的部件依次为:
[0136]
模式1-1：热泵空调给乘员舱制热：气液分离器-压缩机-四通阀-室内换热器-第一电子膨胀阀-室外换热器-四通阀-气液分离器；
[0137]
模式1-2：热泵空调给动力电池制热：气液分离器-压缩机-四通阀-第二热交换器-第一电子膨胀阀-室外换热器-四通阀-气液分离器。
[0138]
模式2：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度小于20℃且动力电池的温度小于40℃，此时热泵空调给乘员舱单独制热，此模式具体架构如图4所示。
[0139]
具体地：热泵空调的工作原理和冷媒在回路中依次流过的部件如模式1的1-2所示。
[0140]
模式3：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度小于20℃且动力电池的温度大于40℃，此时热泵空调给乘员舱单独制热，此模式具体架构如图4所示，散热器给动力电池散热，此模式具体架构如图5所示。
[0141]
具体地：热泵空调给乘员舱单独制热时，热泵空调的工作原理和冷媒在回路中依次流过的部件如模式1的1-1所示；
[0142]
散热器给动力电池散热时，其中冷媒在回路中流过的部件依次为:动力电池-六通阀-第二膨胀水箱-第二散热器-第三电子水泵-动力电池。此处用散热器给动力电池散热是因为室外环境温度较低，散热效果明显，相比空调给动力电池散热更加节能。
[0143]
模式4：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的温度小于20℃，此时热泵空调给动力电池单独制热，此模式具体架构如图6所示。
[0144]
具体地：热泵空调给动力电池的制热原理和冷媒在回路中流过的部件如模式1的1-2所示；
[0145]
模式5：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的
温度大于40℃，此时热泵空调给动力电池单独制冷，此模式具体架构如图7所示。
[0146]
具体地：热泵将动力电池冷却液中的热量经过第二热交换器通过室外换热器搬运到室外，其中冷媒在回路中流过的部件依次为:
[0147]
气液分离器-压缩机-四通阀-室外换热器-第一膨胀阀-第二热交换器-四通阀-气液分离器。
[0148]
该模式下，通过热泵空调给动力电池散热，由于动力电池冷却液的温度和室外环境温度温差较小，与传统散热器散热相比，该模式能更好的提高动力电池散热效率。
[0149]
模式6：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度大于30℃，动力电池的温度大于20℃且小于40℃，此时热泵空调给乘员舱单独制冷，此模式具体架构如图8所示。
[0150]
具体地：热泵将室内的热量通过室外换热器搬运到室外，其中冷媒在回路中流过的部件依次为:
[0151]
气液分离器-压缩机-四通阀-室外换热器-第二膨胀阀-室内换热器-四通阀-气液分离器。
[0152]
模式7：当燃料电池未工作时，若乘员舱的温度大于30℃，动力电池的温度也大于40℃，此时热泵空调给乘员舱和动力电池同时制冷，此模式具体架构如图9所示。
[0153]
具体地：热泵空调给乘员舱制冷的基本原理和冷媒在回路中依次流过的部件如模式6所示；热泵空调给动力电池制冷的基本原理和冷媒在回路中依次流过的部件如模式5所示。
[0154]
模式8：当燃料电池开始工作时，若温度小于60℃，此时燃料电池系统进行自加热，电子节温器控制开启燃料电池系统小循环，此模式架构如图10所示。
[0155]
具体地：燃料电池系统自加热时，电流不断提高，所产生的热量不断增加，将化学能大部分都转换为热能，此时燃料电池热管理回路中冷却液在自加热回路中依次流过的部件为：燃料电池-第一电子水泵-第一膨胀水箱-电子节温器-燃料电池。
[0156]
模式9：当燃料电池开始工作时，若温度大于80℃，此时燃料电池系统进行散热，电子节温器控制开启燃料电池系统大循环，此模式架构如图11所示。
[0157]
具体地：燃料电池系统在散热时，多余的热量通过燃料电池热管理回路的冷却液从第一散热器散发到室外，此时燃料电池热管理回路中冷却液在散热回路中依次流过的部件为：燃料电池-第一电子水泵-第一膨胀水箱-第一散热器-电子节温器-燃料电池。
[0158]
模式10：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度小于20℃，动力电池的温度小于20℃，电驱动系统的温度小于70℃，此时热泵空调给乘员舱和动力电池同时制热。此模式架构如图12所示。
[0159]
具体地：低温环境下，当燃料电池工作时，第一热交换器开启，热泵将燃料电池余热搬运到乘员舱内和动力电池。燃料电池系统的余热由液-液热交换将热量通过冷却液传递到热泵空调系统中的冷媒，从而大大提高了热泵空调给乘员舱和动力电池的制热效率。此时冷媒在回路中依次流过的部件依次为：
[0160]
气液分离器-压缩机-四通阀-室内换热器-第二膨胀阀-第一热交换器-第二热交换器-四通阀-气液分离器。
[0161]
模式11：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度小于20℃，动力电池的温度小于20℃，电驱动系统的温度大于70℃，此时热泵空调给乘员舱制热，此模式架构如图13所
示；电驱动的余热给动力电池加热，此模式架构如图14所示；第二散热器给电驱动系统散热，此模式如图15所示。其中通过六通阀调节回路的通道和开度的大小。
[0162]
具体地：模式11-1：热泵空调给乘员舱单独制热时，热泵将燃料电池余热搬运到乘员舱内，此模式中冷媒在回路中流经的部件依次为：气液分离器-压缩机-四通阀-室内换热器-第二膨胀阀-第一热交换器-四通阀-气液分离器；
[0163]
模式11-2：电驱动的余热给动力电池加热时，电驱动系统中的余热由冷却液通过六通阀调节传递到动力电池，此模式中冷却液在回路中流经的部件依次为：电驱动系统-第二电子水泵-六通阀-第三电子水泵-动力电池-六通阀-电驱动系统；
[0164]
模式11-3：散热器给电驱动系统散热时，电驱动中多余的热量由冷却液通过散热器散发到室外，此模式中冷却液在回路中流经的部件依次为：电驱动系统-第二电子水泵-六通阀-第二膨胀水箱-第二散热器-六通阀-电驱动系统。
[0165]
模式12：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度小于20℃，动力电池的温度大于20℃且小于40℃，此时热泵空调给乘员舱单独制热，此模式如图13所示；若电驱动系统的温度大于70℃，散热器给电驱动系统散热，此模式如图15所示。
[0166]
具体地：热泵空调给乘员舱单独制热时的基本原理和冷媒在回路中流经的部件次序见模式11-1，以及散热器给电驱动的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3。
[0167]
模式13：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度小于20℃，动力电池的温度大于40℃，此时热泵空调给乘员舱单独制热，此模式如图13所示；第二散热器给动力电池散热，此模式如图5示；若电驱动系统的温度大于70℃，此时第二散热器给电驱动系统和动力电池同时散热，此模式如图16所示。
[0168]
具体地：热泵空调给乘员舱单独制热时的基本原理和冷媒在回路中流经的部件次序见模式11-1，以及第二散热器给电驱动的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3；
[0169]
第二散热器给动力电池和电驱动同时冷却时，通过六通阀控制冷却液流动方向，电子水泵分别控制电驱动回路和动力电池回路冷却液的流速。
[0170]
冷却液在回路中流经动力电池回路部件的次序依次为：动力电池-六通阀-第二膨胀水箱-第二散热器-六通阀-第三电子水泵-动力电池；
[0171]
冷却液在回路中流经电驱动回路部件的次序依次为：电驱动系统-第二电子水泵-六通阀-第二膨胀水箱-第二散热器-六通阀-电驱动系统。
[0172]
模式14：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的温度小于20℃，电驱动系统的温度小于70℃时，热泵空调给动力电池单独制热，此模式具体架构如图17所示。
[0173]
具体地：热泵空调给动力电池单独制热时是将燃料电池中的热量由热泵通过热交换器搬运到动力电池回路，冷媒在回路中流经的部件的次序依次为：气液分离器-压缩机-四通阀-第二膨胀阀-第一热交换器-第二热交换器-四通阀-气液分离器。
[0174]
模式15：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的温度小于20℃，电驱动系统的温度大于70℃时，此时电驱动系统的热量给动力电池加热，此模式具体架构如图14所示；散热器给电驱动系统散热，此模式具体架构如图15所
示。
[0175]
具体地：电驱动的余热给动力电池加热的基本原理和冷却液在回路中流经的部件次序见模式11-2，以及散热器给电驱动的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3。
[0176]
模式16：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的温度大于20℃小于40℃时，电驱动系统的温度大于70℃时，散热器给电驱动散热，此模式具体架构如图15所示。
[0177]
具体地：散热器给电驱动的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3。
[0178]
模式17：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于20℃且小于30℃，动力电池的温度大于40℃时，此时热泵空调给动力电池单独制冷，此模式具体架构如图7所示；若电驱动系统的温度大于70℃时，此时热泵空调给动力电池单独制冷，散热器给电驱动系统散热，此模式具体架构如图18所示。
[0179]
具体地：热泵空调给动力电池单独制冷的基本原理和冷媒在回路中流经的部件次序见模式6；
[0180]
热泵空调给动力电池单独制冷和散热器给电驱动散热时，热泵将动力电池冷却液的热量通过室外换热器搬运到室外。通过六通阀调节动力电池和电驱动系统的回路，冷却液流过的部件次序依次为：
[0181]
动力电池回路：动力电池-六通阀-第三电子水泵-第二热交换器-动力电池；
[0182]
电驱动系统回路：电驱动系统-第二电子水泵-六通阀-第二膨胀水箱-第二散热器-电驱动系统。
[0183]
模式18：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于30℃，动力电池的温度小于40℃时，热泵空调给乘员舱制冷，此模式具体架构如图8所示；若电驱动系统的温度大于70℃时，第二散热器给电驱动散热，此模式具体架构如图15所示。
[0184]
具体地：热泵空调给乘员舱单独制冷的基本原理和冷媒在回路中流经的部件次序见模式6；第二散热器给电驱动系统的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3。
[0185]
模式19：当燃料电池系统正常工作时，若乘员舱的温度大于30℃，动力电池的温度大于40℃时，此时热泵空调给动力电池和乘员舱同时制冷，此模式具体架构如图9所示；若电驱动系统的温度大于70℃时，此时热泵空调给乘员舱和动力电池同时制冷，第二散热器给电驱动系统冷却，此模式具体架构如图19所示。
[0186]
具体地：热泵空调给乘员舱和动力电池同时制冷的基本原理和冷媒在回路中流经的部件次序见模式7；以及第二散热器给电驱动系统的散热原理和冷却液在回路中流经部件的次序见模式11-3。
[0187]
本发明实施例提出的燃料电池整车热管理架构，结合cltc-p运行工况基于amesim仿真软件进行系统建模仿真，为验证本发明实施例在低温下高续航的可行性和有效性，在-10℃的室外环境温度下，对本发明实施例模式11-1和普通热泵空调制热模式进行仿真，仿真结果如图20-21所示。
[0188]
仿真结果：
[0189]
燃料点电池温度维持在目标温度70℃左右，符合系统要求；利用其余热通过热泵空调系统到乘员舱，将乘员舱的温度维持在了24℃左右，满足人体舒适性。
[0190]
分析可得：
[0191]
在普通模式仿真结果中，热泵空调对乘员舱制热的cop≈1.2；而基于本发明实施例中的模式11-1，利用燃料电池系统的余热通过热交换器进由热泵空调给乘员舱制热，此时的cop≈4，此时压缩机的功耗降低70％，大大提高了整车经济性。
[0192]
由此可得本发明实施例在低温下能够大大提高燃料电池的续航里程，验证了本发明实施例能够提高车辆续航的可行性和有效性。
[0193]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于，包括：燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路；燃料电池热管理回路包括大小循环回路；动力电池及电驱动热管理回路包括动力电池回路、电驱动回路、散热回路；热泵空调回路包括制热模式和制冷模式；热泵空调回路与燃料电池热管理回路和动力电池及电驱动热管理回路分别用第一热交换器，第二热交换器连接。2.根据权利要求1所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述的大循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、第一散热器、电子节温器和燃料电池；所述的小循环回路包括依次相连的第一电子水泵、第一膨胀水箱、电子节温器和燃料电池；所述的小循环回路主要用于自加热，大循环回路主要用于散热。3.根据权利要求2所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：在车辆冷启动时，开启小循环自加热模式；当燃料电池系统的温度到达工作温度时，电子节温器控制冷却液从小循环到大循环，此时大循环散热模式开启，燃料电池产生的热量通过第一散热器散发到车外。4.根据权利要求1所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述动力电池及电驱动热管理回路的动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路由六通阀进行连接；所述的六通阀用于调节动力电池和电驱动系统进行散热以及进行驱动电机的余热利用和余热回收；所述的动力电池回路包括：动力电池、第三电子水泵；所述回路用于实现动力电池的加热、散热功能；所述的电驱动回路包括：电驱动系统、第二电子水泵；所述回路用于实现电驱动系统的散热；所述的散热回路包括：第二散热器、第二膨胀水箱，所述的散热回路用于实现动力电池和电驱动系统的散热。5.根据权利要求4所述所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：余热利用模式为：当动力电池需要加热时，电驱动系统产生的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，给动力电池进行加热；余热回收模式为：低温环境下，当车辆停止时，电驱动系统的余热通过冷却液的方式由六通阀调节到动力电池回路，在动力电池包的保温层进行储存，下次车辆启动时可使用电池包中储存的热量。6.根据权利要求1所述所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其
特征在于：所述热泵空调回路包括：室内散热器，室外散热器，四通阀，第一膨胀阀，第二膨胀阀、气液分离器和压缩机；所述热泵空调回路通过四通阀调节包括：制热模式和制冷模式，所述制热模式包括乘员舱制热、动力电池加热；所述制冷模式包括乘员舱制冷和动力电池散热；所述制热模式是将室外的热量由压缩机通过室外换热器搬运到室内，进行乘员舱的制热；所述制冷模式是将室内的热量由压缩机通过室内换热器搬运到室外，进行乘员舱的制冷。7.根据权利要求6所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述的制热模式，通过第二热交换器对动力电池冷却液进行加热，达到动力电池加热的效果；所述的制冷模式，通过第二热交换器对动力电池冷却液进行冷却，达到动力电池散热的效果。8.根据权利要求6所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：制热模式还包括燃料电池的余热利用，所述的燃料电池余热利用模式是在低温下，当燃料电池系统启动并且自加热模式完成时，燃料电池系统的余热通过第一热交换器将热量传递给热泵空调系统中的冷媒，经过压缩机压缩后将热量传递给乘员舱或，通过第二热交换器将热量传递给动力电池。9.根据权利要求4所述的温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构，其特征在于：所述电驱动系统回路包括电机、电机控制器、dcdc、空压机、空压机控制器，当电驱动系统的温度超过其最佳工作温度范围时，所述电驱动系统通过散热回路中第二散热器散热。10.一种权利要求1～9任一项温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构的热管理方法，其特征在于，包括：获取燃料电池的工作状态、燃料电池温度数据以及乘员舱温度数据，动力电池的温度数据，电驱动系统的温度数据；基于获取的电池的工作状态及各项温度数据判断获取的温度数据处于哪一预设的温度区间；控制系统控制燃料电池热管理回路、动力电池及电驱动热管理回路、热泵空调回路的各组件的运行状态，以保证各项温度数据调节至优选值或是优选区间内。

技术总结
本发明提供一种温度自适应的燃料电池汽车整车集成式热管理架构及方法，共有四个子系统，由三大循环回路耦合在一起，分别是：燃料电池热管理子系统、动力电池热管理子系统、电驱动热管理子系统、乘员舱热管理子系统，与热泵空调回路、燃料电池热管理回路、动力电池和电驱动系统热管理回路，通过两个热交换器相互连接起来。其中动力电池和电驱动系统热管理回路分为三个小回路：动力电池回路、电驱动系统回路、散热回路，整体架构高内聚低耦合，还有两处实现余热回收功能。本发明通过高集成度可实现车辆在各种环境温度下的热管理的需求；通过燃料电池的余热利用和电驱动系统的余热利用和回收可大大提高燃料电池汽车的热管理效率和续航里程。续航里程。续航里程。


技术研发人员：朱仲文 汪鑫 江维海 李丞 季传龙 佟强
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/31