[发明专利]基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及控制方法，燃料电池热管理回路包括燃料电池、散热器、水泵和三通阀；动力电池热管理回路包括动力电池、散热器、水泵和三通阀；电机热管理回路包括电机、电机控制器、水泵、散热器和三通阀；乘员舱热管理回路包括乘员舱、HVAC系统、切换装置和三通阀。本发明还公开了上述系统的控制方法。首先通过环境温度判断整车的运行条件，然后根据各回路的温度来综合判断此时切换装置与各回路三通阀的开闭状态，从而实现整车集成热管理的热量高效利用。本发明通过引入热泵空调，减少传统PTC加热时消耗的能量，控制简单，结构合理，有利于提高燃料电池汽车的能量利用率和经济性。

技术领域

本发明属于燃料电池汽车领域，特别涉及一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法。

背景技术

作为当前新能源汽车的重要组成部分，燃料电池汽车是一个非线性、多变量、时变的复杂系统，其热管理水平决定着整车的性能与寿命。当燃料电池稳定在60-80℃时能保持较高的能量转换效率。燃料电池运行时温度过低时，电池阻抗增大，极化较大，燃料电池整体性能下降，效率降低；燃料电池运行温度过高时，会导致质子交换膜脱水，容易造成安全事故。对于动力电池热管理，由于电池在充放电过程中，温度过高或过低都会影响其性能的发挥，特别是当电池温度过高时，可能会引起电池爆炸。关于驱动电机热管理，电机系统作为燃料电池汽车的能量转换单元，由于在能量转换过程中不可避免的出现损失而转化为热量，如果这些热量不及时的散出，将影响电机的使用寿命和使用性能。

在低温环境下，如何快速提高燃料电池的温度一直是当前热管理的研究热点。现有燃料电池汽车包括丰田Mirai与现代NEXO均采用传统的PTC进行加热。利用PTC加热可以快速提高燃料电池的温度，但同时也带来了低温环境下整车能耗大的问题。因此需要合理的燃料电池汽车集成热管理系统及控制方法来提高能量利用率和整车经济性。现有的专利如中国专利公布号为CN111463453A，公布日为2020-07-28，公开了一种具有相变蓄热及预加热功能的燃料电池热管理系统，该发明可将燃料电池余热存储在相变换热器中，用于液路和气路预热燃料电池，或用于燃料电池保温；此外燃料电池余热可加热进气、锂电池或乘员舱，提高能量利用率。又如专利申请公布号为CN111855247A，公开日为2020-10-30，公开了一种电动车热泵空调测试系统及电动汽车热管理试验台架。用于测试电动车热泵空调系统，热泵空调系统包括压缩机、四通换向阀、车内换热器、膨胀阀以及车外换热器，可进一步优化整车能耗，达到节能的目标，提高检测精确和效率。上述专利均没有将热泵空调与燃料电池整车其他部件热管理考虑在内。

针对上述的技术不足，本发明提供一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法，首先通过环境温度判断整车的运行条件，然后根据各回路的温度来综合判断此时切换装置与各回路三通阀的开闭状态，从而实现整车热管理的热量高效利用。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供了一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统及其控制方法，通过环境温度和各回路的温度综合判断整车的运行条件与各回路的开闭状态，从而实现整车热管理的热量高效利用。

本发明提供的一种基于热泵空调的燃料电池汽车集成热管理系统，包括燃料电池热管理回路、电机热管理回路、乘员舱热管理回路和动力电池热管理回路。燃料电池热管理回路包括燃料电池、散热器一、水泵一和三通阀一；电机热管理回路包括电机、电机控制器、水泵二、散热器二和三通阀二；乘员舱热管理回路包括乘员舱、HVAC系统、切换装置和三通阀三；动力电池回路包括动力电池、散热器三、水泵三和三通阀四。