燃料电池汽车管理系统及其控制方法与流程

本发明涉及能源技术领域，特别是涉及燃料电池汽车管理系统及其控制方法。

背景技术：

燃料电池汽车具有节能、环保等优点具有很好的应用前景。尤其在商用车领域，燃料电池汽车和纯电动汽车相比具有更长的续驶里程。但与传统内燃机汽车相比，燃料电池汽车在热应用方面具有能源利用率低的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种燃料电池汽车管理系统及其控制方法。

一种燃料电池汽车管理系统，包括：

第一开关装置，包括第一开关第一接口、第一开关第二接口和第一开关第三接口；

第二开关装置，包括第二开关第一接口、第二开关第二接口和第二开关第三接口，所述第一开关第一接口与所述第二开关第三接口连接；

燃料电池电堆，包括电堆输入端和电堆输出端，所述电堆输出端与所述第一开关第三接口连接，所述电堆输入端和所述第一开关第二接口连接；

第一加热装置，设置于所述第一开关第二接口与所述电堆输入端之间；

换热装置，所述换热装置的第二端和第一端分别与所述第二开关第二接口和所述电堆输入端连接；

散热装置，所述散热装置的两端分别与所述第二开关第一接口和所述电堆输入端连接，以及

供暖系统，所述换热装置的第一端和第二端还分别与所述供暖系统的两端连接。

在一个实施例中，还包括第一储液装置，与所述电堆输入端连接。

在一个实施例中，所述第一开关装置和所述第二开关装置均为节温器。

在一个实施例中，所述供暖系统包括：

散热管路，所述散热管路的两端分别与所述换热装置的第一端和第二端连接；

第一阀门，所述第一阀门的第一端和第二端分别与所述散热管路的两端连接，所述第一阀门的第二端还与所述换热装置的第二端连接；以及

第二阀门，所述第二阀门的第二端连接于所述第一阀门的第一端，所述第二阀门的第一端连接所述换热装置的第一端。

在一个实施例中，还包括第二加热装置，所述第二加热装置设置于所述散热管路。

在一个实施例中，还包括除霜器，设置于所述散热管路。

在一个实施例中，所述散热管路还包括多个并联或者串联的散热器。

一种燃料电池汽车管理系统的控制方法，应用于所述的燃料电池汽车管理系统，包括：

检测当前燃料电池电堆的功率；

当所述燃料电池电堆的功率小于功率阈值时，控制所述第一开关第三接口分别与所述第一开关第二接口和所述第一开关第一接口导通，所述第二开关第三接口和所述第二开关第二接口导通，所述第二开关第三接口和所述第二开关第一接口关断。

在一个实施例中，所述方法包括：

当所述燃料电池电堆的功率不小于所述功率阈值时，控制所述第一开关第三接口和所述第一开关第一接口导通，所述第二开关第三接口分别与所述第二开关第一接口和所述第二开关第二接口导通。

在一个实施例中，在所述检测当前燃料电池电堆的功率之前，还包括：

检测当前环境温度，当所述环境温度小于温度阈值时，执行所述检测当前燃料电池电堆的功率的步骤。

在一个实施例中，当所述环境温度不小于所述温度阈值时，控制所述第一开关第三接口和所述第一开关第一接口导通，所述第二开关第三接口与所述第二开关第一接口导通。

本申请实施例提供的所述燃料电池汽车管理系统及其控制方法，包括第一开关装置、第二开关装置、燃料电池电堆、第一加热装置、换热装置和散热装置。所述第一开关装置包括第一开关第一接口、第一开关第二接口和第一开关第三接口。所述第二开关装置包括第二开关第一接口、第二开关第二接口和第二开关第三接口。所述燃料电池电堆包括电堆输入端和电堆输出端。所述电堆输出端与所述第一开关第三接口连接。所述电堆输入端和所述第一开关第二接口连接。所述第一加热装置设置于所述第一开关第二接口与所述电堆输入端之间。所述换热装置的第二端和第一端分别与所述第二开关第二接口和所述电堆输入端连接。所述换热装置的第一端和第二端还分别与所述供暖系统的两端连接。

通过控制所述第二开关第一接口和所述第二开关第三接口关闭，可以避免冷媒再进入所述散热装置散热。冷媒可以通过所述第一开关装置、所述第二开关第三接口和所述第二开关第二接口进入所述换热装置，并通过所述换热装置将热量传递给所述供暖系统。在所述供暖系统中循环的冷媒通过所述供暖系统给车厢内供热，从而充分利用了热量，提高氢气余热的利用率。进一步地，由于外界温度较低，从所述燃料电池电堆输出的冷媒经过所述第一开关第三接口和所述第一开关第二接口进入所述第一加热装置进行加热，然后再流回所述燃料电池电堆，以达到提高冷媒温度的目的。进一步地，可以通过调整进入所述第一加热装置的冷媒的量，从而可以达到控制所述燃料电池电堆的温度的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的燃料电池汽车管理系统示意图；

图2为本申请一个实施例提供的燃料电池汽车管理系统正常功率低温运行模式的示意图；

图3为本申请一个实施例提供的燃料电池管理系统控制方法流程示意图。

图4为本申请一个实施例提供的燃料电池汽车管理系统小功率低温运行模式下的示意图；

图5为本申请一个实施例提供的燃料电池汽车管理系统常温运行模式下的示意图。

附图标记说明：

燃料电池汽车管理系统10、第一开关装置100、第一开关第一接口110、第一开关第二接口120、第一开关第三接口130、第二开关装置200、第二开关第一接口210、第二开关第二接口220、第二开关第三接口230、燃料电池电堆300、电堆输入端310、电堆输出端320、第一加热装置410、换热装置420、散热装置430、第一储液装置440、第二储液装置450、供暖系统500、散热管路510、第一阀门520、第二阀门530、第二加热装置540、除霜器550、散热器560、第一泵体610、第二泵体620、司机取暖器630。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，本申请实施例提供一种燃料电池汽车管理系统10。所述燃料电池汽车管理系统10包括第一开关装置100、第二开关装置200、燃料电池电堆300、第一加热装置410、换热装置420和散热装置430。所述第一开关装置100包括第一开关第一接口110、第一开关第二接口120和第一开关第三接口130。所述第二开关装置200包括第二开关第一接口210、第二开关第二接口220和第二开关第三接口230。所述燃料电池电堆300包括电堆输入端310和电堆输出端320。所述电堆输出端320与所述第一开关第三接口130连接。所述电堆输入端310和所述第一开关第二接口120连接。所述第一加热装置410设置于所述第一开关第二接口120与所述电堆输入端310之间。所述换热装置420的第二端和第一端分别与所述第二开关第二接口220和所述电堆输入端310连接。所述换热装置420的第一端和第二端还分别与所述供暖系统500的两端连接。

所述燃料电池电堆300可以包括多个燃料电池组。所述电堆输入端310和电堆输出端320可以分别用于输入和输出冷媒。所述第一开关装置100和所述第二开关装置200可以分别为三通开关。所述第一开关第一接口110、所述第一开关第二接口120和所述第一开关第三接口130可以根据需要两两导通或者三个同时导通。所述第二开关第一接口210、所述第二开关第二接口220和所述第二开关第三接口230可以根据需要两两导通或者三个同时导通。

所述第一加热装置410可以根据需要对连接于所述第一开关第二接口120与所述电堆输入端310之间的管路进行加热。所述第一加热装置410可以电加热器。当所述从所述电堆输出端320流出的冷媒温度较低时，可以通过所述第一加热装置410对冷媒加热。

所述换热装置420可以为夹模式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、板式换热器、管壳式换热器等。所述换热装置420的第一端和第二端可以分别具有入口和出口。

从所述电堆输出端320输出的冷媒可以通过所述第一开关第三接口130、所述第一开关第一接口110、所述第二开关第三接口230和所述第二开关第一接口210进入所述换热装置420的第二端的入口。冷媒在所述换热装置420中经过换热后可以经过所述换热装置420的第一端的出口再回到所述燃料电池电堆300，从而完成一次换热循环。

所述供暖系统500可以用来给车厢内进行供暖。所述供暖系统500的热量一部分可以来自电供暖。另一部分热量可以通过在所述换热装置420中换热得到。所述供暖系统500的两端可以分别与所述换热装置420的第一端的入口和和第二端的出口连接。因此，在所述供暖系统500中循环的冷媒可以在所述换热装置420中跟在所述燃料电池电堆300中循环的冷媒进行换热，从而得到热量为车厢内供热。

所述散热装置430的两端分别与所述第二开关第一接口210和所述电堆输入端310连接。当所述第二开关第一接口210和所述第二开关第三接口230导通时，从所述燃料电池电堆300输出的冷媒可以经过所述第一开关装置100进入所述第二开关装置200。冷媒在所述散热装置430中降温后可以再从所述电堆输入端310进入所述燃料电池电堆300对所述燃料电池电堆300降温。在一个实施例中，所述散热装置430可以为风冷散热设备。

可以理解，当外界温度较低，且所述燃料电池电堆300的功率较小时，说明此时所述燃料电池电堆300工作的产热量较少，如果还通过所述散热装置430散热，必然会导致热量浪费。通过控制所述第二开关第一接口210和所述第二开关第三接口230关闭，可以避免冷媒再进入所述散热装置430散热。冷媒可以通过所述第一开关装置100、所述第二开关第三接口230和所述第二开关第二接口220进入所述换热装置420，并通过所述换热装置420将热量传递给所述供暖系统500。在所述供暖系统500中循环的冷媒通过所述供暖系统500给车厢内供热，从而充分利用了热量，提高氢气余热的利用率。进一步地，由于外界温度较低，从所述燃料电池电堆300输出的冷媒经过所述第一开关第三接口130和所述第一开关第二接口120进入所述第一加热装置410进行加热，然后再流回所述燃料电池电堆300。可以理解，通过调节所述第一开关装置100中的所述第一开关第三接口130流向所述第一开关第二接口120和所述第一开关第一接口110的冷媒比例，可以调整被加热的所述冷媒的量，从而可以达到控制所述燃料电池电堆300的温度的目的。

本申请实施例提供的所述燃料电池汽车管理系统10包括第一开关装置100、第二开关装置200、燃料电池电堆300、第一加热装置410、换热装置420和散热装置430。所述第一开关装置100包括第一开关第一接口110、第一开关第二接口120和第一开关第三接口130。所述第二开关装置200包括第二开关第一接口210、第二开关第二接口220和第二开关第三接口230。所述燃料电池电堆300包括电堆输入端310和电堆输出端320。所述电堆输出端320与所述第一开关第三接口130连接。所述电堆输入端310和所述第一开关第二接口120连接。所述第一加热装置410设置于所述第一开关第二接口120与所述电堆输入端310之间。所述换热装置420的第二端和第一端分别与所述第二开关第二接口220和所述电堆输入端310连接。所述换热装置420的第一端和第二端还分别与所述供暖系统500的两端连接。

通过控制所述第二开关第一接口210和所述第二开关第三接口230关闭，可以避免冷媒再进入所述散热装置430散热。冷媒可以通过所述第一开关装置100、所述第二开关第三接口230和所述第二开关第二接口220进入所述换热装置420，并通过所述换热装置420将热量传递给所述供暖系统500。在所述供暖系统500中循环的冷媒通过所述供暖系统500给车厢内供热，从而充分利用了热量，提高氢气余热的利用率。进一步地，由于外界温度较低，从所述燃料电池电堆300输出的冷媒经过所述第一开关第三接口130和所述第一开关第二接口120进入所述第一加热装置410进行加热，然后再流回所述燃料电池电堆300，以达到提高冷媒温度的目的。进一步地，可以通过调整进入所述第一加热装置410的冷媒的量，从而可以达到控制所述燃料电池电堆300的温度的目的。

在一个实施例中，所述燃料电池汽车管理系统10还包括第一储液装置440。所述第一储液装置440与所述电堆输入端310连接。所述第一储液装置440可以储存冷媒。在一个实施例中，冷媒可以为水。当在所述燃料电池电堆300中循环的冷媒量不足时，可以通过所述第一储液装置440为所述燃料电池电堆300补充冷媒。

在一个实施例中，所述第一开关装置100和所述第二开关装置200均为节温器。所述节温器可以为自动调温装置。所述节温器中可以含有感温元件。所述节温器可以借着热胀或冷缩来开启、关掉空气、气体或液体的流动。可以以所述燃料电池电堆300的温度为所述节温器的控制目标温度。当所述燃料电池电堆300的温度高于或者低于所述目标温度时，所述节温器可以自动调节不同接口的通断以及开度，从而控制冷媒的循环量以及冷媒的换热、加热，以使所述料电池电堆的温度等于目标温度。

请参见图2，在一个实施例中，所述供暖系统500包括散热管路510、第一阀门520和第二阀门530。所述散热管路510的两端分别与所述换热装置420的第一端和第二端连接。所述第一阀门520的第一端和第二端分别与所述散热管路510的两端连接。所述第一阀门520的第二端还与所述换热装置420的第二端连接。所述第二阀门530的第二端连接于所述第一阀门520的第一端。所述第二阀门530的第一端连接所述换热装置420的第一端。

可以理解，通过控制所述第一阀门520和所述第二阀门530的开度和通断，可以控制所述供暖系统500进入所述换热装置420的冷媒量，进而可以控制换热量。

所述散热管路510的两端可以分别与所述换热装置420的第一端的入口和所述换热装置420的第二端的出口连接。因此冷媒可以在所述散热管路510和所述换热装置420之间循环。通过所述第一阀门520可以控制冷媒在所述换热管路中的流量。通过所述第二阀门530可以控制由所述散热管路510进入所述换热装置420的冷媒的量。所述第一阀门520和所述第二阀门530可以配合工作。例如，当需要所述散热管路510中的全部冷媒进行换热时，可以关闭所述第一阀门520，开启所述第二阀门530。因此冷媒可以通过所述散热管路510、所述第二阀门530的第一端和第二端进入所述换热装置420的第一端的入口，然后从所述换热装置420的第二端的出口流出再进入所述散热管路510。当不需要换热时，可以控制所述第二阀门530关闭，开启所述第一阀门520。所述冷媒只能在所述第一阀门520和所述散热管路510之间循环。

在一个实施例中，所述燃料电池汽车管理系统10还包括第二加热装置540。所述第二加热装置540设置于所述散热管路510。可以理解，当仅仅通过换热并无法使得车厢内的温度提高到目标值时，可以开启所述第二加热装置540。所述第二加热装置540可以为电加热器。通过所述第二加热装置540还可以为所述散热管路510中的冷媒加热。

在一个实施例中，所述燃料电池汽车管理系统10还包括除霜器550。所述除霜器550设置于所述散热管路510。通过除霜器550可以对所述散热管路510进行除霜。

在一个实施例中，所述散热管路510还包括多个并联或者串联的散热器560。可以理解，多了个所述散热器560可以先串联，然后再并联。所述散热器560可以根据需要在所述车厢内分布。在一个实施例中，所述散热管路510还可以设置有专门的司机取暖器630。

在一个实施例中，所述燃料电池汽车管理系统10还包括第二储液装置450。所述第二储液装置450可以与所述散热管路510连接。所述第二储液装置450可以用来储存冷媒，并为所述散热管路510补充冷媒。

在一个实施例中，所述燃料电池汽车管理系统10还包括第一泵体610和第二泵体620。所述第一泵体610可以连接于所述电堆输出端320和所述第一开关第三接口130之间。通过所述第一泵体610可以为冷媒循环提供动力。所述第二泵体620可以连接于所述第二加热装置540和所述第一阀门520之间。所述第二泵体620可以为冷媒在所述散热管路510中循环提供动力。

所述燃料电池汽车管理系统10可以包括至少三种工作模式。三种工作模式包括小功率低温运行模式、正常功率低温运行模式和常温运行模式。

请参见图3和图4，本申请实施例还提供一种燃料电池汽车管理系统10的控制方法。所述方法应用于上述实施例所述的燃料电池汽车管理系统10。所述方法包括：

检测当前燃料电池电堆300的功率；

当所述燃料电池电堆300的功率小于功率阈值时，控制所述第一开关第三接口130分别与所述第一开关第二接口120和所述第一开关第一接口110导通，所述第二开关第三接口230和所述第二开关第二接口220导通，所述第二开关第三接口230和所述第二开关第一接口210关断。

当所述燃料电池电堆300功率小于功率阈值时，且当前环境温度小于温度阈值时，说明外界温度较低，车厢内温度也较低。此时可以运行所述小功率低温运行模式。可以理解，首先可以启动车辆，然后监测当前燃料电池功率。

由于所述燃料电池电堆300的功率较小，因此所述燃料电池电堆300产生的余热有限，经过所述燃料电池电堆300的所述电堆输出端320的冷媒携带的热量就有限。因此，所述燃料电池汽车管理系统10可以关闭通过所述散热装置430的通道。即冷媒从所述电堆输出端320流出后可以通过所述第一开关第三接口130、所述第二开关第三接口230、所述第二开关第二接口220在所述换热装置420中与流经所述供暖系统500的冷媒进行热交换。由于所述第二开关第三接口230和所述第二开关第一接口210关断，因此冷媒不会进入所述散热装置430散热。部分冷媒也可以通过所述第一开关第三接口130和所述第一开关第二接口120进入所述第一加热装置410加热，从而可以控制冷媒达到目标温度。

请参见图2，在一个实施例中，所述方法包括：

当所述燃料电池电堆300的功率不小于所述功率阈值时，控制所述第一开关第三接口130和所述第一开关第一接口110导通，所述第二开关第三接口230分别与所述第二开关第一接口210和所述第二开关第二接口220导通。

本实施例可以为正常功率低温运行模式。当外界温度较低，而所述燃料电池电堆300的功率大于或者等于所述功率阈值时，说明此时所述燃料电池电堆300产热量较大。因此，部分冷媒可以经过所述第一开关第三接口130、所述第一开关第一接口110、所述第二开关第三接口230和所述第二开关第一接口210进入所述散热装置430进行散热。进一步地，所述部分冷媒还可以经过所述第一开关第三接口130、所述第一开关第一接口110所述第二开关第二接口220进入所述换热装置420与所述供暖系统500中的冷媒进行换热。可以理解，此时所述燃料电池电堆300的功率较高，因此冷媒的温度较高，可以关闭所述第一开关第三接口130与所述第一开关第二接口120的通道。也就是说不需要对冷媒加热。

在一个实施例中，在所述检测当前燃料电池电堆300的功率之前，还包括检测当前环境温度，当所述环境温度小于温度阈值时，执行所述检测当前燃料电池电堆300的功率的步骤。

请参见图5，在一个实施例中，当所述环境温度不小于所述温度阈值时，控制所述第一开关第三接口130和所述第一开关第一接口110导通，所述第二开关第三接口230与所述第二开关第一接口210导通。

当所述环境温度不小于所述温度阈值时，说明此时外界环境温度较高，所述车厢内可以不需要加热。此时可以运行所述常温运行模式。

因此，从所述电堆输出端320输出的冷媒可以通过所述第一开关第三接口130、所述第一开关第一接口110、所述第二开关第三接口230与所述第二开关第一接口210后进入所述散热装置430降温，然后再回到所述燃料电池电堆300中。此时，所述第二开关第二接口220关闭，冷媒不需要进入所述换热器换热。进一步地，冷媒也不需要通过所述第一开关第二接口120进入在所述第一加热装置410中加热。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。