用于燃料電池車輛的熱管理系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于燃料電池車輛的熱管理系統和方法。更具體地，本發明涉及 能夠執行選擇性的去礦化的熱管理系統和方法，以提高燃料電池系統中采用的熱管理系統 中的散熱性能。
【背景技術】
[0002] 裝配在燃料電池車輛中的燃料電池系統通常包括：燃料電池堆，從反應氣體的電 化學反應生成電能；氫氣供應設備，將氫氣作為燃料供應至燃料電池堆；空氣供應設備，將 包括氧氣的空氣供應至燃料電池堆；以及水熱管理系統，將燃料電池堆的熱量驅散至燃料 電池堆外面的環境以最佳地控制操作溫度并且執行水管理功能。
[0003] 燃料電池堆在作為反應氣體的氫和氧的電化學反應處理期間產生作為反應副產 物的熱量和水，并且為了使燃料電池堆呈現最佳的輸出性能，在啟動時或者在操作期間需 要在適宜的溫度下管理燃料電池堆的溫度。特別地，有必要使用在啟動時迅速地增大燃料 電池堆的溫度而在操作期間將燃料電池堆的溫度保持在適宜的溫度的熱管理系統。
[0004] 例如，在圖1中示出了傳統的燃料電池車輛的熱管理系統。圖1是示出了燃料電 池車輛的熱管理系統中的冷卻水回路的示意圖，其中，燃料電池車輛的熱管理系統包括：散 熱器2,驅散燃料電池堆1生成電力時生成的熱量；冷卻水循環管3,連接在燃料電池堆1和 散熱器2之間以能夠在其間使冷卻水循環；旁路管4和三通閥5,選擇性地分流冷卻水以防 止冷卻水穿過散熱器2 ;水泵6,泵送并使冷卻水循環；加熱器7,增加冷卻水的溫度以使燃 料電池堆升溫。
[0005] 為了將冷卻水的導電率維持在預定的水平或較小水平，可以在冷卻水回路的支管 8中設置過濾存在于冷卻水中的離子的脫礦質器（de-mineralizer，DMN)9。熱管理系統在 沿著散熱器2的通道將冷卻水循環至三通閥5,接著至水泵6,然后至加熱器7并且最后至 燃料電池堆1的同時將在燃料電池堆生成電力時生成的熱量驅散至外部。
[0006] 具體地，如圖1中所示，穿過配備在冷卻水回路的支管8中的脫礦質器9的冷卻水 通過三通閥側的后級（rear stage)再次返回到冷卻水回路。在圖2中更詳細地描述了三 通閥和脫礦質器的支管之間的連接結構。
[0007] 如圖2中所示，三通閥5包括連接至散熱器側的第一端口 5a、連接至旁路管的第二 端口 5b以及將穿過兩個管的冷卻水轉移至泵側的第三端口 5c。
[0008] 此外，脫礦質器的支管8被連接至第三端口側并且由于支管8的位置被設置在第 三端口的出口處，無論三通閥是否打開始終生成脫礦質器的流量。
[0009] 因此，由于脫礦質器回路始終是打開的，高溫冷卻水始終穿過脫礦質器回路并且 沒必要經受脫礦化。如此，可能縮短脫礦質器的使用壽命。
[0010] 此外，由于整個冷卻流量的約10%的冷卻水持續地流過脫礦質器回路，所以冷卻 流量被損失且散熱性能被降低。
[0011] 同時，由于配備在車輛中的聚合物電解質燃料電池（PEFMC)通常在低溫操作，所 以要求具有相當大的散熱面積的散熱器，但是在炎熱季節，來自散熱器的散熱量可能比燃 料電池堆的熱值小。因此，如圖3中所示，當在燃料電池堆的出口處的冷卻水的溫度增加并 且因此達到設定溫度時，燃料電池控制單元（FCU)限制燃料電池堆的電流輸出以保護燃料 電池堆防止冷卻水的溫度超過設定溫度。這被稱為高溫限流（high temperature current limitation)〇
[0012] 當車輛的快速加速和高輸出操作被延伸較長時間周期（例如，在高速公路上行駛 或在上坡路上行駛）或者冷卻水的流量在夏季不充足時，冷卻水達到較高的溫度，并且因 此高溫限流頻繁發生。如此，在該限流時間段期間，即使駕駛員按壓加速踏板，來自燃料電 池堆的輸出也不充足。
[0013] 由于需要增大不充分的散熱量，從而防止頻繁發生高溫限流，用于另外地增加散 熱器的散熱面積的方法可以被認為是此問題的可選的解決方案。然而，散熱器的尺寸受到 車輛布局配置的限制，并且因此更大的散熱器是不期望的。
[0014] 此外，可以通過使用高性能/高流量泵使散熱性能最大化。然而，關于這點同樣存 在缺點。具體地，在泵的高流量操作時生成的冷卻水的高壓力可能超過燃料電池堆的內部 壓力等級。當此情況發生時，可能發生由于燃料電池堆的結構故障而導致的水泄漏，并且因 此該解決方案也具有其局限性。
[0015] 在本【背景技術】部分中公開的上述信息僅用于加強對本發明的【背景技術】的理解，并 且因此可能包括不形成該國中本領域的普通技術人員已知的現有技術的信息。

【發明內容】

[0016] 本發明已經致力于解決與現有技術相關的以上所描述的問題，并且提供了用于燃 料電池車輛的熱管理系統和方法，即使由于在夏季期間的高輸出操作而導致增加燃料電池 堆的溫度大幅度增大，所述系統和方法能夠提高熱管理系統的散熱性能以增加車輛到達的 限流時間，從而提高燃料電池堆的輸出穩定性并提高其內引入高溫冷卻水的脫礦質器的耐 久性。
[0017] 在一方面中，本發明提供了一種用于燃料電池車輛的熱管理系統，包括：散熱器， 被配置為通過在其內提供的冷卻水來驅散從燃料電池堆生成的熱量；脫礦質器，設置在從 連接在燃料電池堆和散熱器之間的冷卻水循環管分出的支管以允許冷卻水穿過其中；以及 三通閥，被配置為包括第一端口、第二端口和第三端口。第一端口被配置為連接至穿過散熱 器的冷卻水流動所沿的散熱器管，第二端口被配置為連接至冷卻水循環管內的散熱器的前 面形成的旁路管，以及第三端口被配置為連接至燃料電池堆側，并且穿過脫礦質器管的冷 卻水流動所沿的脫礦質器管被配置為連接至第二端口側。
[0018] 在示例性實施方式中，三通閥可被配置為打開第一端口和第二端口都兩者或者選 擇性地僅打開第一端口和第二端口中的一個端口。
[0019] 在某些示例性實施方式中，用于燃料電池車輛的熱管理系統可進一步包括：被配 置為控制三通閥的打開值的控制器。
[0020] 在又一個示例性實施方式中，控制器可以根據車輛的輸出狀態把部分分為低輸出 部分、正常輸出部分和高輸出部分并且可變地控制每個部分中的三通閥的打開值。
[0021] 在又一個示例性實施方式中，控制器可以在低輸出部分中操作時關閉連接至散熱 器管的第一端口并完全地打開連接至旁路管的第二端口，在高輸出部分中操作時完全地打 開第一端口并關閉第二端口，以及在正常輸入部分中操作時部分地打開第一端口和第二端 口兩者。
[0022] 在又一個示例性實施方式中，控制器可被配置為在正常輸出部分，根據第二端口 的打開值，與穿過第二端口的旁路流量成比例地增大和減小穿過脫礦質器管的流量，并且 在高輸出部分由于第二端口的關閉而防止生成穿過脫礦質器管的流量。
[0023] 在再一個示例性實施方式中，控制器可以根據車輛的冷卻水的溫度把部分分為低 溫度部分、參考溫度部分和高溫度部分并且可變地控制每個部分中的三通閥的打開值。
[0024] 在另一個示例性實施方式中，控制器可以被配置為在低溫度部分中關閉連接至散 熱器管側的第一端口并完全地打開連接至旁路管的第二端口，在高溫度部分中完全地打開 第一端口并關閉第二端口，以及在參考溫度部分中部分