[發明專利]一種燃料電池?鋰電池混合動力熱管理系統及運行方式

在審

• 申請號: 201710741987.6
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107591546A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 紀常偉;李響;汪碩峰;王兵
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029;H01M10/613;H01M10/615;H01M10/625;H01M10/6563;H01M10/6567;H01M10/6571;H01M10/663;B60L11/18
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，涉及一種燃料電池-鋰電池混合動力熱管理系統及運行方式。

背景技術

隨著世界經濟的快速發展，因能源消耗的激增和資源的浪費所引起的“能源危機”已經引起了全世界的關注。內燃機新能源的發展也越來越收到科學家們的重視。所以開發新能源來代替傳統的化石燃料成為了越來越多的國家一項長期重要的能源發展戰略。在所開發的新能源中，氫能被認為是最有潛力的新能源之一，其優點在于：儲量大，熱值高；與化石燃料燃燒后所釋放的碳氧化物、氮氧化物、粉塵顆粒相比，氫氣燃燒反應后所釋放的只有水，不會造成環境的污染，是零污染的清潔能源。同時也是替代現有化石燃料最理想的能源之一。而以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池(PEMFC)成為了未來最有可能替代傳統內燃機的動力源之一。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種在低溫(60℃-80℃)狀態下可直接將儲存在氫氣與氧氣中的化學能直接轉化為電能，釋放熱和水的化學裝置。由于燃料電池不受卡諾循環的限制，其能量轉化率高。與傳統的化學電池不同，只要有足夠的氫氣及氧化劑，就可以持續的工作，類似于傳統內燃機。同時，PEMFC具有機械結構設計簡單、比能量高、使用壽命長、排水簡單、工作溫度低等特點，其發展和應用前景被世界各國看好，也被看作是替代傳統內燃機的最佳方案。

燃料電池作為一種清潔的動力裝置，雖有諸多優點，但是當其單獨應用在車輛中為其提供能量時，會存在一定的不足。燃料電池在車輛中單獨工作時，會增加系統的體積，提高了車輛成本。同時還由于車輛在行駛中的負荷變化，導致燃料電池的輸出特性時常發生變化，損害燃料電池，縮短其工作壽命。此外，燃料電池為單向供電電源，無法在車輛制動時回收制動能量。由于鋰電池對負荷的變化響應速度快、高倍率充放電能力較強且可回收制動能量，因此采用燃料電池-鋰電池的混合動力系統的方案可以充分發揮燃料電池及鋰電池各自的特點，既可以在車輛制動時回收制動能量，又可以彌補在車輛負荷突變時燃料電池的輸出不穩定的缺點，從而提高系統能量的穩定性和可靠性。

然而，在實際環境中，低溫條件下，燃料電池所產生水，加濕用水以及其中的冷卻水會產生漲凍現象，從而對燃料電池內部的質子交換膜結構產生損害。同時，低溫環境中，催化劑的活性降低，影響催化效果，使得反應速率降低，影響燃料電池整體性能。而在高溫環境中，鋰電池在高倍率充放電過程中會產生熱量，使得鋰電池偏離最佳工作溫度，造成性能下降。

現有質子交換膜燃料電池熱管理系統，例如(中國發明專利CN106602105A)公開了一種質子交換膜燃料電池熱管理系統，通過至少兩個單體電池以串聯方式層疊組合而成的燃料電池堆，每個單體電池的一側對應設有散熱裝置，且單體電池與散熱裝置間隔疊設，用于供應冷卻液并控制冷卻液流動的控制系統。該質子交換膜燃料電池熱管理系統能夠保證燃料電池在運行過程中處于合適的溫度范圍內以及燃料電池內部的均溫性。現有鋰電池熱管理系統，例如(中國發明專利CN206040906U)涉及動力鋰電池組熱管理控制裝置，通過電池管理系統和溫度傳感器對動力電池箱內溫度環境進行檢測，再根據溫度異常情況發出降溫或升溫指令，啟動加熱組件或制冷組件進行溫度控制，使電池箱體內溫度達到規定范圍，確保外界溫度對鋰電池組影響因素減少到最小，讓鋰電池組的系統性能達到最佳狀態的動力鋰電池組溫度控制裝置。上述兩種系統可分別進行熱管理，但缺少燃料電池-鋰電池混合動力的熱管理系統，用以實現燃料電池-鋰電池的熱量協同管理。

發明內容

本發明的目的在于提出的一種燃料電池-鋰電池混合動力熱管理系統及運行方式，以解決現有的燃料電池-鋰電池混合動力系統熱管理的問題，以提高燃料電池低溫啟動速度，保護燃料電池；維持鋰電池在適宜溫度運行；并在低溫環境下將余熱用于加熱駕駛室，使駕駛員處在適當的溫度中。通過電控系統監控各個傳感器的信號，控制不同電磁閥的開關使冷卻水流經不同的流道，使熱量走向不同的目的，實現提高燃料電池啟動速度，維持鋰電池適宜溫度，并且控制駕駛室溫度的目的。

針對上述技術的不足之處，本發明提供一種燃料電池-鋰電池混合動力熱管理系統及運行方式，包括燃料電池氫氣供氣系統、燃料電池電堆、冷卻水流量傳感器、冷卻水溫度傳感器、循環水泵、冷卻水水箱、鋰電池包、加熱電阻絲、單向電磁閥、冷卻水流道、信號電氣連接、氣體流道、駕駛室模型、散熱器、風扇、電控模塊、燃料電池空氣供氣系統。

所述燃料電池氫氣供氣系統(1)選用高純度氫氣(99.99％)，為燃料電池提供穩定可靠的供給。