一种氢燃料电池乘用车的热管理调控系统

本发明属于氢能源汽车热管理，尤其涉及一种氢燃料电池乘用车的热管理调控系统。

背景技术：

1、汽车的空调系统主要包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。其中，冷凝器将高压气体通过散热片散热转变为高压液体，通常安装在汽车前端的进气格栅后面，便于空气对流换热实现散热；膨胀阈将高压液体经过膨胀后变成低压液体，低压液体进一步通过蒸发器内部的管路进行蒸发产生制冷效果，蒸发器通常安装在汽车仪表盘下方，经过蒸发器降温的空气经乘员舱风道吹入车舱内，实现车内温度和湿度的调节。

2、对于新能源汽车而言，电池动力源在输出电能的同时会产生大量热量，若该部分热量不及时散去或是回收利用，将会对整车的效率产生消极影响。同时，车内的空调系统在为乘员舱制热/制冷时会消耗大量的电能，为了降低整车能耗，设计可以回收利用电池动力源的余热，用于处理乘员舱内显热与潜热负荷的乘员舱热管理系统和可实现相应功能之间切换的乘员舱风道。

技术实现思路

1、本发明提供一种氢燃料电池乘用车的热管理调控系统，能够解决现有新能源汽车的电池动力源在输出电能的同时会产生大量热量，若该部分热量不及时散去或是回收利用，将会对整车的效率产生消极影响。同时，车内的空调系统在为乘员舱制热/制冷时会消耗大量的电能的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供一种氢燃料电池乘用车的热管理调控系统，其包括电池组热管理系统、热泵空调系统和乘员舱热管理系统；

4、所述热泵空调系统包括压缩机(4)、冷凝器(5)、蒸发器(6)、室外换热器(7)、第一阀门(15)、第二阀门(16)、第三阀门(17)、第一膨胀阀(18)和第二膨胀阀(19)；其中，所述冷凝器(5)的进料口和出料口通过制冷器管道、第一阀门(15)的出料口、第一膨胀阀(18)的进料口连接；所述蒸发器(6)的出料口通过制冷器管道和第三阀门(17)与室外换热器(7)的进料口连接；所述蒸发器(6)的出料口通过制冷器管道、压缩机(4)、第二阀门(16)与室外换热器(7)的进料口连接；在采暖模式中，所述室外换热器(7)的进料口通过制冷器管道和第一膨胀阀(18)与冷凝器(5)的出料口连接；在制冷模式中，所述室外换热器(7)的出料口通过制冷器管道和第二膨胀阀(19)与蒸发器(6)的进料口连接；

5、所述电池组热管理系统包括第一水泵(3-1)、第二水泵(3-2)、燃料电池(8)、锂电池(9)、除湿器(10)、散热器(11)、循环回路模块(13)、ptc电辅热模块(14)、第四阀门(20)、第五阀门(21)、第六阀门(22)和第七阀门(23)；其中，所述除湿器(10)的第一出料口通过冷却液管道和第五阀门(21)与燃料电池(8)的进料口连接，所述除湿器(10)的第一出料口通过冷却液管道、所述第四阀门(20)和ptc电辅热模块(14)与燃料电池(8)的进料口连接；所述燃料电池(8)的出料口通过冷却液管道与循环回路模块(13)的第一进料端口连接，所述循环回路模块(13)的第一出料口通过冷却液管道与散热器(11)的第二进料口连接，所述循环回路模块(13)的第二出料口通过冷却液管道与除湿器(10)的第一进料口连接；所述散热器(11)的第一出料口通过冷却液管道和第二水泵(3-2)与锂电池(9)的进料口连接，所述散热器(11)的第一出料口通过冷却液管道与除湿器(10)的第一进料口连接；所述散热器(11)的第二出料口通过冷却液管道和第一水泵(3-1)与循环回路模块(13)的第二进料端口连接；所述锂电池(9)的出料口通过冷却液管道和第七阀门(23)与散热器(11)的第一进料口连接，所述锂电池(9)的出料口通过冷却液管道和第六阀门(22)与除湿器(10)的第二进料口连接；

6、所述乘员舱热管理系统包括第一风机(1)、第二风机(2)、风扇(12)和乘员舱(24)；所述第一风机(1)的进风口通过气体管道接入新风，第一风机(1)的出风口通过气体管道与除湿器(10)的第一进料口连接，所述除湿器(10)的第二出料口通过气体管道与冷凝器(5)的第一进料口连接；所述第二风机(2)的进风口通过气体管道接入新风和回风，所述第二风机(2)的出风口通过气体管道与除湿器(10)的第一进料口或者冷凝器(5)的第一进料口连接；所述冷凝器(5)的第二出料口通过气体管道与蒸发器(6)的第一进料口连接，所述蒸发器(6)的第二出料口通过气体管道与乘员舱(24)连接，所述乘员舱(24)输出回风；所述散热器(11)的第一进料口通过气体管道接入新风，所述散热器(11)的第一出料口通过气体管道和风扇(12)与大气连通。

7、根据本发明一可选实施例，所述冷却液管道内的冷却液为50％的丙二醇水溶液，室外换热器(7)为冷凝器，所述除湿器(10)为涂覆式平行流换热器。

8、根据本发明一可选实施例，在夏季吸附除湿工况下的氢燃料电池乘用车的运行模式：乘员舱(24)可实现空气内循环和外循环，无论哪种循环模式下，车外新风和车内回风均通过风机进入除湿器(10)，在除湿器(10)中完成吸附除湿过程，除湿后的干燥空气进一步进入乘员舱(24)内风道；此时，热泵空调系统的第一阀门(15)、第三阀门(17)和第一膨胀阀(18)关闭，第二阀门(16)和第二膨胀阀(19)开启，制冷剂经压缩机(4)压缩后进入室外换热器(7)放热，经第二膨胀阀(19)节流后进一步进入室内侧的蒸发器(6)，再回到压缩机(4)中完成一个制冷循环；风道内的干燥空气经过室内侧的冷凝器(5)不进行热交换，室内侧的蒸发器(6)进行热交换，从而实现空气冷却，进一步吹入乘员舱(24)内；在该过程中，除湿器(10)吸附除湿产生吸附热，该部分热量通过电池组热管理系统中的冷却液循环带走，多余的热量通过燃料电池汽车的散热器(11)被新风带走。

9、根据本发明一可选实施例，在夏季脱附再生工况下的氢燃料电池乘用车的运行模式：除湿器(10)的干燥剂涂层在经过一段时间的吸附除湿后会达到饱和状态，因此需要对其进行脱附解吸；在该过程中，车外新风及车内回风通过风机直接进入室内的冷凝器(5)中，在室内侧蒸发器(6)中实现降温后直接吹入乘员舱(24)内，而不再经过除湿器(10)；此时热泵空调系统的第一阀门(15)、第三阀门(17)和第一膨胀阀(18)关闭，第二阀门(16)和第二膨胀阀(19)开启，制冷剂经压缩机(4)压缩后进入室外换热器(7)放热，经第二膨胀阀(19)节流后进一步进入室内侧的蒸发器(6)，再回到压缩机(4)中完成一个制冷循环；除湿器(10)脱附解吸所需的热量由燃料电池(8)产生的余热提供，经过电池组热管理系统中的冷却液循环，燃料电池(8)的余热被带到除湿器(10)中，多余的热量通过燃料电池汽车的散热器(11)被新风带走。

10、根据本发明一可选实施例，在冬季余热回收工况下的氢燃料电池乘用车的运行模式：燃料电池(8)和锂电池(9)的余热通过电池组热管理系统的冷却液循环带到除湿器(10)中，此时除湿器(10)不再进行吸附及脱附过程，而是作为一个余热回收换热器使用，车外新风及车内回风通过风机进入除湿器(10)中实现升温；此时，热泵空调系统中的的第一阀门(15)、第三阀门(17)和第一膨胀阀(18)开启，第二阀门(16)和第二膨胀阀(19)关闭，制冷剂经压缩机(4)压缩后进入室内侧的冷凝器(5)放热，经第一膨胀阀(18)节流后进一步进入室外换热器(7)，再回到压缩机(4)中完成一个制热循环；经过除湿器(10)升温后的空气进一步经过室内侧的冷凝器(5)再次加热，热风吹入车舱内实现乘员舱(24)的制热；在此余热回收过程中，为避免余热回收不充分而影响整车动力系统的工作效率，多余的热量通过燃料电池汽车的散热器(11)被新风带走。

11、根据本发明一可选实施例，夏季进行除湿的乘员舱风道下氢燃料电池乘用车的运行模式：第一风门的开合程度控制通过燃料电池汽车散热器(11)的新风量，经过散热器(11)的新风带走燃料电池(8)、锂电池(9)发电过程产生的废热以及除湿器(10)吸附除湿过程产生的吸附热；电力设备热管理系统中，第二水泵(3-2)和第一水泵(3-1)控制冷却液的流量；第二风门控制吹入乘员舱(24)内的新风量与回风量比例，当第二风门处于氢燃料电池乘用车的2a处时，吹入乘员舱(24)内的空气均为车内回风，此时车辆处于空气内循环状态；当第二风门置于氢燃料电池乘用车的2b处时，吹入乘员舱(24)内的空气均为车外新风，此时车辆处于空气外循环状态；在夏季，对吹入乘员舱(24)内的空气先进行除湿，车外新风与车内回风在风道内汇合后共同经过除湿器(10)，此时第三风门处于氢燃料电池乘用车的3a处，第四风门处于关闭状态；空气经过除湿器(10)后湿度降低，进一步经过热泵系统的室内侧的蒸发器(6)，降温后吹入乘员舱(24)内，实现夏季的乘员舱(24)除湿制冷。

12、根据本发明一可选实施例，夏季进行脱附再生的乘员舱风道下氢燃料电池乘用车的运行模式：除湿器(10)在经过一定时间的吸附除湿后，需要进行解吸脱附，其需要的解吸热由电池组热管理系统中的燃料电池(8)提供，在其冷却液循环回路中，水泵根据除湿器(10)需要的解吸热调节循环回路中的冷却液流量；多余的电池废热由燃料电池汽车散热器(11)通过新风带到大气中；车外新风与车内回风在风道内汇合后，一部分经过除湿器(10)排入大气中，一部分经过室内侧的蒸发器(6)吹入乘员舱(24)内，此时，第三风门处于氢燃料电池乘用车的3b处，第四风门的开合程度控制经过除湿器(10)的风量；待除湿器(10)解吸脱附完成后，再次切换回夏季吸附除湿模式，实现夏季乘员舱(24)间歇性除湿、连续性制冷。

13、根据本发明一可选实施例，冬季进行余热回收的乘员舱风道下氢燃料电池乘用车的运行模式：乘员舱(24)进行冬季制热时，可实现对电池组热管理系统中的余热回收利用；在电池组热管理系统中，燃料电池(8)、锂电池(9)的余热通过冷却液循环带至除湿器(10)，多余的废热通过散热器(11)带至大气中；除湿器(10)此时仅作为换热器使用，第三风门处于氢燃料电池乘用车的3a处，第四风门处于关闭状态，车外新风与车内回风在风道内汇合后先经过除湿器(10)，利用电池的余热升温后，进一步经过热泵系统的室内侧的冷凝器(5)，最后吹入乘员舱(24)内实现冬季制热。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明是一种氢燃料电池乘用车的热管理调控系统，相比于传统的冷凝除湿方法，采用硅胶干燥剂涂覆的除湿换热器无需进行不必要的冷却和加热过程，其作为余热回收的设备将燃料电池及锂电池的废热通过冷却水循环进行回收再利用。舱内除湿降低了潜热，进一步降低了总的冷负荷，提高了热泵空调补冷的运行效率，从而在一定程度上降低能耗，实现提高整车效率、能量利用率的目的。在高湿地区，潜热占比相较于低湿地区高，因此该系统适用度更高。