[发明专利]一种具有废热利用的热泵集成式燃料电池汽车热管理系统

说明书

本发明公开了一种具有废热利用的热泵集成式燃料电池汽车热管理系统，包括热泵循环回路，电机循环回路，燃料电池循环回路，电池包循环回路；热泵循环回路通过多个板式换热器与其他循环回路相连组成集成式热管理系统，通过第一板式换热器与燃料电池循环回路相连，通过第二板式换热器与电机循环回路相连，通过第三板式换热器与电池包循环回路相连；通过热泵集成式热管理系统，热泵循环可利用环境或其他热源辅助加热燃料电池实现低温冷启动；利用燃料电池及电机循环废热组成多热源热泵空调，改善低温下热泵能效值低的缺点，并能避免车外换热器结霜。

技术领域

本发明属于燃料电池汽车领域，涉及一种燃料电池汽车集成式热管理系统，具体涉及一种具有废热利用的热泵集成式燃料电池汽车热管理系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池直接在电池内部发生化学反应，从而把化学能转化成电能，生成物仅有水和热量，具有能量转化率高、功率密度高、零排放等优点，在汽车、发电系统和电源系统等方面具有广阔的应用前景。实际工作运行时，较多的低温质子交换膜燃料电池合适的工作温度为60℃～80℃，燃料电池大部分热量来自于阴极侧催化剂层，大约5％的废热可以通过空气尾气散出，而95％的废热依赖于其他冷却剂带走散出；为了保证燃料电池的稳定工作，则需要一套高效的热管理系统。

燃料电池启动问题是其行业发展的瓶颈之一，当燃料电池的电池启动温度处于0℃以下时，燃料电池反应生成水有可能形成冰，覆盖反应气体流道、催化层和膜电极，从而阻碍电化学反应的进行。同时因为膜电极结冰的体积膨胀作用，损坏电极结构，降低燃料电池性能；燃料电池低温冷启动大多采用外部液体加热，需要消耗大量电池包的电能，且热效率较低。

针对燃料电池乘员舱低温制热，由于没有传统燃油汽车高温发动机冷却液供热，大部分只能采用PTC制热系统，可靠性高，但其制热系数低、耗能大；而热泵空调能实现冷暖一体化，其制热系数COP大于1，约是PTC系统制热系数的两倍，耗能较小；但普通热泵空调采用的是单一环境热源热泵，较低温、严寒下供热效率降低，外部换热器易结霜，不能满足高效、可靠的运行，仍需PTC辅助，加剧整车能量消耗；此外，低温时电机废热、燃料电池废热没有有效利用，能量利用率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有废热利用的热泵集成式燃料电池汽车热管理系统，通过集成式热泵热管理系统在满足各部件热管理需求的基础上解决低温下燃料电池低温冷启动、燃料电池汽车废热利用、热泵低温制热效率低等技术问题；具体的，其第一目的是满足各部件的热管理需求；第二目的是利用热泵系统以及结合电机循环废热加热燃料电池，实现燃料电池低温冷启动，减小预热的电能消耗；第三目的是在燃料电池正常工作时，利用热泵系统结合电机循环废热、燃料电池废热共同加热乘员舱，既实现了废热利用，又改善了热泵系统低温下能效值低的不足。

本发明提供的技术方案为：

一种具有废热利用的热泵集成式燃料电池汽车热管理系统，包括热泵循环回路、燃料电池循环回路、电机循环回路、电池包循环回路；燃料电池循环回路、电机循环回路及电池包循环回路之间相互独立；热泵循环回路通过第一板式换热器连接燃料电池循环回路，热泵循环回路通过第二板式换热器连接电机循环回路，热泵循环回路通过第三板式换热器连接电池包循环回路；

所述热泵循环回路包括热泵循环主回路、热泵循环第一支路、热泵循环第二支路；热泵循环主回路包括依次连接成回路的压缩机、一号换向阀、蒸发器、五号截止阀、二号换向阀、节流管、冷凝器、三号截止阀、干燥器；主回路的一号换向阀的另一支路与冷凝器相连，二号换向阀的另一条支路旁通节流管与冷凝器相连；热泵循环第一支路与主回路的五号截止阀、蒸发器并联，包括依次连接的四号电子膨胀阀、第三板式换热器、四号截止阀，其中五号截止阀旁通三号电子膨胀阀；热泵循环第二支路与主回路的节流管、冷凝器和三号截止阀并联，包括依次连接的六号截止阀、二号电子膨胀阀、第二板式换热器；热泵循环第二支路还设有与其二号电子膨胀阀、第二板式换热器并联的第二换热器并联支路，第二换热器并联支路包括依次连接的一号电子膨胀阀、第一板式换热器和一号截止阀；第一板式换热器与一号换向阀还设有二号截止阀。