CN108177539B - 一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法，根据驾驶员的扭矩需求，计算得到燃料电池的目标空气流量，并结合流量传感器实时采集的提供给所述燃料电池的空气的流量，控制电控节流阀使得提供给燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量。实现了根据不同扭矩需求为燃料电池提供精确的空气流量，进而减小了不必要的电量损耗，增大了整车的续航里程。

Description

一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池电动汽车技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法。

背景技术

燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车，通过空气压缩机为燃料电池补充空气，即氧气。现有的为燃料电池补充空气的方法，是在燃料电池工作过程中，持续为燃料电池提供固定的空气流量。但是，根据不同的扭矩需求，燃料电池需要的空气流量是不同的，现有的方法造成了不必要的电量损耗，减小了整车的续航里程。因此，现在亟需一种能根据不同扭矩需求为燃料电池提供精确空气流量的方案。

发明内容

有鉴于此，本申请提出一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法，欲根据不同扭矩需求为燃料电池提供精确空气流量，进而实现减小不必要的电量损耗，增大整车的续航里程的目的。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统，包括：VCU(Vehicle Control Unit，整车控制器)、空气压缩机、三通阀、燃料电池氧化剂管路和制动空气输入管路；

所述空气压缩机将压缩后的空气通过所述三通阀分别输送给所述燃料电池氧化剂管路和所述制动空气输入管路；

所述燃料电池氧化剂管路包括流量传感器和电控节流阀；

所述VCU分别连接所述空气压缩机、所述电控节流阀和所述流量传感器；

所述电控节流阀，用于调节提供给燃料电池的空气的流量；

所述流量传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的流量；

所述VCU，用于根据驾驶员的扭矩需求，计算得到所述燃料电池的目标空气流量，并控制所述空气压缩机和所述电控节流阀，使得提供给所述燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量。

优选的，所述燃料氧化剂管路，还包括：分别与所述VCU连接的冷却装置和温度传感器；

所述冷却装置，用于调节提供给所述燃料电池的空气的温度；

所述温度传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的温度。

优选的，所述燃料氧化剂管路，还包括：分别与所述VCU连接的电控限压阀和压力传感器；

所述电控限压阀，用于调节提供给所述燃料电池的空气的压力；

所述压力传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的压力。

优选的，所述系统，还包括：设置在所述空气压缩机的进气管路的过滤器；

所述过滤器，用于对要进入所述空气压缩机的空气进行粉尘颗粒物过滤。

优选的，所述系统，还包括：设置在所述空气压缩机的进气管路的污染气体去除装置；

所述污染气体去除装置，用于对要进入所述空气压缩机的空气中的CO、SO₂、NO₂进行去除。

优选的，所述燃料电池氧化剂管路，还包括：

单向阀，用于确保所述燃料电池氧化剂管路的内空气流向指向所述燃料电池。

一种控制方法，应用于上述空气压缩系统，所述方法包括：

获取加速踏板开度和当前车速；

根据所述加速踏板开度和所述当前车速，得到驾驶员的扭矩需求；

根据所述扭矩需求，得到所述燃料电池需要输出的目标电流；

根据所述目标电流计算得到所述燃料电池的目标空气流量；

发送包含所述目标空气流量的控制指令至所述电控节流阀，以结合所述流量传感器调节提供给所述燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量。

优选的，所述方法还包括：

通过压力传感器获取提供给所述燃料电池的空气的压力；

判断所述压力是否在预设的压力范围，若否，则发送压力调节指令至所述电控限压阀，以调节所述压力处于所述压力范围内。

优选的，所述方法还包括：

通过温度传感器获取提供给所述燃料电池的空气的温度；

判断所述温度是否在预设的温度范围，若否，则发送温度调节指令至所述冷却装置，以调节所述温度处于所述温度范围内。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统及控制方法，根据驾驶员的扭矩需求，计算得到燃料电池的目标空气流量，并结合流量传感器实时采集的提供给所述燃料电池的空气的流量，控制电控节流阀使得提供给燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量。实现了根据不同扭矩需求为燃料电池提供精确的空气流量，进而减小了不必要的电量损耗，增大了整车的续航里程。

并且采用一个空气压缩机同时为燃料电池和制动气路的储气罐提供空气，系统集成度高，成本较低；以及相对与常规制动用空气压缩机系统起、停工作模式，本发明提供的空气压缩机长期处于变负载持续工作状态，减少了空气压缩机的磨损，可靠性较高。

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为本实施例公开的一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统的结构示意图；

图2为本实施例公开的另一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统的结构示意图；

图3为本实施例公开的另一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统的结构示意图；

图4为本实施例公开的另一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统的结构示意图；

图5为本实施例公开的一种控制方法的流程图；

图6为本实施例公开的另一种控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实施例提供一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统，参见图1，该系统包括：VCU1、空气压缩机2、三通阀3、燃料电池氧化剂管路5和制动空气输入管路6；

所述空气压缩机2将压缩后的空气通过所述三通阀3分别输送给所述燃料电池氧化剂管路5和所述制动空气输入管路6；

所述燃料电池氧化剂管路5包括流量传感器52和电控节流阀51；

VCU1分别连接所述空气压缩机2、所述电控节流阀51和所述流量传感器52；

所述电控节流阀51，用于调节提供给燃料电池7的空气的流量；通过调节电控节流阀51的开度大小，控制燃料电池氧化剂管路5内空气的流量，进而满足相关发电量所需的氧气量。

所述流量传感器52，用于采集提供给所述燃料电池7的空气的流量；

VCU1，用于根据驾驶员的扭矩需求，计算得到所述燃料电池7的目标空气流量，并控制所述空气压缩机2和所述电控节流阀51，使得提供给所述燃料电池7的空气的流量为所述目标空气流量。

储氢装置9存储氢气，为燃料电池7提供氢气来源。燃料电池7通过一定的化学反应，将氢气和空气中氧气反应，转化为水和热量，同时输出电流，通过DCAC进行直流转交流，为电动汽车提供电能来源。

动力电池10的电源输出端与燃料电池7的电源输出端并联，为电动汽车提供驱动动力和其它辅机的电能来源。燃料电池7工作前动力电池10为空气压缩机2供电，燃料电池7工作可以提供电能后，空气压缩机2可由燃料电池7来供电。动力电池10的充、放电过程，由BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，电池管理系统)进行控制。PDU(Power DistributionUnit，动力电源分配单元)，控制高压电气系统的上、下电过程，以及高压电源输出的分配管理和过程监测。

VCU1控制动力系统的扭矩输出、空气压缩机2的转速和扭矩控制、以及对电控节流阀51控制。VCU1根据燃料电池氧化剂管路5和制动空气输入管路6的需求流量总和控制空气压缩机2的转速和扭矩。

VCU1控制空气压缩机2进行对空气进行增压，增压后的空气经过三通阀3分流，分成两路，一路空气流入燃料电池氧化剂管路5，另一路空气流入制动空气输入管路6。VCU1通过电控节流阀51和流量传感器52调节提供给燃料电池7的空气的流量，氧气和氢气在燃料电池7进行化学反应，完成发电过程。储气罐8存储一定容积和压力的气体，在驾驶员踩下制动踏板时，由整车底盘制动系统完成排气制动操作，为制动系统提供空气动力源。

本实施例提供的空气压缩系统，根据驾驶员的扭矩需求，计算得到燃料电池7的需求空气量，并结合流量传感器52实时采集的提供给所述燃料电池7的空气的流量，控制电控节流阀51使得提供给燃料电池7的空气的流量为所述目标空气流量。实现了根据不同扭矩需求为燃料电池7提供精确的空气流量，进而减小了不必要的电量损耗，增大了整车的续航里程；采用一个空气压缩机2同时为燃料电池7和制动气路的储气罐8提供空气，系统集成度高，成本较低；并且，相对与常规制动用空气压缩机系统起、停工作模式，本实施例提供的空气压缩机2长期处于变负载持续工作状态，减少了空气压缩机的磨损，可靠性较高。

参见图2，所述燃料氧化剂管路5，还包括：分别与VCU1连接的冷却装置53、温度传感器54、电控限压阀55和压力传感器56；

所述冷却装置53，用于调节提供给所述燃料电池7的空气的温度；通过冷却装置53对进过分流进入燃料电池氧化剂管路5的空气进行冷却，以使空气温度满足相应的需求。冷却装置53包括冷却管道、冷却水泵和冷却风扇。冷却管道设置在燃料电池氧化剂管路5的外表面，冷却水泵带动冷却液在冷却管道内循环。冷却风扇对冷却管道进行散热。

所述温度传感器54，用于采集提供给所述燃料电池7的空气的温度。通过温度传感器54实时采集提供给燃料电池7的空气的温度，形成温度的闭环控制，实现精确控制燃料电池氧化剂管路5内的空气的温度。

所述电控限压阀55，用于调节提供给所述燃料电池7的空气的压力；通过调节电控限压阀55的开度大小，控制流向燃料电池7的空气的压力，以满足相应的压力需求。电控限压阀通过调节电磁阀控制线圈的通入电流，调节阀电磁铁的吸合力，使得阀芯处于不同开度。阀芯处于不同开度时，气体的体积V变化，由于调压过程中气体变化很慢，可视为等温变化过程，即PV＝常熟，因此，可以通过调节电控限压阀55的开度大小，实现空气压力的调整。

所述压力传感器56，用于采集提供给所述燃料电池7的空气的压力。通过压力传感器56实时采集提供给燃料电池7的空气的压力，形成压力的闭环控制，实现精确控制燃料电池氧化剂管路5内的空气的压力。

参见图3，在空气压缩机2的进气管路21设置过滤器22和污染气体去除装置23。

所述过滤器22，用于对要进入所述空气压缩机2的空气进行粉尘颗粒物过滤。过滤器22通过设置前置过滤网和集尘过滤网等，吸附粉尘颗粒物，过滤掉空气中的粉尘颗粒物，保证了气路的顺畅性。

所述污染气体去除装置23，用于对要进入所述空气压缩机的空气中的CO、SO₂、NO₂进行去除。CO、SO₂、NO₂等污染气体会造成燃料电池7的阴极催化剂Pt中毒，降低催化剂的活性和稳定性。污染气体去除装置23将CO通过加热燃烧生成CO₂，并通过喷射尿素对SO₂、NO₂进行处理。除去空气中的CO、SO₂、NO₂等污染气体，防止污染气体腐蚀燃料电池7中的反应催化剂。

参见图4，在燃料电池氧化剂管路5设置单向阀57，用于确保所述燃料电池氧化剂管路5的内空气流向指向所述燃料电池7，防止气路倒流。

本实施例还提供一种应用于上述空气压缩系统的控制方法，参见图5，该方法包括步骤：

S11：VCU获取加速踏板开度和当前车速。

S12：VCU根据所述加速踏板开度和所述当前车速，得到驾驶员的扭矩需求。

VCU根据获取的加速踏板开度和当前车速，确定驾驶员的扭矩需求。

S13：VCU根据所述扭矩需求，得到所述燃料电池需要输出的目标电流。

VCU计算出驾驶员的扭矩需求后，反馈给电机控制器进行控制，通过调节电流，控制电机输出扭矩。燃料电池和动力电池并联，为电机提供电流。燃料电池输出的电流由燃料电池管理系统获取，反馈给VCU。VCU根据驾驶员的扭矩需求，确定燃料电池需要输出的目标电流，即确定燃料电池输出多少电流，可以控制电机输出扭矩为驾驶员的扭矩需求。

S14：根据所述目标电流计算得到所述燃料电池的目标空气流量。

燃料电池输出的电流I与输入的氧气流量V的关系式为I＝4VF/(22.42*60)，V的单位为NLmin^-1，F为法拉第常数，F的单位为Cmol^-1。在得到燃料电池需要输出的电流后，通过关系式I＝4VF/(22.42*60)计算得到燃料电池的目标氧气流量，进而根据氧气占空气的百分比得到目标空气流量。

S15：发送包含所述目标空气流量的控制指令至所述电控节流阀，以结合所述流量传感器调节提供给所述燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量。

本实施例还提供另一种应用于上述空气压缩系统的控制方法，参见图6，该方法相对图5公开的控制方法，还包括步骤：

S16：通过所述压力传感器获取提供给所述燃料电池的空气的压力；

S17：判断所述压力是否在预设的压力范围，若否，则发送压力调节指令至所述电控限压阀，以调节所述压力处于所述压力范围内。

提供给燃料电池的空气的压力与燃料电池隔膜等材料因素有关，空气的压力会增加燃料电池的电势，电势增量与压力的对数成正比。一般会将空气的压力稳定在一定范围内，如3bar左右。

S18：通过所述温度传感器获取提供给所述燃料电池的空气的温度；

S19：判断所述温度是否在预设的温度范围，若否，则发送温度调节指令至所述冷却装置，以调节所述温度处于所述温度范围内。

提供给燃料电池的空气的温度会影响燃料电池的电化学反应速率。温度越高燃料电池电势越高，一般来说，燃料电池的最佳工作温度在75℃～80℃。因此需要将提供给燃料电池的温度控制在合适范围内。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池电动汽车的空气压缩系统，其特征在于，包括：整车控制器、空气压缩机、三通阀、燃料电池氧化剂管路和制动空气输入管路；

所述空气压缩机将压缩后的空气通过所述三通阀分别输送给所述燃料电池氧化剂管路和所述制动空气输入管路；

所述燃料电池氧化剂管路包括流量传感器和电控节流阀；

所述整车控制器分别连接所述空气压缩机、所述电控节流阀和所述流量传感器；

所述电控节流阀，用于调节提供给燃料电池的空气的流量；

所述流量传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的流量；

所述整车控制器，用于根据驾驶员的扭矩需求，计算得到所述燃料电池的目标空气流量，并控制所述空气压缩机和所述电控节流阀，使得提供给所述燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量；

所述系统，还包括：设置在所述空气压缩机的进气管路的过滤器；

所述过滤器，用于对要进入所述空气压缩机的空气进行粉尘颗粒物过滤；

所述系统，还包括：设置在所述空气压缩机的进气管路的污染气体去除装置；

所述污染气体去除装置，用于对要进入所述空气压缩机的空气中的CO、SO₂、NO₂进行去除；

所述根据驾驶员的扭矩需求，计算得到所述燃料电池的目标空气流量，具体包括：根据所述扭矩需求，得到所述燃料电池需要输出的目标电流；根据所述目标电流，结合燃料电池输出的电流与输入的氧气流量的关系式I＝4VF/(22.42*60)，计算得到所述燃料电池的目标氧气流量，I为燃料电池输出的电流，V为输入到燃料电池的氧气流量，F为法拉第常数；根据所述目标氧气流量和氧气占空气的百分比计算得到所述目标空气流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料氧化剂管路，还包括：分别与所述整车控制器连接的冷却装置和温度传感器；

所述冷却装置，用于调节提供给所述燃料电池的空气的温度；

所述温度传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的温度。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述燃料氧化剂管路，还包括：分别与所述整车控制器连接的电控限压阀和压力传感器；

所述电控限压阀，用于调节提供给所述燃料电池的空气的压力；

所述压力传感器，用于采集提供给所述燃料电池的空气的压力。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池氧化剂管路，还包括：

单向阀，用于确保所述燃料电池氧化剂管路的内空气流向指向所述燃料电池。

5.一种控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的空气压缩系统，所述方法包括：

获取加速踏板开度和当前车速；

根据所述加速踏板开度和所述当前车速，得到驾驶员的扭矩需求；

根据所述扭矩需求，得到所述燃料电池需要输出的目标电流；

根据所述目标电流计算得到所述燃料电池的目标空气流量；

发送包含所述目标空气流量的控制指令至所述电控节流阀，以结合所述流量传感器调节提供给所述燃料电池的空气的流量为所述目标空气流量；

根据所述目标电流计算得到所述燃料电池的目标空气流量，具体包括：根据所述目标电流，结合燃料电池输出的电流与输入的氧气流量的关系式I＝4VF/(22.42*60)，计算得到所述燃料电池的目标氧气流量，I为燃料电池输出的电流，V为输入到燃料电池的氧气流量，F为法拉第常数；根据所述目标氧气流量和氧气占空气的百分比计算得到所述目标空气流量。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述空气压缩系统还包括分别与所述整车控制器连接的电控限压阀和压力传感器，所述方法还包括：

通过所述压力传感器获取提供给所述燃料电池的空气的压力；

判断所述压力是否在预设的压力范围，若否，则发送压力调节指令至所述电控限压阀，以调节所述压力处于所述压力范围内。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述空气压缩系统还包括分别与所述整车控制器连接的冷却装置和温度传感器，所述方法还包括：

通过所述温度传感器获取提供给所述燃料电池的空气的温度；

判断所述温度是否在预设的温度范围，若否，则发送温度调节指令至所述冷却装置，以调节所述温度处于所述温度范围内。

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