CN110783607A - 燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质，本发明的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法能够方便地计算出燃料电池汽车尾排氢气浓度，从而为燃料电池排气控制系统提供数据以供燃料电池排气控制系统对尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度进行控制。从而方便地控制燃料电池排出气体中的氢气浓度，使得燃料电池堆排放气体达标。

Description

燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使 用方法、存储介质

技术领域

本发明涉及一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质。

背景技术

燃料电池汽车通过氢瓶中的纯氢和空气中氧气在燃料电池堆中进行氢氧反应，产生电能由于该反应过程需要定时向外排出部分氢气，以保证燃料电池正常稳定运行。故用导流方式将排出的氢气导流到尾排管内，与反应残余的空气在尾排管内充分混合后排出车外。为了保证安全性，法规要求距离尾排管中心线10cm处的氢气浓度不能超过某一阈值，所以通常会在尾排管合理位置配置一个氢气浓度传感器实时监控尾排浓度。但由于燃料电池发动机在运作过程中，尾排气体为高湿度含氢气体，造成尾排氢浓度容易失效，使得燃料电池车无法实时监控尾排浓度，对行车安全造成一定的风险。同时尾排氢浓度成本高，失效率高，导致燃料电池的维保成本增加。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法、排气控制系统及其使用方法、存储介质，能够方便地计算或控制燃料电池排出气体中的氢气浓度。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，包括以下步骤：

I)根据燃料电池母线上的电流传感器采集当前电流I，基于该电流计算获得燃料电池产电所需要的氢气流量

氧气流量

II)基于调压阀动力学方程，根据采集的调压阀当前通过阀芯的电流，计算得到调压阀开度x；

III)根据调压阀的开度对应的流通能力k_v、调压阀前端的气体压力p_in和温度T_in计算得出输向燃料电池堆的氢气流量；

IV)根据空压机的进口处的流量传感器获得输向燃料电池堆的空气流量q_Air；

V)根据上述步骤I)、II)、III)中所获得的燃料电池产电所需要的氢气流量

氧气流量

以及输向燃料电池堆的氢气流量、输向燃料电池堆的空气流量q_Air，从而计算得出未发生反应的残余氢气流量和未发生反应的残余空气流量，从而得到尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度。

优选地，在步骤I)中，氢气流量的计算公式为q_{h2_fc}＝1.05×10^-8×I，氧气流量的计算公式为q_{o2_fc}＝8.29×10^-8×I；

在步骤II)中，调压阀动力学方程为其中m阀芯质量；x阀芯位移量；ε阻尼系数；c弹簧刚度；F0静态压力；Fm驱动磁力；驱动磁力算式为：F_m＝i²ω²/4k(x₀-x)，其中i为通过调压阀线圈的电流，ω为等线线圈匝数，k为电磁常数，x0为衔铁不受磁力时与铁芯端面距离。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法。

本发明还提供一种燃料电池排气控制系统，用于实施上述技术方案所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，包括燃料电池堆、高压氢气瓶和空压机，所述高压氢气瓶通过氢气输送管向燃料电池堆输送氢气，所述空压机通过空气输送管向燃料电池堆输送空气，燃料电池堆通过尾气排出管输出残余空气，燃料电池还通过氢气排出管将残余氢气输送至尾气排出管中；所述氢气排出管和氢气输送管之间连接有循环连接管，所述氢气排出管上连接有循环泵和第一流量控制阀，所述循环连接管的一端连接在循环泵和第一流量控制阀之间，另一端连接在氢气输送管上；所述空气输送管与尾气排出管之间连接有稀释连接管；所述稀释连接管上设有第二流量控制阀。

优选地，所述氢气输送管上自高压氢气瓶向燃料电池堆依次设有第一温度传感器、减压阀、第二温度传感器、第一压力传感器、调压阀和第二压力传感器。

优选地，所述调压阀为电磁阀。

更优选地，所述电磁阀的线圈通入的电流由控制器预设从而控制所述调压阀的开度。

优选地，所述燃料电池堆上连接有电流传感器。

本发明还提供一种燃料电池排气控制系统的使用方法，包括如下作业步骤：

a)实时获取尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度；

b)判断混合气体中氢气浓度值，如果尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度超过阈值，则判断系统故障，采取以下一种或者多种方式减小尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度：

i.降低第一流量控制阀的开关频率；

ii.增大空压机的转速以提高空气输出量；

iii.通过第二流量控制阀增加空压机向尾气排出管输入的空气流量。

优选地，所述氢气浓度阈值为25000ppm。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法。

如上所述，本发明涉及的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法，具有以下有益效果本发明的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度计算方法能够方便地计算出燃料电池汽车尾排氢气浓度，从而为燃料电池排气控制系统提供数据以供燃料电池排气控制系统对尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度进行控制。从而方便地控制燃料电池排出气体中的氢气浓度，使得燃料电池堆排放气体达标。本发明的一种燃料电池排气控制系统及其使用方法，以及相应的存储介质也具有上述有益效果，此处不再赘述。

附图说明

图1显示为本发明的一种燃料电池排气控制系统的结构示意图。

图2显示为调压阀的结构示意图。

图3显示为调压阀的线圈结构示意图。

图4显示为调压阀的特性曲线。

元件标号说明

1 燃料电池堆

2 高压氢气瓶

3 空压机

4 氢气输送管

5 空气输送管

6 氢气排出管

7 尾气排出管

8 循环连接管

9 循环泵

10 第一流量控制阀

11 稀释连接管

12 第二流量控制阀

13 第一温度传感器

14 减压阀

15 第二温度传感器

16 第一压力传感器

17 调压阀

18 第二压力传感器

19 电流传感器

20 增湿器

21 中冷器

22 流量传感器

23 第三流量控制阀

24 氢气浓度检测传感器

25 衔铁

26 无磁导管

27 铁芯

28 线圈

29 弹簧

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种燃料电池排气控制系统，包括燃料电池堆11、高压氢气瓶2和空压机3，所述高压氢气瓶2通过氢气输送管4向燃料电池堆11输送氢气，所述空压机3通过空气输送管5向燃料电池堆11输送空气，燃料电池堆11通过尾气排出管7输出残余空气，燃料电池还通过氢气排出管6将残余氢气输送至尾气排出管7中；所述氢气排出管6和氢气输送管4之间连接有循环连接管8，所述氢气排出管6上连接有循环泵9和第一流量控制阀10，所述循环连接管8的一端连接在循环泵9和第一流量控制阀10之间，另一端连接在氢气输送管4上；所述空气输送管5与尾气排出管7之间连接有稀释连接管11；所述稀释连接管11上设有第二流量控制阀12。

在使用本发明的一种燃料电池排气控制系统时，如果尾气排出管7所排出的废气中的氢浓度过高，可以通过减小高压氢气瓶2向燃料电池堆11输出的氢气流量、增大空压机3的转速以提高空气输出量而通过稀释连接管11向尾气排出管7中输入空气稀释氢气浓度，或者通过第二流量控制阀12增加空压机3向尾气排出管7输入的空气流量来稀释尾气排出管7中氢气浓度。从而方便地控制燃料电池排出气体中的氢气浓度，使得燃料电池堆11排放气体达标。

通过上述本发明的一种燃料电池排气控制系统可以实施燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，包括以下步骤：

I)根据燃料电池母线上的电流传感器19采集当前电流I，基于该电流计算获得燃料电池产电所需要的氢气流量

氧气流量

II)基于调压阀17动力学方程，根据采集的调压阀17当前通过阀芯的电流，计算得到调压阀17开度x；

III)根据调压阀17的开度对应的流通能力k_v、调压阀17前端的气体压力p_in和温度T_in计算得出输向燃料电池堆1的氢气流量；

IV)根据空压机3的进口处的流量传感器22获得输向燃料电池堆1的空气流量q_Air；

V)根据上述步骤I)、II)、III)中所获得的燃料电池产电所需要的氢气流量

氧气流量以及输向燃料电池堆1的氢气流量、输向燃料电池堆1的空气流量q_Air，从而计算得出未发生反应的残余氢气流量和未发生反应的残余空气流量，从而得到尾气排出管7所排出的混合气体中的氢气浓度。

利用本发明的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法可以实时地计算得出燃料电池汽车尾排氢气浓度，以便于控制系统对燃料电池汽车尾排氢气浓度进行控制。

作为一种优选的实施方式，在步骤I)中，氢气流量的计算公式为q_{h2_fc}＝1.05×10^-8×I，氧气流量的计算公式为q_{o2_fc}＝8.29×10^-8×I；在步骤II)中，调压阀17动力学方程为

其中m阀芯质量；x阀芯位移量；ε阻尼系数；c弹簧29刚度；F0静态压力；Fm驱动磁力；驱动磁力算式为：F_m＝i²ω²/4k(x₀-x)，其中i为通过调压阀17线圈28的电流，ω为等线线圈28匝数，k为电磁常数，x0为衔铁25不受磁力时与铁芯27端面距离。

通过以上方法，可以实时计算燃料电池瞬时氢耗，基于该信息，结合整车车速信号，精确计算出燃料电池汽车百公里氢耗；可以实时计算燃料电池瞬时氢耗，基于该信息，可以作为燃料电池汽车能量分配的输入，优化燃料电池汽车经济性；计算得到的燃料电池系统进氢流量，与燃料电池堆11发电消耗的氢气流量做差值，当差值大于某一阈值，则表明燃料电池系统存在外漏或串漏的风险。

为了便于控制系统运行上述本发明的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述本发明的一种燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法。本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的一种燃料电池排气控制系统中，由于在氢气排出管6上连接有循环泵9和第一流量控制阀10，所述循环连接管8的一端连接在循环泵9和第一流量控制阀10之间，另一端连接在氢气输送管4上，在燃料电池工作时，循环泵9将反应中未发生反应的残余氢气循环至氢气输送管4中流回燃料电池堆11继续利用，当尾气排出管7中输出的混合气体中的氢气浓度超过阈值时，可以通过减小高压氢气瓶2向燃料电池堆11输出的氢气流量、增大空压机3的转速以提高空气输出量而通过稀释连接管11向尾气排出管7中输入空气稀释氢气浓度，或者通过第二流量控制阀12增加空压机3向尾气排出管7输入的空气流量来稀释尾气排出管7中氢气浓度。

为了使得空气能够更好地参与反应，作为一种优选的实施方式，如图1所示，本发明的一种燃料电池排气控制系统还包括增湿器20，所述空气输送管5输送的空气经过增湿器20之后再输送至燃料电池堆11；所述燃料电池堆11排出的残余空气经过增湿器20之后再排至尾气排出管7中。所述空气输送管5上连接有中冷器21，所述空压机3输出的空气经过中冷器21之后再经过增湿器20而被输送至燃料电池堆11。

如图1所示，为了便于监测和控制氢气输送管4中的氢气流量、温度、压力等参数，作为一种优选的实施方式，所述氢气输送管4上自高压氢气瓶2向燃料电池堆11依次设有第一温度传感器13、减压阀14、第二温度传感器15、第一压力传感器16、调压阀17和第二压力传感器18。通过第一压力传感器16和第二压力传感器18检测调压阀17前后两端的压力，通过第一温度传感器13和第二温度传感器15检测减压阀14前后两端的温度。氢气从高压氢气瓶2，通过减压阀14降到调压阀17所允许的工作范围内，经过调压阀17再次调压到合理压力后，进入燃料电池堆11进行反应，反应后的残余氢气通过循环泵9进行循环，并将部分氢气通过排气阀排到尾气排出管7中；空气在空压机3的作用下经过中冷器21和增湿器20后进入燃料电池堆11进行反应，所述尾气排出管7上连接有第三流量控制阀23，残余的空气经过增湿器20和第三流量控制阀23后从尾气排出管7排出；在尾气排出管7中，残余空气和残余氢气充分混合后排出系统外部，在尾气排出管7合适的位置通常会配置氢气浓度传感器来实时采集混合均匀的尾排氢气浓度。

调压阀17是控制氢气进氢流量和燃料电池堆11进气压力的重要器件，如图2所示，调压阀17为电磁阀，其基本组成部分为衔铁25，无磁导管26，铁芯27，线圈28和弹簧29；当线圈28通入电流时，会产生一定的磁力(如图3所示)，该电磁力会作用在衔铁25上，除了电磁力以外，作用在衔铁25上的力还包括弹簧29产生的弹力，衔铁25和无磁导管26之间的阻尼力，以及由于阀体两侧压差产生的静态压力。所述电磁阀的线圈28通入的电流由控制器预设从而控制所述调压阀17的开度。故可以建立阀芯衔铁25的动力学方程。由于通过改变线圈28的电流大小可实时改变电磁力，继而改变衔铁25的位移量，继而改变阀体开度；反之，只要得知线圈28电流大小，通过衔铁25的动力学方程即可求得当前的阀体的开度。图4所示，为调压阀17的特性曲线，其中Kv表示调压阀17当前开度下的流通能力，Kvs表示调压阀17全开时的流通能力。故根据上面得到的调压阀17开度，根据阀体特性曲线，可以获得当前开度下的流通能力，结合调压阀17前后端气体压力值和前端温度值，计算获得当前调压阀17开度下的进氢流量。通常在应用场合上，可能会取消前端温度值，则可以根据氢瓶口温度值，估计调压阀17前端的温度。

为了便于计算燃料电池堆11产电所消耗的氢气和空气的量，作为一种优选的实施方式，如图1所示，所述空压机3的进口处设有流量传感器22，可以对空压机3输出的空气流量进行监测，所述燃料电池堆11上连接有燃料电池堆19，所述燃料电池堆19采集的当前电流为燃料电池当前发电电流。根据燃料电池母线上的燃料电池堆19采集当前电流，基于该电流可以计算获得燃料电池产电消耗的氢气流量，氧气流量(即可计算出空气流量)。结合上面调压阀17进氢流量计算和流量传感器22采集，可得到未被反应的残余氢气流量，和未被反应的残余空气流量，残余气体全部进入尾气排出管7，由于尾气排出管7通常具有均匀混合的作用，或在其燃料电池系统尾排设计中会增设尾排氢气混合器，故可以得到最终排除尾气排出管7中的氢气浓度。

通过以上方法，可以实时获得尾气排出管7出口的氢气浓度，当氢气浓度超过阈值，则表明尾排氢气浓度过高，可通过降低第一流量控制阀10的开关频率，或增大空压机3的转速以提高空气进气流量，用以稀释尾排氢气浓度，以保证尾排氢气浓度安全性。在其他燃料电池系统设计中会在空压机3和中冷器21之间选一个节点，通过第二流量控制阀12将空压机3部分流量引入第三流量控制阀23的后端、尾气排出管7出口的前端，以保证不影响燃料电池堆11供气的前提下，给尾气排出管7提供更大的排气量用以稀释尾排氢浓度。为了便于直接监测尾气排出管7排出的混合气体中的氢气浓度，如图1所示，所述尾气排出管7上靠近出口处设有氢气浓度检测传感器24。

与本发明的一种燃料电池排气控制系统相应地，本发明还提供一种燃料电池排气控制系统的使用方法，利用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的燃料电池排气控制系统进行作业，包括如下作业步骤：

a)实时获取尾气排出管7所排出的混合气体中的氢气浓度；

b)判断混合气体中氢气浓度值，如果尾气排出管7所排出的混合气体中的氢气浓度超过阈值，则判断系统故障，采取以下一种或者多种方式减小尾气排出管7所排出的混合气体中的氢气浓度：

i.降低第一流量控制阀10的开关频率；

ii.增大空压机3的转速以提高空气输出量；

iii.通过第二流量控制阀12增加空压机3向尾气排出管7输入的空气流量。

优选地，在上述步骤b)中，所述氢气浓度阈值为25000ppm。

本发明还提供另一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的一种燃料电池排气控制系统的使用方法。本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

基于上述实施例的技术方案，本发明的一种燃料电池排气控制系统及其使用方法，能够方便地控制燃料电池排出气体中的氢气浓度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，包括以下步骤：

I)根据燃料电池母线上的电流传感器采集当前电流I，基于该电流计算获得燃料电池产电所需要的氢气流量氧气流量

II)基于调压阀动力学方程，根据采集的调压阀当前通过阀芯的电流，计算得到调压阀开度x；

III)根据调压阀的开度对应的流通能力k_v、调压阀前端的气体压力p_in和温度T_in计算得出输向燃料电池堆的氢气流量；

IV)根据空压机的进口处的流量传感器获得输向燃料电池堆的空气流量q_Air；

V)根据上述步骤I)、II)、III)中所获得的燃料电池产电所需要的氢气流量

氧气流量

以及输向燃料电池堆的氢气流量、输向燃料电池堆的空气流量q_Air，从而计算得出未发生反应的残余氢气流量和未发生反应的残余空气流量，从而得到尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，其特征是：

在步骤I)中，氢气流量的计算公式为q_{h2_fc}＝1.05×10^-8×I，氧气流量的计算公式为q_{o2_fc}＝8.29×10^-8×I；

在步骤II)中，调压阀动力学方程为

其中m阀芯质量；x阀芯位移量；ε阻尼系数；c弹簧刚度；F0静态压力；Fm驱动磁力；驱动磁力算式为：F_m＝i²ω²/4k(x₀-x)，其中i为通过调压阀线圈的电流，ω为等线线圈匝数，k为电磁常数，x0为衔铁不受磁力时与铁芯端面距离。

3.根据权利要求4所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，所述电流传感器采集的当前电流为燃料电池当前发电电流。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至2任一项所述方法。

5.一种燃料电池排气控制系统，用于实施权利要求1至3任一项所述的燃料电池汽车尾排氢气浓度的计算方法，其特征是，包括燃料电池堆、高压氢气瓶和空压机，所述高压氢气瓶通过氢气输送管向燃料电池堆输送氢气，所述空压机通过空气输送管向燃料电池堆输送空气，燃料电池堆通过尾气排出管输出残余空气，燃料电池还通过氢气排出管将残余氢气输送至尾气排出管中；所述氢气排出管和氢气输送管之间连接有循环连接管，所述氢气排出管上连接有循环泵和第一流量控制阀，所述循环连接管的一端连接在循环泵和第一流量控制阀之间，另一端连接在氢气输送管上；所述空气输送管与尾气排出管之间连接有稀释连接管；所述稀释连接管上设有第二流量控制阀。

6.根据权利要求4所述的燃料电池排气控制系统，其特征在于：所述氢气输送管上自高压氢气瓶向燃料电池堆依次设有第一温度传感器、减压阀、第二温度传感器、第一压力传感器、调压阀和第二压力传感器。

7.根据权利要求4所述的燃料电池排气控制系统，所述调压阀为电磁阀。

8.根据权利要求6所述的燃料电池排气控制系统，所述电磁阀的线圈通入的电流由控制器预设从而控制所述调压阀的开度。

9.根据权利要求4所述的燃料电池排气控制系统，其特征在于：所述燃料电池堆上连接有电流传感器。

10.一种燃料电池排气控制系统的使用方法，其特征是，包括如下作业步骤：

a)实时获取尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度；

b)判断混合气体中氢气浓度值，如果尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度超过阈值，则判断系统故障，采取以下一种或者多种方式减小尾气排出管所排出的混合气体中的氢气浓度：

i.降低第一流量控制阀的开关频率；

ii.增大空压机的转速以提高空气输出量；

iii.通过第二流量控制阀增加空压机向尾气排出管输入的空气流量。

11.根据权利要求10所述的燃料电池排气控制系统的使用方法，其特征是，所述氢气浓度阈值为25000ppm。

12.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求10至11中任一项所述方法。

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