CN110828854B - 一种氢燃料电池汽车的供氧系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢燃料电池汽车的供氧系统，包括空气滤清器、空气压缩机、冷凝器、储气装置和增湿器，所述空气滤清器、所述空气压缩机、所述冷凝器、所述储气装置和所述增湿器通过管路顺次连通，所述储气装置的输出端设有机械泄压阀，且所述储气装置与所述增湿器连通的管路上沿气体流通方向依次设有稳压阀、第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均与汽车的FCU控制系统电连接，所述储气装置用于存储氧气，所述第一电磁阀用于控制氧气回路的关闭和开启，所述第二电磁阀用于控制氧气的供应量。

Description

一种氢燃料电池汽车的供氧系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及氢燃料电池汽车技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池汽车的供氧系统及其控制方法。
背景技术
随着发展氢能源能源战略的大力提倡，国内外掀起了一阵氢燃料电池汽车的研究浪潮，大量氢燃料电池系统集成产品面试，并已装配到相应的氢燃料电池车上开始运行。
伴随着氢燃料电池系统的量产化，暴露的集成系统化的问题越来越多，如由于供氧系统的供气滞后1-2S，导致氢燃料电池系统的输出功率响应会滞后1-2S，氢燃料电池功率响应滞后导致氢燃料汽车动力性能减弱，同时增大对辅助能源(动力电池或者超级电容)的依赖性，需要增大辅助能源的储能量和放电功率需求，增大了辅助能源的体积，加大了布置难度。针对此，本发明旨在提供一种氢燃料电池汽车的供氧系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氢燃料电池汽车的供氧系统及其控制方法。
本发明提供一种氢燃料电池汽车的供氧系统，包括空气滤清器、空气压缩机、冷凝器、储气装置和增湿器，所述空气滤清器、所述空气压缩机、所述冷凝器、所述储气装置和所述增湿器通过管路顺次连通，所述储气装置的输出端设有机械泄压阀，且所述储气装置与所述增湿器连通的管路上沿气体流通方向依次设有稳压阀、第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均与汽车的FCU控制系统电连接，所述储气装置用于存储氧气，所述第一电磁阀用于控制氧气回路的关闭和开启，所述第二电磁阀用于控制氧气的供应量，所述增湿器上设有空气进气口和空气排气口，所述空气进气口用于与氢燃料电池的阴极入口连接，所述空气排气口用于与所述氢燃料电池的阴极出口连接。
进一步地，还包括控制系统，所述控制系统包括空气压缩机控制器和气压传感器，所述气压传感器设置在所述储气装置内，其用于检测所述出气装置内的气体压力，所述控制器分别与所述空气压缩机和所述气压传感器电连接。
进一步地，所述储气装置为储气罐。
进一步地，所述第一电池阀为供氧开关电磁阀。
进一步地，所述第二电池阀为供氧比例控制电磁阀。
一种上述氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，主要包括以下步骤：
S1、FCU控制系统采集VCU控制系统发送的启动燃料电池命令和FCU控制系统设定功率输出后，FCU控制系统结合燃料电池状态给出响应功率，分别调用响应功率对应空气压缩机转速数据库、响应功率对应氧气供应量数据库和氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库；
S2、根据S1中调用的响应功率对应空气压缩机转速数据库，获取空气压缩机目标转速，并通过FCU控制系统根据获取的空气压缩机目标转速信号向空气压缩机发送目标转速控制信息，以控制空气压缩机的目标转速；
S3、FCU控制系统根据VCU控制系统发送的启动燃料电池命令，控制第一电磁阀的关闭或开启；
S4、根据S1中调用的响应功率对应氧气供应量数据库，获取对应氧气供应量，结合S1中调用的氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，获取对应的比例控制电磁阀开度信息，FCU控制系统将根据获取的比例控制电磁阀开度信息控制第二电磁阀的控制端，以控制第二电磁阀的开度。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供一种氢燃料电池汽车的供氧系统，其解决了原有供氧系统中氧气供给滞后的问题，保证了氢燃料电池汽车氧气的及时供给，具有结构简单，操作方便和实施成本低等优点；此外，本发明提供的一种氢燃料电池汽车的供氧控制方法，具有响应快、控制灵敏和简单易行等优点。
附图说明
图1是本发明所述一种氢燃料电池汽车的供氧系统的结构示意图；
图2是本发明所述一种氢燃料电池汽车的供氧控制方法的流程图；
图3是本发明所述一种氢燃料电池汽车的供氧控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种氢燃料电池汽车的供氧系统，包括空气滤清器10、空气压缩机20、冷凝器30、储气装置40和增湿器50，所述空气滤清器10、所述空气压缩机20、所述冷凝器30、所述储气装置40和所述增湿器50通过管路顺次连通，所述储气装置40的输出端设有机械泄压阀11，且所述储气装置40与所述增湿器50连通的管路上沿气体流通方向依次设有稳压阀12、第一电磁阀13和第二电磁阀14，所述第一电磁阀13和所述第二电磁阀14均与汽车的FCU控制系统电连接，所述储气装置40用于存储氧气，所述第一电磁阀13用于控制氧气回路的关闭和开启，所述第二电磁阀14用于控制氧气的供应量，所述增湿器50上设有空气进气口(图中未示出)和空气排气口(图中未示出)，所述空气进气口用于与氢燃料电池的阴极入口连接，所述空气排气口用于与所述氢燃料电池的阴极出口连接。
在本发明中，储气装置40为储气罐，储气罐设有两个输出端，其中一个输出端安装有机械气压泄压阀，另一个输出端用于与连接增湿器50的管路连接。第一电池阀为供氧开关电磁阀，其型号为TMF54-50PX，第二电池阀为供氧比例控制电磁阀，其型号为4WRaE6E1-15-2X。本发明所述的一种氢燃料电池的供氧系统，在供氧回路中增加了内存储氧气的储气罐，其可满足在空气压缩机20刚开始工作无法瞬间提供足够的氧气时，代替空气压缩机20提供氢燃料电池堆刚刚启动时的氧气供应，有效的解决了现有氢燃料电池汽车的供氧系统中供氧延迟的问题。而通过可人为调整气压泄压阀的气压阈值，可根据不同气压需求的供氧系统进行相应泄压阈值调整，提高系统的可移植性和通用性，同时选择机械气压泄压阀可以防止控制不当造成储气装置40气压过高，造成空气压缩机20过载问题，提高系统的稳定性和安全性。在储气装置40输出端设计一个稳压阀12，确保储气装置40出气端的气压稳定。此外，在第一次启动氢燃料电池系统进行关闭燃料电池时，在以燃料电池怠速功率吹扫时完成对储气装置40的第一次注气，随后在每次启动燃料电池需要进行氧气供应时，FCU控制系统控制供氧开关电磁阀打开，同时根据氢燃料系统对氧气的需求量，控制比例控制电磁阀的开度，从而控制氧气的供应量，避免氧气的供应量过少导致氢燃料电池系统功率受限，同时还可保证氧气的供应不会过多导致能量的浪费，提高系统的能量利率效率。
在上述实施例中，还包括控制系统，所述控制系统包括空气压缩机控制器21和气压传感器60，所述气压传感器60设置在所述储气装置40内，其用于检测所述储气装置40内的气体压力，所述控制器分别与所述空气压缩机20和所述气压传感器60电连接。
在本发明中，气压传感器60用于检测储气装置40中的气体压力，并将检测信号发送至空气压缩机控制器21，所述空气压缩机控制器21通过CAN通讯网络与所述FCU控制系统通讯连接。
在上述实施例中，所述空气滤清器10和所述空气压缩机20之间设有空气流量计80，其中，空气流量计80检测空气的进入量，判断供气气路是否存在漏气等异常情况，及时报警进行检修。
请参考图2，一种氢燃料电池汽车的供氧控制方法，其主要包括一下步骤：
S1、FCU控制系统采集VCU控制系统发送的启动燃料电池命令和FCU控制系统设定功率输出后，FCU控制系统结合燃料电池状态给出响应功率，分别调用响应功率对应空气压缩机转速数据库、响应功率对应氧气供应量数据库和氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，其中，响应功率对应空气压缩机转速数据库、响应功率对应氧气供应量数据库和氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库均有存储在FCU控制系统中；
S2、根据S1中调用的响应功率对应空气压缩机转速数据库，获取空气压缩机目标转速，并通过FCU控制系统根据获取的空气压缩机目标转速信号向空气压缩机发送目标转速控制信息，以控制空气压缩机的目标转速；
S3、FCU控制系统根据VCU控制系统发送的启动燃料电池命令，控制第一电磁阀13的关闭或开启；
S4、根据S1中调用的响应功率对应氧气供应量数据库，获取燃料电池启动时所需的对应氧气供应量，结合S1中调用的氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，获取对应的比例控制电磁阀开度信息，FCU控制系统将获取的比例控制电磁阀开度信息发展至向第二电磁阀14，以控制第二电磁阀14的开度。
在本发明中，VCU控制系统根据整车功率需求和整车状态这里的整车状态指的是辅助能源状态，电机驱动系统状态，高压系统状态向FCU控制系统发送燃料电池启停命令和FCU控制系统设定功率输出，FCU控制系统的功率应答模块则根据燃料电池启停命令、FCU控制系统设定功率输出以及采集到的氢燃料系统的状态确定FCU控制系统输出功率和空气压缩机20的目标转速；其中，FCU控制系统中设有氧气量计算模块、电磁阀控制模块和功率应答模块，其中，氧气量计算模块包含的数据库为响应功率对应氧气供应量数据库，其可根据FCU控制系统输出功率计算出所需氧气量；电磁阀控制模块包含的数据库为氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，其可根据燃料电池启停命令控制开关控制电磁阀的开启和关闭，同时根据所需氧气量计算出比例控制电磁阀的开度以及控制比例控制电磁阀达到相应开度；而功率应答模块包含的数据库为燃料电池状态对应功率输出状态数据库和响应功率对应空气压缩机20转速数据库，其可根据FCU控制系统输出功率得到空气压缩机20的目标转速。
此外，一种氢燃料电池汽车的供氧控制方法，还包括对燃料电池启动过程和关闭过程的控制过程，其对应的控制过程分别如图3所示。
其中，关闭过程(b)中所述P1＝1.2Mpa，P2＝0.5Mpa。储气罐的气压均由气压传感器采集后发送至空气压缩机控制器21，再由空气压缩机控制器21发送至FCU控制系统。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，包括供氧系统，所述供氧系统包括空气滤清器（10）、空气压缩机（20）、冷凝器（30）、储气装置（40）和增湿器（50），所述空气滤清器（10）、所述空气压缩机（20）、所述冷凝器（30）、所述储气装置（40）和所述增湿器（50）通过管路顺次连通，所述储气装置（40）的输出端设有机械泄压阀（11），且所述储气装置（40）与所述增湿器（50）连通的管路上沿气体流通方向依次设有稳压阀（12）、第一电磁阀（13）和第二电磁阀（14），所述第一电磁阀（13）和所述第二电磁阀（14）均与汽车的FCU控制系统电连接，所述储气装置（40）用于存储氧气，所述第一电磁阀（13）用于控制氧气回路的关闭和开启，所述第二电磁阀（14）用于控制氧气的供应量，所述增湿器（50）上设有空气进气口和空气排气口，所述空气进气口用于与氢燃料电池的阴极入口连接，所述空气排气口用于与所述氢燃料电池的阴极出口连接；
主要包括以下步骤：
S1、 FCU控制系统采集VCU控制系统发送的启动燃料电池命令和请求功率后，FCU控制系统结合燃料电池状态给出响应功率，分别调用响应功率对应空气压缩机转速数据库、响应功率对应氧气供应量数据库和氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库；
S2、根据S1中调用的响应功率对应空气压缩机转速数据库，获取空气压缩机目标转速，并通过FCU控制系统根据获取的空气压缩机目标转速信号向空气压缩机发送目标转速控制信息，以控制空气压缩机（20）的目标转速；
S3、FCU控制系统根据VCU控制系统发送的启动燃料电池命令，控制第一电磁阀（13）的关闭或开启；
S4、根据S1中调用的响应功率对应氧气供应量数据库，获取对应氧气供应量，结合S1中调用的氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，获取对应的比例控制电磁阀开度信息，FCU控制系统将获取的比例控制电磁阀开度信息发送至向第二电磁阀（14），以控制第二电磁阀（14）的开度。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括空气压缩机控制器（21）和气压传感器（60），所述气压传感器（60）设置在所述储气装置（40）内，其用于检测所述储气装置（40）内的气体压力，所述控制器分别与所述空气压缩机（20）和所述气压传感器（60）电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，所述储气装置（40）为储气罐。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，所述第一电磁阀（13）为供氧开关电磁阀。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，所述第二电磁阀（14）为供氧比例控制电磁阀。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车的供氧系统的控制方法，其特征在于，所述空气滤清器（10）和所述空气压缩机（20）之间设有空气流量计（80）。
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