CN111342083B - 一种氢燃料电池汽车供氧系统及其控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池汽车供氧系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氢燃料电池汽车供氧系统，包括主供氧回路和辅助供氧回路：所述主供氧回路由空气滤清器、空气流量计、空气压缩机、空气冷凝器、第一电磁阀、第二电磁阀和空气增湿器依次连接组成，所述空气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；所述辅助供氧回路包括储气装置，所述储气装置设置在所述第一电磁阀和所述第二电磁阀之间，其进气端通过管路与所述第一电磁阀连通，其第一输出端上设有第三电磁阀，并与所述第二电磁阀连通。

Description

一种氢燃料电池汽车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供氧系统及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池汽车是一种节能、无污染的“零排放”新型汽车，传统蓄电池的性能与价格未能达到电动汽车实用化的要求，燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，能量转换效率高，被认为今后电动汽车上最理想的驱动电源。
氢燃料电池汽车的供氧系统主要用于向其氢能源电池系统提供氧气，但是现有技术中的供氧系统存在供气滞后的问题，且供氧系统的供气滞后将会直接导致氢燃料电池系统的输出功率响应滞后，进而使得氢燃料电池汽车动力性能减弱，影响氢燃料电池汽车的正常使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氢燃料电池汽车供氧系统及其控制方法。
本发明提供一种氢燃料电池汽车供氧系统，包括主供氧回路和辅助供氧回路：
所述主供氧回路由空气滤清器、空气流量计、空气压缩机、空气冷凝器、第一电磁阀、第二电磁阀和空气增湿器依次连接组成，所述空气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；
所述辅助供氧回路包括储气装置，所述储气装置设置在所述第一电磁阀和所述第二电磁阀之间，其进气端通过管路与所述第一电磁阀连通，其第一输出端上设有第三电磁阀，并与所述第二电磁阀连通；
其中，所述第一电磁阀用于控制氧气的输送路径，所述第二电磁阀用于控制氧气的单向流向，所述储气装置用于存储氧气，所述第三电磁阀用于控制氧气的供应量器。
进一步的，所述储气装置内设有气压传感器，所述气压传感器与空气压缩机控制器电连接，以用于检测所述储气装置内的气压。
进一步的，所述储气装置的第二输出端上设有泄压阀。
进一步的，所述储气装置为储气罐。
进一步的，所述第一电磁阀为可控三通电磁阀。
进一步的，所述第二电磁阀为单向三通阀。
进一步的，所述第三电磁阀为比例控制电磁阀。
一种如上述氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，主要包括以下步骤：
S1、首先利用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，然后通过FCU控制系统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，同时，测得所述储气装置内的气体压力P值；
S2、根据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，获取空气压缩机的目标转速信息和第三电磁阀的开度信息，并将所述空气压缩机的转速调至目标转速，以及控制第三电磁阀的开度；
S3、启动FCU启动计时器，同时，通过FCU控制系统调用FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，以控制第一电磁阀连通辅助供氧回路；
S4、当FCU启动计时器计时达到10s时，根据FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，利用FCU控制系统控制第一电磁阀连通主供氧回路，并关闭第三电磁阀；
S5、当第三电磁阀关闭后，通过FCU控制系统调用响应功率对应空气压缩机转速数据库获取空气压缩机的目标转速，并通过主供氧回路向氢燃料电池供氧；
S6、当S1中气体压力P值小于储气装置内气压的最低值时，重复S3的操作；
S7、辅助供氧回路连通后，通过FCU控制系统调用气压对应储气装置所需氧气存储量数据库和响应功率对应氧气供应量数据库，结合S6中的气体压力P值，分别获取氢燃料电池启动时所需的氧气供应量和储气装置所需氧气存储量；
S8、根据S7中氢燃料电池启动时所需的氧气供应量和储气装置所需氧气存储量，结合响应功率对应空气压缩机转速数据库和储气装置所需氧气存储量对应空气压缩机转速数据库，以得到空气压缩机总目标转速，以对储气装置补充氧气和向氢燃料电池供氧，同时，根据氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，控制第三电磁阀的开度；
S9、若S1中气体压力P值大于储气装置内气压的最高值时，则返回S2，重复执行S2-S5。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本发明提供一种氢燃料电池汽车供氧系统，设计了两个供氧回路，且在第一电磁阀的作用下，主供氧回路和辅助供氧回路可进行切换，以使得在供氧不足的环境下，通过辅助供氧回路向氢燃料电池堆提供充足的氧气，可有效解决现有技术中由于供氧系统延迟供氧导致氢燃料电池汽车动力性能减弱的问题，保证供氧及时和供氧量充足，同时还可避免供氧量过高导致导致能量的浪费，还能提高系统的能量利率效率；
(2)本发明所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其可通过控制命令灵敏的控制主供氧回路和辅助供氧回路的开启或断开，此外，还能实现对储气装置氧气的补充，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供氧系统的控制方法的流程图。
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供氧系统，包括空气滤清器10、空气流量计20、空气压缩机30、空气冷凝器40、空气增湿器50、第一电磁阀60、第二电磁阀70和辅助供氧回路，所述空气滤清器10、所述空气压缩机30、所述空气冷凝器40和所述空气增湿器50通过管路依次联通，所述空气增湿器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，所述空气冷凝器40和所述增湿器连通的管路上分别设有所述第一次电磁阀和所述第二电磁阀70，且所述第一电磁阀60和所述第二电磁阀70分别沿氧气输送方向间隔分布，所述辅助供氧回路包括储气装置80，所述储气装置80设置在所述第一电磁阀60和所述第二电磁阀70之间，其进气端通过管路与所述第一电磁阀60连通，其第一输出端通过管路与所述第二电磁阀70连通，且其第一输出端与所述第二电磁阀70连通的管路上设有第三电磁阀90，所述储气装置80的第二输出端设有泄压阀100，所述储气装置80内设有气压传感器81，所述气压传感器81与空气压缩机30控制器电连接，其中，所述第一电磁阀60用于控制氧气的输送路径，所述第二电磁阀70用于控制氧气的单向流向，所述储气装置80用于存储氧气，所述第三电磁阀90用于控制氧气的供应量，所述气压传感器81检测所述储气装置80内的气压，并将信号发送至空气压缩机30控制器。
在本发明中，本发明的供氧系统，设计了两个供氧回路，即由空气滤清器10、空气流量计20、空气压缩机30、空气冷凝器40、第一电磁阀60、第二电磁阀70和空气增湿器50组成的主供氧回路，以及由空气滤清器10、空气流量计20、空气压缩机30、空气冷凝器40、第一电磁阀60、储气装置80、第三电磁阀90、第二电磁阀70和空气增湿器50组成的辅助供氧回路，且在第一电磁阀60的作用下，主供氧回路和辅助供氧回路可进行切换，以使得在供氧不足的环境下，如空气压缩机30刚开始工作无法瞬间提供足够的氧气时，或汽车行驶在高原等氧气不充足的环境下，通过辅助供氧回路向氢燃料电池堆提供充足的氧气，可有效解决现有技术中由于供氧系统延迟供氧导致氢燃料电池汽车动力性能减弱的问题，保证供氧及时和供氧量充足，同时还可避免供氧量过高导致导致能量的浪费，还能提高系统的能量利率效率。其中，第一电磁阀60为可控三通电磁阀，其可及时控制辅助供氧回路和主供氧回路的开启，使得增加的辅助供氧气路简单易行，其中，第一电磁阀60具有第一连通端、第二连通端和第三连通端，当第一连通端和第三连通端同步开启时，主供氧回路连通，当第一连通端和第二连通端同步开启时，辅助供氧回路连通；第二电磁阀70为单向三通阀，其可保证主供氧回路和辅助供氧回路中的气体只能直接单向流入空气增湿器50内，而不会回流至空气压缩机30和储气装置80中；储气装置80为储气罐；泄压阀100为机械泄压阀100，其可根据不同气压需求对辅助供氧回路的泄压阈值进行调整，提高辅助供氧回路的可移植性和通用性，同时机械式气压泄压阀100可以防止因控制不当而造成的储气装置80气压过高，从而造成供氧空气压缩系统载荷过大问题，提高辅助整个供氧系统的稳定性和安全性。第三电磁阀90为比例控制电磁阀，其型号为4WRaE6E1-15-2X，其可根据氢燃料电池系统的氧气需求量调整开度值，从而控制氧气的供应量，保证氧气的供应不会过少，同时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。气压传感器81将检测信号发送至空气压缩机30控制器后，空气压缩机30控制器通过CAN通讯网络与所述FCU控制系统通讯连接。在此，需要说明的是，本发明不涉及到对空气滤清器10、空气流量计20、空气压缩机30、空气冷凝器40和空气增湿器50结构的改进，现有技术中氢燃料电池汽车的空气滤清器10、空气流量计20、空气压缩机30、空气冷凝器40和空气增湿器50均可作为其具体实施例。
请参考图2，一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其主要包括以下步骤：
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，同时，测得储气装置80内的气体压力值为P；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存储在FCU控制系统中，响应功率对应空气压缩机转速数据库主要实现的功能是根据燃料电池状态给出响应功率对应的获取压缩机转速的信息，同理，响应功率对应氧气供应量数据库主要实现的功能是根据燃料电池状态给出响应功率对应的获取启动氢燃料电池所需氧气供应量的信息，氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库主要实现的功能是根据启动氢燃料电池所需氧气供应量的信息获取比例控制电磁阀的开度信息；
S2、根据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30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30发送目标转速控制信息，以控制空气压缩机30的目标转速，同时，根据S1中调用的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，获取燃料电池启动时所需的对应氧气供应量，以及对应的比例控制电磁阀开度信息，进而控制第三电磁阀90的开度；
S3、启动FCU启动计时器，同时，FCU控制系统调用FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，FCU启动计数器启动后，根据第一电磁阀计时导通数据库，FCU控制系统控制第一电磁阀60的第一连通端和第二连通端连通，以连通辅助供氧回路，其中，所述FCU停止计时数据库要实现的功能是FCU启动计时器启动时间进行计时，第一电磁阀计时导通数据库要实现的功能是根据计时获取第一电磁阀导通信息，FCU停止计时数据库第一电磁阀计时导通数据库存储在FCU控制系统中，在此，需要说明的是，空气压缩机30启动初期，其氧气供应量不足，因此，需连通辅助供氧回路以补充供氧；
S4、当FCU启动计时器计时达到10s时，根据FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，FCU控制系统控制第一电磁阀60其第一连通端和第三连通端连通，以连通主供氧回路，当主供氧回路连通后，关闭第三电磁阀90；
S5、当第三电磁阀90关闭后，FCU控制系统调用响应功率对应空气压缩机转速数据库获取空气压缩机30的目标转速，并通过主供氧回路向氢燃料电池供氧；
S6、当S1中P<P1时，则重复S3的操作；其中，P1为储气装置80内气压的最低值，当P<P1时，表明储气装置80内氧气量不够，还需要启动以下步骤给储气装置80内补充氧气；
S7、辅助供氧回路连通后，FCU控制系统调用气压对应储气装置所需氧气存储量数据库和响应功率对应氧气供应量数据库，结合S6中的P值，获取启动氢燃料电池所需的氧气供应量和储气装置所需氧气存储量，在此，需要说明的是，气压对应储气装置所需氧气存储量数据库存储在FCU控制系统中，其主要实现的功能是根据储气装置80内的压力值对应的获取储气装置80内氧气存储量的信息；
S8、根据S7中氧气供应量和储气装置所需氧气存储量，结合响应功率对应空气压缩机转速数据库和储气装置所需氧气存储量对应空气压缩机转速数据库，以分别得到氢燃料电池所述氧气供应量的空气压缩机30第一目标转速和空气压缩机30第二目标转速，通过将空气压缩机30第一目标转速和空气压缩机30第二目标转速进行加法运算，以得到空气压缩机30总目标转速，FCU控制系统将空气压缩机30的转速设置到总目标转速，即可实现对储气装置80补充氧气和向氢燃料电池供氧，同时，根据氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，控制第三电磁阀90的开度；其中，储气装置所需氧气存储量对应空气压缩机转速数据库存储在FCU控制系统中，其主要实现的功能是根据储气装置所需氧气存储量信息对应的获取空气压缩机转速信息；
S9、若S1中P>P2，则返回S2，重复执行S2-S5；其中，P2为储气装置80内气压的最高值，当P＝P2时，表明储气装置80内的氧气含量充足，因此，若P>P2，则无需对储气装置80额外补充氧气，直接启动向氢燃料电池供氧的程序。
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，电机驱动系统状态和高压系统状态，VCU控制系统向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。
本发明所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其可通过控制命令灵敏的控制主供氧回路和辅助供氧回路的开启或断开，此外，还能实现对储气装置80氧气的补充，具有响应快、控制灵敏和简单易行等优点。
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 (7)

1.一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，该方法由供氧系统完成，所述供氧系统包括主供氧回路和辅助供氧回路：
所述主供氧回路由空气滤清器(10)、空气流量计(20)、空气压缩机(30)、空气冷凝器(40)、第一电磁阀(60)、第二电磁阀(70)和空气增湿器(50)依次连接组成，所述空气增湿器(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；
所述辅助供氧回路包括储气装置(80)，所述储气装置(80)设置在所述第一电磁阀(60)和所述第二电磁阀(70)之间，其进气端通过管路与所述第一电磁阀(60)连通，其第一输出端上设有第三电磁阀(90)，并与所述第二电磁阀(70)连通；
其中，所述第一电磁阀(60)用于控制氧气的输送路径，所述第二电磁阀(70)用于控制氧气的单向流向，所述储气装置(80)用于存储氧气，所述第三电磁阀(90)用于控制氧气的供应量器；
该方法包括以下步骤：
S1、首先利用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，然后通过FCU控制系统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，同时，测得所述储气装置(80)内的气体压力P值；
S2、根据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，获取空气压缩机(30)的目标转速信息和第三电磁阀(90)的开度信息，并将所述空气压缩机(30)的转速调至目标转速，以及控制第三电磁阀(90)的开度；
S3、启动FCU启动计时器，同时，通过FCU控制系统调用FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，以控制第一电磁阀(60)连通辅助供氧回路；
S4、当FCU启动计时器计时达到10s时，根据FCU停止计时数据库和第一电磁阀计时导通数据库，利用FCU控制系统控制第一电磁阀(60)连通主供氧回路，并关闭第三电磁阀(90)；
S5、当第三电磁阀(90)关闭后，通过FCU控制系统调用响应功率对应空气压缩机转速数据库获取空气压缩机(30)的目标转速，并通过主供氧回路向氢燃料电池供氧；
S6、当S1中气体压力P值小于储气装置(80)内气压的最低值时，重复S3的操作；
S7、辅助供氧回路连通后，通过FCU控制系统调用气压对应储气装置所需氧气存储量数据库和响应功率对应氧气供应量数据库，结合S6中的气体压力P值，分别获取氢燃料电池启动时所需的氧气供应量和储气装置(80)所需氧气存储量；
S8、根据S7中氢燃料电池启动时所需的氧气供应量和储气装置(80)所需氧气存储量，结合响应功率对应空气压缩机转速数据库和储气装置所需氧气存储量对应空气压缩机转速数据库，以得到空气压缩机(30)总目标转速，以对储气装置(80)补充氧气和向氢燃料电池供氧，同时，根据氧气供应量对应比例控制电磁阀开度数据库，控制第三电磁阀(90)的开度；
S9、若S1中气体压力P值大于储气装置(80)内气压的最高值时，则返回S2，重复执行S2-S5。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述储气装置(80)内设有气压传感器(81)，所述气压传感器(81)与空气压缩机控制器电连接，以用于检测所述储气装置(80)内的气压。
3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述储气装置(80)的第二输出端上设有泄压阀(100)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述储气装置(80)为储气罐。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述第一电磁阀(60)为可控三通电磁阀。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述第二电磁阀(70)为单向三通阀。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池汽车供氧系统的控制方法，其特征在于，所述第三电磁阀(90)为比例控制电磁阀。
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