CN111755720A - 一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法 - Google Patents

一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，1）控制负载电流，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度，控制空压机的转速，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压；2）燃料电池控制器控制负载电流，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度，使得空压机出口的空气不经过中冷器和加湿器直接流入燃料电池堆空气入口，控制氢气回路中第一三通阀的入口和出口切换路径使得比例阀出口的氢气经过干燥器之后直接流入燃料电池堆氢气入口，并控制比例阀的开度使得燃料电池堆入口空气压力。本发明可不依赖内阻在线测试和湿度软测量仪器和方法，能精准控制燃料电池发动机电堆含水量。

Description

一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池发动机技术领域，涉及一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法。
背景技术
燃料电池由于能量转换效率高、清洁、无污染、低噪声等优点，是汽车动力系统的终极解决方案，目前成为国内外相关企业、科研院校的研发热点，特别是丰田汽车推出的“Mirai”全球量产燃料电池车型，使得燃料电池汽车的研发和商业化运行如火如荼，目前处在产业化初期阶段。燃料电池发动机是集电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、控制系统为一体的发电装置，在发电的同时会产生一定的水，在寒冷条件下，若电堆流道和膜电极内部蕴含的水未能有效排除，在零下低温情况下内部材料发生热胀冷缩会导致燃料电池密封性变差，甚至出现永久性损坏和冷启动失败。由于燃料电池内部湿度难以准确测量，低温储存时若经过吹扫后内部含水量过低会导致冷启动时间变长，启动性能恶化(空载电压明显偏低)，为了提高燃料电池发动机的安全可靠性、低温储存和冷启动性能，有必要在湿度无法准确测量前提下，通过先进检测和吹扫控制方法将燃料电池内部含水量控制在一定范围内不会造成结冰冻结，同时又不至于过干导致下次启动性能过低。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种不依赖内阻在线测试和湿度软测量仪器和方法，能精准控制燃料电池发动机电堆含水量的燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，其特征在于：所述燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法包括以下步骤：
1)第一阶段：
燃料电池控制器控制负载电流为燃料电池堆额定输出电流的25％-30％，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在60℃-65℃，控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压直至各个单片电池电压的最低电压小于0.75V；
2)第二阶段：
燃料电池控制器控制负载电流为0，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在55℃-60℃，控制空气回路中第二三通阀的入口和出口切换路径使得空压机出口的空气不经过中冷器和加湿器直接流入燃料电池堆空气入口，并控制空压机的转速使得燃料电池堆入口空气压力为40kPa-50kPa，控制氢气回路中第一三通阀的入口和出口切换路径使得比例阀出口的氢气经过干燥器之后直接流入燃料电池堆氢气入口，并控制比例阀的开度使得燃料电池堆入口空气压力为0-20kPa，控制尾气阀每间隔10-15秒开启0.3-0.5秒；所述第二阶段的整个过程维持1-2分钟。
作为优选，本发明所采用的第一阶段中控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上的具体实现方式是：燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为100％全开状态，利用AD模块采集流量传感器的采样值Fair和输出电流传感器的采样值Ifce，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得Fair≥0.03485×Ifce×N×10，其中，N为燃料电池堆单片电池数量；所述Fair的单位是标准升每分钟；所述Ifce的单位为安。
作为优选，本发明所采用的第二阶段的具体实现方式是：
燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为80％-90％开启状态，输出PWM信号控制空气回路中第二三通阀，使得其入口和第二出口之间连通而其入口和第一出口之间关闭，从而保证空压机出口的空气直接与燃料电池堆的空气入口相连，利用AD模块采集第四压力传感器的采样值Pair，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得40kPa≤Pair≤50kPa；
燃料电池控制器输出PWM信号控制氢气回路中第一三通阀，使得其入口和第一出口之间连通而其入口和第二出口之间关闭，从而保证氢瓶的氢气经过开关阀、减压阀和比例阀后经过干燥器流入燃料电池堆，利用AD模块采集第三压力传感器的采样值PH2，利用DO模块控制开关阀全开，输出PWM信号控制比例阀的开度使得10kPa≤PH2≤20kPa，利用DO模块每间隔10秒控制尾气阀开启0.5秒并持续6次；之后，利用DO模块控制开关阀和尾气阀全关闭，输出PWM信号控制比例阀全关闭，维持其它操作不变情况下保持1分钟。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，不需要先利用高精度和高成本的燃料电池内阻在线测试仪测试燃料电池电阻，再根据燃料电池机理模型和实验模型估算出其内部含水量，本发明可根据电堆在出厂时经过多次试验论证的在低功率发电时采用超大流量、高温度和中高压力的热空气吹扫，以及有氢和无氢交替的间歇性氢气吹扫，在燃料电池堆产生少量水的同时可以让其内部流道和膜电极湿度保持在零下温度不结冰的状态，从而进一步提高了燃料电池发动机的-30℃条件下的低温储存和快速冷启动性能。
附图说明
图1为本发明燃料电池发动机控制系统连接结构示意图；
图2为本发明燃料电池发动机吹扫除水控制方法流程框图；
图3为本发明第一和第二三通阀的入口和出口结构示意图；
图4为本发明加湿器的入口和出口结构示意图；
图5为本发明气水分离器的入口和出口结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示燃料电池发动机控制系统连接结构：
氢气供给系统(本案就是在现有的氢气供给系统中增加了第一三通阀和第二三通阀及支路)中的氢瓶出口依次与开关阀、第一压力传感器、减压阀、第二压力传感器、比例阀、第三压力传感器和第一三通电磁阀的入口相连，第一三通电磁阀的第一出口经过干燥器后与燃料电池堆的氢气入口相连，第一三通电磁阀的第二出口直接与燃料电池堆的氢气入口相连，燃料电池堆的氢气出口与气水分离器的入口相连，气水分离器的第二出口与氢气循环泵的入口相连，氢气循环泵的出口与第一三通阀的入口相连，气水分离器的第一出口与加湿器的第二出口相连。
空气供给系统中的空气过滤器依次与流量传感器、空压机、第一温度传感器和第二三通电磁阀的入口相连，第二三通电磁阀的第一出口依次与中冷器和加湿器的第一入口相连，加湿器的第一出口依次与第二温度传感器、第四压力传感器相连后与燃料电池堆的空气入口相连，第二三通电磁阀的第二出口与第二温度传感器、第四压力传感器相连后与燃料电池堆的空气入口相连，燃料电池堆的空气出口依次与第三温度传感器和加湿器的第二入口相连，加湿器的第二出口依次与氢气传感器和背压阀相连后通往大气。
燃料电池堆的冷却水出口依次与第五压力传感器、第五温度传感器和水泵相连后与节温器的入口相连，节温器的一个出口分支与加热器相连，节温器的另一个出口分支与散热器相连，散热器的出口经过第六温度传感器后与加热器的出口汇集分出三个支路，一个支路依次经过第一颗粒过滤器和第四温度传感器后与燃料电池堆的冷却水入口相连，另一分支与中冷器的冷却水入口相连，第三分支依次与去离子过滤器、第二颗粒过滤器和水箱后与节温器的入口相连，中冷器的冷却水出口与水箱的出口相连。
燃料电池堆的各个单片电池通过线缆与单片电压巡检单元相连。
燃料电池堆的正负极输出端并联电压传感器V，正极依次经过二极管和电流传感器A后与其负极输出端之间并联有串联连接的启动电阻和启动电阻开关，然后与负载相连。
燃料电池控制器通过CAN模块与单片电压巡检单元、氢气循环泵和空压机相连；通过A/D模块与第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五压力传感器、流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、电压传感器V和电流传感器A的信号输出端相连；通过PWM模块与比例阀、第一三通阀、第二三通阀、背压阀、散热器、水泵的信号控制端相连；通过DO模块与启动电阻开关、负载、开关阀和尾气阀的信号控制端相连。
本发明的理论基础是：通常做法是通过测试燃料电池电堆的内阻，以及吹扫后下次启动时的开路电压，结合燃料电池内部水热机理模型进行估计得到含水量，(如果经过上述吹扫后下次启动电压变低可以证明上次吹扫除水较多)，本发明精确控制主要采用第一阶段的控制条件和方法使得最低电压小于0.75V(代表内阻变大，含水量变低)，然后利用第二阶段的方法进行强化和巩固吹扫，从而认为达到含水量小于9％经过冷冻不会结冰冻结，这样来认定含水量的。本发明的原理是燃料电池在输出电能的同时会产生水，本案利用超出产生该电量所需空气流量的10倍热空气进行吹扫，使得吹扫除水的速度大于内部生成水的速度，经过一定的时间调节达到湿度降低到不至于结冰状态，同时保持内部较低的湿度不影响下次启动时的发电性能。
如图2所示，本发明所提供的燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法为：
1)第一阶段
燃料电池控制器控制负载电流为燃料电池堆额定输出电流的25％-30％，控制加热器和散热器使电堆的入口冷却水温度维持在60℃-65℃，控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压直至其最低电压小于0.75V；
2)第二阶段
燃料电池控制器控制负载电流为0，控制加热器和散热器使电堆的入口冷却水温度维持在55℃-60℃，控制空气回路中第二三通阀的入口和出口切换路径使得空压机出口的空气不经过中冷器和加湿器直接流入燃料电池堆空气入口，并控制空压机的转速使得燃料电池堆入口空气压力为40kPa-50kPa，控制氢气回路中第一三通阀的入口和出口切换路径使得比例阀出口的氢气经过干燥器之后直接流入燃料电池堆氢气入口，并控制比例阀的开度使得燃料电池堆入口空气压力为0-20kPa，控制尾气阀每间隔10-15秒开启0.3-0.5秒，控制本阶段整个过程维持1-2分钟。
如图1和图2所示，在所述第一阶段中，燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为100％全开状态，利用AD模块采集流量传感器的采样值Fair(单位为标准升每分钟)和输出电流传感器的采样值Ifce(单位为安)，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得Fair≥0.03485×Ifce×N×10，其中，N为燃料电池堆单片电池数量。
如图1、图2和图3所示，在第二阶段中，燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为80％-90％开启状态，输出PWM信号控制空气回路中第二三通阀，使得其入口和第二出口之间连通而其入口和第一出口之间关闭，从而保证空压机出口的空气直接与燃料电池堆的空气入口相连，利用AD模块采集第四压力传感器的采样值Pair，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得40kPa≤Pair≤50kPa。
如图1、图2和图3所示，在第二阶段中，燃料电池控制器输出PWM信号控制氢气回路中第一三通阀，使得其入口和第一出口之间连通而其入口和第二出口之间关闭，从而保证氢瓶的氢气经过开关阀、减压阀和比例阀后经过干燥器流入燃料电池堆，利用AD模块采集第三压力传感器的采样值PH2，利用DO模块控制开关阀全开，输出PWM信号控制比例阀的开度使得10kPa≤PH2≤20kPa，利用DO模块每间隔10秒控制尾气阀开启0.5秒并持续6次。之后，利用DO模块控制开关阀和尾气阀全关闭，输出PWM信号控制比例阀全关闭，维持其它操作不变情况下保持1分钟。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，其特征在于：所述燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法包括以下步骤：
1)第一阶段：
燃料电池控制器控制负载电流为燃料电池堆额定输出电流的25％-30％，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在60℃-65℃，控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上，通过单片电压巡检单元检测燃料电池堆各个单片电池电压直至各个单片电池电压的最低电压小于0.75V；
2)第二阶段：
燃料电池控制器控制负载电流为0，控制加热器和散热器使燃料电池堆的入口冷却水温度维持在55℃-60℃，控制空气回路中第二三通阀的入口和出口切换路径使得空压机出口的空气不经过中冷器和加湿器直接流入燃料电池堆空气入口，并控制空压机的转速使得燃料电池堆入口空气压力为40kPa-50kPa，控制氢气回路中第一三通阀的入口和出口切换路径使得比例阀出口的氢气经过干燥器之后直接流入燃料电池堆氢气入口，并控制比例阀的开度使得燃料电池堆入口空气压力为0-20kPa，控制尾气阀每间隔10-15秒开启0.3-0.5秒；所述第二阶段的整个过程维持1-2分钟。
2.根据权利要求1所述燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，其特征在于：所述第一阶段中控制空压机的转速使得空气流量为输出该负载电流条件下所需空气流量的10倍以上的具体实现方式是：燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为100％全开状态，利用AD模块采集流量传感器的采样值Fair和输出电流传感器的采样值Ifce，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得Fair≥0.03485×Ifce×N×10，其中，N为燃料电池堆单片电池数量；所述Fair的单位是标准升每分钟；所述Ifce的单位为安。
3.根据权利要求1所述燃料电池发动机吹扫除水低温储存控制方法，其特征在于：所述第二阶段的具体实现方式是：
燃料电池控制器输出PWM信号控制空气出口回路中的背压阀开度为80％-90％开启状态，输出PWM信号控制空气回路中第二三通阀，使得其入口和第二出口之间连通而其入口和第一出口之间关闭，从而保证空压机出口的空气直接与燃料电池堆的空气入口相连，利用AD模块采集第四压力传感器的采样值Pair，通过CAN总线给空压机发送目标转速控制命令，使得40kPa≤Pair≤50kPa；
燃料电池控制器输出PWM信号控制氢气回路中第一三通阀，使得其入口和第一出口之间连通而其入口和第二出口之间关闭，从而保证氢瓶的氢气经过开关阀、减压阀和比例阀后经过干燥器流入燃料电池堆，利用AD模块采集第三压力传感器的采样值PH2，利用DO模块控制开关阀全开，输出PWM信号控制比例阀的开度使得10kPa≤PH2≤20kPa，利用DO模块每间隔10秒控制尾气阀开启0.5秒并持续6次；之后，利用DO模块控制开关阀和尾气阀全关闭，输出PWM信号控制比例阀全关闭，维持其它操作不变情况下保持1分钟。
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