CN112242544A - 一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，包括：空气模拟系统、氢气模拟系统和水路模拟系统；空气模拟系统采用空气缓冲罐(20)及其尾端设有空气排放阀模拟电堆空气消耗，氢气模拟系统采用氢气缓冲罐(28)及其尾端设有氢气排放阀模拟电堆氢气消耗，水路模拟系统采用循环水模拟控制电堆水温。与现有技术相比，本发明无需电堆，可对单个独立部件进行调试，也可进行多个子系统的联合调试，且结构更加灵活。

Description

一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架。

背景技术

在氢燃料电池发动机系统开发阶段通常需要长时间的验证发动机关键零部件的性能以及长时间对发动机整机控制软件的控制策略进行优化调试，由于燃料电池发动机的主要核心部件电堆比较昂贵且有使用寿命，电堆长时间地参与严苛验证测试会对电堆很快造成性能衰减，甚至无法正常工作，造成较大的损耗，为了防止系统调试的电堆损耗问题，可通过对电堆进行模拟，对氢燃料电池发动机的相关性能参数进行测试，实现无电堆系统联调，在现有市场上还未有类似的调试设备。

发明专利CN110212217A公开了一种用于燃料电池发电系统测试的辅助电堆模拟装置，包括阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模拟模块，其中，冷却模拟模块包括依次连接冷却水入口、冷却水管道和冷却水出口，冷却水管道上设有第一加热器和调节阀；阳极模拟模块包括阳极气体入口、阳极气体管道、排气口和阳极气体出口，阳极气体管道为三通管，一端连接阳极气体入口，其余两端分别连接排气口和阳极气体出口。与现有技术相比，该发明能够代替电堆模拟出电堆在发电过程中所发生的物理状态变化，实现电堆内燃料消耗模拟，电堆流阻模拟，以及电堆内气体湿度的模拟，使得该发明的系统测试精确可靠，符合实际的工作状态，在测试时代替电堆，避免测试过程中因涉及缺陷等问题对电堆造成的损害。该发明的阴极模拟模块、阳极模拟模块和冷却模块均能够互相独立工作，既能适用于燃料电池发电系统的整体测试，也能够适用于燃料电池各子系统的单独测试，适用性强。此发明只是电堆本身的工作模拟，并不涉及到整个发动机系统外围部件的工作模拟。

实用新型专利CN211374053U公开了一种燃料电池发动机系统模拟设备，包括：水路系统，用于模拟燃料电池系统中的水路循环及模拟发动机的发热；尾排系统，用于模拟发动机尾气排放；供氢系统，用于模拟氢气供给；电控系统，对所述燃料电池发动机系统模拟设备中的电气设备进行供电和控制；电能输出系统，用于模拟发动机的功率输出。该实用新型专利所述的燃料电池发动机系统模拟设备能够模拟燃料电池发动机系统运行工况，不需要集成一套燃料电池发动机系统即可进行测试台的检测。此发明是用于测试电堆性能的测试台，测试的目标对象只是单一的电堆，无法调试发动机系统的外围部件，虽然可为电堆独立运行提供外围条件，但其内部设计固化，无法进行联调检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，无需电堆，可对单个独立部件进行调试，也可进行多个子系统的联合调试，且结构更加灵活。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，包括：空气模拟系统、氢气模拟系统和水路模拟系统。

所述的空气模拟系统采用空气缓冲罐及其尾端设有空气排放阀模拟电堆空气消耗，所述的氢气模拟系统采用氢气缓冲罐及其尾端设有氢气排放阀模拟电堆氢气消耗，所述的水路模拟系统采用循环水模拟控制电堆水温。

进一步地，所述的水路模拟系统包括主水路和辅助水路，所述的主水路由循环水管依次连接膨胀水箱、加热器、散热器和水泵构成，在散热器与水泵之间设置主循环流量计，在加热器与散热器之间设置电子节温器，冷机启动循环流量计通过三通和主水路相连；

所述的辅助水路由辅助循环管道依次连接的辅助水箱、辅助水泵、辅助散热器构成，其中辅助循环管上设有辅助散热水路流量计，辅助水路为空气模拟系统中的空气压缩机、中冷室以及整个体系的控制器进行散热。各个部件之间都由卡盘连接。

更进一步地，所述的水路模拟系统通过电子节温器切换水体经过散热器的通路至加热器通路来模拟电堆冷启动的运行工况，通过加热器和散热器来模拟控制平衡电堆水温。电子节温器结构类似一个三通阀，可以控制两路进口的流量比例。

所述的空气模拟系统包括空气滤清器、空气压缩机、中冷室、增湿器和空气缓冲罐；空气通过空气滤清器过滤后，再经空气压缩机加压，加压后的空气通过中冷室冷却，随后空气进入增湿器增湿，再进入空气缓冲罐，空气经空气缓冲罐后经尾排管排出。

进一步地，所述的空气滤清器与空气压缩机之间设有空气流量计，所述的中冷室上设有中冷冷却流量计，中冷室气路设有旁路管路，该旁路管路上设有用于防止初始运行时空气压缩机喘振调节气量的旁通阀，用于测量气量值的旁通出气流量计，用于切换调节出堆湿气流量的旁通节气门，所述的中冷室出口设有进气节气门，气路末端设有出气节气门，用于控制管路压力。

所述的空气模拟系统还设有温压传感器，该温压传感器设置在空气缓冲罐进出口。

所述的氢气模拟系统包括通过依次连接的进气流量计、氢气喷射器、氢气缓冲罐、气体流量计、汽水分离器、气体循环泵和常开电磁阀，该常开电磁阀通过管路连接至氢气喷射器与氢气缓冲罐之间。

进一步地，所述的氢气缓冲罐上设有尾气排放管，该尾气排放管上设有氢气排放阀。

所述的汽水分离器上连接有排气支路，该排气支路上设有排气阀。

所述的模拟台架的各组件均为活动连接。

在本发明中，空气模拟系统的空气压缩机可增加空气压比，各流量计可测取空气流量，进气节气门可调节进入空气缓冲罐前的空气流量，出气节气门可控制空气缓冲罐，调节空气经空气缓冲罐后的系统空气侧气压，旁通阀可在低功率下开启，防止空气压缩机喘震，中冷室可控制空气温度。

氢气模拟系统的氢气喷射器可控制进气压比，调节氢气进气压力，汽水分离器可以分离排出氢气中的水汽，汽水分离器出气口的排气阀，可以按照调试需求周期性间断排出尾气，通过间断时间来控制尾气排放量。

本发明台架关键部件和管路结构总体模拟燃料电池发动机系统结构，整套台架关键位置都装有相关传感器，可实时检测管道内的压力、温度、流量数据，通过对相关传感器反馈参数的采集运算来控制相关控制部件的运行参数，使整个台架系统达到对发动机运行工况的模拟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、燃料电池发动机包括氢气供气系统、氧气供气系统和冷却流体供应系统，这些流体的供应一般需要通过调节各流体系统中的各种阀门的开度来进行控制，因此，控制系统往往需要控制各阀门、传感器、流量器、泵等等，随着反应的进程需要调节各参数达到最佳状态，对于电堆而言，其反应进程中最佳反应流体压力和温度是根据经验设定的恒定值，因此，本发明采用缓冲罐和排气阀模拟反应的进程中氢气和氧气的消耗情况，采用膨胀水箱及水泵模拟冷却流体供应情况，对发动机整机控制软件的控制策略进行优化调试，实现无需电堆部件也可模拟调试发动控制程序的目的；

2、本发明调试台架可实现单个独立部件进行调试、氢气子系统独立调试、水路子系统独立调试、空气子系统独立调试以及氢水空多个子系统的联合调试；

3、本发明台架所有部件都为活动连接，结构灵活，方便更换测试部件。

附图说明

图1为水路模拟系统结构示意图；

图2为空气模拟系统结构示意图；

图3为氢气模拟系统结构示意图；

图4为本发明燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架总体结构示意图；

图5为图4的另一侧视图；

图6为本发明另一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架总体结构示意图；

图中：1-膨胀水箱，2-散热器，3-冷机启动循环流量计，41-辅助水箱、42-辅助水泵、43-辅助散热器、4-辅助散热水路流量计，5-加热器，6-电子节温器，7-水泵，8-主循环流量计，9-空气滤清器，10-空气流量计，11-空气压缩机，12-中冷室，13-旁通阀，14-进气节气门，15-旁通出气流量计，16-出气节气门，17-增湿器，18-旁通节气门，19-温压传感器，20-空气缓冲罐，21-中冷气路旁路流量计，22-进气流量计，23-氢气喷射器，24-常开电磁阀，25-气体循环泵，26-汽水分离器，27-气体流量计，28-氢气缓冲罐，29-氢气排放阀，30-排气阀，31-辅助水路流量计。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，包括水路模拟系统、空气模拟系统和氢气模拟系统。

如图1所示，水路模拟系统包括主水路和辅助水路，所述的主水路模拟燃料电池发动机系统的冷却水循环系统，由循环水管依次连接膨胀水箱1、加热器5、散热器2和水泵7构成，在散热器2与水泵7之间设置主循环流量计8，在加热器5与散热器2之间设置电子节温器6，冷机启动循环流量计3通过三通和主水路相连；

所述的辅助水路由辅助循环管道依次连接的辅助水箱41、辅助水泵42、辅助散热器43构成，其中辅助循环管上设有辅助散热水路流量计44，辅助水路为空气模拟系统中空气压缩机11、中冷室12以及系统控制器进行散热。

各个部件之间都由卡盘连接，方便安装拆卸。

电子节温器6可切换水体经过散热器2的通路至加热器5通路来模拟电堆冷启动的运行工况，通过加热器5和散热器2来模拟控制平衡电堆水温。

如图2所示，空气模拟系统包括空气滤清器9、空气流量计10、空气压缩机11、中冷室12、旁通阀13、进气节气门14、旁通出气流量计15、出气节气门16、增湿器17、旁通节气门18、温压传感器19、空气缓冲罐20和中冷冷却流量计21。空气通过空气滤清器9过滤后，再经空气压缩机11加压，加压后的空气通过中冷室12冷却，随后空气进入增湿器17增湿，再进入空气缓冲罐20，空气经空气缓冲罐20后经尾排管排出。空气流量计10设置在空气滤清器9与空气压缩机11之间，中冷气路旁路流量计21设置在中冷室12上，中冷室12气路设有旁路管路，该旁路管路上设有旁通阀13用于防止初始运行时空压机喘振调节气量；该旁路管路上还设有旁通出气流量计15和旁通节气门18，进气节气门14设置在中冷室12气路出口，用于调节进气流量，出气节气门16设置在气路终端出口处，用于调节缓冲罐内压力，温压传感器19设置在空气缓冲罐20进出口处。

如图3所示，氢气模拟系统包括进气流量计22、氢气喷射器23、常开电磁阀24、气体循环泵25、汽水分离器26、气体流量计27、氢气缓冲罐28、氢气排放阀29和排气阀30。进气流量计22、氢气喷射器23、氢气缓冲罐28、气体流量计27、汽水分离器26、气体循环泵25和常开电磁阀24依次连接，常开电磁阀24通过管路连接至氢气喷射器23与氢气缓冲罐28之间。氢气缓冲罐28上设有尾气排放管，氢气排放阀29设置在该尾气排放管上。汽水分离器26上连接有排气支路，排气阀30设置在该排气支路上。

本发明模拟台架的总体结构如图4-5所示，各部件都为活动连接。

氢气模拟系统测试，将通入气源、打开氢气喷射器23，开启气体循环泵25、常开电磁阀24，氢气经依次经过进气流量计22、氢气喷射器23、气体流量计27、汽水分离器26、气体循环泵25和常开电磁阀24，返回氢气缓冲罐28之前，在该循环，其中汽水分离器26分离出的气体部分通过排气支路进入主循环回路上，通过控制排气阀30的开度使部分氢气进入氢气缓冲罐28，通过氢气缓冲罐28模拟消耗量，通过气流量计22和气体流量计27控制主循环回路上的氢气流量，进行压力流量调试，通过各流量计以及设置在氢气循环回路中的温度传感器、压力传感器的数据采集反馈，进行氢路的功能程序验证和部件功能验证；

然后进行空气模拟系统测试，开启空气压缩机11，进气节气门14和出气节气门16打开相应开度，进行压力流量调试，进行空气路的功能程序验证和部件功能验证；

水路模拟系统测试，打开水泵7、电子节温器6，和加热器5，将膨胀水箱1中的水输入主水路中，调节主水路中水的温度，使其温度与燃料电池发动机冷却水循环管路中的温度一致，通过通过各流量计以及设置在主水路中的温度传感器、压力传感器的数据采集反馈进行控温功能程序和部件功能验证；

三系统可单独开启调试，也可同时开启调试，模拟发动机整机运行。

整套台架系统关键位置都装有相关传感器，可实时检测管道内的压力、温度、流量数据，通过对相关传感器反馈参数的采集运算来控制相关控制部件的运行参数，使整个台架系统达到对发动机运行工况的模拟。

如图4-5所示，其中辅助水路可以设置在整个系统的一侧，通过辅助水路为空气模拟系统中空气压缩机11、中冷室12以及系统控制器进行散热。

也可以如图6所示，辅助水路也可以设置在整个系统的框架上。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，包括：空气模拟系统、氢气模拟系统和水路模拟系统；所述的空气模拟系统采用空气缓冲罐(20)及其尾端设有空气排放阀模拟电堆空气消耗，所述的氢气模拟系统采用氢气缓冲罐(28)及其尾端设有氢气排放阀模拟电堆氢气消耗，所述的水路模拟系统采用循环水模拟控制电堆水温。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的水路模拟系统包括主水路和辅助水路，所述的主水路由循环水管依次连接膨胀水箱(1)、加热器(5)、散热器(2)和水泵(7)构成，在散热器(2)与水泵(7)之间设置主循环流量计(8)，在加热器(5)与散热器(2)之间设置电子节温器(6)，冷机启动循环流量计(3)通过三通和主水路相连；

所述的辅助水路由辅助循环管道依次连接的辅助水箱(41)、辅助水泵(42)、辅助散热器(43)构成，其中辅助循环管上设有辅助散热水路流量计(44)，辅助水路为空气模拟系统进行散热。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的水路模拟系统通过电子节温器(6)切换水体经过散热器(2)的通路至加热器(5)通路来模拟电堆冷启动的运行工况，通过加热器(5)和散热器(2)来模拟控制平衡电堆水温。

4.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的空气模拟系统包括空气滤清器(9)、空气压缩机(11)、中冷室(12)、增湿器(17)和空气缓冲罐(20)；空气通过空气滤清器(9)过滤后，再经空气压缩机(11)加压，加压后的空气通过中冷室(12)冷却，随后空气进入增湿器(17)增湿，再进入空气缓冲罐(20)，空气经空气缓冲罐(20)后经尾排管排出。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的空气滤清器(9)与空气压缩机(11)之间设有空气流量计(10)，所述的中冷室(12)上设有中冷冷却流量计(4)，中冷室(12)气路设有旁路管路，该旁路管路上设有用于防止初始运行时空气压缩机(11)喘振调节气量的旁通阀(13)，用于测量气量值的旁通出气流量计(21)，用于切换调节出堆湿气流量的旁通节气门(18)，所述的中冷室(12)出口设有进气节气门(14)，气路末端设有出气节气门(16)，用于控制管路压力。

6.根据权利要求4所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的空气模拟系统还设有温压传感器(19)，该温压传感器(19)设置在空气缓冲罐(20)进出口处。

7.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的氢气模拟系统包括通过依次连接的进气流量计(22)、氢气喷射器(23)、氢气缓冲罐(28)、气体流量计(27)、汽水分离器(26)、气体循环泵(25)和常开电磁阀(24)，该常开电磁阀(24)通过管路连接至氢气喷射器(23)与氢气缓冲罐(28)之间。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的氢气缓冲罐(28)上设有尾气排放管，该尾气排放管上设有氢气排放阀(29)。

9.根据权利要求7所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的汽水分离器(26)上连接有排气支路，该排气支路上设有排气阀(30)。

10.根据权利要求1所述的燃料电池发动机系统部件控制联调的模拟台架，其特征在于，所述的模拟台架的各组件均为活动连接。

Images