CN112248748B

CN112248748B - 一种燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法

Info

Publication number: CN112248748B
Application number: CN202011117373.9A
Authority: CN
Inventors: 熊成勇; 熊洁; 张剑; 王诗雄; 马义
Original assignee: Dongfeng Motor Corp
Current assignee: Dongfeng Motor Corp
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2040-10-19
Also published as: CN112248748A

Abstract

本发明公开了一种燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法，系统包括废空气排出管道、气液分离器、电子节温器、与大气连通的新风管道、控制模块，废空气排出管道与气液分离器进口连接，所述气液分离器出水口设有排水管道连通至混排，气液分离器出气口与电子节温器进口连接，所述电子节温器两个出口分别设有第一出气管道、第二出气管道；所述排水管道上设有排水阀，所述气液分离器出气口与电子节温器间设有第一温湿度计，所述待加热场所内设有第二温湿度计。本发明中可通过操作排水阀来控制废气湿度，电子节温器通过调节出口开度来控制废气流量，配合整车新风管路，使得进入乘客舱或者动力电池箱的空气温度、湿度和流量达到所需的要求。

Description

一种燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及整车热管理技术，具体地指一种燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法。

背景技术

燃料电池是将燃料的化学能通过电化学反应，一部分转变成电能，另外一部分转变成热能，电能和热能大约各占50％。因此，使用燃料电池发电系统作为车载动力源时，如何充分利用热能成为节约能源，提高燃料利用率的重要技术问题之一。现有燃料电池空气供给系统如图1所示，空气经空气过滤器1、流量器2、空压机3、中冷器4、四通5、增湿器6进入氢燃料电池8，从电堆空气出口流出的空气再次经过增湿器6至混排7排出，四通5上还设有吹扫管路通向氢燃料电池、泄压管路通向混排7，混排7处排出的废空气流量大(约>70g·min^-1·kW^-1)、压力高(可达3bara)、湿度范围广(可达100％RH)、温度较高(可达95℃)，具有很高的回收利用价值。

公开号为CN102751521的发明专利公开了一种燃料电池低温启动的空气回流加热系统，循环利用空气泵和电堆废热的空气尾气来加热燃料电池堆的空气反应界面，加速融化电极上的冰晶，使燃料电池的传质和质子传递能顺利进行，加速燃料电池发电系统在低温下的冷启动过程。对于系统启动后的运行，燃料电池已经无需进行外加热，而往往需要散热，大量的废热依然无法得到有效的利用。

公开号为CN106887615的发明专利公开了一种燃料电池系统的热管理方法和系统，向燃料电池堆通入助燃气体，并通过和电堆废热进行热交换的方式来调节电堆的温度。此方法适合于高温燃料电池(如SOFC)发电系统，但是对于车载质子交换膜燃料电池发电系统并不适用，尤其是无法利用质子交换膜燃料电池堆的废热。

公开号为CN209876873的实用新型专利公开了一种燃料电池废热回收装置，公开号为CN110739754的发明专利公开了利用废热的燃料电池装置，公开号为CN110492135发明专利公开了燃料电池汽车余热发电系统及其工作方法、燃料电池汽车和公开号为CN210092226的实用新型专利公开了燃料电池汽车余热发电系统、燃料电池汽车，利用燃料电池的废热，通过温差发电装置，转变成可用的电能，此方法提高了燃料电池系统的发电效率，但是，也使得废热利用系统复杂化，增加了发电设备及其导致的成本。

现有的乘客舱或动力电池箱都是通过空调系统来控制所需温度和湿度，若能将燃料电池废空气可控的进入乘客舱、为冬季工况下的乘客舱提供可变湿度和流量的暖气，或用来加热动力电池箱、提高动力电池在低温下的输出能力，则可使冬季工况下的整车经济性和乘员舒适性得到提升。

因此，需要开发出一种结构简单、操作方便、温度和湿度可控的燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、温度和湿度可控的燃料电池汽车废空气再利用系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：一种燃料电池汽车废空气再利用系统，其特征在于，包括废空气排出管道、气液分离器、电子节温器、与大气连通的新风管道、控制模块，

所述废空气排出管道与气液分离器进口连接，所述气液分离器出水口设有排水管道连通至混排，所述电子节温器设有一个进口、两个出口且可对两出口开度进行调节，所述气液分离器出气口与电子节温器进口连接，所述电子节温器两个出口分别设有第一出气管道、第二出气管道，所述第一出气管道与新风管道合并后设置风机通向待加热场所，所述第二出气管道通向混排；

所述排水管道上设有排水阀，所述气液分离器出气口与电子节温器间设有第一温湿度计，所述待加热场所内设有第二温湿度计，所述第一温湿度计、第二温湿度计、排水阀、三通节温器、风机均与控制模块信号连接。

优选的，所述新风管道上设有仅允许空气朝待加热场所流通的单向阀，所述待加热场所为乘客舱或动力电池箱。

优选的，所述第一出气管道与新风管道合并成混合风道通向待加热场所，所述风机位于混合风道上。

优选的，所述电子节温器中两个出口流量之和始终与进口流量相等。

本发明还提供上述任一的燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.初态：废空气排出管道排出的高压湿热废空气进入汽液分离器中，初态下排水阀按常周期T_u开启，电子节温器将汽液分离器流出的气体全部经混排排出；

b.控制温度：控制模块得到待加热场所需求温度Tset，检测待加热场所内原始温度T20，若有T20＜Tset则检测气液分离器出气口温度T1，若有T1≥Tset则控制电子节温器上通向待加热场所的出口开启并进入实时反馈控制；

c.控制湿度：控制模块内预设有待加热场所需求湿度RHset，检测待加热场所内原始湿度RH20，若有RH20＜RHset则检测气液分离器出气口湿度RH1，若有RH1≥RHset则控制排水阀按短周期T_min排水并进入实时反馈控制，T_min＜T_u。

优选的，步骤b中电子节温器的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所温度T2并与需求温度Tset比较，若T2＜Tset则将比较结果处理后反馈调节电子节温器上通向待加热场所的出口开度，若T2≥Tset则控制电子节温器恢复将汽液分离器流出的气体全部经混排排出。

优选的，步骤c排水阀的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所湿度RH2并与需求湿度RHset比较，若RH2＜RHset则控制排水阀保持短周期T_min排水，若RH2≥RHset则控制排水阀恢复常周期T_u开启。

优选的，步骤b中还包括控制风量，具体为：控制模块得到待加热场所需求风量Qset，通过需求风量Qset来控制风机转速。

优选的，包括以下步骤：

a.初态：废空气排出管道排出的高压湿热废空气进入汽液分离器中，初态下排水阀按常周期T_u开启，电子节温器上与第一出气管道连通的出口关闭、与第二出气管道连通的出口开启，将汽液分离器流出的气体全部经混排排出；

b.控制风量和温度：控制模块得到待加热场所需求风量Qset和需求温度Tset，通过需求风量Qset来控制风机转速；同时通过第二温湿度计检测待加热场所内原始温度T20，若有T20＜Tset则通过第一温湿度计检测气液分离器出气口温度T1，若有T1≥Tset则控制电子节温器上与第一出气管道连通的出口开启并进入实时反馈控制，

所述电子节温器的实时反馈控制包括：通过第二温湿度计实时监测待加热场所内温度T2并与需求温度Tset比较，若T2＜Tset则将比较结果处理后反馈调节电子节温器上与第一出气管道连通的出口开度，若T2≥Tset则控制电子节温器恢复与第一出气管道连通的出口关闭、与第二出气管道连通的出口开启，将汽液分离器流出的气体全部经混排排出；

c.控制湿度：控制模块内预设有待加热场所需求湿度RHset，通过第二温湿度计检测待加热场所内原始湿度RH20，若有RH20＜RHset则通过第一温湿度计采集气液分离器出气口湿度RH1，若有RH1≥RHset则控制排水阀按短周期T_min排水，T_min＜T_u，排水阀进入实时反馈控制，

所述排水阀的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所湿度RH2并与需求湿度Rhset比较，若RH2＜RHset则控制排水阀保持短周期T_min排水，若RH2≥RHset则控制排水阀恢复常周期T_u排水。

优选的，所述步骤b中，当待加热场所为乘客舱时，控制模块通过乘客舱内风机旋钮和温度旋钮得到需求风量Qset和需求温度Tset；当待加热场所为动力电池箱时，控制模块内预设有需求风量Qset和需求温度Tset。

优选的，步骤c中RHset为40％～75％。

本发明的有益效果为：

1.汽液分离器可通过操作排水阀来控制废气湿度，电子节温器通过调节出口开度来控制进入待加热场所的废气流量，配合整车新风管路，使得进入乘客舱或者动力电池箱的空气温度、湿度和流量达到所需的要求。

2.第二温湿度计用于检测待加热场所温湿度，从而判断待加热场所是否需要进行加湿、加热，第一温湿度计用于检测汽液分离器出气口的温湿度，从而判断废气是否有加热加湿的能力。

3.控制方法中通过待加热场所的原始温度与预设温度进行比较判断是否需要加热，再根据汽液分离器出气口温度与预设温度比较判断废气可否用于加热，从而确定电子节温器开度；只有废气通向待加热场所，才需要控制废气湿度；同样通过待加热场所的原始湿度与预设湿度进行比较判断是否需要加湿，再根据汽液分离器出气口湿度与预设湿度比较判断废气可否用于加湿，从而确定排水阀开启周期。快速便捷完成温湿度调节。

4.温度和湿度都采取了实时反馈控制，这就可以根据待加热场所温湿度变化及时调整控制策略，从而保持温度和湿度维持在需求范围。

附图说明

图1为现有技术中燃料电池空气供给系统示意图

图2为本发明中燃料电池汽车废空气再利用系统示意图

图3为本发明控制方法中电子节温器实时反馈控制示意图

图4为本发明控制方法中排水阀实时反馈控制示意图

其中：1-空气过滤器、2-流量器、3-空压机、4-中冷器、5-四通、6-增湿器、7-混排、8-氢燃料电池、9-待加热场所、10-废空气排出管道、11-汽液分离器、12-电子节温器、13-新风管道、14-控制模块、15-排水管道、16-第一出气管道、17-第二出气管道、18-风机、19-排水阀、20-单向阀、21-第一温湿度计、22-第二温湿度计、23-混合风道。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，为现有技术中燃料电池空气供给系统，已在背景技术中作了详细说明，于此不再赘述。

如图2所示，本发明提供的一种燃料电池汽车废空气再利用系统，包括废空气排出管道10、气液分离器11、电子节温器12、与大气连通的新风管道13、控制模块14，废空气排出管道10与气液分离器11进口连接，气液分离器11出水口设有排水管道15连通至混排7，电子节温器12设有一个进口、两个出口且可对两出口开度进行调节，气液分离器11出气口与电子节温器12进口连接，电子节温器12两个出口分别设有第一出气管道16、第二出气管道17，第一出气管道16与新风管道13合并后设置风机18通向待加热场所9，第二出气管道17通向混排7。

排水管道15上设有排水阀19，气液分离器11出气口与电子节温器12间设有第一温湿度计21，待加热场所9内设有第二温湿度计22，第一温湿度计21、第二温湿度计22、排水阀19、三通节温器12、风机18均与控制模块14信号连接。待加热场所9为乘客舱或动力电池箱。

新风管道13上设有仅允许空气朝待加热场所9流通的单向阀20，第一出气管道16与新风管道13合并成混合风道23通向待加热场所9，风机18位于混合风道23上。

本实施例中，电子节温器12中两个出口流量之和始终与进口流量相等，电子节温器为市售产品。待加热场所9为乘客舱。

上述燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，包括以下步骤：

a.初态：废空气排出管道10排出的高压湿热废空气进入汽液分离器11中，初态下排水阀19按常周期T_u开启，电子节温器12上与第一出气管道16连通的出口关闭、与第二出气管道17连通的出口开启，将汽液分离器11流出的气体全部经混排7排出；

b.控制风量和温度：控制模块14得到待加热场所9需求风量Qset和需求温度Tset(当待加热场所9为乘客舱时，控制模块14通过乘客舱内风机旋钮和温度旋钮得到需求风量Qset和需求温度Tset；当待加热场所9为动力电池箱时，控制模块14内预设有需求风量Qset和需求温度Tset，本实施例待加热场所9为乘客舱，Qset＝2档，Tset＝25℃)，通过需求风量Qset来控制风机18转速；

同时通过第二温湿度计22测得待加热场所9原始温度T20(本实施例中T20＝5℃)，若有T20＜Tset则通过第一温湿度计21采集气液分离器11出气口温度T1(本实施例中T1＝65℃)，若有T1≥Tset则控制电子节温器12上与第一出气管道16连通的出口开启并进入实时反馈控制，

如图3所示，电子节温器12的实时反馈控制包括：通过第二温湿度计22实时监测待加热场所9内温度T2并与需求温度Tset比较，若T2＜Tset则将比较结果经PID调节处理后反馈调节电子节温器12上与第一出气管道16连通的出口开度，若T2≥Tset则控制电子节温器12恢复与第一出气管道16连通的出口关闭、与第二出气管道17连通的出口开启，将汽液分离器11流出的气体全部经混排7排出；

c.控制湿度：控制模块14内预设有待加热场所9需求湿度RHset(40％～75％)，通过第二温湿度计22检测待加热场所9原始湿度RH2(本实施例中RH2＝20％)，若有RH2＜RHset则通过第一温湿度计21采集气液分离器11出气口湿度RH1(本实施例中RH1＝90％)，若有RH1≥RHset则控制排水阀19按短周期T_min排水，T_min＜T_u，排水阀19进入实时反馈控制。

如图4所示，排水阀19的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所9湿度RH2并与需求湿度Rhset比较，若RH2＜RHset则控制排水阀19保持短周期T_min排水，若RH2≥RHset则控制排水阀19恢复常周期T_u排水。

本实施例中，只有经过电子节温器12排出的废气通向待加热场所，才需要控制废气湿度，否则直接进入混排7根本无需控制湿度。

Claims

1.一种燃料电池汽车废空气再利用系统，其特征在于，包括废空气排出管道（10）、气液分离器（11）、电子节温器（12）、与大气连通的新风管道（13）、控制模块（14），

所述废空气排出管道（10）与气液分离器（11）进口连接，所述气液分离器（11）出水口设有排水管道（15）连通至混排（7），所述电子节温器（12）设有一个进口、两个出口且可对两出口开度进行调节，所述气液分离器（11）出气口与电子节温器（12）进口连接，所述电子节温器（12）两个出口分别设有第一出气管道（16）、第二出气管道（17），所述第一出气管道（16）与新风管道（13）合并后设置风机（18）通向待加热场所（9），所述第二出气管道（17）通向混排（7）；

所述排水管道（15）上设有排水阀（19），所述气液分离器（11）出气口与电子节温器（12）间设有第一温湿度计（21），所述待加热场所（9）内设有第二温湿度计（22），所述第一温湿度计（21）、第二温湿度计（22）、排水阀（19）、电子节温器（12）、风机（18）均与控制模块（14）信号连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池汽车废空气再利用系统，其特征在于，所述新风管道（13）上设有仅允许空气朝待加热场所（9）流通的单向阀（20），所述待加热场所（9）为乘客舱或动力电池箱。

3.如权利要求1所述的燃料电池汽车废空气再利用系统，其特征在于，所述第一出气管道（16）与新风管道（13）合并成混合风道（23）通向待加热场所（9），所述风机（18）位于混合风道（23）上。

4.如权利要求1所述的燃料电池汽车废空气再利用系统，其特征在于，所述电子节温器（12）中两个出口流量之和始终与进口流量相等。

5.如权利要求1-4中任一所述的燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.初态：废空气排出管道（10）排出的高压湿热废空气进入气液分离器（11）中，初态下排水阀（19）按常周期T_u开启，电子节温器（12）将气液分离器（11）流出的气体全部经混排（7）排出；

b.控制风量和温度：控制模块（14）得到待加热场所（9）需求风量Qset和需求温度Tset，通过需求风量Qset来控制风机（18）转速；检测待加热场所（9）内原始温度T20，若有T20＜Tset则检测气液分离器（11）出气口温度T1，若有T1≥Tset则控制电子节温器（12）上通向待加热场所（9）的出口开启并进入实时反馈控制；

c.控制湿度：控制模块（14）内预设有待加热场所（9）需求湿度RHset，检测待加热场所（9）内原始湿度RH20，若有RH20＜RHset则检测气液分离器（11）出气口湿度RH1，若有RH1≥RHset则控制排水阀（19）按短周期T_min排水并进入实时反馈控制，T_min＜T_u。

6.如权利要求5所述燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，其特征在于，步骤b中电子节温器（12）的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所（9）温度T2并与需求温度Tset比较，若T2＜Tset则将比较结果处理后反馈调节电子节温器（12）上通向待加热场所（9）的出口开度，若T2≥Tset则控制电子节温器（12）恢复将气液分离器（11）流出的气体全部经混排（7）排出。

7.如权利要求5所述燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，其特征在于，步骤c排水阀（19）的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所（9）湿度RH2并与需求湿度RHset比较，若RH2＜RHset则控制排水阀（19）保持短周期T_min排水，若RH2≥RHset则控制排水阀（19）恢复常周期T_u开启。

8.如权利要求5所述燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.初态：废空气排出管道（10）排出的高压湿热废空气进入气液分离器（11）中，初态下排水阀（19）按常周期T_u开启，电子节温器（12）上与第一出气管道（16）连通的出口关闭、与第二出气管道（17）连通的出口开启，将气液分离器（11）流出的气体全部经混排（7）排出；

b.控制风量和温度：控制模块（14）得到待加热场所（9）需求风量Qset和需求温度Tset，通过需求风量Qset来控制风机（18）转速；同时通过第二温湿度计（22）检测待加热场所（9）内原始温度T20，若有T20＜Tset则通过第一温湿度计（21）检测气液分离器（11）出气口温度T1，若有T1≥Tset则控制电子节温器（12）上与第一出气管道（16）连通的出口开启并进入实时反馈控制，

所述电子节温器（12）的实时反馈控制包括：通过第二温湿度计（22）实时监测待加热场所（9）内温度T2并与需求温度Tset比较，若T2＜Tset则将比较结果处理后反馈调节电子节温器（12）上与第一出气管道（16）连通的出口开度，若T2≥Tset则控制电子节温器（12）恢复与第一出气管道（16）连通的出口关闭、与第二出气管道（17）连通的出口开启，将气液分离器（11）流出的气体全部经混排（7）排出；

c.控制湿度：控制模块（14）内预设有待加热场所（9）需求湿度RHset，通过第二温湿度计（22）检测待加热场所（9）内原始湿度RH20，若有RH20＜RHset则通过第一温湿度计（21）采集气液分离器（11）出气口湿度RH1，若有RH1≥RHset则控制排水阀（19）按短周期T_min排水，T_min＜T_u，排水阀（19）进入实时反馈控制，

所述排水阀（19）的实时反馈控制包括：实时监测待加热场所（9）湿度RH2并与需求湿度Rhset比较，若RH2＜RHset则控制排水阀（19）保持短周期T_min排水，若RH2≥RHset则控制排水阀（19）恢复常周期T_u排水。

9.如权利要求5所述的燃料电池汽车废空气再利用系统的控制方法，所述步骤b中，当待加热场所（9）为乘客舱时，控制模块（14）通过乘客舱内风机旋钮和温度旋钮得到需求风量Qset和需求温度Tset；当待加热场所（9）为动力电池箱时，控制模块（14）内预设有需求风量Qset和需求温度Tset。