CN112648200B - 具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，空压机本体为离心式空气压缩机；空气网管与空压机本体的出气口连接；泄压罐与空气网管连通；泄压罐与空气网管之间设有第一电磁阀；泄压罐安装在空气网管靠近空压机本体的出口处的一端；第一压力传感器安装在空压机本体的出气口处；第二压力传感器安装在空气网管内；首先获取氢氧燃料电池在当前或预测的下一时刻工况下对应的空压机本体的目标压力；当第二压力大于第一压力时，第一电磁阀打开，使第二压力低于第一压力与目标压力中的较小值；调节空压机本体的转速，使第一压力趋近于目标压力。本发明能够解决离心式空气压缩机所产生的喘振问题。

Description

具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车的高速空压机技术领域，特别是一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机。
背景技术
由于排放无污染且能效远高于内燃机汽车，氢氧燃料电池成为目前最为理想的汽车动力源。
空气压缩机作为为氢氧燃料电池汽车提供高压空气的重要部件，需要以超高的转速压缩空气，并将压缩的空气供给燃料电池。
对于离心式的空气压缩机，在高速转动时，容易产生喘振现象。如何解决喘振问题，是本领域技术人员亟待解决的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，以解决现有技术中的不足，它能够解决离心式空气压缩机所产生的喘振问题。
本发明提供了一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，包括,
空压机本体，所述空压机本体为离心式空气压缩机；
空气网管，所述空气网管与所述空压机本体的出气口连接，所述空气网管还用于与氢氧燃料电池连接；
泄压罐，所述泄压罐与所述空气网管连通；所述泄压罐与所述空气网管之间设有第一电磁阀；所述泄压罐安装在所述空气网管靠近所述空压机本体的出口处的一端；
第一压力传感器，安装在所述空压机本体的出气口处，用于检测所述空压机本体的出气口处的压力，记为第一压力；
第二压力传感器，安装在所述空气网管内，用于检测所述空气网管内的压力，记为第二压力；
使用时，首先获取氢氧燃料电池在当前或预测的下一时刻工况下对应的空压机本体的目标压力；
当所述第二压力大于所述第一压力时，所述第一电磁阀打开，使所述第二压力低于所述第一压力与所述目标压力中的较小值；调节所述空压机本体的转速，使所述第一压力趋近于所述目标压力；
并在所述第一压力等于所述目标压力后，关闭所述第一电磁阀。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，所述泄压罐上设有排气管，所述排气管上设有第二电磁阀；
所述第二电磁阀用于在所述第一电磁阀由打开状态进入关闭状态后，打开，并在所述泄压罐内的压力与外部气压相等后，关闭。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，所述泄压罐内设有泄压腔，所述泄压腔的容积可调。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，在所述第一电磁阀打开前0.5S至打开时，调节所述泄压腔的容积至目标容积；
所述目标容积的计算公式如下:
Figure GDA0003133395330000021
其中，P网为空气网管内的压力，即第二压力；V网为空气网管的容积；Pmin为所述第一压力与所述目标压力中的较小者；其中，V0为补偿体积。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，所述泄压罐内设有活塞，所述活塞与所述泄压罐的内壁滑动密封连接；
所述活塞将所述泄压罐分隔成所述泄压腔和调节腔；
所述排气管和所述空气网管均与所述泄压腔连接；
所述调节腔通过一双向泵与外部水源连通；所述外部水源为氢氧燃料电池工作时所产生的水；连接所述调节腔与所述双向泵的管道上安装有第三电磁阀；
调节所述泄压腔的体积时，当需要减小所述泄压腔的容积时，通过所述双向泵向所述调节腔内供水，以推动所述活塞向靠近所述泄压腔的一侧移动，以减小所述泄压腔的容积；
当需要增大所述泄压腔的容积时，通过所述双向泵将所述调节腔内的水泵出，以使所述活塞向靠近所述调节腔的一侧移动，以减小所述泄压腔的容积；并在调节结束后关闭所述第三电磁阀。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，所述调节腔内还设有弹簧，所述弹簧的一端与所述活塞连接，另一端与所述泄压罐的内壁连接。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，连接所述调节腔与所述双向泵的管道上还设有流量计；
根据所述泄压罐的总容积及泄压腔的目标容积，以及所述调节腔的当前容积，计算出所述调节腔的调节体积，根据所述调节体积计算所述调节腔中水的目标流入量或目标流出量；
当所述流量计的检测结果等于所述目标流入量或所述目标流出量时，关闭所述双向泵，并关闭所述第三电磁阀。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，所述泄压罐内设有初始位置；
当所述第二电磁阀打开时，所述第三电磁阀打开，且所述双向泵泵水，以使所述活塞位于所述初始位置处；
所述初始位置为，最近N次调节时，所述活塞在所述泄压罐内的目标位置次数最多的位置处；
其中，N为大于500的整数。
如上所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，可选的是，最近N次调节时，若目标位置出现的次数最多的位置不小于两处，取最两端位置的中点作为初始位置。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.本发明通过设置泄压罐，当需要对空压机进行减速降压时，首先通过泄压罐对空气网管进行降压，使空气网管内的压力低于目标压力与空压机本体出气口处压力的较小者。从而保证在对空压机进行减速时，空压机内的压力始终大于空气网管内的压力，从而避免气体回流而导致的喘振现象。
2.通过将泄压罐设置成泄压腔可调节的结构，能够根据需要按计算结果进行计算，通过改变泄压腔的体积，按需要来降低空气网管中的压力，以避免压力下降过多造成动力不足，避免压力下降过少，而无法避免喘振的问题。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明提出的泄压罐的结构示意图。
附图标记说明：
1-空压机本体，2-空气网管，3-泄压罐，4-第一电磁阀，5-氢氧燃料电池，6-排气管，7-第二电磁阀，8-泄压腔，9-活塞，10-调节腔，11-第三电磁阀，12-双向泵，13-弹簧，14-流量计。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
空气压缩机在运行的过程中，内部气体流动极为复杂，为了解决喘振问题，进行了大量试验，并对试验结果进行了充分的分析及对比。最后得出结论的：喘振的产生的重要原因之一，是由于空气压缩机在运行时，空气压缩机出气口的压力小于空气网管的压力。
基于上述发现，发明设计了如下解决方案：
请参照图1和图2，本发明提出了一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其中，包括空压机本体1、空气网管2、泄压罐3、第一压力传感器和第二压力传感器；
所述空压机本体1为离心式空气压缩机。即，本方案主要解决离心式空气压缩机的喘振问题。所述空气网管2与所述空压机本体1的出气口连接，所述空气网管2还用于与氢氧燃料电池5连接。在本申请中，所述空气网管是指连接空压机本体1与所述氢氧燃料电池5之间的管路部分。
所述泄压罐3与所述空气网管2连通；所述泄压罐3与所述空气网管2之间设有第一电磁阀4；所述泄压罐3安装在所述空气网管2靠近所述空压机本体1的出口处的一端。具体实施时，所述泄压罐3与所述空气网管2之间的距离为0.1-0.3米。
所述第一压力传感器安装在所述空压机本体1的出气口处，用于检测所述空压机本体1的出气口处的压力，记为第一压力；所述第二压力传感器安装在所述空气网管2内，用于检测所述空气网管2内的压力，记为第二压力。
使用时，首先获取氢氧燃料电池5在当前或预测的下一时刻工况下对应的空压机本体1的目标压力；具体地，目标压力是根据车辆当前行驶状态参数，以及接收到的控制指令来获得的，如，车辆电器的负载、油门状态、车速状态、加速度状态等。将这些状态参数转化为对于动力的需求，再根据氢氧燃料电池计算出所需要高压空气，最终转化为空压机本体1的目标压力。
当所述第二压力大于所述第一压力时，所述第一电磁阀4打开，使所述第二压力低于所述第一压力与所述目标压力中的较小值；调节所述空压机本体1的转速，使所述第一压力趋近于所述目标压力。并在所述第一压力等于所述目标压力后，关闭所述第一电磁阀4。
当所述第二压力大于所述第一压力时，将会发生喘振，为了避免这一情况，通过连通泄压罐3与空气网管2，使空气网管的压力快速下降，从而防止气体倒流入空压机本体1内，从而能够防止空压机本体1发生喘振。
为了便于控制泄压的时机，所述泄压罐3上设有排气管6，所述排气管6上设有第二电磁阀7；所述第二电磁阀7用于在所述第一电磁阀4由打开状态进入关闭状态后，打开，并在所述泄压罐3内的压力与外部气压相等后，关闭。
在使用时，考虑到每次所需要调节的压力大小可能不等，在使用时，如过压力下降过多，会导致氢氧燃料电池所产生的功率下降，汽车动力不足，而如果压力下降过少，会导致无法彻底避免喘振的发生。为了保证对压力调节量的精确控制，本申请作了对方案进行了进一步的改进：所述泄压罐3内设有泄压腔8，所述泄压腔8的容积可调。具体地，在所述第一电磁阀4打开前0.5S至打开时，调节所述泄压腔8的容积至目标容积；
所述目标容积的计算公式如下:
Figure GDA0003133395330000061
其中，P网为空气网管2内的压力，即第二压力；V网为空气网管2的容积；Pmin为所述第一压力与所述目标压力中的较小者。
在第一压力小于所述第二压力的情况下，根据第一压力与目标压力的不同，还分为如下两种具体情况：
当第一压力大于所述目标压力时，直接将空气网管2中的压力调节到目标压力，然后再控制空压机本体降低压力至目标压力。从而使空压机本体2出气口的压力平稳过渡到目标压力；
当第一压力小于所述目标压力时，直接将空气网管2中的压力调节到第一压力，然后再控制空压机本体提交压力至目标压力，从而使空压机本体2出气口的压力平稳过渡到目标压力。如此，能够避免在对空压机本体1进行增减速控制时发生喘振的现象。
作为一种较佳的实现方式，为了进一步精确控制对于空气网管内压力的精确调节，所述泄压罐3内设有活塞9，所述活塞9与所述泄压罐3的内壁滑动密封连接。通过控制活塞9在所述泄压罐3内的位置的不同，能够对泄压腔8的位置进行改变。
更进一步地，请参照图2，所述活塞9将所述泄压罐3分隔成所述泄压腔8和调节腔10；所述排气管6和所述空气网管均与所述泄压腔8连接；如此，能够在完成一泄压后，通过排气管6对泄压罐3内的泄压腔8进行排气，以便于下次泄压。
为了对调节腔10进行控制，本发明进一步包括如下内容：
所述调节腔10通过一双向泵12与外部水源连通；所述外部水源为氢氧燃料电池5工作时所产生的水；连接所述调节腔10与所述双向泵12的管道上安装有第三电磁阀11；调节所述泄压腔8的体积时，当需要减小所述泄压腔8的容积时，通过所述双向泵12向所述调节腔10内供水，以推动所述活塞9向靠近所述泄压腔8的一侧移动，以减小所述泄压腔8的容积；当需要增大所述泄压腔8的容积时，通过所述双向泵12将所述调节腔10内的水泵出，以使所述活塞9向靠近所述调节腔10的一侧移动，以减小所述泄压腔8的容积；并在调节结束后关闭所述第三电磁阀11。即，本发明是通过向调节腔10内泵水的方式对活塞的位置进行调节。由于液态水不易被压缩，能够便于精确控制所述活塞的位置，进而保证对于泄压腔8的控制。
作为一种较佳的方式，所述调节腔10内还设有弹簧13，所述弹簧13的一端与所述活塞9连接，另一端与所述泄压罐3的内壁连接。如此，能够通过弹簧13协助所述活塞9恢复原来位置。
为了严格保证所述泄压腔8的体积，通过对于进入或流出所述调节腔10的液体量进行精确控制。为此，本发明的进一步改进如下：
连接所述调节腔10与所述双向泵12的管道上还设有流量计14；根据所述泄压罐3的总容积及泄压腔8的目标容积，以及所述调节腔10的当前容积，计算出所述调节腔10的调节体积，根据所述调节体积计算所述调节腔10中水的目标流入量或目标流出量；当所述流量计14的检测结果等于所述目标流入量或所述目标流出量时，关闭所述双向泵12，并关闭所述第三电磁阀11。水是流入还是流出，取决于泄压腔10是增大还是减少，因此，在每次排气完成后，还需要获取活塞所处的位置，以计算泄压腔的容积，作为下次泄压时的当前容积，从而便于根据泄压腔的目标容积与将要泄压时的泄压腔的目标容积进行比较，泄压腔的目标容积大于泄压腔的当前容积时，控制调节腔10内的水流出；若泄压腔的目标容积小于泄压腔的当前容积时，控制水流入调节腔10。此处所指的排气完成后，是指泄压腔8与外部连通，泄压腔8内的气体与环境气压相等。
考虑到通过控制进水的方式改变调节腔10的大小，对于液速度有一定的要求，为了保证能够对于调节腔10进行快速调节，本发明还作了如下设计：具体地，所述泄压罐3内设有初始位置；当所述第二电磁阀7打开时，所述第三电磁阀11打开，且所述双向泵12泵水，以使所述活塞9位于所述初始位置处；所述初始位置为，最近N次调节时，所述活塞9在所述泄压罐3内的目标位置次数最多的位置处；其中，N为大于500的整数。
更进一步地，在最近N次调节时，若目标位置出现的次数最多的位置不小于两处，取最两端位置的中点作为初始位置。如此，能够保证快速对活塞的位置进行准确调节。相比于通过机械部件进行调节，这种调节方式，能够保证活塞的受压更加均匀，保证在工作时的密封性。
通过以上方案，本发明至少具有如下有益效果：
1.本发明通过设置泄压罐，当需要对空压机进行减速降压时，首先通过泄压罐对空气网管进行降压，使空气网管内的压力低于目标压力与空压机本体出气口处压力的较小者。从而保证在对空压机进行减速时，空压机内的压力始终大于空气网管内的压力，从而避免气体回流而导致的喘振现象。
2.通过将泄压罐设置成泄压腔可调节的结构，能够根据需要按计算结果进行计算，通过改变泄压腔的体积，按需要来降低空气网管中的压力，以避免压力下降过多造成动力不足，避免压力下降过少，而无法避免喘振的问题。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：包括,
空压机本体(1)，所述空压机本体(1)为离心式空气压缩机；
空气网管(2)，所述空气网管(2)与所述空压机本体(1)的出气口连接，所述空气网管(2)还用于与氢氧燃料电池(5)连接；
泄压罐(3)，所述泄压罐(3)与所述空气网管(2)连通；所述泄压罐(3)与所述空气网管(2)之间设有第一电磁阀(4)；所述泄压罐(3)安装在所述空气网管(2)靠近所述空压机本体(1)的出口处的一端；
第一压力传感器，安装在所述空压机本体(1)的出气口处，用于检测所述空压机本体(1)的出气口处的压力，记为第一压力；
第二压力传感器，安装在所述空气网管(2)内，用于检测所述空气网管(2)内的压力，记为第二压力；
使用时，首先获取氢氧燃料电池(5)在当前或预测的下一时刻工况下对应的空压机本体(1)的目标压力；
当所述第二压力大于所述第一压力时，所述第一电磁阀(4)打开，使所述第二压力低于所述第一压力与所述目标压力中的较小值；调节所述空压机本体(1)的转速，使所述第一压力趋近于所述目标压力；
并在所述第一压力等于所述目标压力后，关闭所述第一电磁阀(4)。
2.根据权利要求1所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：所述泄压罐(3)上设有排气管(6)，所述排气管(6)上设有第二电磁阀(7)；
所述第二电磁阀(7)用于在所述第一电磁阀(4)由打开状态进入关闭状态后，打开，并在所述泄压罐(3)内的压力与外部气压相等后，关闭。
3.根据权利要求2所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：所述泄压罐(3)内设有泄压腔(8)，所述泄压腔(8)的容积可调。
4.根据权利要求3所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：在所述第一电磁阀(4)打开前0.5S至打开时，调节所述泄压腔(8)的容积至目标容积；
所述目标容积的计算公式如下:
Figure FDA0003133395320000021
其中，P网为空气网管(2)内的压力，即第二压力；V网为空气网管(2)的容积；Pmin为所述第一压力与所述目标压力中的较小者；其中，V0为补偿体积。
5.根据权利要求4所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：所述泄压罐(3)内设有活塞(9)，所述活塞(9)与所述泄压罐(3)的内壁滑动密封连接；
所述活塞(9)将所述泄压罐(3)分隔成所述泄压腔(8)和调节腔(10)；
所述排气管(6)和所述空气网管(2)均与所述泄压腔(8)连接；
所述调节腔(10)通过一双向泵(12)与外部水源连通；所述外部水源为氢氧燃料电池(5)工作时所产生的水；连接所述调节腔(10)与所述双向泵(12)的管道上安装有第三电磁阀(11)；
调节所述泄压腔(8)的体积时，当需要减小所述泄压腔(8)的容积时，通过所述双向泵(12)向所述调节腔(10)内供水，以推动所述活塞(9)向靠近所述泄压腔(8)的一侧移动，以减小所述泄压腔(8)的容积；
当需要增大所述泄压腔(8)的容积时，通过所述双向泵(12)将所述调节腔(10)内的水泵出，以使所述活塞(9)向靠近所述调节腔(10)的一侧移动，以减小所述泄压腔(8)的容积；并在调节结束后关闭所述第三电磁阀(11)。
6.根据权利要求5所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：所述调节腔(10)内还设有弹簧(13)，所述弹簧(13)的一端与所述活塞(9)连接，另一端与所述泄压罐(3)的内壁连接。
7.根据权利要求6所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：连接所述调节腔(10)与所述双向泵(12)的管道上还设有流量计(14)；
根据所述泄压罐(3)的总容积及泄压腔(8)的目标容积，以及所述调节腔(10)的当前容积，计算出所述调节腔(10)的调节体积，根据所述调节体积计算所述调节腔(10)中水的目标流入量或目标流出量；
当所述流量计(14)的检测结果等于所述目标流入量或所述目标流出量时，关闭所述双向泵(12)，并关闭所述第三电磁阀(11)。
8.根据权利要求7所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：所述泄压罐(3)内设有初始位置；
当所述第二电磁阀(7)打开时，所述第三电磁阀(11)打开，且所述双向泵(12)泵水，以使所述活塞(9)位于所述初始位置处；
所述初始位置为，最近N次调节时，所述活塞(9)在所述泄压罐(3)内的目标位置次数最多的位置处；
其中，N为大于500的整数。
9.根据权利要求7所述的具有振动抑制功能的燃料电池汽车高速电动空气压缩机，其特征在于：最近N次调节时，若目标位置出现的次数最多的位置不小于两处，取最两端位置的中点作为初始位置。
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