CN112751061B - 一种燃料电池空气路测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气路测试系统及方法，该系统包括空压机及其控制器、中冷器、冷却回路、控制器、背压阀、电磁阀、温度传感器、压力传感器和流量计。冷却回路用于给空压机及其控制器和中冷器冷却，具体包括散热器、水箱、水泵和三通阀。本发明还公开了上述系统的控制方法。通过电磁阀开度变化模拟不同工况下的电堆阴极气体消耗；通过调节背压阀开度，近似模拟出阴极流场出口背压阀的作用；通过调节空压机转速来调节进气流量，起到调节过氧比的作用；在改变电磁阀开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制。本发明结构简单，不需要提供电堆便可对燃料电池空气路系统进行测试。

Description

一种燃料电池空气路测试系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池汽车领域，特别涉及一种燃料电池空气路测试系统及方法。
背景技术
燃料电池作为一种新型的清洁能源，具有结构简单、环境友好、高安全性等优点。近年来燃料电池的不断发展促进了燃料电池汽车的推广应用。而燃料电池系统是一个多耦合、非线性的复杂系统，各个子系统之间只有相互协调，才能保证燃料电池的性能与效率。在燃料电池子系统中，空气路系统负责给燃料电池提供不同运行工况下所需的空气，因此燃料电池空气路系统的工作很大程度上决定了燃料电池的性能好坏。
燃料电池空气路测试通过对空压机、中冷器等部件的控制，可以实现燃料电池不同运行条件下的进气需求，为燃料电池空气路系统的研究提供参考。现有的专利如中国专利公布号为CN212033153U，公布日为2020-11-27，公开了一种燃料电池空气路系统，该发明提供了一种燃料电池空气路系统，包括依次相连通的压缩机、中冷器、增湿器和燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的出口端连接有尾排支路，所述尾排支路上设置有用于调节所述燃料电池电堆的排气流量和空气入堆压力的背压阀；所述中冷器的出口端和所述压缩机的入口端之间设置有回流支路，所述回流支路上设置有用于将所述中冷器的出口端空气回流至所述压缩机入口端的自控回流阀。该燃料电池空气路系统能够防止喘振提高系统寿命，并能提高系统的动态响应品质和提高系统效率。又如专利申请公布号为CN110783609A，公开日为2020-02-11，公开了一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法。该发明能够有效抵消多输入多输出系统的耦合影响，提高空气流量控制的响应性、稳定性，进而增加燃料电池电力输出响应性和使用寿命，提高控制鲁棒性。上述专利的实施方案均需要用到燃料电池电堆，且结构与控制方法较为复杂。
针对上述的技术不足，本发明提供一种燃料电池空气路测试系统及方法，通过电磁阀开度变化模拟不同工况下的电堆阴极气体消耗；通过调节背压阀开度，近似模拟出阴极流场出口背压阀的作用；通过调节空压机转速来调节进气流量，起到调节过氧比的作用；在改变电磁阀开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供了一种燃料电池空气路测试系统及方法，通过合理的方案设计实现无电堆情况下的燃料电池空气路测试。
本发明提供的一种燃料电池空气路测试系统，包括空压机及其控制器、中冷器、冷却回路、控制器、背压阀、电磁阀、温度传感器、压力传感器和流量计；冷却回路用于给空压机及其控制器和中冷器冷却，包括散热器、水箱、水泵和三通阀。
所述背压阀一、温度传感器一、压力传感器一、空压机及其控制器、温度传感器四、流量计一、压力传感器二、中冷器、温度传感器五依次连接，并在其后分为两路，一路由压力传感器三、电磁阀和流量计二依次连接，另外一路由压力传感器四、背压阀二依次连接；所述冷却回路由三通阀二、散热器、水箱、水泵和三通阀一依次连接。
本发明提供的一种燃料电池空气路测试系统中的温度传感器一、压力传感器一用来测量空压机入口的空气温度与压力，所述温度传感器二和温度传感器三分别用来测量空压机冷却回路和中冷器冷却回路的温度，所述温度传感器四、压力传感器二和流量计一分别用来测量空压机出口空气的温度、压力和流量，所述温度传感器五用来测量中冷器出口空气温度，所述压力传感器三和流量计二分别用来测量电磁阀回路空气的压力和流量，所述压力传感器四用来测量背压阀回路的压力，所述背压阀一和背压阀二用来维持空压机两侧的压力水平。
本发明提供的一种燃料电池空气路测试系统控制方法为：通过电磁阀开度变化模拟不同工况下的电堆阴极气体消耗；通过调节背压阀二的开度，近似模拟出阴极流场出口背压阀的作用；通过调节空压机转速来调节进气流量，起到调节过氧比的作用；在改变电磁阀开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀二的开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制；控制器根据温度传感器二和温度传感器三得到的空压机冷却回路和中冷器冷却回路温度，实时调节三通阀一和三通阀二的开度来调节两冷却回路的温度；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论空气消耗量，并通过控制电磁阀开度来模拟实时空气消耗；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论压降，并通过控制背压阀二的开度来模拟实时阴极压降；具体实施方式如下所述。
当温度传感器二检测的空压机冷却回路的温度高于预定值时，通过控制器来增大三通阀一和三通阀二通向空压机冷却回路的开度，从而增大空压机冷却回路的冷却液流量，加快该回路的散热速度；当温度传感器二检测的空压机冷却回路的温度低于预定值时，通过控制器来减小三通阀一和三通阀二通向空压机冷却回路的开度，从而减小空压机冷却回路的冷却液流量，减缓该回路的散热速度；中冷器冷却回路的温度控制方法同理，这里不再赘述；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论空气消耗量，通过控制电磁阀开度来模拟实时空气消耗，并根据流量计二采集到的流量来实时进行校正；若实时流量小于理论空气消耗量，则加大电磁阀的开度，若实时流量大于理论空气消耗量，则减小电磁阀的开度；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论压降，通过控制背压阀二的开度来模拟实时阴极压降，并根据压力传感器四采集到的压力来实时进行校正；若实时压降小于理论压降值，则减小背压阀二的开度，若实时压降大于理论压降值，则增大背压阀二的开度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明的燃料电池空气路测试系统可以在无电堆的情况下通过合理的方案设计来模拟电堆阴极气体消耗量和压降。
2)本发明在改变电磁阀开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀的开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制。
3)本发明的燃料电池空气路测试系统结构简单，控制方法简便，易于实现，提高了空气路测试的效率。
附图说明
本发明的上述方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的一种燃料电池空气路测试系统原理图；
图中：1-背压阀一，2-温度传感器一，3-压力传感器一，4-空压机及其控制器，5-温度传感器二，6-水泵，7-三通阀二，8-水箱，9-散热器，10-三通阀一，11-温度传感器三，12-温度传感器四，13-流量计一，14-控制器，15-压力传感器二，16-中冷器，17-温度传感器五，18-压力传感器三，19-压力传感器四，20-流量计二，21-压力传感器四，22-背压阀二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系只是为了便于叙述本发明各部件之间的关系而确定的关系词，并非特指某一部件，不能理解为对本发明的限制；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种燃料电池空气路测试系统，包括空压机及其控制器4、中冷器16、冷却回路、控制器14、背压阀1、背压阀22、电磁阀19、温度传感器2、温度传感器5、温度传感器11、温度传感器12、温度传感器17、压力传感器3、压力传感器15、压力传感器18、压力传感器21、流量计13和流量计21；冷却回路用于给空压机及其控制器4和中冷器16冷却，包括散热器9、水箱8、水泵6、三通阀7和三通阀10。
所述背压阀一1、温度传感器一2、压力传感器一3、空压机及其控制器4、温度传感器四12、流量计一13、压力传感器二15、中冷器16、温度传感器五17依次连接，并在其后分为两路，一路由压力传感器三18、电磁阀19和流量计二20依次连接，另外一路由压力传感器四21、背压阀二22依次连接；所述冷却回路由三通阀一7、散热器9、水箱8、水泵7和三通阀二10依次连接；所述温度传感器一2、压力传感器一3用来测量空压机入口的空气温度与压力，所述温度传感器二5和温度传感器三11分别用来测量空压机冷却回路和中冷器冷却回路的温度，所述温度传感器四12、压力传感器二15和流量计一13分别用来测量空压机出口空气的温度、压力和流量，所述温度传感器五17用来测量中冷器16出口空气温度，所述压力传感器三18和流量计二20分别用来测量电磁阀19回路空气的压力和流量，所述压力传感器四21用来测量背压阀22回路的压力，所述背压阀一1和背压阀二22用来维持空压机两侧的压力水平。
本发明提供的一种燃料电池空气路测试系统控制方法为：通过电磁阀19开度变化模拟不同工况下的电堆阴极气体消耗；通过调节背压阀二22的开度，近似模拟出阴极流场出口背压阀的作用；通过调节空压机转速来调节进气流量，起到调节过氧比的作用；在改变电磁阀19开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀二22的开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制；控制器14根据温度传感器二7和温度传感器三11得到的空压机冷却回路和中冷器冷却回路温度，实时调节三通阀一7和三通阀二10的开度来调节两冷却回路的温度；控制器14通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论空气消耗量，并通过控制电磁阀19开度来模拟实时空气消耗；控制器14通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论压降，并通过控制背压阀二22的开度来模拟实时阴极压降；具体实施方式如下所述。
当温度传感器二5检测的空压机冷却回路的温度高于预定值时，通过控制器14来增大三通阀一7和三通阀二10通向空压机冷却回路的开度，从而增大空压机冷却回路的冷却液流量，加快该回路的散热速度；当温度传感器二5检测的空压机冷却回路的温度低于预定值时，通过控制器来减小三通阀一7和三通阀二10通向空压机冷却回路的开度，从而减小空压机冷却回路的冷却液流量，减缓该回路的散热速度；中冷器16冷却回路的温度控制方法同理，这里不再赘述；控制器14通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论空气消耗量，通过控制电磁阀19开度来模拟实时空气消耗，并根据流量计二20采集到的流量来实时进行校正；若实时流量小于理论空气消耗量，则加大电磁阀19的开度，若实时流量大于理论空气消耗量，则减小电磁阀19的开度；控制器14通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论压降，通过控制背压阀二22的开度来模拟实时阴极压降，并根据压力传感器四21采集到的压力来实时进行校正；若实时压降小于理论压降值，则减小背压阀二22的开度，若实时压降大于理论压降值，则增大背压阀二22的开度。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本说明书的描述中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体方法或者特点可以在任何实施例中适当的结合。
本发明的实施方式只是示例，但不限于此，本领域技术人员依据本发明的思路与原理，未脱离本发明所做的修改、替代、简化等，都应该在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种燃料电池空气路测试系统，其特征在于：包括空压机及其控制器、中冷器、冷却回路、控制器、背压阀一、背压阀二、电磁阀、温度传感器一、温度传感器二、温度传感器三、温度传感器四、温度传感器五、压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三、压力传感器四、流量计一和流量计二；冷却回路用于给空压机及其控制器和中冷器冷却，包括散热器、水箱、水泵、三通阀一和三通阀二；
所述背压阀一、温度传感器一、压力传感器一、空压机及其控制器、温度传感器四、流量计一、压力传感器二、中冷器、温度传感器五依次连接，并在其后分为两路，一路由压力传感器三、电磁阀和流量计二依次连接，另外一路由压力传感器四、背压阀二依次连接；所述冷却回路由三通阀二、散热器、水箱、水泵和三通阀一依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气路测试系统，其特征在于：所述温度传感器一、压力传感器一用来测量空压机入口的空气温度与压力，所述温度传感器二和温度传感器三分别用来测量空压机冷却回路和中冷器冷却回路的温度，所述温度传感器四、压力传感器二和流量计一分别用来测量空压机出口空气的温度、压力和流量，所述温度传感器五用来测量中冷器出口空气温度，所述压力传感器三和流量计二分别用来测量电磁阀回路空气的压力和流量，所述压力传感器四用来测量背压阀回路的压力，所述背压阀一和背压阀二用来维持空压机两侧的压力水平。
3.一种如权利要求1所述的燃料电池空气路测试系统的控制方法，其特征在于：通过电磁阀开度变化模拟不同工况下的电堆阴极气体消耗；通过调节背压阀二的开度，近似模拟出阴极流场出口背压阀的作用；通过调节空压机转速来调节进气流量，起到调节过氧比的作用；在改变电磁阀开度模拟阴极消耗的情况下，综合调节空压机转速与背压阀二的开度，实现阴极流场的压力与流量解耦控制；
控制器根据温度传感器二和温度传感器三得到的空压机冷却回路和中冷器冷却回路温度，实时调节三通阀一和三通阀二的开度来调节两冷却回路的温度；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论空气消耗量，并通过控制电磁阀开度来模拟实时空气消耗；控制器通过采集空压机转速与出口空气流量计算得到电堆阴极理论压降，并通过控制背压阀二的开度来模拟实时阴极压降。
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