CN113161583B - 一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开公开的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统，其包括：构建用于模拟汽水分离器输入气体的气体输入模块、用于模拟汽水分离器输出气体的气体输出模块、用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟汽水分离器排水的排水阀模块及排水控制模块；向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；根据仿真模拟结果对燃料电池系统汽水分离器的性能进行评价。实现了通过仿真模拟对燃料电池汽水分离器的性能进行评价。

Description

一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统
技术领域
本发明涉及汽水分离器性能仿真技术领域，尤其涉及一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来我国燃料电池客车市场持续快速增长，车型种类更加丰富，大型客车占比显著提升，系统功率稳步提升，市场格局不断变化。在燃料电池汽车示范推广政策的利好下，未来几年燃料电池客车市场将保持平稳快速增长，应用场景日趋多元化，高技术产品加快推广，用车环境更加成熟。
燃料电池系统是燃料电池客车的核心动力系统，由氢气供应系统，氢气供应系统，水热管理系统及电堆组成。各子系统所涉及的零部件包括减压阀、比例阀、氢气循环泵、汽水分离器、空压机、中冷器、加湿器、水泵、PTC加热器等。
电堆是燃料电池系统发电的核心部件，各子系统都是为电堆正常发电服务的。燃料电池电堆保持正常运行的条件是极其苛刻的，在各零部件匹配良好的情况下，要能够使电堆各单片电压一致性良好，要满足这一需求就要避免燃料电池电堆水淹的出现，即燃料电池内部所净生成水能够顺利排出。
汽水分离器作为氢气供应系统的核心零部件，其作用就是将电堆阳极液态水排出，防止阳极水淹，是燃料电池系统正常运行的重要部件。因此，如何对汽水分离器性能进行准确评估尤为重要。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种燃料电池汽水分离器性能评价方法及系统，实现了通过仿真模拟的方式对燃料电池汽水分离器的性能进行准确评估。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，包括：
构建用于模拟汽水分离器输入气体的气体输入模块、用于模拟汽水分离器输出气体的气体输出模块、用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟汽水分离器排水的排水阀模块及排水控制模块；
向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；
根据仿真模拟结果对燃料电池系统汽水分离器的性能进行评价。
第二方面，提出了一种燃料电池汽水分离器性能评价系统，包括：
模型构建模块，用于构建用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟容腔模块输入气体的气体输入模块、用于模拟容腔模块输出气体的气体输出模块、用于模拟容腔模块排水的排水阀模块及排水控制模块；
仿真模拟模块，用于向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；
性能分析模块，用于根据仿真模拟结果对燃料电池汽水分离器的性能进行评价。
第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成一种燃料电池汽水分离器性能评价方法所述的步骤。
第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成一种燃料电池汽水分离器性能评价方法所述的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开通过仿真的方式对燃料电池汽水分离器性能进行提前预判，有助于汽水分离器选型，降低燃料电池系统运行过程中的后期风险，节约开发成本。
2、本公开在构建汽水分离器的仿真模型时，将汽水分离器各个模块进行详细拆分，通过模型的方式表现出来，能够精确的仿真出燃料电池汽水分离器前后气体湿度的变化、燃料电池汽水分离器控制模块排水开关信号的变化、燃料电池汽水分离器中水量的变化。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1公开仿真方法流程图；
图2为本公开实施例1构建的仿真模型的结构框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，包括：
构建用于模拟汽水分离器输入气体的气体输入模块、用于模拟汽水分离器输出气体的气体输出模块、用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟汽水分离器排水的排水阀模块及排水控制模块；
向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；
根据仿真模拟结果对燃料电池系统汽水分离器的性能进行评价。
进一步的，容腔模块与排水阀模块连接，通过排水阀模块控制容腔模块中液体的排出；
容腔模块分别与气体输入模块、气体输出模块、排水控制模块进行信号连接，排水控制模块与排水阀模块信号连接，通过气体输入模块设定容腔模块中输入混合气体信号，通过气体输出模块设定输出容腔模块分离液体后的混合气体的压力及温度，通过排水控制模块的排水开关信号控制排水阀模块的开启关闭。
进一步的，向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真的具体过程为：
根据汽水分离器的实际参数设定容腔模块容腔的体积及混合气体冷凝物的排序等级；
设定容腔模块输出混合气体的温度及压力；
设定排水控制模块的排水阈值及开关信号；
向容腔模块中输入设定温度、压力及混合气体比例的混合气体，采集输出容腔模块混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化。
进一步的，通过气体输入模块设定输入容腔模块混合气体的温度、压力及混合气体比例；
通过气体输出模块设定输出容腔模块混合气体的温度及压力，并获取输出容腔模块的混合气体湿度。
进一步的，通过排水阈值设定排水控制模块的开关信号。
进一步的，排水控制模块通过感应容腔模块中液体的量来输出开关信号。
进一步的，通过判断输出容腔模块的混合气体湿度值是否满足要求、排水阀莫开是否受排水控制模块控制、容腔模块中水量变化是否符合预期，来对燃料电池系统汽水分离器的性能进行评价。
对该实施例中公开的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法进行详细说明。
本实施例提出的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，通过建立用于模拟燃料电池汽水分离器性能仿真的集成模型，根据待仿真的汽水分析器确定模型的各项物理参数，向确定物理参数的模型中输入具有一定湿度的气体信号，仿真获得燃料电池系统汽水分离器前后气体湿度的变化、燃料电池系统汽水分离器控制模块排水开关信号的变化、燃料电池系统汽水分离器中水量的变化，由此获得待测试燃料电池系统汽水分离器的性能评价结果，以解决现有技术中无法对燃料电池汽水分离器性能进行提前预判的问题，结合图1、2对本实施例中公开的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法进行详细说明。
如图1所示，一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，包括：
S1：建立用于模拟燃料电池汽水分离器性能仿真的集成模型。
在具体实施中，构建的集成模型包括用于模拟燃料电池系统汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟容腔模块输入气体的气体输入模块、用于模拟容腔模块输出气体的气体输出模块、用于容腔模块排水的排水阀模块及排水控制模块。
建立容腔模块、气体输入模块、气体输出模块、排水阀模块及排水控制模块的具体过程为：
定义混合气体类型；
建立恒定温度、恒定压力及可变混合气体比例的气体输入模块；
建立恒定温度、恒定质量流量及可变混合气体比例的气体输出模块；
建立具有混合气输入接口、液体输出接口及信号接口的燃料电池汽水分离器的容腔模块；
建立具有控制接口及液体输入输出接口的阀作为燃料电池汽水分离器的排水阀模块；
根据阀门排水的阈值建立具有开关信号的排水控制模块。
如图2所示，气体输入模块与容腔模块、气体输出模块与容腔模块均为信号连接，容腔模块与排水阀模块进行机械连接，容腔模块、排水阀控制模块、排水阀模块依次进行信号连接。
在预定义的混合气体类型前提下，带有混合气输入接口、液体输出接口及信号接口的燃料电池汽水分离器容腔模块通过接收气体输入模块输入的恒定温度、恒定压力及可变混合气体比例的气体信号及气体输出模块输入的恒定温度、恒定质量流量及可变混合气体比例的气体输出信号来确定通过容腔模块的气体量，排水控制模块通过感应容腔模块中液态水的量实现对排水阀模块的控制，根据阀门排水的阈值建立的具有控制策略的开关信号的排水控制模块通过接收容腔模块中液态水的信号值来实现对具有控制接口及液体输入输出接口的排水阀模块的控制。
S2：向构建的模型中输入一定湿度的混合气体信号进行仿真模拟，获得燃料电池汽水分离器性能的仿真模拟结果，包括：输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化，通过输出容腔模块的混合气体湿度获得燃料电池汽水分离器前后气体湿度的变化、通过排水控制模块排水开关信号的变化获得燃料电池汽水分离器排水控制模块排水开关信号的变化、通过容腔模块中水量的变化获得燃料电池汽水分离器中水量的变化。
在具体实施中，
根据所要仿真的燃料电池汽水分离器的实际参数设定容腔模块容腔的体积、混合气体冷凝物的排序等级及湿空气指数；
通过气体输出模块向容腔模块中输入具有建立恒定温度、恒定质量流量的气体输出信号，输出的混合气体的湿度跟随燃料电池汽水分离器后端的气体的湿度变化而变化；
设定排水阀控制模块的排水阈值，通过排水阀控制模块建立排水控制策略，即通过感应容腔中水量变化，依据设置的排水阈值，向排水阀模块发送阀门开关信号，设定开关信号的开信号是1，关信号是0；
设定排水阀模块的阀输入电流和流体指数；
通过气体输入模块设定输入容腔模块的具有恒定温度、恒定压力且一定湿度的混合气体信号，进行燃料电池汽水分离器的性能仿真，获取输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化。
其中混合气体的湿度通过调整混合气体中水的比例来调控。
S3：依据获得的仿真结果，对燃料电池汽水分离器的性能进行评价，获取料电池汽水分离器的性能评价结果。
根据仿真结果，判断当输入容腔模块混合气体的湿度大于100％时，输出容腔模块混合气体的湿度值是否满足要求；
判断排水控制模块发出的控制信号是否是在1和0之间跳跃变化；
判断容腔模块内水量在排水控制信号的跳跃变化下是否跟随变化；
若输出容腔模块混合气体的湿度值满足要求，排水阀模块受排水控制模块控制，容腔模块内水量变化符合预期，则待测试燃料电池汽水分离器的性能符合要求；
反之，则待测试燃料电池汽水分离器的性能评价不符合要求。
使用本实施例公开的仿真方法对某个型号的燃料电池汽水分离器进行性能评价时，根据汽水分离器的实际参数构建了汽水分离器模型；
设定气体输入模块的温度、压力、混合气体比例、混合气体类型指数分别为：300K，2bar，混合气体类型指数为10，即氢气和水(注：这个指数值指的就是定义的氢气和水这种混合气体，即在这个值下，部件通过的气体为氢气和水这种混合气体)，设定氢气的比例常数为0.999，水的比例常数为0.001、0.01、0.1这种阶跃信号，每个信号各持续100s，即氢气和水的比例为：0.999:0.001；(0.999/1.009):(0.01/1.009)；(0.999/1.099):(0.1/1.099)，每个比例持续100s。
设定气体输出模块的温度为300k，气体质量流量为-0.5g，负号表示气体流出，混合气体类型指数也为10，即氢气和水这种混合气体。
设定容腔模块的湿空气指数指的也是10，就是定义的这种混合气体，混合气体冷凝物排序等级为2，因为定义这种混合气体时，水在第二顺位，容腔的体积为1L。
设定排水阀模块的阀输入电流为1，即1表示阀门全开，0表示阀门全关，流体指数为1，即1代表水这种液体。
设定排水控制模块的排水阈值为10，即当水累积量为10g时，水排出。
开启仿真试验，获取仿真结果为：200s-300s之间，输入气体湿度为555％，输出气体湿度为101％，分离效果明显，基本满足要求。200s-300s之间，容腔中水质量在0-10g间循环变化。由于输入混合气体过饱和，分离器容腔中开始出现液态水并质量递增，当质量增至10g时，容腔中水量递减，水经过排水阀排出，满足要求。
根据结果可以获知该汽水分离器的评价结果为：满足要求。
可知，本公开通过仿真的方式对燃料电池汽水分离器性能进行提前预判，有助于汽水分离器选型，降低燃料电池系统运行过程中的后期风险，节约开发成本。在构建汽水分离器的仿真模型时，将汽水分离器各个模块进行详细拆分，通过模型的方式表现出来，能够精确的仿真出燃料电池汽水分离器前后气体湿度的变化、燃料电池汽水分离器控制模块排水开关信号的变化、燃料电池汽水分离器中水量的变化。
实施例2
在该实施例中，公开了一种燃料电池汽水分离器性能评价系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟容腔模块输入气体的气体输入模块、用于模拟容腔模块输出气体的气体输出模块、用于模拟容腔模块排水的排水阀模块及排水控制模块；
仿真模拟模块，用于向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；
性能分析模块，用于根据仿真模拟结果对燃料电池汽水分离器的性能进行评价。
实施例3
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法所述的步骤。
实施例4
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法所述的步骤。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，其特征在于，包括：
构建用于模拟汽水分离器输入气体的气体输入模块、用于模拟汽水分离器输出气体的气体输出模块、用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟汽水分离器排水的排水阀模块及排水控制模块；
容腔模块与排水阀模块连接，通过排水阀模块控制容腔模块中液体的排出；
容腔模块分别与气体输入模块、气体输出模块、排水控制模块进行信号连接，排水控制模块与排水阀模块信号连接，通过气体输入模块设定容腔模块中输入混合气体信号，通过气体输出模块设定输出容腔模块分离液体后的混合气体的压力及温度，通过排水控制模块的排水开关信号控制排水阀模块的开启关闭，通过排水阈值设定排水控制模块的开关信号，排水控制模块通过感应容腔模块中液体的量来输出开关信号；
向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真的具体过程为：
设定容腔模块容腔的体积及混合气体冷凝物的排序等级；
设定容腔模块输出混合气体的温度及压力；
设定排水控制模块的排水阈值和开关信号；
向容腔模块中输入设定温度、压力及混合气体比例的混合气体，获得燃料电池汽水分离器性能的仿真模拟结果，包括：输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号值的变化及容腔模块中水量的变化，进而采集输出容腔模块混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号值的变化及容腔模块中水量的变化；
通过判断输出容腔模块的混合气体湿度值是否满足要求、排水阀模块 是否受排水控制模块控制、容腔模块中水量变化是否符合预期，来对燃料电池系统汽水分离器的性能进行评价。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法，其特征在于，通过气体输入模块设定输入容腔模块混合气体的温度、压力及混合气体比例；
通过气体输出模块设定输出容腔模块混合气体的温度及压力，并获取输出容腔模块的混合气体湿度。
3.一种如权利要求1所述的燃料电池汽水分离器性能评价方法的燃料电池汽水分离器性能评价系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建用于模拟汽水分离器储水通气的容腔模块、用于模拟容腔模块输入气体的气体输入模块、用于模拟容腔模块输出气体的气体输出模块、用于模拟容腔模块排水的排水阀模块及排水控制模块；
仿真模拟模块，用于向容腔模块中输入混合气体信号进行仿真模拟，获取包括输出容腔模块的混合气体湿度、排水控制模块排水开关信号的变化及容腔模块中水量的变化的仿真模拟结果；
性能分析模块，用于根据仿真模拟结果对燃料电池汽水分离器的性能进行评价。
4.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-2任一项所述的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-2任一项所述的一种燃料电池汽水分离器性能评价方法的步骤。
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