CN113224356B - 一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法 - Google Patents

一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法，涉及燃料电池汽车技术领域，该种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法，包括第一化学过滤器、空压机、储气瓶、空气引射器、电堆、第二化学过滤器、汽轮机以及负载；所述第一化学过滤器与空压机、空压机与储气瓶均是通过管道连接，所述第一化学过滤器与空压机之间安装有大气压压力传感器，所述空压机与储气瓶之安装有第一单向阀；所述储气瓶与空气引射器之安装有第二单向阀和比例阀，所述空气引射器的回流口与汽轮机的排气口连接。通过设计高低海拔环境自适应系统，有效解决了氢燃料电池汽车自适应高低海拔等路况，使燃料电池汽车更节能、更智能，从而使其工作效率大大提高。

Description

一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池汽车技术领域，特别涉及一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料电池化学能直接转换成电能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要给电堆提供足够的氢气和氧气，燃料电池就能源源不断发出电能，而且燃料电池比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，我国大约有37％的国土面积是在2000米以上，其中平均海拔高于4000米的青藏高原就占到国土面积的25％，大气的质量愈近海平面愈密集，大气压包括氧分压愈大；海拔越高，大气压及氧分压相应降低，即海拔每升高100米，大气压下降5.9毫米汞柱，氧分压下降约1.2毫米汞柱。
燃料电池发动机在高海拔地区运行时，随着海拔的升高空气越来越稀薄，极易导致空压机空气供给量减小，从而导致进入电堆的空气含量减少，参与燃料电池中电化学反应的氧气也逐步减小，从而导致燃料电池出现“缺氧”现象，造成动力性、经济性下降，为了使燃料电池发动机系统能适应高低海拔环境，输出正常的功率目标，因此需要保证燃料电池发动机系统有适宜的氧气供燃料电池堆参与电化学反应，将化学能转换成电能，供汽车行驶，因此，现在亟需一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统及其控制方法。
发明内容
本发明提出一种燃料电池空气流量供给的环境自适应控制方法，解决了现有技术中燃料电池发动机在高海拔地区运行时，随着海拔的升高空气越来越稀薄，极易导致空压机空气供给量减小，从而导致进入电堆的空气含量减少，参与燃料电池中电化学反应的氧气也逐步减小，从而导致燃料电池出现“缺氧”现象，造成动力性、经济性下降的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统，包括第一化学过滤器、空压机、储气瓶、空气引射器、电堆、第二化学过滤器、汽轮机以及负载；
所述第一化学过滤器与空压机之间安装有大气压力传感器，所述空压机与储气瓶之间安装有第一单向阀；
所述储气瓶与空气引射器之间安装有第二单向阀和比例阀，所述空气引射器的回流口与汽轮机的排气口连接，所述空气引射器与汽轮机之间安装有第三单向阀和第二空气流量计；
所述空气引射器的一端与电堆入口连接，且所述空气引射器与电堆之间安装有第一空气流量计和进堆压力传感器，所述电堆与负载之间安装有电流传感器；
所述电堆的出口与三通阀的1位连接，且电堆出口与三通阀之间安装有背压阀，所述三通阀的2位与汽轮机的转子进气口连接，所述汽轮机空气入口与第二化学过滤器连接。
所述的一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统的控制方法其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.主控通过电流传感器、大气压力传感器采集电堆输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，以及电堆所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，当系统处在低海拔时，三通阀的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器采集到的电流和进入电堆空气压力的拟合函数调节空压机目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；S3.通过调节比例阀和背压阀控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，大气压力传感器检测到海拔高度的变化，根据海拔高度的影响折算后所需额外空气流量为QH-Q，式中Q为在低海拔下正常所需的空气流量；通过采集大气压力传感器数值，主控判断海拔高度变化相应调节增加三通阀的1、2位的开度，减小1、3位的开度，电堆剩余尾排气驱动汽轮机使空气引射器回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算的流量。
作为一优选的实施方式，所述第一化学过滤器与空压机、空压机与储气瓶均是通过管道连接。
作为一优选的实施方式，所述汽轮机的转子出口与大气相连。
一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统的控制方法，包括以下具体步骤：
S1.主控通过电流传感器、大气压力传感器采集电堆输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，以及电堆所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，当系统处在低海拔时，三通阀的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器采集到的电流和进入电堆空气压力的拟合函数调节空压机目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；
S3.通过调节比例阀和背压阀控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，大气压力传感器检测到海拔高度的变化，根据海拔高度的影响折算后所需额外空气流量为QH-Q，式中Q为在低海拔下正常所需的空气流量；通过采集大气压力传感器(2)数值，主控判断海拔高度变化相应调节增加三通阀的1、2位的开度，减小1、3位的开度，电堆剩余尾排气驱动汽轮机使空气引射器回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算的流量。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1、该种燃料电池空气流量供给的环境自适应控制方法，可以使燃料电池发动机系统能适应高低海拔环境，输出正常的功率，保证燃料电池发动机系统有适宜的氧气供燃料电池堆参与电化学反应，将化学能转换成电能，供汽车行驶。
2、该种燃料电池空气流量供给的环境自适应控制方法，通过设计高低海拔环境自适应系统，有效解决了氢燃料电池汽车自适应高低海拔等路况，充分利用尾排空气剩余能量，提高燃料电池系统发电效率，使燃料电池汽车更节能、更智能，从而使其工作效率大大提高，值得大力推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的燃料电池空气流量供给的高低海拔环境自适应系统原理图；
图2为本发明实施例的电堆入口空气压力与电流关系图表；
图3为本发明实施例的空压机转速与储气瓶压力关系图表；
图4为本发明实施例的燃料电池空气流量供给的高低海拔环境自适应系统控制框图；
图5本发明实施例的燃料电池空气流量供给的高低海拔环境自适应系统控制流程图。
图中，1、第一化学过滤器；2、大气压压力传感器；3、空压机；4、第一单向阀；5、储气瓶；6、第二单向阀；7、比例阀；8、空气引射器；9、第一空气流量计；10、进堆压力传感器；11、电堆；12、背压阀；13、三通阀；14、第二化学过滤器；15、汽轮机；16、第三单向阀；17、第二空气流量计；18、负载；19、电流传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-5所示，一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统，包括第一化学过滤器1、空压机3、储气瓶5、空气引射器8、电堆11、第二化学过滤器14、汽轮机15以及负载18；
第一化学过滤器1与空压机3之间安装有大气压力传感器2，空压机3与储气瓶5之间安装有第一单向阀4；
储气瓶5与空气引射器8之间安装有第二单向阀6和比例阀7，空气引射器8的回流口与汽轮机15的排气口连接，空气引射器8与汽轮机15之间安装有第三单向阀16和第二空气流量计17；
空气引射器8的一端与电堆11入口连接，且空气引射器8与电堆11之间安装有第一空气流量计9和进堆压力传感器10，电堆11与负载18之间安装有电流传感器19；
电堆11的出口与三通阀13的1位连接，且电堆11出口与三通阀13之间安装有背压阀12，三通阀13的2位与汽轮机15的转子进气口连接，汽轮机15空气入口与第二化学过滤器14连接。
一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统的控制方法其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.主控通过电流传感器(19)、大气压力传感器(2)采集电堆(11)输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，以及电堆(11)所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器(2)采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，当系统处在低海拔时，三通阀(13)的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器(19)采集到的电流和进入电堆(11)空气压力的拟合函数调节空压机(3)目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶(5)压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；
S3.通过调节比例阀(7)和背压阀(12)控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，大气压力传感器(2)检测到海拔高度的变化，根据海拔高度的影响折算后所需额外空气流量为QH-Q，式中Q为在低海拔下正常所需的空气流量；通过采集大气压力传感器(2)数值，主控判断海拔高度变化相应调节增加三通阀(13)的1、2位的开度，减小1、3位的开度，电堆(11)剩余尾排气驱动汽轮机(15)使空气引射器(8)回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算的流量。
第一化学过滤器1与空压机3、空压机3与储气瓶5均是通过管道连接。
汽轮机15的转子出口与大气相连。
一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统的控制方法，包括以下具体步骤：
S1.主控通过电流传感器19、大气压力传感器2采集电堆11输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，QH为当前电流下所处海拔高度下的理论所需空气流量，x为海拔高度，以及电堆(11)所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器2采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，如果处在正常低海拔位置，三通阀13的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器19采集到的电流和进入电堆11空气压力的拟合函数调节空压机3目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶5压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；
S3.通过调节比例阀7和背压阀12控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，根据大气压力传感器检测的数据折算后的所需额外空气流量为QH-Q，式中Q＝λ×I×3.57×10-7为低海拔下正常所需的空气流量；主控通过采集大气压力传感器数值判断海拔高度的变化相应调节调节增加三通阀(13)的1、2位的开度，减小1、3位的开度电堆，电堆(11)剩余尾排气驱动汽轮机(15)使空气引射器(8)回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算的流量。
在低海拔情况下燃料电池所需的氧气是以空气形式供给的，所以电堆所需空气流量为：Q＝λ×I×3.57×10-7，式中，Q为电堆所在输出电流的需求空气流量，λ为所在输出电流的空气化学计量比，I电堆所在输出电流；
空气含氧量与海拔关系为：f(x)＝33400/x+1606，式中：x为海拔高度，f(x)为空气含氧量；加上海拔的影响，实际电堆对空气的需求为：QH＝Q/f(x)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统，其特征在于：包括第一化学过滤器(1)、空压机(3)、储气瓶(5)、空气引射器(8)、电堆(11)、第二化学过滤器(14)、汽轮机(15)以及负载(18)；
所述第一化学过滤器(1)与空压机(3)之间安装有大气压力传感器(2)，所述空压机(3)与储气瓶(5)之间安装有第一单向阀(4)；
所述储气瓶(5)与空气引射器(8)之间安装有第二单向阀(6)和比例阀(7)，所述空气引射器(8)的回流口与汽轮机(15)的排气口连接，所述空气引射器(8)与汽轮机(15)之间安装有第三单向阀(16)和第二空气流量计(17)；
所述空气引射器(8)的一端与电堆(11)入口连接，且所述空气引射器(8)与电堆(11)之间安装有第一空气流量计(9)和进堆压力传感器(10)，所述电堆(11)与负载(18)之间安装有电流传感器(19)；
所述电堆(11)的出口与三通阀(13)的1位连接，且电堆(11)出口与三通阀(13)之间安装有背压阀(12)，所述三通阀(13)的2位与汽轮机(15)的转子进气口连接，所述汽轮机(15)的空气入口与第二化学过滤器(14)连接；
所述的一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统通过如下步骤控制：
S1.主控通过电流传感器(19)、大气压力传感器(2)采集电堆(11)输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，以及电堆(11)所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器(2)采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，当系统处在低海拔时，三通阀(13)的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器(19)采集到的电流和进入电堆(11)空气压力的拟合函数调节空压机(3)目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶(5)压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；
S3.通过调节比例阀(7)和背压阀(12)控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，大气压力传感器(2)检测到海拔高度的变化，根据海拔高度的影响折算后所需额外空气流量为QH-Q，式中Q＝λ×I×3.57×10-7为在低海拔下正常所需的空气流量；通过采集大气压力传感器(2)数值，主控判断海拔高度变化相应调节增加三通阀(13)的1、2位的开度，减小1、3位的开度，电堆(11)剩余尾排气驱动汽轮机(15)使空气引射器(8)回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算后所需额外空气流量。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统，其特征在于：所述第一化学过滤器(1)与空压机(3)、空压机(3)与储气瓶(5)均是通过管道连接。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统，其特征在于：所述汽轮机(15)的转子出口与大气相连。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池空气流量供给的环境自适应系统的控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.主控通过电流传感器(19)、大气压力传感器(2)采集电堆(11)输出电流和目前所处海拔高度，根据采集到的电流和海拔高度计算出理论所需的空气流量QH＝(λ×I×3.57×10-7)×(x+1606)/33400，以及电堆(11)所对应的空气压力P＝-1.354×10-8×I3+7.667×10-6×I2+0.0022×I+0.024；
S2.通过大气压力传感器(2)采集到的信号判断目前系统是否处在低海拔位置，当系统处在低海拔时，三通阀(13)的1、3位开，2位关闭，并根据电流传感器(19)采集到的电流和进入电堆(11)空气压力的拟合函数调节空压机(3)目前所处电流等级下的转速，并始终让储气瓶(5)压力高于目前处在电流等级下入堆空气压力；
S3.通过调节比例阀(7)和背压阀(12)控制入堆空气流量和压力达到所处电流等级下的条件；
S4.当所处海拔高度在变高时，大气压力传感器(2)检测到海拔高度的变化，根据海拔高度的影响折算后所需额外空气流量为QH-Q，式中Q＝λ×I×3.57×10-7为在低海拔下正常所需的空气流量；通过采集大气压力传感器(2)数值，主控判断海拔高度变化相应调节增加三通阀(13)的1、2位的开度，减小1、3位的开度，电堆(11)剩余尾排气驱动汽轮机(15)使空气引射器(8)回流口空气回流，使空气回流的流量满足当前电流功率等级下所处海拔折算后所需额外空气流量。
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