CN114300718B - 一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法，包括如下步骤：(1)建立数据库；(2)根据目标功率，选择对应数据库，然后确定燃料电池电堆中单电池的数量N，最终确定燃料电池电堆的长度L；(3)确定风扇数量；(4)布局建模；(5)搭载实物。本发明将基础单元信息都集中保存于平台数据库中，根据开发输入条件，选取一定数量的单元组成模块，基于模块组合形成开发所需的新产品，减少开发工作量，增加系统通用度，缩短开发周期。

Description

一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法。

背景技术

燃料电池目前是一个新兴行业，其应用场景非常广泛，但是市场规模相对较少，大多数用户都是根据自己的需求提出了定制化开发产品，定制化开发存在周期长、质量不可靠等缺陷，因此要对于原型机的开发需要简化工作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法，所述开发方法包括如下步骤：

(1)建立数据库：按照燃料电池的额定功率分成N类数据库，且每类数据库分成硬件通用部分、硬件变动部分、软件通用部分和软件变动部分，所述硬件通用部分和硬件变动部分包括固定型号的硬件设备；所述软件通用部分和软件变动部分包括固定的控制程序；

(2)根据目标功率，选择对应数据库，然后确定燃料电池电堆中单电池的数量N，以及燃料电池电堆的长度L；

(3)根据步骤(2)所得长度L，确定风扇的数量；

(4)根据目标功率，调取对应数据库中的硬件设备及控制程序，并在建模软件中将所述硬件设备对应的硬件模型进行布局，确立硬件设备的安装模型；同时，将控制程序下载至控制系统芯片中；

(5)按照所述安装模型搭建目标风冷燃料电池原型机，并通过所述控制系统芯片对所述风冷燃料电池原型机的运行进行控制。

在本申请中，将燃料电池系统进行模块化分解，主要分解为硬件和软件，其中硬件含通用部分和变动部分。而且每个数据库内都有固定不变的硬件和软件，当风冷燃料电池原型机的目标功率确定后，即可根据开发输入条件，选取一定数量的单元组成模块，基于模块组合形成开发所需的新产品。

在第一方面的一种实施方式中，步骤(1)中，按照燃料电池的额定功率分成3～6类数据库。

在第一方面的一种实施方式中，步骤(1)中，按照燃料电池的额定功率分成3类数据库，包括A类数据库、B类数据库以及C类数据库，且所述A类数据库内的单片电池的额定功率不超过7.2w；所述B类数据库内的单片电池的额定功率不超过24w；所述C类数据库内的单片电池的额定功率不超过48w。

在第一方面的一种实施方式中，步骤(2)中，当目标功率小于500w时，选择A类数据库；当目标功率大于等于500w且小于等于2500w时，选择B类数据库；当目标功率大于2500w时，选择C类数据库。

在第一方面的一种实施方式中，所述硬件通用部分包括端板进气集成模块、端板排气集成模块、电气控制模块、控制器。

在第一方面的一种实施方式中，所述硬件变动部分包括燃料电池电堆模块、热管理模块、DC/DC模块和供电模块，燃料电池电堆模块包括端板、集流板、绝缘板等零部件，热管理模块包括风扇、冷却管道等零部件。

在第一方面的一种实施方式中，所述软件通用部分包括了系统主程序、电堆温度控制程序、排气控制程序、加载控制程序、降载控制程序、开机控制程序、关机控制程序和能量管理控制程序。

在第一方面的一种实施方式中，所述软件变动部分包括了低温控制程序、高温控制程序、高海拔控制程序。

在第一方面的一种实施方式中，所述端板进气集成模块集成了压力传感器、温度传感器、进气电磁阀、吹扫电磁阀、吹扫泵。

在第一方面的一种实施方式中，所述端板排气集成模块包含了排气电磁阀、排气压力传感器。

在第一方面的一种实施方式中，步骤(2)中，所述单电池的数量N＝P*1.15/单电池额定功率，其中，P为目标功率，当P*1.15/单电池额定功率无法整除时，N向上+1取整。

在第一方面的一种实施方式中，所述燃料电池电堆的长度L＝L1+N*L0，其中，L1为燃料电池电堆两端固定部分的长度，所述固定部分包括端板、集流板和绝缘板，在对应的数据库中，L1为固定数值；L0为单电池的厚度。

在第一方面的一种实施方式中，步骤(3)中，风扇的数量X＝L/R，其中，R为对应的数据库中风扇的直径。当L/R无法整除时，X向上取整。

在第一方面的一种实施方式中，硬件模型进行布局所用的建模软件为Solidwork；控制程序通过keil软件下载至控制系统芯片中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)将燃料电池系统进行模块化分解，且基础单元信息都集中保存于平台数据库中，根据开发输入条件，选取一定数量的单元组成模块，基于模块组合形成开发所需的新产品。

(2)通过大量的测试验证，对燃料电池系统进行合理的分割，形成了多个基础单元，各基础单元之间基本互不干涉，只对最终形成的新产品产生影响，而不会因为某一个单元选择与否或者数量的对少对其他基础单元产生影响。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

实施例

下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

1)数据库建立：数据库的分类分为三级，第一级是根据电极的有效面积来分，第二级根据适用性来分，第三级根据功能来分。举例来说，第一级分为三类：A类单片额定功率7.2W、B类单片额定功率24W和C类单片额定功率48W；第二级分为两类硬件和软件；第三级分为两类通用部分和变动部分；通用部分和变动部分包含了具体的零件和组件名称。硬件通用部分包括端板进气集成模块、端板排气集成模块、电气控制模块、控制器，其中端板进气集成模块集成了压力传感器、温度传感器、进气电磁阀、吹扫电磁阀、吹扫泵，端板排气集成模块包含了排气电磁阀、排气压力传感器。硬件变动部分包括燃料电池电堆模块、热管理模块、DC/DC模块和供电模块。软件通用部分包括了系统主程序、电堆温度控制程序、排气控制程序、加载控制程序、降载控制程序、开机控制程序、关机控制程序和能量管理控制程序，软件变动部分包括了低温控制程序、高温控制程序、高海拔控制程序。

2)第一步输入原型机要求功率数值，获取变动部分的燃料电池电堆信息，数据库计算逻辑如下：当原型机功率P＜500W时，选择A类，当500W≤P≤2500W时选择B类，当2500＜P≤6kW时选择C类。电堆的片数有以下公式取得N＝P×1.15/(A/B/C单片额定功率)。同时，电堆长度由公式L＝L1+N×L0，其中L1对应的A/B/C三类端板、集流板和绝缘板等固定部分长度，L0对应A/B/C三类单片长度。

3)第二步根据获取的电堆信息，输入电堆长度，获得热管理模块信息，数据库计算逻辑如下：A、B、C三类分别对应三款风扇RA、RB、RC，个数由公式L/(RA、RB、RC直径)获取。

4)根据燃料电池原型机功率要求进行硬件选型，选择方法是通过数据库第二级硬件下的通用部分和变动部分，通过数据库调取硬件模型，使用Solidwork软件进行快速布局和内部模型建立；

5)根据燃料电池原型机功能要求进行软件选择，选择方法是通过数据库依次选择第二级软件下的通用部分和变动部分，通过keil软件将控制策略下载到控制系统芯片。

6)根据建立模型搭建原型机实物；

7)通过标定程序对系统中的燃料电池传感器进行标定。

以具体操作为例，客户要求定制一套系统功率为200w的燃料电池系统，具体如下：

当输入功率要求是系统功率200W时，选择A类数据库，由于系统寄生功耗约为系统功率10％-15％，因此电堆功率选择为200W×1.15＝230W，单电池片数为n＝230÷7.2＝31.9，向上+1取整后为32，电堆片为32片，电堆的总长度根据计算得到为124cm。硬件通用部分选择A类库中自行开发的进气集成模块、排气集成模块、电气控制模块和控制器，其中模块中使用到的重要外购件为电磁阀，电磁阀为面贴式电磁阀，型号为SV764-XD25-21/OS，通径为2mm。在硬件变动部分，核心是热管理模块，其中的重要元器件为风扇，A类数据库中风扇型号为9WL0624P4J001，风量1.4m³/min，最大静压300Pa，外形尺寸为60×60×25mm，根据电堆的长度，计算得到采用两个风扇。软件部分，根据用户的需求，只需要采用常规的控制策略即可，包括开机、关机、加载、能量管理等，如有特殊要求，例如有低温要求，则需要加入低温启动策略，见CN111916787A《一种微型燃料电池及其低温启动运行方法》，如果搭配的是现场化学制氢，则需要加入压力管控策略，见，CN111463458A《一种现场制氢燃料电池系统的能量和压力管控方法及系统》。然后根据软件建模，设计加工一些必要的钣金件，最后根据建模完成实物组装。采用测试设备，检测燃料电池系统的功能和输出功率满足用户要求即可。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。

Claims (6)

1.一种小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，所述开发方法包括如下步骤：

(1)建立数据库：按照燃料电池的额定功率分成N类数据库，且每类数据库分成硬件通用部分、硬件变动部分、软件通用部分和软件变动部分，所述硬件通用部分和硬件变动部分包括固定型号的硬件设备；所述软件通用部分和软件变动部分包括固定的控制程序，所述硬件通用部分包括端板进气集成模块、端板排气集成模块、电气控制模块、控制器；所述硬件变动部分包括燃料电池电堆模块、热管理模块、DC/DC模块和供电模块；所述软件通用部分包括了系统主程序、电堆温度控制程序、排气控制程序、加载控制程序、降载控制程序、开机控制程序、关机控制程序和能量管理控制程序；所述软件变动部分包括了低温控制程序、高温控制程序、高海拔控制程序；

(2)根据目标功率，选择对应数据库，然后确定燃料电池电堆中单电池的数量N，以及燃料电池电堆的长度L，所述单电池的数量N＝P*1.15/单电池额定功率，其中，P为目标功率；所述燃料电池电堆的长度L＝L1+N*L0，其中，L1为燃料电池电堆两端固定部分的长度，所述固定部分包括端板、集流板和绝缘板，在对应的数据库中，L1为固定数值；L0为单电池的厚度；

(3)根据步骤(2)所得长度L，确定风扇的数量，风扇的数量X＝L/R，其中，R为对应的数据库中风扇的直径；

(4)根据目标功率，调取对应数据库中的硬件设备及控制程序，并在建模软件中将所述硬件设备对应的硬件模型进行布局，确立硬件设备的安装模型；同时，将控制程序下载至控制系统芯片中；

(5)按照所述安装模型搭建目标风冷燃料电池原型机，并通过所述控制系统芯片对所述风冷燃料电池原型机的运行进行控制。

2.如权利要求1所述的小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，步骤(1)中，按照燃料电池的额定功率分成3～6类数据库。

3.如权利要求2所述的小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，步骤(1)中，按照燃料电池的额定功率分成3类数据库，包括A类数据库、B类数据库以及C类数据库，且

所述A类数据库内的单片电池的额定功率不超过7.2w；所述B类数据库内的单片电池的额定功率不超过24w；所述C类数据库内的单片电池的额定功率不超过48w。

4.如权利要求3所述的小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，步骤(2)中，当目标功率小于500w时，选择A类数据库；当目标功率大于等于500w且小于等于2500w时，选择B类数据库；当目标功率大于2500w时，选择C类数据库。

5.如权利要求4所述的小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，所述端板进气集成模块集成了压力传感器、温度传感器、进气电磁阀、吹扫电磁阀、吹扫泵；

所述端板排气集成模块包含了排气电磁阀、排气压力传感器。

6.如权利要求1所述的小型风冷燃料电池原型机的开发方法，其特征在于，硬件模型进行布局所用的建模软件为Solidwork；控制程序通过keil软件下载至控制系统芯片中。