CN114725446A - 燃料电池系统的流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种燃料电池系统的流量控制方法。燃料电池系统的流量控制方法包括：获取空压机的理论需求流量；获取流量传感器采集的实际流量；基于空压机的理论需求流量和流量传感器采集的实际流量获得流量偏差；基于流量偏差，对燃料电池系统的流量进行调控。本申请的燃料电池系统的流量控制方法，通过获取所述空压机的理论需求流量以及获取所述流量传感器采集的实际流量，基于所述空压机的理论需求流量和所述流量传感器采集的实际流量获得流量偏差，再基于所述流量偏差对所述燃料电池系统的流量进行调控，以使燃料电池系统的流量被合理的调控，避免流量浪费或者流量不足导致系统空耗造成损坏，提高燃料电池系统效率，进而提高燃料电池系统寿命。

Description

燃料电池系统的流量控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统的流量控制方法。

背景技术

当前国内主要乘用车的能源路线规划的一般为混动和纯电动路线，商用车为混动或者燃料电池的技术路线，燃料电池以氢气为原料，反映的产物为水，在工作过程中不会再额外产生其它污染物排放，且与纯电车辆相比具有续航里程的优势，所以燃料电池更适合作为长途商用车辆的理想能源供给方式。

在燃料电池的电控系统中，气路的控制对整个系统能否高响应、高稳定的输出电能至关重要；气路控制过程会影响到燃料电池的进气排气流量等关键因素。现有技术中，燃料电池系统的结构设置和系统控制方法不完善，导致燃料电池系统的流量控制不够合理，造成能源浪费或加速电池系统老化等问题。

发明内容

为解决上述燃料电池系统的结构设置和系统控制方法不完善导致流量控制不够合理的问题，本发明设计了一种燃料电池系统的流量控制方法。

本申请提供了一种燃料电池系统的流量控制方法，所述燃料电池系统包括：电堆、进气管路、排气管路、第一旁路、流量传感器、空压机及进气旁通阀；所述进气管路的一端与所述电堆的进气口连通，另一端为进气端；所述排气管路的一端与所述电堆的排气口连通，另一端为排气端；所述空压机与所述进气管路及所述排气管路均相连通；所述流量传感器位于所述进气管路上，其且位于所述空压机与所述进气端之间；所述第一旁路一端与所述进气管路相连通，另一端与所述排气管路相连通；所述进气旁通阀位于所述第一旁路上；所述燃料电池系统的流量控制方法包括：

获取所述空压机的理论需求流量；

获取所述流量传感器采集的实际流量；

基于所述空压机的理论需求流量和所述流量传感器采集的实际流量获得流量偏差；

基于所述流量偏差，对所述燃料电池系统的流量进行调控。

在其中一个实施例中，所述获取所述空压机的理论需求流量，包括：

获取所述电堆的进气需求流量；

获取所述空压机的空气轴承的需求流量；

获取所述进气旁通阀的排气流量；

基于所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量，得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量。

在其中一个实施例中，所述基于所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量，得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量，包括：

将所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量进行加和，以得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量。

在其中一个实施例中，所述空气轴承的需求流量为支撑所述空压机的所述空气轴承所需的空气流量。

在其中一个实施例中，所述获取所述进气旁通阀的排气流量，包括：

获取所述空压机的最小理论需求流量；

获取所述电堆修正后的进气需求流量；

基于所述空压机的最小理论需求流量及所述电堆修正后的进气需求流量，获得所述进气旁通阀的排气流量。

在其中一个实施例中，所述燃料电池系统还包括空压机涡前压力传感器及进堆压力传感器，所述空压机涡前压力传感器位于所述排气管路上，且位于所述第一旁路与所述空压机之间；所述进堆压力传感器位于所述进气管路上，且位于所述电堆的进口处；所述获取所述空压机的最小理论需求流量包括：

将所述进堆压力传感器侦测的压力值除以所述空压机涡前压力传感器侦测的压力值，以得到压比；

基于所述压比及所述空压机的固有特性得到所述空压机的最小理论需求流量。

在其中一个实施例中，所所述燃料电池系统还包括第二旁路及涡轮旁通阀，所述第二旁路两端均与所述排气管路相连通，一端位于所述空压机与所述排气端之间，另一端位于所述空压机与所述第一旁路之间；所述涡轮旁通阀位于所述第二旁路上；所述燃料电池系统的流量控制方法还包括：

检测所述空压机是否发生喘振；

若是，则打开所述进气旁通阀及所述涡轮旁通阀进行排气。

在其中一个实施例中，所述检测所述空压机是否发生喘振包括：

根据所述空压机的实际转速得到喘振流量；

基于所述喘振流量判断所述空压机是否发生喘振。

在其中一个实施例中，当需要打开所述进气旁通阀时，基于喷管等熵流动方程得到所述进气旁通阀的控制因子，基于所述控制因子控制所述进气旁通阀的开度。

在其中一个实施例中，所述基于所述流量偏差，对所述燃料电池系统的流量进行调控包括：

基于所述流量偏差，对所述空压机的转速进行调控，以对所述燃料电池系统的流量进行调控。

本发明的燃料电池系统的流量控制方法，通过获取所述空压机的理论需求流量以及获取所述流量传感器采集的实际流量，基于所述空压机的理论需求流量和所述流量传感器采集的实际流量获得流量偏差，再基于所述流量偏差对所述燃料电池系统的流量进行调控，以使燃料电池系统的流量被合理的调控，避免流量浪费或者流量不足导致系统空耗造成损坏，可以帮助改善燃料电池系统的日常运作情况，提高燃料电池系统效率，进而提高燃料电池系统寿命。

附图说明

图1是本发明一个实施例中燃料电池系统的流量控制方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例中燃料电池系统的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中燃料电池系统的流量控制方法中的获取空压机的理论需求流量的流程示意图；

图4是本发明一个实施例中燃料电池系统的流量控制方法中的获取进气旁通阀的排气流量的流程示意图；

图5是本发明一个实施例中燃料电池系统的流量控制方法中的获取空压机的最小理论需求流量的流程示意图；

图6是本发明一个实施例中燃料电池系统的流量控制方法中的检测空压机是否发生喘振的流程示意图。

附图标记说明：

1、电堆；21、进气管路；211、进气端；22、排气管路；221、排气端；23、第一旁路；24、第二旁路；25、第三旁路；31、进堆压力传感器；32、排气节流阀；33、涡轮旁通阀；34、涡前压力传感器；41、流量传感器；42、进气旁通阀；51、加湿器；52、加湿器旁通阀；53、湿度传感器；6、空压机；61、第一涡轮；62、第二涡轮；63、可变喷嘴涡轮增压器；7、空气滤网；8、中冷器；9、水汽分离器；10、进堆截止阀；11、出堆截止阀；12、控制器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当前国内主要乘用车的能源路线规划的一般为混动和纯电动路线，商用车为混动或者燃料电池的技术路线，燃料电池以氢气为原料，反映的产物为水，在工作过程中不会再额外产生其它污染物排放，且与纯电车辆相比具有续航里程的优势，所以燃料电池更适合作为长途商用车辆的理想能源供给方式。

在燃料电池的电控系统中，气路的控制对整个系统能否高响应、高稳定的输出电能至关重要；气路控制过程会影响到燃料电池的进气排气流量等关键因素。现有技术中，燃料电池系统的结构设置和系统控制方法不完善，导致燃料电池系统的流量控制不够合理，造成能源浪费或加速电池系统老化等问题。

为解决上述燃料电池系统的结构设置和系统控制方法不完善导致流量控制不够合理的问题，本发明设计了一种燃料电池系统的流量控制方法。

本申请提供了一种燃料电池系统的流量控制方法，燃料电池系统可以参照图2所示的结构图；如图2所示，燃料电池系统包括：电堆1、进气管路21、排气管路22、第一旁路23、流量传感器41、空压机6及进气旁通阀42；进气管路21的一端与电堆1的进气口连通，另一端为进气端211；排气管路22的一端与电堆1的排气口连通，另一端为排气端221；空压机6与进气管路21及排气管路22均相连通；流量传感器41位于进气管路21上，其且位于空压机6与进气端211之间；第一旁路23一端与进气管路21相连通，另一端与排气管路 22相连通；进气旁通阀42位于第一旁路23上；如图1所示，燃料电池系统的流量控制方法包括如下步骤：

S101：获取空压机6的理论需求流量；

S102：获取流量传感器41采集的实际流量；

S103：基于空压机6的理论需求流量和流量传感器41采集的实际流量获得流量偏差；

S104：基于流量偏差，对燃料电池系统的流量进行调控。

本发明的燃料电池系统的流量控制方法，通过获取所述空压机6的理论需求流量以及获取所述流量传感器41采集的实际流量，基于所述空压机6的理论需求流量和所述流量传感器41采集的实际流量获得流量偏差，再基于所述流量偏差对所述燃料电池系统的流量进行调控，以使燃料电池系统的流量被合理的调控，避免流量浪费或者流量不足导致系统空耗造成损坏，可以帮助改善燃料电池系统的日常运作情况，提高燃料电池系统效率，进而提高燃料电池系统寿命。

具体地，基于空压机6的理论需求流量和流量传感器41采集的实际流量获得流量偏差可以采用PID闭环控制的运算方式对数据进行处理。

在其中一个实施例中，如图3所示，获取空压机6的理论需求流量，包括如下步骤：

S301：获取电堆1的进气需求流量；

S302：获取空压机6的空气轴承的需求流量；

S303：获取进气旁通阀42的排气流量；

S304：基于电堆1的进气需求流量、空气轴承的需求流量及进气旁通阀42 的排气流量，得到燃料电池系统的空压机6的理论需求流量。

在其中一个实施例中，基于电堆1的进气需求流量、空气轴承的需求流量及进气旁通阀42的排气流量，得到燃料电池系统的空压机6的理论需求流量，包括：将电堆1的进气需求流量、空气轴承的需求流量及进气旁通阀42的排气流量进行加和，以得到燃料电池系统的空压机6的理论需求流量。

在其中一个实施例中，空气轴承的需求流量为支撑空压机6的空气轴承所需的空气流量。

在其中一个实施例中，如图4所示，获取进气旁通阀42的排气流量，包括如下步骤：

S401：获取空压机6的最小理论需求流量；

S402：获取电堆1修正后的进气需求流量；

S403：基于空压机6的最小理论需求流量及电堆1修正后的进气需求流量，获得进气旁通阀42的排气流量。

具体地，电堆1修正后的进气需求流量是指对电堆1的进气需求流量进行温度和压力的修正后的进气需求流量，电堆1的进气需求流量是理想状态下的进气需求流量，但是实际的使用情况下，燃料电池系统的温度和压力不是一直处于理想状态，因此电堆1的进气需求流量要经过温度和压力的修正，可以基于温度、压力及流量的之间的关系对电堆1的进气需求流量进行修正，以得到电堆1修正后的进气需求流量。

在其中一个实施例中，仍参阅图2，燃料电池系统还包括空压机6涡前压力传感器34及进堆压力传感器31，空压机6涡前压力传感器34位于排气管路22 上，且位于第一旁路23与空压机6之间；进堆压力传感器31位于进气管路21 上，且位于电堆1的进口处；如图5所示，获取空压机6的最小理论需求流量包括如下步骤：

S501：将进堆压力传感器31侦测的压力值除以空压机6涡前压力传感器34 侦测的压力值，以得到压比；

S502：基于压比及空压机6的固有特性得到空压机6的最小理论需求流量。

具体地，进堆压力传感器31侦测的压力值等于气体进入系统时的压力及从空压机6到电堆1管路过程中压力损失的总和。

具体地，每一个压比对应着一个空压机6在不同转速下的最小流量，如果此最小流量大于电堆1的进气需求流量，可以通过打开进气旁通阀42把多余的流量泄掉，满足电堆1的需求流量及空压机6的临界流量要求。

在其中一个实施例中，仍参阅图2，所燃料电池系统还包括第二旁路24及涡轮旁通阀33，第二旁路24两端均与排气管路22相连通，一端位于空压机6 与排气端221之间，另一端位于空压机6与第一旁路23之间；涡轮旁通阀33 位于第二旁路24上；燃料电池系统的流量控制方法还可以包括如下步骤：

检测空压机6是否发生喘振；

若是，则打开进气旁通阀42及涡轮旁通阀33进行排气。

在其中一个实施例中，如图6所示，检测空压机6是否发生喘振包括如下步骤：

S601：根据空压机6的实际转速得到喘振流量；

S602：基于喘振流量判断空压机6是否发生喘振。

具体地，可以基于空压机6的喘振流量查询空压机6固有特性图表来判断空压机6是否发生喘振。

在其中一个实施例中，当需要打开进气旁通阀42时，可以基于喷管等熵流动方程得到进气旁通阀42的控制因子，基于控制因子控制进气旁通阀42的开度；可以提升电堆1的空气吹扫能力，快速调整空燃比。

在其中一个实施例中，基于流量偏差，对燃料电池系统的流量进行调控包括：基于流量偏差，对空压机6的转速进行调控，以对燃料电池系统的流量进行调控。

在其中一个实施例中，仍参阅图2，燃料电池控制系统还包括控制器，控制器与进堆压力传感器31、涡轮旁通阀33、空压机6、涡前压力传感器34、流量传感器41及进气旁通阀42均电连接，用于基于进堆压力传感器31及涡前压力传感器34采集的压力数据控制涡轮旁通阀33工作，基于流量传感器41采集的流量数据控制空压机6及进气旁通阀42工作；控制器12可以支持浮点计算模型的运算。

在一个示例中，控制器可以用于基于流量传感器41采集的流量数据控制空压机6及进气旁通阀42工作；具体地，当流量传感器41检测到空压机6的涡前流量与空压机6前后压比不匹配(进入喘振区)时，控制器迅速控制打开进气旁通阀42和涡轮旁通阀33，以进行泄压，可以防止空压机6喘振，实现对空压机6及电堆1的保护。

本发明的燃料电池系统的流量控制方法，通过获取空压机的理论需求流量以及获取流量传感器采集的实际流量，基于空压机的理论需求流量和流量传感器采集的实际流量获得流量偏差，再基于流量偏差对燃料电池系统的流量进行调控，以使燃料电池系统的流量被合理的调控，避免流量浪费或者流量不足导致系统空耗造成损坏，可以帮助改善燃料电池系统的日常运作情况，提高燃料电池系统效率，进而提高燃料电池系统寿命。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括：电堆、进气管路、排气管路、第一旁路、流量传感器、空压机及进气旁通阀；所述进气管路的一端与所述电堆的进气口连通，另一端为进气端；所述排气管路的一端与所述电堆的排气口连通，另一端为排气端；所述空压机与所述进气管路及所述排气管路均相连通；所述流量传感器位于所述进气管路上，其且位于所述空压机与所述进气端之间；所述第一旁路一端与所述进气管路相连通，另一端与所述排气管路相连通；所述进气旁通阀位于所述第一旁路上；所述燃料电池系统的流量控制方法包括：

获取所述空压机的理论需求流量；

获取所述流量传感器采集的实际流量；

基于所述空压机的理论需求流量和所述流量传感器采集的实际流量获得流量偏差；

基于所述流量偏差，对所述燃料电池系统的流量进行调控。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述获取所述空压机的理论需求流量，包括：

获取所述电堆的进气需求流量；

获取所述空压机的空气轴承的需求流量；

获取所述进气旁通阀的排气流量；

基于所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量，得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述基于所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量，得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量，包括：

将所述电堆的进气需求流量、所述空气轴承的需求流量及所述进气旁通阀的排气流量进行加和，以得到所述燃料电池系统的空压机的理论需求流量。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述空气轴承的需求流量为支撑所述空压机的所述空气轴承所需的空气流量。

5.根据权利要求2所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述获取所述进气旁通阀的排气流量，包括：

获取所述空压机的最小理论需求流量；

获取所述电堆修正后的进气需求流量；

基于所述空压机的最小理论需求流量及所述电堆修正后的进气需求流量，获得所述进气旁通阀的排气流量。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统还包括空压机涡前压力传感器及进堆压力传感器，所述空压机涡前压力传感器位于所述排气管路上，且位于所述第一旁路与所述空压机之间；所述进堆压力传感器位于所述进气管路上，且位于所述电堆的进口处；所述获取所述空压机的最小理论需求流量包括：

将所述进堆压力传感器侦测的压力值除以所述空压机涡前压力传感器侦测的压力值，以得到压比；

基于所述压比及所述空压机的固有特性得到所述空压机的最小理论需求流量。

7.根据权利要求2所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所所述燃料电池系统还包括第二旁路及涡轮旁通阀，所述第二旁路两端均与所述排气管路相连通，一端位于所述空压机与所述排气端之间，另一端位于所述空压机与所述第一旁路之间；所述涡轮旁通阀位于所述第二旁路上；所述燃料电池系统的流量控制方法还包括：

检测所述空压机是否发生喘振；

若是，则打开所述进气旁通阀及所述涡轮旁通阀进行排气。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述检测所述空压机是否发生喘振包括：

根据所述空压机的实际转速得到喘振流量；

基于所述喘振流量判断所述空压机是否发生喘振。

9.根据权利要求7所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，当需要打开所述进气旁通阀时，基于喷管等熵流动方程得到所述进气旁通阀的控制因子，基于所述控制因子控制所述进气旁通阀的开度。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统的流量控制方法，其特征在于，所述基于所述流量偏差，对所述燃料电池系统的流量进行调控包括：

基于所述流量偏差，对所述空压机的转速进行调控，以对所述燃料电池系统的流量进行调控。

Images