CN115275271B - 一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法，涉及燃料电池系统控制技术领域，包括设有减压阀、比例阀、引射器且依次通过管道连接，减压阀和比例阀之间设有第一温压传感器，引射器出口端设有第二温压传感器，其中电堆和引射器之间设有循环回路，在电堆出口端依次设有氢循环泵和气水分离器，循环回路接入引射器引射口处设有第三温压传感器，该系统还设有匹配控制模块，引射器的喷嘴截面大小开度可调节，匹配控制模块控制比例阀和引射器喷嘴的开度，本发明与现有技术相比，能够根据当前工况下引射器最佳引射性能实时匹配最佳的引射比系数，通过喷嘴截面和氢气工作压力两种控制参数进行多重耦合调节，使氢气循环回路保持最佳的引射效果。

Description

一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，具体涉及一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法。

背景技术

引射器在氢燃料电池系统中的作用主要是用作氢气循环系统中的循环装置，储氢瓶中出来的氢气在引射器当中与再循环氢气混合，进入燃料电池电堆，再循环氢气的循环比大小反映了引射器工作性能的好坏。引射器是一个机械部件，而引射器的喷嘴口的横截面积对引射器的工作性能如引射比有着重要影响。当电堆在小功率输出或反应所需的氢气量很小时，这时从储氢瓶进入引射器的氢气流量也会减小，在这种工况下，引射器的引射性能会下降甚至没有引射效果。因此，如何提高引射器的引射比，扩宽引射器的工作范围是引射器研究的重点。

目前使用可变截面喷嘴的引射器来进行引射调节是行业内正在尝试的一种技术方案，但也存在诸多问题，例如随着引射器喷嘴截面的变化，会同时影响引射器结构参数和工作参数，而引射系数随着喷嘴截面变化而变化的规律并不是简单比例关系，是受多种因素共同影响，例如引射器喷嘴出口压力同样影响引射器的引射效果，而且是非简单线性关系，而如何进行最佳引射比的控制，并维持系统氢空压差稳定是当下迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种燃料电池可变喷嘴引射系统，该系统设有减压阀、比例阀、引射器且依次通过管道连接，引射器经管道接入电堆，减压阀和比例阀之间设有第一温压传感器，引射器出口端设有第二温压传感器，其中电堆和引射器之间设有循环回路，在电堆出口端依次设有氢循环泵和气水分离器，循环回路接入引射器引射口处设有第三温压传感器，该系统还设有匹配控制模块，引射器的喷嘴截面大小开度可调节，匹配控制模块控制比例阀和引射器喷嘴的开度。

在上述技术方案的基础上，引射器喷嘴设有至少三片快门叶片并可开合控制，快门叶片之间活动连接且形状大小相适配，并组成一个旋转快门机构，实现喷嘴口的打开、闭合。

在上述技术方案的基础上，匹配控制模块控制氢循环泵启停和转速大小。

在上述技术方案的基础上，匹配控制模块与引射器相互匹配，且匹配控制模块预装载有引射器的引射比系数随喷嘴大小变化而变化的曲线参数。

在上述技术方案的基础上，匹配控制模块设有氢泵控制单元，氢泵控制单元根据氢循环泵转速大小控制循环量。

在上述技术方案的基础上，一种燃料电池可变喷嘴引射系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、控制系统启动，进入下一步；

S2、计算电堆需求功率P，进入下一步；

S3、根据电堆需求功率P计算电堆实际功率及实际需求氢气流量及进堆氢气压力，进入下一步；

S4、根据需求氢气流量Q及进堆氢气压力工况，匹配控制模块计算引射器对应最佳引射比，进入下一步；

S5、判断电堆功率P是否在预设调节范围，如果不是，进行步骤S8，如果是，进行下一步；

S6、判断最佳引射比是否在引射器可调引射比系数预设范围内，如果不是，进行步骤S11，如果是，进行下一步；

S7、调节引射器喷嘴截面大小至预定值，并控制比例阀、引射器喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，并返回S2；

S8、判断电堆功率P是否在中高功率范围，如果不是，返回S2，若果是，根据引射器引射曲线，控制比例阀、引射器喷嘴进行耦合调节，进入下一步；

S9、判断引射器喷嘴截面大小是否小于比例阀开度大小，如果不是，控制比例阀、引射器喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2，如果是，进入下一步；

S10、先增大引射器喷嘴截面，再控制比例阀、引射器喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2；

S11、匹配控制模块遴选最接近的引射比参数范围，匹配控制模块的计算单元计算实际氢气引射量差值△φ，进入下一步；

S12、判断引射量差值△φ是否达到启动辅助循环要求，如果不是，调节引射器喷嘴截面大小至计算匹配接近值，并返回S2，如果是，调节引射器喷嘴截面大小至最接近值，并启动氢循环泵匹配辅助循环功率，并返回S2。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S11和S12中实际氢气引射量差值△φ为满足启动氢循环泵8的最小循环量。

在上述技术方案的基础上，步骤S5中预设调节范围为引射器（3）引射循环量不足时所处的功率段。

在上述技术方案的基础上，步骤S7中的耦合调节为引射器喷嘴大小和喷嘴出口压力参数的耦合，并根据引射比系数变化的数据库进行参数曲线耦合，且预定值为引射比系数耦合后的最大值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法与现有技术相比，能够根据当前工况下引射器最佳引射性能实时匹配最佳的引射比系数，通过喷嘴截面和氢气工作压力两种控制参数进行多重耦合调节，使氢气循环回路保持最佳的引射效果。

附图说明

图1为本发明实施例中一种燃料电池可变喷嘴引射系统的控制方法的原理框图；

图2为本发明实施例中的一种燃料电池可变喷嘴引射系统的结构示意图；

图3为引射器喷嘴截面直径和引射比系数变化曲线图；

图4为引射器喷嘴出口压力和引射比系数变化曲线图；

图5为本发明实施例中引射器喷嘴的结构示意图。

图中：1-减压阀，2-匹配控制模块，3-引射器，4-比例阀，51-第一温压传感器，52-第二温压传感器，53-第三温压传感器，6-电堆，7-气水分离器，8-氢循环泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参见图2所示为本发明实施例中的一种燃料电池可变喷嘴引射系统的结构示意图，包括该系统设有减压阀1、比例阀4、引射器3且依次通过管道连接，引射器3经管道接入电堆6，减压阀1和比例阀4之间设有第一温压传感器51，引射器3出口端设有第二温压传感器52，其中电堆6和引射器3之间设有循环回路，在电堆6出口端依次设有氢循环泵8和气水分离器7，循环回路接入引射器3入口处设有第三温压传感器53，该系统还设有匹配控制模块2，引射器3的喷嘴截面大小开度可调节，匹配控制模块2控制比例阀4和引射器3喷嘴的开度。

参见图5所示为本发明实施例中引射器喷嘴的结构示意图，本实施例中引射器3喷嘴设有至少三片快门叶片并可开合控制。快门叶片之间活动连接且形状大小相适配，并组成一个旋转快门机构，实现喷嘴口的打开、闭合。采用快门结构喷嘴既可以实现喷嘴截面的快速调节，又能控制调节范围精度，而且快门结构喷嘴截面变化连续，能够实现截面大小的无极控制。由于氢气易燃易爆，在引射过程中需要考虑到安全问题，对于传动结构件，特别是接触部件之间出现了啮合或滑动等相对运动，要防止静电火花的产生，因此转动叶片以及传动结构选用硬质塑料、碳纤维材料或玻璃钢材料。

匹配控制模块2控制氢循环泵8启停和转速大小。氢循环泵8作为辅助氢气循环的部件主要在引射器调节无法覆盖的功率范围启动，而可变喷嘴直径的引射器即可满足大部分功率需求，因此可以选用更加经济实用的小功率型号缩减成本。

匹配控制模块2与引射器3相互匹配，且匹配控制模块2预装载有引射器3的引射比系数随喷嘴大小变化而变化的曲线参数，具体包括引射器3喷嘴截面直径和引射比系数变化曲线（参见图3），以及引射器3喷嘴出口压力和引射比系数变化曲线（参见图4）。本实施例中将引射器3的参数性能进行数据保存，并输入匹配控制模块2中进行实时比对和计算。

匹配控制模块2设有氢泵控制单元，氢泵控制单元根据氢循环泵8转速大小控制循环量。

参见图1所示为本发明实施例中一种燃料电池可变喷嘴引射系统的控制方法的原理框图，一种燃料电池可变喷嘴引射系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、控制系统启动，进入下一步；

S2、计算电堆需求功率P，进入下一步；

S3、根据电堆需求功率P计算电堆实际功率及实际需求氢气流量及进堆氢气压力，进入下一步；

S4、根据需求氢气流量Q及进堆氢气压力工况，匹配控制模块2计算引射器3对应最佳引射比，进入下一步；

S5、判断电堆功率P是否在预设调节范围，如果不是，进行步骤S8，如果是，进行下一步；

S6、判断最佳引射比是否在引射器3可调引射比系数预设范围内，如果不是，进行步骤S11，如果是，进行下一步；

S7、调节引射器喷嘴截面大小至预定值，并控制比例阀4、引射器3喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，并返回S2；

S8、判断电堆功率P是否在中高功率范围，如果不是，返回S2，若果是，根据引射器3引射曲线，控制比例阀4、引射器3喷嘴进行耦合调节，进入下一步；

S9、判断引射器喷3嘴截面大小是否小于比例阀4开度大小，如果不是，控制比例阀4、引射器3喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2，如果是，进入下一步；

S10、先增大引射器3喷嘴截面，再控制比例阀4、引射器3喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2；当引射器3喷嘴截面小于比例阀4的开度时，如果需要增大进堆氢气流量，无法直接通过增大比例阀4来调节，此时比例阀4向上调节流量的能力失效，需要在先增加引射器2喷嘴的截面，当二者截面相等时仍然无法实现进堆氢气流量需求，才可以实现比例阀4、引射器3喷嘴进行耦合调节的耦合调节；

S11、匹配控制模块2遴选最接近的引射比参数范围，匹配控制模块2的计算单元计算实际氢气引射量差值△φ，进入下一步；

S12、判断引射量差值△φ是否达到启动辅助循环要求，如果不是，调节引射器喷3嘴截面大小至计算匹配接近值，并返回S2，如果是，调节引射器3喷嘴截面大小至最接近值，并启动氢循环泵8匹配辅助循环功率，并返回S2。

所述步骤S11和S12中实际氢气引射量差值△φ为满足启动氢循环泵8的最小循环量，最小循环量为启动氢循环泵8的预设值，根据电堆性能或控制需求做计算和调整。

步骤S8中的中高功率范围为电堆某一个功率范围，具体为，引射器引射能力刚好满足氢气循环需求时，电堆功率所处的功率值为中高功率范围最小极值点，最大极值点为电堆的允许最大功率，即步骤S8中的中高功率范围为最小极值点以上，即当电堆处于低功率段时仅仅依靠当前条件下引射器自身的引射能力无法电堆对氢气循环通量的需求，需要及时调整，既可以控制引射器喷嘴截面，又可以控制辅助循环泵，或者二者结合，实现最佳的引射效果。当引射喷嘴发生改变时，引射比系数随之变化，根据特定压力条件下喷嘴直径和引射系数的关系曲线，可以得出一定压力条件下的最佳引射系数以及对应的喷嘴直径，同理，当喷嘴直径一定时，引射口压力变化时，引射系数亦随之变化，根据特定喷嘴直径条件下的引射口压力和引射系数的关系曲线，可以得出一定喷嘴大小情况下的最佳引射系数和对应的压力大小；可参见图3所示为引射器喷嘴截面直径和引射比系数变化曲线图，以及图4为引射器喷嘴出口压力和引射比系数变化曲线图；本实施例按照二者的曲线耦合，得出当前电堆功率条件下的最佳引射器喷嘴大小以及对应的压力，进行多参数耦合控制。

本实施例中，步骤S8中的中高功率范围为大于20KW。由于引射器的固有性质，一般的引射器能够在20KW以上的功率完全满足电堆氢气循环引射调节需求，因此本实施例中以此为调节控制阈值。步骤S5中预设调节范围为0-20KW。

参见图3所示为引射器喷嘴截面直径和引射比系数变化曲线图，以及图4为引射器喷嘴出口压力和引射比系数变化曲线图；本实施例中的参数耦合就是根据图4和图5的变化曲线求得最佳引射参数，即步骤S7中的耦合调节为引射器3喷嘴大小和喷嘴出口压力参数的耦合，并根据引射比系数变化的数据库进行参数曲线拟合，得出此时最佳引射比对应的喷嘴截面大小，并以此匹配控制器2进行喷嘴大小控制，其中预定值为引射比系数耦合后的最大值。

本发明中的一种燃料电池可变喷嘴引射系统及其控制方法与现有技术相比，能够根据当前工况下引射器最佳引射性能实时匹配最佳的引射比系数，通过喷嘴截面和氢气工作压力两种控制参数进行多重耦合调节，使氢气循环回路保持最佳的引射效果。

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。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种燃料电池可变喷嘴引射系统，该系统设有减压阀（1）、比例阀（4）、引射器（3）且依次通过管道连接，引射器（3）经管道接入电堆（6），减压阀（1）和比例阀（4）之间设有第一温压传感器（51），引射器（3）出口端设有第二温压传感器（52），其中电堆（6）和引射器（3）之间设有循环回路，循环回路中电堆（6）出口端依次设有氢循环泵（8）和气水分离器（7），循环回路接入引射器（3）接入口处设有第三温压传感器（53），其特征在于：该系统还设有匹配控制模块（2），引射器（3）的喷嘴截面大小开度可调节，匹配控制模块（2）控制比例阀（4）和引射器（3）喷嘴的开度；燃料电池可变喷嘴引射系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、控制系统启动，进入下一步；

S2、计算电堆需求功率P，进入下一步；

S3、根据电堆需求功率P计算电堆实际功率及实际需求氢气流量及进堆氢气压力，进入下一步；

S4、根据需求氢气流量Q及进堆氢气压力工况，匹配控制模块（2）计算引射器（3）对应最佳引射比，进入下一步；

S5、判断电堆功率P是否在预设调节范围，如果不是，进行步骤S8，如果是，进行下一步；

S6、判断最佳引射比是否在引射器（3）可调引射比系数预设范围内，如果不是，进行步骤S11，如果是，进行下一步；

S7、调节引射器喷嘴截面大小至预定值，并控制比例阀（4）、引射器（3）喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，并返回S2；

S8、判断电堆功率P是否在中高功率范围，如果不是，返回S2，若果是，根据引射器（3）引射曲线，控制比例阀（4）、引射器（3）喷嘴进行耦合调节，进入下一步；

S9、判断引射器（3）喷嘴截面大小是否小于比例阀（4）开度大小，如果不是，控制比例阀（4）、引射器（3）喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2，如果是，进入下一步；

S10、先增大引射器（3）喷嘴截面，再控制比例阀（4）、引射器（3）喷嘴进行耦合调节，增大或减小进堆压力，返回S2；

S11、匹配控制模块（2）遴选最接近的引射比参数范围，匹配控制模块（2）的计算单元计算实际氢气引射量差值△φ，进入下一步；

S12、判断引射量差值△φ是否达到启动辅助循环要求，如果不是，调节引射器（3）喷嘴截面大小至计算匹配接近值，并返回S2，如果是，调节引射器（3）喷嘴截面大小至最接近值，并启动氢循环泵（8）匹配辅助循环功率，并返回S2。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述引射器（3）喷嘴设有至少三片快门叶片并可开合控制，快门叶片之间活动连接且形状大小相适配，并组成一个旋转快门机构，实现喷嘴口的打开、闭合。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述匹配控制模块（2）控制氢循环泵（8）启停和转速大小。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述匹配控制模块（2）与引射器（3）相互匹配，且匹配控制模块（2）预装载有引射器（3）的引射比系数随喷嘴大小变化而变化的曲线参数。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述匹配控制模块（2）设有氢泵控制单元，氢泵控制单元根据氢循环泵（8）转速大小控制循环量。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述步骤S11和S12中实际氢气引射量差值△φ为满足启动氢循环泵（8）的最小循环量。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述步骤S8中的中高功率范围为引射器（3）引射能力满足氢气循环需求的最小功率范围以上。

8.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：所述步骤S5中预设调节范围为引射器（3）引射循环量不足时所处的功率段。

9.如权利要求1所述的一种燃料电池可变喷嘴引射系统，其特征在于：步骤S7中的耦合调节为引射器（3）喷嘴大小和喷嘴出口压力参数的耦合，并根据引射比系数变化的数据库进行参数曲线耦合，且预定值为引射比系数耦合后的最大值。

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