CN115570993B - 一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及方法，涉及新能源商用车技术领域，增程本体设有固体氧化物燃料电池堆、空气路子系统、燃料路子系统、热管理路子系统及控制子系统；固体氧化物燃料电池堆根据车辆输出功率要求配置相应的电堆模块；空气路子系统配置有空气滤清器、空压机以及压力传感器；燃料路子系统配置有脱硫器、比例阀、去离子水流量控制器、混合器以及重整器；热管理路子系统配置有混燃器、热交换器、多通阀及热管理管路；控制子系统配置有增程控制器和电力输出接口。本发明集成了多通阀，能够向整车空调系统提供固体氧化物燃料电池堆产生的高温热源，实现热电联供，达到提高能源利用率的目的。

Description

一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及方法

技术领域

本发明涉及新能源商用车技术领域，尤其涉及一种车用燃料电池热电联增程器、车辆及车用燃料电池热电联增程方法。

背景技术

随着商用车电气化的发展，新能源重卡已经几乎实现电气化，整车装备的高储电动力电池能够为整车高压电气部件及通过降压转换器为低压电器供电，这为整车电气拓扑带来较大的便利性。

为提高驾驶室舒适性，增加的大功率生活类电器，如空调等。而对于传统重型商用车，还依靠发电机发电向低压蓄电池送电。发电机及蓄电池的输出功率限制了整车的电气架构改型。而当前重型商用车领域还依靠传统车型，不能满足整车驾乘舒适性的提升，

因此为传统车型特别是CNG车型提供一款高效、无污染的发电装置能够较大程度的改善整车电气架构，为整车的驾乘舒适性提升增加了可能性。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种车用燃料电池热电联供增程器，能够较大程度的改善整车电气架构，为整车的驾乘舒适性提升增加了可能性。

车用燃料电池热电联增程器包括：增程本体，增程本体的第一端设有空气入口接管，增程本体的第二端设有空气出口接管；

增程本体的侧壁上设有燃料入口、电力输出接口以及供热管路；

增程本体设有固体氧化物燃料电池堆、空气路子系统、燃料路子系统、热管理路子系统及控制子系统；

固体氧化物燃料电池堆根据车辆输出功率要求配置相应的电堆模块；

空气路子系统配置有空气滤清器、空压机以及压力传感器；

燃料路子系统配置有脱硫器、比例阀、去离子水流量控制器、混合器以及重整器；

热管理路子系统配置有混燃器、热交换器、多通阀及热管理管路；

控制子系统配置有增程控制器和电力输出接口。

进一步需要说明的是，增程控制器通过CAN总线方式与整车控制器通信连接。

进一步需要说明的是，增程本体的侧壁设有散热孔。

本发明还提供一种车辆，包括：车架和车用燃料电池热电联增程器；

增程本体通过螺栓，或者焊接的方式固定到车架上。

本发明还提供一种车用燃料电池热电联增程方法，方法包括：

启动运行，向增程器提供预设压力的燃料气源；

增程器通过空压机压入空气，燃料气与空气在混燃器中燃烧产生热力，热力通过带有热交换功能的混合器及重整器对空气加热，空气进入电堆后对电堆加热，通过不断的加热，将增程器电堆温度提升至指定工作温度，控制器通过控制进入电堆的空气流量、燃料流量、去离子水流量等实现电堆正常工作对外输出电力，车辆通过增程器的外接电力接口将电力输送至整车能量分配器单元，向车辆蓄电池及其他用电器供电。

进一步需要说明的是，方法还包括：启动升温控制方式：

1）VCU模块控制整车电池为增程器提供启动电能；

2）VCU模块唤醒FCU模块并与其交互信息，通知FCU模块在预设时间内启动；

3）FCU模块根据启动时间，配置供气流量，判断燃气气瓶内气量是否满足启动条件，若满足则控制空压机、燃气流量控制器为增程器按配比供空气及燃气；

4）FCU模块控制混合燃烧器内的火花塞打火，引燃空气及燃气的混合气；

5）混合器内燃烧的尾气开始预热进入电堆的燃气及空气，电堆开始升温；

6）FCU模块监测到增程器温度传感器的温度，计算出当前增程器的升温速率，与VCU模块预设的升温速率进行比较，调节燃气的供气量大小使其按要求的升温速率进行升温；

7）当增程器达到升温要求后，负载开始增加，电堆对外输出功率，直至增加到VCU模块预设的输出功率。

进一步需要说明的是，步骤3）中，若不满足，向VCU报警。

进一步需要说明的是，方法还包括：停止降温控制方式：

VCU模块控制增程器停止对外输出功率时，增程器的工作方式包括：

温度保持，处于待机状态，随时响应VCU模块对燃料电池增程器的功率输出信息；FCU模块通过监测温度来调节供气量，保持增程器处于正常的工作温度范围内；

增程器停机； VCU模块配置PDU模块及动力电池支持增程器停机功率需求；

FCU模块按照设置的停机吹扫策略，控制进气量，使增程器按照预设的降温速率逐步降温到室温；最后，FCU模块停止PDU模块及动力电池对增程器的功率支持。

进一步需要说明的是，方法还包括：停止降温过程中的重新启动的控制方式：

在增程器降温过程中若要重新启动；

首先，VCU模块评估当前对增程器的输出功率是否满足其启动功率需求；

若满足，VCU模块通知FCU模块准备启动增程器；

若不满足，VCU模块重新分配功率支持增程器启动；

其次，FCU模块完成增程器状态自检后，计算出当前温度下升到工作温度所需时间及气量，判断气瓶内气量是否满足启动要求；

若满足，增程器开始启动；

若不满足，向VCU模块报警；

最后，FCU模块调整供气量，控制增程器温度到工作温度范围。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明涉及的车用燃料电池热电联增程器对外输出功率可扩展为1～5kW，丰富的电气接口在满足整车大功率电器用电需求的同时可为低压蓄电池充电，向整车低压电器提供电能。增程器集成了多通阀，能够向整车空调系统提供SOFC产生的高温热源，实现热电联供，达到提高能源利用率的目的。该模块设计紧凑，可实现灵活布置，方便整车集成，同时增程器在紧急用电场景中可作为移动式电源，实现一机多用的目的。增程器针对具有CNG或者氢气气源的车型上定制开发，丰富了细分车型配置，满足车辆的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为车用燃料电池热电联增程器示意图；

图2为增程本体安装到车架上的实施例示意图。

附图标记说明：

1：增程本体，2：空气入口接管，3：空气出口接管，4：燃料入口，5：电力输出接口，6：供热管路，7：散热孔，8：车架。

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做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。

本发明提供的车用燃料电池热电联增程器涉及了固体氧化燃料电池技术，涉及的固体氧化燃料电池技术开发以及重型商用车领域中的固体氧化物燃料电池技术应用。

可以理解的是，固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

固体氧化物燃料电池单体主要由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。

固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O₂得到电子变为O_2-，在化学势的作用下，O_2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。 SOFC组的结构主要为：管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。

固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，不但具有氢燃料电池高效、环境友好的优点，具有以下优点：

（1）固体氧化物燃料电池是全固态结构，不存在使用液体电解质带来的腐蚀问题和电解质流失问题，可望实现长寿命运行，目前国际上寿命已达到40000h。

（2）固体氧化物燃料电池的工作温度为600～850℃，不但电催化剂不需要采用贵金属，而且还可以直接采用燃气、煤气和碳氢化合物作为燃料，简化了燃料电池系统。使用燃气作为燃料气，能够利用现成的燃气加气站作为加气站点，不用再额外建设加气站，能够有利于燃料电池汽车的普及。

（3）固体氧化物燃料电池的发电功率能够达到50～60%，是所有燃料电池系统中效率最高的。

固体氧化物燃料电池以燃气为燃料、常压运行的发电系统。空气经过压缩器压缩，克服系统阻力后进入预热器预热，然后通入电池的阴极。燃气经过压缩机压缩后，克服系统阻力进入混合器，与蒸汽发生器中产生的过热蒸汽混合，蒸汽和燃料的比例为，混合后的燃料气体进入加热器提升温度后通入燃料电池阳极。阴阳极气体在电池内发生电化学反应，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴阳极气体加热。阳极未反应完全的气体和阴极剩余氧化剂通入燃烧器进行燃烧，燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料和空气之外，也提供蒸汽发生器所需的热量。经过蒸汽发生器后的燃烧产物，其热能仍有利用价值，可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖而进一步加以利用。

对于本发明提供的车用燃料电池热电联增程器来讲，如图1和2所示，具体包括了增程本体1，增程本体1的第一端设有空气入口接管2，增程本体1的第二端设有空气出口接管3；增程本体1的侧壁上设有燃料入口4、电力输出接口5以及供热管路6；增程本体1的侧壁设有散热孔7。

增程本体1设有固体氧化物燃料电池堆、空气路子系统、燃料路子系统、热管理路子系统及控制子系统；

固体氧化物燃料电池堆根据车辆输出功率要求配置相应的电堆模块；空气路子系统配置有空气滤清器、空压机以及压力传感器；燃料路子系统配置有脱硫器、比例阀、去离子水流量控制器、混合器以及重整器；热管理路子系统配置有混燃器、热交换器、多通阀及热管理管路；控制子系统配置有增程控制器和电力输出接口。

示例性的讲，对于本发明涉及的增程器根据在整车上的布置位置及布置尺寸进行设置，确定增程器的总体外形尺寸，比如X向尺寸为1000mm，Y向尺寸为803mm，Z向尺寸为575mm。根据整车轴荷要求确定增程器目标重量控制在300kg以内。

具体地，根据整车电力开发需求确定增程器输出功率，根据增程器输出功率确定电堆的功率及电堆的外形尺寸，根据设计要求确定电堆的压板及保温层尺寸，由此得出电堆模块高温段的外形尺寸。而根据电堆的功率，可以完成增程器的空气路子系统、燃料路子系统、热管理路子系统及控制子系统等零部件选型。

本发明涉及的增程器可以与整车进行通讯，也就是说，燃料电池增程器通过CAN总线方式与整车控制器通讯，增程器可根据整车需求选择250k波特率，或500k波特率，为方便整车对燃料电池系统的监控调节，增程器将实时上传系统的输出功率，工作温度，供热口温度等参数。

对于本发明对增程器的控制策略来讲，本发明的模糊逻辑控制方法借助所设计模糊控制器的模糊推理能力根据实际行驶过程中车辆动力系统部件状态和系统负载的实际需求将燃料电池增程器的功率输出限定在一些区域内，实现能量在增程器和蓄电池之间的较好配置。模糊逻辑能量管理策略一方面能保证实时工况下的能量合理分配，提高系统效率，另一方面可以缓解负载功率对燃料电池增程器系统动态响应的严格要求。

本发明的增程器可以应用到车辆上，也就是本发明还提供一种车辆，包括：车架8和车用燃料电池热电联增程器；增程本体通过螺栓，或者焊接的方式固定到车架8上。车辆可以是商用车，比如客车、货车、半挂牵引车等等。当然也可以根据需要安装到乘用车上使用。

在使用过程中，本领域普通技术人员可以意识到，本发明对增程器中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明涉及的增程器附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

进一步的，作为上述实施例具体实施方式的细化和扩展，为了完整说明本实施例中的具体实施过程，提供了一种车用燃料电池热电联增程方法。

方法包括：启动运行，向增程器提供预设压力的燃料气源，增程器通过低压空压机同时压入空气，燃料气与空气在混燃器中燃烧产生热力，该热力通过带有热交换功能的混合器及重整器对空气加热，空气进入电堆后对电堆加热，通过不断的加热，将增程器电堆温度提升至指定工作温度，控制器通过控制进入电堆的空气流量、燃料流量、去离子水流量等实现电堆正常工作对外输出电力，整车通过增程器的外接电力接口将电力输送至整车能量分配器单元，实现向蓄电池及其他用电器供电的作用。

对于本发明的车用燃料电池热电联增程方法来讲，模糊逻辑控制方法借助所设计模糊控制器的模糊推理能力根据实际行驶过程中车辆动力系统部件状态和系统负载的实际需求将燃料电池增程器的功率输出限定在一些区域内，实现能量在增程器和蓄电池之间的较好配置。模糊逻辑能量管理策略一方面能保证实时工况下的能量合理分配，提高系统效率，还可以缓解负载功率对燃料电池增程器系统动态响应的要求。

本发明的方法中还涉及对固体氧化物燃料电池增程器温度控制方式，具体来讲，涉及启动升温控制方式。

固体氧化物燃料电池是指使用固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池。通常使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆等固态陶瓷电解质，其工作温度位于700～850℃之间。因此，如果要固体氧化物燃料电池增程器工作，其温度必须在700℃以上。VCU模块（此处指整车控制器）要求增程器启动时，增程器处于常温，FCU模块（此处指增程器的控制器）控制增程器由常温升至工作温度。具体操作如下：

1）VCU模块控制整车电池为增程器提供启动电力支持。

2）VCU模块唤醒FCU模块并与其交互信息，通知FCU模块在规定时间内启动。

3）FCU模块根据启动时间要求，制定供气流量要求，判断燃气气瓶内气量是否满足启动要求，若满足开始控制空压机、燃气流量控制器为增程器按配比供空气及燃气。若不满足，向VCU模块报警。

4）FCU模块控制混合燃烧器内的火花塞打火，引燃空气及燃气的混合气（尾气温度可以达到1000℃以上）。

5）混合器内燃烧的尾气开始预热进入电堆的燃气及空气，电堆开始升温。

6）FCU模块监测到增程器的温度传感器的温度，计算出当前增程器的升温速率，与VCU模块要求的升温速率进行比较，从而调节燃气的供气量大小使其按要求的升温速率进行升温。

7）当增程器达到升温要求后，负载开始增加，电堆开始对外输出功率，直至增加到VCU模块要求的输出功率。

本发明还涉及停止降温控制方式：

VCU模块要求增程器停止对外输出功率时，增程器有两种情况：1）温度保持，处于待机状态，随时响应VCU模块对燃料电池增程器的功率输出要求，此时FCU模块会通过监测温度来调节供气量，保持增程器处于正常的工作温度范围内；2）增程器停机。首先，VCU模块会要求PDU模块及动力电池支持增程器停机功率需求。其次，FCU模块按照既定的停机吹扫策略，控制进气量，使增程器按照一定的降温速率逐步降温到室温。最后，FCU模块停止PDU模块及动力电池对增程器的功率支持。

停止降温过程中要求重新启动的控制方式：

在增程器降温过程中若要求其重新启动。首先，VCU模块评估当前对增程器的输出功率是否满足其启动功率需求。若满足，VCU模块通知FCU模块准备启动增程器。若不满足，VCU模块重新分配功率支持增程器启动。其次，FCU模块完成增程器状态自检后，计算出当前温度下升到工作温度所需时间及气量，判断气瓶内气量是否满足启动要求，若满足，增程器开始启动；若不满足，向VCU模块报警。最后，FCU模块调整供气量，控制增程器温度到工作温度范围。

本发明涉及的车用燃料电池热电联增程方法，使增程器对外输出功率可扩展为1～5kW，丰富的电气接口在满足整车大功率电器用电需求的同时可为低压蓄电池充电，向整车低压电器提供电能。系统同时集成了多通阀，能够向整车空调系统提供SOFC产生的高温热源，实现热电联供，达到提高能源利用率的目的。该模块设计紧凑，可实现灵活布置，方便整车集成，同时该模块在紧急用电场景中可作为移动式电源，实现一机多用的目的。该系统针对具有CNG或者氢气气源的车型上定制开发，丰富了细分车型配置，满足车辆的使用需求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，方法采用车用燃料电池热电联增程器；

车用燃料电池热电联增程器包括：增程本体；增程本体的第一端设有空气入口接管，增程本体的第二端设有空气出口接管；

增程本体的侧壁上设有燃料入口、电力输出接口以及供热管路；

增程本体设有固体氧化物燃料电池堆、空气路子系统、燃料路子系统、热管理路子系统及控制子系统；

固体氧化物燃料电池堆根据车辆输出功率要求配置相应的电堆模块；

空气路子系统配置有空气滤清器、空压机以及压力传感器；

燃料路子系统配置有脱硫器、比例阀、去离子水流量控制器、混合器以及重整器；

热管理路子系统配置有混燃器、热交换器、多通阀及热管理管路；

控制子系统配置有增程控制器和电力输出接口；

方法包括：

启动运行，向增程器提供预设压力的燃料气源；

增程器通过空压机压入空气，燃料气与空气在混燃器中燃烧产生热力，热力通过带有热交换功能的混合器及重整器对空气加热，空气进入电堆后对电堆加热，通过不断的加热，将增程器电堆温度提升至指定工作温度，控制器通过控制进入电堆的空气流量、燃料流量、去离子水流量实现电堆正常工作对外输出电力，车辆通过增程器的外接电力接口将电力输送至整车能量分配器单元，向车辆蓄电池及其他用电器供电。

2.根据权利要求1所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，

增程控制器通过CAN总线方式与整车控制器通信连接。

3.根据权利要求1所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，

增程本体的侧壁设有散热孔。

4.根据权利要求1所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，方法还包括：启动升温控制方式：

1）VCU模块控制整车电池为增程器提供启动电能；

2）VCU模块唤醒FCU模块并与其交互信息，通知FCU模块在预设时间内启动；

3）FCU模块根据启动时间，配置供气流量，判断燃气气瓶内气量是否满足启动条件，若满足则控制空压机、燃气流量控制器为增程器按配比供空气及燃气；

4）FCU模块控制混合燃烧器内的火花塞打火，引燃空气及燃气的混合气；

5）混合器内燃烧的尾气开始预热进入电堆的燃气及空气，电堆开始升温；

6）FCU模块监测到增程器温度传感器的温度，计算出当前增程器的升温速率，与VCU模块预设的升温速率进行比较，调节燃气的供气量大小使其按要求的升温速率进行升温；

7）当增程器达到升温要求后，负载开始增加，电堆对外输出功率，直至增加到VCU模块预设的输出功率；

其中，VCU模块指整车控制器，FCU模块指增程器的控制器。

5.根据权利要求4所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，

步骤3）中，若不满足，向VCU报警。

6.根据权利要求1所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，

方法还包括：停止降温控制方式：

VCU模块控制增程器停止对外输出功率时，增程器的工作方式包括：

温度保持，处于待机状态，随时响应VCU模块对燃料电池增程器的功率输出信息；FCU模块通过监测温度来调节供气量，保持增程器处于正常的工作温度范围内；

增程器停机； VCU模块配置PDU模块及动力电池支持增程器停机功率需求；

FCU模块按照设置的停机吹扫策略，控制进气量，使增程器按照预设的降温速率逐步降温到室温；最后，FCU模块停止PDU模块及动力电池对增程器的功率支持。

7.根据权利要求1所述的车用燃料电池热电联增程方法，其特征在于，

方法还包括：停止降温过程中的重新启动的控制方式：

在增程器降温过程中若要重新启动；

首先，VCU模块评估当前对增程器的输出功率是否满足其启动功率需求；

若满足，VCU模块通知FCU模块准备启动增程器；

若不满足，VCU模块重新分配功率支持增程器启动；

其次，FCU模块完成增程器状态自检后，计算出当前温度下升到工作温度所需时间及气量，判断气瓶内气量是否满足启动要求；

若满足，增程器开始启动；

若不满足，向VCU模块报警；

最后，FCU模块调整供气量，控制增程器温度到工作温度范围。

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