CN116123064B - 一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法。其中，该燃料电池空压机冷却系统包括：空压机、电堆、中冷器、入堆截止阀、旁通阀以及出堆截止阀。所述旁通阀的一端与所述中冷器至所述入堆截止阀之间的进气通路相连，所述旁通阀的另一端与所述空压机相连，从所述旁通阀至所述空压机之间设置有旁通路。本申请的技术方案，通过对旁通阀的连接方式进行改变，可以根据检测到的空压机的运行状态来判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却，并根据对空压机的判断结果来控制旁通阀的开度，以通过旁通路向空压机输送增压冷却后空气，从而实现对空压机的喘振抑制以及对空压机的主动可控冷却。

Description

一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法。

背景技术

常见的燃料电池空压机会出现喘振现象。同时，也存在无法对燃料电池空压机进行主动可控冷却的问题。为了解决上述问题，一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法被设计出来。

发明内容

本申请的目的在于提出一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法，通过对旁通阀的连接方式进行改变，可以根据检测到的空压机的运行状态来判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却，并根据对空压机的判断结果来控制旁通阀的开度，以通过旁通路向空压机输送增压冷却后空气，从而实现对空压机的喘振抑制以及对空压机的主动可控冷却。

根据本申请实施例，公开了一种燃料电池空压机冷却系统，包括：

空压机；

电堆，所述电堆的一端与进气通路相连，所述电堆的另一端与排气通路相连；

中冷器，所述中冷器设置在从所述空压机至所述电堆之间的进气通路上；

入堆截止阀，所述入堆截止阀设置在从所述中冷器至所述电堆之间的进气通路上；

旁通阀，所述旁通阀的一端与所述中冷器至所述入堆截止阀之间的进气通路相连，所述旁通阀的另一端与所述空压机相连，从所述旁通阀至所述空压机之间设置有旁通路；

出堆截止阀，所述出堆截止阀设置在所述排气通路上。

在本申请的一具体实施例中，所述燃料电池空压机冷却系统，还包括：

增湿器，所述增湿器设置在所述中冷器与所述入堆截止阀之间的进气通路上且位于所述旁通阀的下游。

在本申请的一具体实施例中，所述空压机为空气轴承式两级离心压缩机。

在本申请的一具体实施例中，所述电堆为质子交换膜燃料电池。

在本申请的一具体实施例中，所述中冷器为水冷式散热器。

根据本申请实施例，公开了一种燃料电池空压机冷却系统的控制方法，应用于上述实施方式中任一项所述的燃料电池空压机冷却系统，包括：

根据检测到的所述空压机的运行状态，判断所述空压机是否需要执行喘振抑制以及所述空压机是否需要冷却；

根据对所述空压机的判断结果，控制所述旁通阀的开度。

在本申请的一具体实施例中，所述根据对所述空压机的判断结果，控制所述旁通阀的开度，包括：

当判断结果为所述空压机不需要执行喘振抑制且所述空压机不需要冷却时，控制所述旁通阀关闭；

当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机不需要冷却时，控制所述旁通阀开启；

当判断结果为所述空压机不需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，控制所述旁通阀开启；

当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，控制所述旁通阀开启。

在本申请的一具体实施例中，所述当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机不需要冷却时，控制所述旁通阀开启，包括：

当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机不需要冷却时，确定所述空压机执行喘振抑制所需要的第一开度值；

根据所述第一开度值，控制所述旁通阀开启。

在本申请的一具体实施例中，所述当判断结果为所述空压机不需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，控制所述旁通阀开启，包括：

当判断结果为所述空压机不需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，确定所述空压机冷却所需要的第二开度值；

根据所述第二开度值，控制所述旁通阀开启。

在本申请的一具体实施例中，所述当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，控制所述旁通阀开启，包括：

当判断结果为所述空压机需要执行喘振抑制且所述空压机需要冷却时，确定所述空压机执行喘振抑制所需要的第三开度值和所述空压机冷却所需要的第四开度值；

确定所述第三开度值与所述第四开度值中的较大值；

根据所述较大值，控制所述旁通阀开启。

在本申请实施例所提供的技术方案中，通过对旁通阀的连接方式进行改变，可以根据检测到的空压机的运行状态来判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却，并根据对空压机的判断结果来控制旁通阀的开度，以通过旁通路向空压机输送增压冷却后空气，从而实现对空压机的喘振抑制以及对空压机的主动可控冷却。

本申请的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参考附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1示出了本申请一实施例中一种燃料电池空压机冷却系统的结构示意图。

图2示出了本申请一实施例中一种燃料电池空压机冷却系统的控制方法的步骤流程图。

图3示出了本申请一实施例中根据对空压机的判断结果，控制旁通阀的开度的步骤流程图。

图4示出了本申请一实施例中当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却时，控制旁通阀开启的步骤流程图。

图5示出了本申请一实施例中当判断结果为空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启的步骤流程图。

图6示出了本申请一实施例中当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启的步骤流程图。

图7示出了本申请一实施例中一种燃料电池空压机冷却系统的结构示意图。

图8示出了本申请一实施例中一种燃料电池空压机冷却系统的工作原理图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本申请的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多示例实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的示例实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本申请的各方面变得模糊。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。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。

本申请发明人经研究发现：常见的燃料电池空压机为离心式压缩机，其在小流量高压比工况会出现喘振现象，表现为空压机后压力波动，噪声明显，严重的会损坏空压机。另一方面，高速电机驱动的离心压缩机转速高达10万转，高转速下，电机和轴承发热明显，需要加以冷却以防止电机和轴承失效。

为了解决上述问题，本申请发明人经研究发现：针对空压机喘振，通过打开旁通阀，提高空压机流量，使其运行点远离喘振线，是主要的喘振抑制手段。针对空压机内部冷却，一种方法是使用一级压气机后空气进行冷却，另一种方法是使用中冷器后空气进行冷却。上述两种方法均是固定通道冷却，也就是冷却空气流量所经流道为固定截面，不能根据空压机的运行状态对冷却流量进行主动可控调节，因而容易出现冷却流量不足而损坏电机和轴承或冷却流量过大使得空压机功耗过大从而降低燃料电池系统效率的情况。

为了解决上述问题，本申请提供了一种燃料电池空压机冷却系统及其控制方法。其中，该燃料电池空压机冷却系统能够应用于车用燃料电池系统，其改变了燃料电池空气供给系统的连接方式，具体改变了旁通阀的连接方式。将中冷器后一部分气体经旁通阀后流经尾排管排出，改变成中冷器后一部分气体经旁通阀先流经空压机内部后再流经尾排管排出。更改后，仍能通过开启旁通阀实现对空压机的喘振抑制；更进一步的是，在没有增加其它硬件的基础上，也能通过开启旁通阀实现对空压机的主动可控冷却。因而解决了冷却流道不可调节的固定通道冷却问题，同时也实现了对空压机内部电机及轴承冷却流量的主动可控调节，提高整机可靠性。进一步地，主动可控的冷却使得电机具备更强的过载能力，从而有利于提高燃料电池系统输出功率。

使用该燃料电池空压机冷却系统及其控制方法，通过对旁通阀的连接方式进行改变，可以根据检测到的空压机的运行状态来判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却，并根据对空压机的判断结果来控制旁通阀的开度，以通过旁通路向空压机输送增压冷却后空气，从而实现对空压机的喘振抑制以及对空压机的主动可控冷却。

在一具体的实施例中，公开了一种燃料电池空压机冷却系统。参考图1所示，该燃料电池空压机冷却系统包括空压机110、电堆120、中冷器130、入堆截止阀140、旁通阀150以及出堆截止阀160。空压机110用于对空气增压。电堆120的一端与进气通路相连，电堆120的另一端与排气通路相连；电堆120内部发生反应以提供动力。在本实施例中，电堆120内部所发生反应包括但不限于化学反应，此处不进行具体限定。中冷器130设置在从空压机110至电堆130之间的进气通路上；中冷器130用于对增压后空气冷却。入堆截止阀140设置在从中冷器130至电堆120之间的进气通路上；入堆截止阀140用于控制增压冷却后空气进入电堆内部。旁通阀150的一端与中冷器130至入堆截止阀140之间的进气通路相连，旁通阀150的另一端与空压机110相连，从旁通阀150至空压机110之间设置有旁通路；旁通阀150用于向空压机输送增压冷却后空气。出堆截止阀160设置在排气通路上；出堆截止阀160用于控制电堆内反应后的气体排出至尾排管。

在一具体的实施例中，燃料电池空压机冷却系统还包括增湿器。该增湿器设置在中冷器与入堆截止阀之间的进气通路上且位于旁通阀的下游；该增湿器能够利用反应后的湿气体对加压冷却后空气进行加湿。在本实施例中，增湿器可以为膜式增湿器。

在一具体的实施例中，空压机为空气轴承式两级离心压缩机。根据实际需要，空压机还可以为其他类型的压缩机，此处不进行具体限定。

在一具体的实施例中，电堆为质子交换膜燃料电池。根据实际需求，电堆还可以为其他类型的电池，此处不进行具体限定。同时，根据电堆所使用类型的不同，可以确定是否需要使用增湿器。

在一具体的实施例中，中冷器为水冷式散热器。根据实际需要，中冷器还可以为其他类型的散热设备，此处不进行具体限定。

在一具体的实施例中，入堆截止阀、旁通阀以及出堆截止阀均为电动蝶阀。在本实施例中，通过电信号，能够实现对电动蝶阀的控制。

在一具体的实施例中，公开了一种燃料电池空压机冷却系统的控制方法，应用于上述任一实施例中的燃料电池空压机冷却系统。参考图2所示，该燃料电池空压机冷却系统的控制方法，包括：

步骤S210：根据检测到的空压机的运行状态，判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却。

在本实施例中，空压机的运行状态包括空压机是否发生喘振。根据空压机是否发生喘振，可以判断出空压机是否需要执行喘振抑制。例如，空压机发生喘振时，可以判断出空压机需要执行喘振抑制。

在本实施例中，空压机的运行状态还包括空压机运行时的温度是否高于温度阈值。根据空压机运行时的温度是否高于温度阈值，可以判断出空压机是否需要冷却。例如，空压机运行时的温度为50度时，高于温度阈值45度，可以判断出空压机需要冷却。

步骤S220：根据对空压机的判断结果，控制旁通阀的开度。

在本实施例中，对空压机的判断结果包括对空压机是否需要执行喘振抑制的判断结果和对空压机是否需要冷却的判断结果。具体结果如下：

1、空压机不需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却；

2、空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却；

3、空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却；

4、空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却。

在一具体的实施例中，参考图3所示，根据对空压机的判断结果，控制旁通阀的开度，包括：

步骤S310：当判断结果为空压机不需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却时，控制旁通阀关闭。

在本实施例中，控制部判断出空压机不需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却，发送控制信号至旁通阀来控制旁通阀关闭，能够有效减少不必要的功率损耗。

步骤S320：当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却时，控制旁通阀开启。

在本实施例中，控制部判断出空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却，发送控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启，能够实现对空压机的喘振抑制。

步骤S330：当判断结果为空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启。

在本实施例中，控制部判断出空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却，发送控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启，能够实现对空压机的冷却。

步骤S340：当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启。

在本实施例中，控制部判断出空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却，发送控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启，能够同时实现对空压机的喘振抑制和对空压机的冷却。

在一具体的实施例中，参考图4所示，当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却时，控制旁通阀开启，包括：

步骤S410：当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机不需要冷却时，确定空压机执行喘振抑制所需要的第一开度值。

在本实施例中，第一开度值为空压机完全执行喘振抑制，即空压机不再喘振时旁通阀的开度值。

步骤S420：根据第一开度值，控制旁通阀开启。

在本实施例中，当确定第一开度值的具体数值后，控制部发送相应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。例如，当确定第一开度值的具体数值为A时，控制部发送与第一开度值为A所对应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。

在一具体的实施例中，参考图5所示，当判断结果为空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启，包括：

步骤S510：当判断结果为空压机不需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，确定空压机冷却所需要的第二开度值。

在本实施例中，第二开度值为空压机完全冷却，即空压机运行时的温度低于温度阈值时旁通阀的开度值。

步骤S520：根据第二开度值，控制旁通阀开启。

在本实施例中，当确定第二开度值的具体数值后，控制部发送相应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。例如，当确定第二开度值的具体数值为B时，控制部发送与第二开度值为B所对应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。

在一具体的实施例中，参考图6所示，当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，控制旁通阀开启，包括：

步骤S610：当判断结果为空压机需要执行喘振抑制且空压机需要冷却时，确定空压机执行喘振抑制所需要的第三开度值和空压机冷却所需要的第四开度值。

在本实施例中，与第一开度值同理，第三开度值为空压机完全执行喘振抑制，即空压机不再喘振时旁通阀的开度值；与第二开度值同理，第四开度值为空压机完全冷却，即空压机运行时的温度低于温度阈值时旁通阀的开度值。

步骤S620：确定第三开度值与第四开度值中的较大值。

在本实施例中，第三开度值与第四开度值分别存在相应的具体数值，可以通过比较二者的具体数值得出其中的较大值。例如，当确定第三开度值的具体数值为C，以及第四开度值的具体数值为D时，通过比较C与D的大小得到C大于D，进而使用第三开度值的具体数值为C来作为较大值。

步骤S630：根据较大值，控制旁通阀开启。

在本实施例中，当确定较大值的具体数值后，控制部发送相应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。例如，当确定较大值使用第三开度值的具体数值为C时，控制部发送与第三开度值为C所对应的控制信号至旁通阀来控制旁通阀开启。

在一具体的实施例中，公开了一种燃料电池空压机冷却系统。参考图7所示，该燃料电池空压机冷却系统包括空压机710、中冷器720、旁通阀730、增湿器740、入堆截止阀750、电堆760和出堆截止阀770。该燃料电池空压机冷却系统包括主通路和旁通路两个空气路。同时，根据气体进入电堆760和气体排出电堆760的不同，将主通路划分为进气通路和排气通路。主通路(进气通路)：空气进入空压机710内部，空压机710所设电机驱动两级离心压缩机对空气增压，同时空气温度升高，得到增压后空气；增压后空气经由中冷器720冷却后，得到增压冷却后空气；增压冷却后空气流经增湿器740加湿，然后通过入堆截止阀750进入电堆760内部，在电堆760内部进行还原反应。主通路(排气通路)：电堆760内部的反应后气体经出堆截止阀770排出至尾排管。旁通路：一部分增压冷却后空气通过旁通阀730，进入空压机710内部，对空压机710所设电机和轴承进行冷却。同时，旁通阀730设置于增湿器740上游，防止加湿后空气腐蚀空压机710内部。通过开启旁通阀730，能够提高空压机710流量，避免空压机710喘振。同时，根据空压机710运行状态，能够实现对空压机710内部所设电机和轴承进行主动可控冷却，进而提高整机可靠性。

在一具体的实施例中，参考图8所示，本申请所提供的燃料电池空压机冷却系统根据对空压机的判断结果，通过控制旁通阀的开度，来实现对空压机的喘振抑制和对空压机的主动可控冷却。具体如下：

一、当燃料电池空压机冷却系统判断得到：不需要对空压机执行喘振抑制且不需要对空压机冷却。关闭旁通阀，旁通路不通，避免造成不必要的功率损耗；

二、当燃料电池空压机冷却系统判断得到：需要对空压机执行喘振抑制且不需要对空压机冷却。确定对空压机执行喘振抑制所需要的第一开度值，根据第一开度值来开启旁通阀，实现对空压机的喘振抑制；

三、当燃料电池空压机冷却系统判断得到：不需要对空压机执行喘振抑制且需要对空压机冷却。确定对空压机冷却所需要的第二开度值，根据第二开度值来开启旁通阀，实现对空压机的主动可控冷却；

四、当燃料电池空压机冷却系统判断得到：需要对空压机执行喘振抑制且需要对空压机冷却。确定对空压机执行喘振抑制所需要的第三开度值并确定对空压机冷却所需要的第四开度值，并比较得出较大值，根据较大值来开启旁通阀，同时实现对空压机的喘振抑制和对空压机的主动可控冷却。

本申请实施例所提供的技术方案，通过对旁通阀的连接方式进行改变，可以根据检测到的空压机的运行状态来判断空压机是否需要执行喘振抑制以及空压机是否需要冷却，并根据对空压机的判断结果来控制旁通阀的开度，以通过旁通路向空压机输送增压冷却后空气，从而实现对空压机的喘振抑制以及对空压机的主动可控冷却。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，包括：

空压机；

电堆，所述电堆的一端与进气通路相连，所述电堆的另一端与排气通路相连；

中冷器，所述中冷器设置在从所述空压机至所述电堆之间的进气通路上；

入堆截止阀，所述入堆截止阀设置在从所述中冷器至所述电堆之间的进气通路上；

旁通阀，所述旁通阀的一端与所述中冷器至所述入堆截止阀之间的进气通路相连，所述旁通阀的另一端与所述空压机相连，从所述旁通阀至所述空压机之间设置有旁通路；其中，所述旁通阀的控制方式如下：根据检测到的所述空压机的运行状态，判断所述空压机是否需要冷却；如果所述空压机不需要冷却，判断所述空压机是否需要执行喘振抑制；如果所述空压机不需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀关闭；如果所述空压机需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第一开度值开启；如果所述空压机需要冷却，判断所述空压机是否需要执行喘振抑制；如果所述空压机不需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第二开度值开启；如果所述空压机需要执行喘振抑制，确定所述空压机执行喘振抑制所需要的第三开度值和所述空压机冷却所需要的第四开度值，并确定所述第三开度值与所述第四开度值中的较大值；根据所述较大值，控制所述旁通阀开启；

出堆截止阀，所述出堆截止阀设置在所述排气通路上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，所述燃料电池空压机冷却系统，还包括：

增湿器，所述增湿器设置在所述中冷器与所述入堆截止阀之间的进气通路上且位于所述旁通阀的下游。

3.根据权利要求1所述的燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，所述空压机为空气轴承式两级离心压缩机。

4.根据权利要求1所述的燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，所述电堆为质子交换膜燃料电池。

5.根据权利要求1所述的燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，所述中冷器为水冷式散热器。

6.一种燃料电池空压机冷却系统的控制方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的燃料电池空压机冷却系统，其特征在于，包括：

根据检测到的所述空压机的运行状态，判断所述空压机是否需要冷却；

如果所述空压机不需要冷却，判断所述空压机是否需要执行喘振抑制；

如果所述空压机不需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀关闭；

如果所述空压机需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第一开度值开启；

如果所述空压机需要冷却，判断所述空压机是否需要执行喘振抑制；

如果所述空压机不需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第二开度值开启；

如果所述空压机需要执行喘振抑制，确定所述空压机执行喘振抑制所需要的第三开度值和所述空压机冷却所需要的第四开度值，并确定所述第三开度值与所述第四开度值中的较大值；

根据所述较大值，控制所述旁通阀开启。

7.根据权利要求6所述的燃料电池空压机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述如果所述空压机需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第一开度值开启，包括：

如果所述空压机需要执行喘振抑制，确定所述空压机执行喘振抑制所需要的第一开度值；

根据所述第一开度值，控制所述旁通阀开启。

8.根据权利要求6所述的燃料电池空压机冷却系统的控制方法，其特征在于，所述如果所述空压机不需要执行喘振抑制，控制所述旁通阀按照第二开度值开启，包括：

如果所述空压机不需要执行喘振抑制，确定所述空压机冷却所需要的第二开度值；

根据所述第二开度值，控制所述旁通阀开启。