CN116454328A - 基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法及系统，包括：S1：确定燃料电池系统在标准运行状况第一空气流量；S2：在实际运行状况下，确定燃料电池系统在实际运行状况下的第二空气流量；S3：根据所述第一空气流量和第二空气流量，确定所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量偏差；S4：根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度；S5：根据所述污染程度对燃料电池系统的控制子系统输出信号。本申请通过温压传感器的数据确认燃料电池系统中空压机在实际运行状态下的空气状态，使用流量修正模型确认空气流量，提高空气流量判断的精度。
Description
技术领域
本发明是涉及燃料电池系统领域，特别是基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法及系统。
背景技术
燃料电池可以将各种燃料的化学能直接转化为电能，无需燃烧，具有高效、功率密度高、零排放、运行静音、高可靠性、低维护等优点，被认为是最有发展前景的发电技术。由于氢燃料的易得性和系统的高效性，燃料电池被认为是世界范围内最受欢迎的电动汽车发动机能源。为了实现燃料电池在电动汽车上的商业化，全球不断的研究、开发和演化，已经积累了几十年的经验。燃料电池电动汽车经历了从实验室验证到商业应用的转折点，现正处于高速发展阶段。
在现有技术中，燃料电池的运行特性决定其对于反应气体的纯度要求较高，空气滤芯器是确保燃料电池高效运行的重要组成部分之一，它起到过滤空气杂质的作用。现有的技术方案一般是基于行驶里程、空气流量标定等方法确定，无法精确判断空气滤芯的污染情况。
因此，寻找一种能够实时监控空气滤芯器的状态、且空气流量判断精度高的污染控制方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，包括：
S1：燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量，所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；
S2：在实际运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中的空气流量数据，使用流量修正模型确定燃料电池系统在实际运行状况下的第二空气流量；
S3：根据所述第一空气流量和第二空气流量，确定所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量偏差；
S4：根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度；
S5：根据所述污染程度对燃料电池系统的控制子系统输出信号。
在本发明的一实施方式中，步骤S1之前还包括：
在标准运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中空压机在空气滤芯无污染状态下的数据，确定第三空气流量；
基于所述第三空气流量对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型。
在本发明的一实施方式中，步骤S2具体包括：
在所述实际运行状况下，将所述燃料电池系统中空压机的转速设置为固定值；
在所述空压机转速固定的状态下，采集温压传感器的数据，基于流量修正模型确定所述空压机的第二空气流量，所述温压传感器的数据包括温度数据和压力数据。
在本发明的一实施方式中，步骤S2具体包括：通过流量修正模型计算，确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
所述流量修正模型计算公式为：
其中，mcorreted为修正空气流量，min为空气流量计采集的空气流量，pin为温压传感器采集压力，pref为标准状况下的压力，Tin为温压传感器采集温度，Tref为标准状况下的温度。
在本发明的一实施方式中，步骤S5具体包括：
设置空气流量偏差的第一阈值范围、第二阈值范围及第三阈值范围；
当所述空气流量偏差处于第一阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为轻度污染；
当所述空气流量偏差处于第二阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为中度污染；
当所述空气流量偏差处于第三阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为重度污染。
在本发明的一实施方式中，所述第一阈值范围X1为3％≤X1＜6％，所述第二阈值范围X2为6％≤X2＜10％，所述第三阈值范围X3为10％≤X3＜15％。
在本发明的一实施方式中，步骤S6具体包括：
当所述空气滤芯器的污染程度为中度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出警告信号；
当所述空气滤芯器的污染程度为重度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出报警信号。
本申请还提供一种基于流量模型的空气滤芯污染控制系统，包括：
第一计算单元，用于燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量；所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；
第二计算单元，用于根据流量计采集所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量，基于流量修正模型确定燃料电池系统的第二空气流量；
流量偏差单元，用于根据所述第一空气流量和第二空气流量确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
控制子系统，用于根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度，并根据所述污染程度输出信号。
在本发明的一实施方式中，所述第一计算单元还用于对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型。
在本发明的一实施方式中，所述控制系统还包括云服务器，所述云服务器与控制子系统连接，用于远程监控燃料电池系统及上传、收集空气滤芯器在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；所述云服务器根据燃料电池系统运行位置确定燃料电池系统实际运行压力和温度。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
1、本申请通过对不同的实际运行状态下燃料电池系统的空气流量进行修正，使用优化后的流量修正模型确认实际运行状态下燃料电池系统中空压机的空气流量，提高流量模型对空气流量判断的精准度。
2、本申请基于第一空气流量和第二空气流量确认燃料电池系统在标准运行状态下和实际运行状态下的空气流量偏差，基于空气流量偏差确定空气滤芯器的污染程度，并输出信号，能够实时对燃料电池系统的空气滤芯器进行监控，以便能够提醒用户及时更换空气滤芯。
3、本申请通过将云服务器和燃料电池系统的控制子系统连接，建立数据库，并生成流量偏差、流量大小与运行里程及时间的关系函数，不仅能够提高不同转速下空压机空气流量判断的精度，还能够对空气滤芯器的使用状态进行实时远程监控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是根据本发明一实施方式的燃料电池系统框图；
图2是根据本发明一实施方式的基于流量模型的空气滤芯污染控制方法的流程图一；
图3是根据本发明一实施方式的基于流量模型的空气滤芯污染控制方法的流程图二；
图4是根据本发明一实施方式的基于流量模型的空气滤芯污染控制系统框图。
主要附图标记说明：
1、空气滤芯器；2、温压传感器；3、空气流量计；4、空压机；5、中冷器；6、背压阀；7、增湿器；8、旁通阀；9、燃料电池电堆；10、水泵；11、风扇；12、加热器PTC；13、三通阀；14、分水器；15、引射器；16、板换；17、高压组件；18、氢气罐。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“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发明中的具体含义。
如图1所示，作为本领域技术人员可以理解的，基于燃料电池系统结构及要求建立燃料电池系统仿真模型，确定燃料电池系统仿真模型的控制方法，燃料电池系统包括：相互耦合的空路循环子系统、氢路循环子系统、冷却循环子系统、控制子系统及燃料电池电堆；所述空路子系统包括依次连接的空气滤芯器1、温压传感器2、空气流量计3、空压机4，空压机4通过中冷器5的第一支路与增湿器7的入口相连，增湿器7通过旁通阀8连接燃料电池电堆9的空气进口，空压机4通过中冷器5的第二支路直接与旁通阀8相连，燃料电池电堆9的空气出口通过增湿器7与背压阀6相连。
所述氢路循环子系统包括氢气罐18，氢气罐通过高压组件17与板换16相连，板换16出口连接引射器15高压进口，引射器15出口与燃料电池电堆9相连，燃料电池电堆9的氢气出口经过分水器14与引射器15的低压进口相连。
所述冷却循环子系统包括水泵10，水泵10的出口与燃料电池电堆9的冷却水进口相连，燃料电池电堆9的冷却水出口与三通阀13相连，三通阀13的第一支路与PTC12相连，三通阀13的第二支路与散热器11相连，三通阀13的第一支路与第二支路的冷却水汇合后进行水泵10。其中，冷却循环子系统还提供板换16的热源和中冷器5的冷源。
可以理解的，大气中的空气被空压机4压缩后输送至中冷器5中，空气流量计3及温压传感器2采集空压机4运行过程中的入口压力、温度和空气流量。冷却水流入中冷器5给中冷器5中的高压空气进行降温，被中冷器5降温后的高压空气一部分流入增湿器7的入口进行加湿处理，另一部分通过旁通阀8与加湿气体混合进入燃料电池电堆9。氢气罐18中的高压氢气通过高压组件17进行降压处理，降压后的氢气通过板换16加热进入引射器15与经过分水器14分离液态水后的剩余未反应氢气混合后进入燃料电池电堆9。高压湿空气与氢气进入燃料电池电堆9参与电化学反应，产生电能和热能，未参与反应的剩余空气进入增湿器7出口给入口处的高压气体加湿，然后通过背压阀6排入大气中。水泵10中的水分别与加热器PTC12和散热器11连通，用于对加热器PTC12和散热器11进行降温，提高燃料电池系统的工作效率。
如图2所示，本申请提供一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，包括：
S1：燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量，所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；
S2：在实际运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中空气流量数据，使用流量修正模型确定燃料电池系统的第二空气流量；
S3：根据所述第一空气流量和第二空气流量，确定所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量偏差；
S4：根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度；
S5：根据所述污染程度对燃料电池系统的控制子系统输出信号。
可以理解的，流量偏差＝(标准运行状况第一空气流量-实际运行状况第二空气流量)/实际运行状况第二空气流量。
不同运行状况下的压力和温度对燃料电池系统空压机的运行状态产生影响，当空气温度升高时，空压机出口流量降低，同时当空压机入口压力降低时，空压机的出口压力及流量降低。
通过确定燃料电池系统在标准状况下空压机的第一空气流量和实际运行状况(如不同压力和温度)下的空气滤芯器的第二空气流量之间的空气流量偏差，确定燃料电池空气滤芯器的污染程度及污染等级，并根据污染程度输出对应的信号，不仅能够实时监测空气滤芯器的使用状态，最大限度的使用空气滤芯器中的滤芯，避免浪费，还无需安装额外的检测部件，精简燃料电池系统的结构。
进一步的，步骤S1之前还包括：
在标准运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中空压机在空气滤芯无污染状态下的数据，确定第三空气流量；
基于所述第三空气流量对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型。
可以理解的，根据不同的实际运行状态对流量模型进行优化，并使用流量修正模型确定实际运行状况下的空气流量，提高燃料电池系统中空压机空气流量判断的精度。
在本申请一实施例中，步骤S2具体包括：
在所述实际运行状况下，将所述燃料电池系统中空压机的转速设置为固定值；
在所述空压机转速固定的状态下，采集温压传感器的数据，基于流量修正模型确定所述空压机的第二空气流量，所述温压传感器的数据包括温度数据和压力数据。
在本申请一实施例中，步骤S2具体包括：通过流量修正模型计算，确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
所述流量修正模型计算公式为：
其中，mcorreted为修正空气流量，min为空气流量计采集的空气流量，pin为温压传感器采集压力，pref为标准状况下的压力，Tin为温压传感器采集温度，Tref为标准状况下的温度。
在本实施例一实施方案中，流量计记录空气滤芯器的实际空气流量、燃料电池实际工况(环境参数)，通过流量修正模型确认在实际运行状态下和标准运行状态下的空气流量偏差与实际运行里程及时间，建立数据库，并生成流量偏差、流量大小与运行里程及时间的关系函数，燃料电池系统的云服务器与控制子系统连接，云服务器将温压传感器的数据以及流量偏差、流量大小与运行里程及时间的关系函数发送至控制子系统中，控制子系统基于运行里程或运行时长进行预警，以便用户及时更换空气滤芯。
在本申请一实施例中，步骤S5具体包括：
设置空气流量偏差的第一阈值范围、第二阈值范围及第三阈值范围；
当所述空气流量偏差处于第一阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为轻度污染；
当所述空气流量偏差处于第二阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为中度污染；
当所述空气流量偏差处于第三阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为重度污染。
进一步的，所述第一阈值范围X1为3％≤X1＜6％，所述第二阈值范围X2为6％≤X2＜10％，所述第三阈值范围X3为10％≤X3＜15％。
如图3所示，流量计读取当前实际运行状态下燃料电池系统中空压机的空气流量、温压传感器中的温度数据和压力数据，并进行流量修正计算，确定燃料电池系统在标准运行状态下和实际运行状态下的空气流量偏差，根据阈值范围确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度，控制子系统基于空气滤芯器的污染程度输出信号。
在本申请一实施例中，步骤S6具体包括：
当所述空气滤芯器的污染程度为中度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出警告信号；
当所述空气滤芯器的污染程度为重度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出报警信号。
本申请基于流量模型确定标准运行状态下燃料电池系统在不同转速条件下的第一空气流量，使用流量计采集不同实际运行状态下燃料电池系统中温压传感器的数据，并通过流量模型确认燃料电池系统空压机不的空气流量，使用该空气流量对流量模型进行优化，得到流量修正模型，进而提高流量模型的精度；使用流量修正模型确认燃料电池系统空压机不同转速下的第二空气流量，根据第一空气流量和第二空气流量确认空气流量偏差，根据空气流量偏差确认燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度，基于污染程度向控制子系统输出信号，实时监控空气滤芯器的使用状况，以便能够及时提醒用户更换空气滤芯。
如图4所示，本申请还提供一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制系统，包括第一计算单元、第二计算单元、流量偏差单元和控制子系统，第一计算单元，用于燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量；所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；所述第一计算单元还用于对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型；
第二计算单元，用于根据流量计采集所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量，基于流量修正模型确定燃料电池系统的第二空气流量；
流量偏差单元，用于根据所述第一空气流量和第二空气流量确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
控制子系统，用于根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度，并根据所述污染程度输出信号。
进一步的，所述控制系统还包括云服务器，所述云服务器与控制子系统连接，所述云服务器用于远程监控燃料电池系统及上传、收集空气滤芯器在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差。同时所述云服务器可基于燃料电池系统运行位置确定系统实际运行压力和温度，从而取消温压传感器，降低系统成本。
在本申请一实施方式中，云服务器与燃料电池系统的控制子系统连接，云服务器能够根据记录的空气滤芯的实际运行里程和时间以及空压机的转速，生成对应的历史数据，用户可以根据历史数据判断空气滤芯在燃料电池系统中的使用情况以及使用寿命，当空气滤芯的使用情况出现异常，如空气滤芯的使用寿命明显缩短或空气滤芯的有效使用时间明显不足，用户可以根据空气滤芯的使用情况进一步推断出燃料电池系统的使用是否出现问题，便于用户对燃料电池系统的使用情况进行监测。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，包括：
S1：燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量，所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；
S2：在实际运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中空气流量数据，使用流量修正模型确定燃料电池系统的第二空气流量；
S3：根据所述第一空气流量和第二空气流量，确定所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量偏差；
S4：根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度；
S5：根据所述污染程度对燃料电池系统的控制子系统输出信号。
2.如权利要求1所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：
在标准运行状况下，流量计采集所述燃料电池系统中空压机在空气滤芯无污染状态下的数据，确定第三空气流量；
基于所述第三空气流量对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型。
3.如权利要求1所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
在所述实际运行状况下，将所述燃料电池系统中空压机的转速设置为固定值；
在所述空压机转速固定的状态下，采集温压传感器的数据，基于流量修正模型确定所述空压机的第二空气流量，所述温压传感器的数据包括温度数据和压力数据。
4.如权利要求1所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：通过流量修正模型计算，确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
所述流量修正模型计算的公式为：
其中，mcorreted为修正空气流量，min为空气流量计采集的空气流量，pin为温压传感器采集压力，pref为标准状况下的压力，Tin为温压传感器采集温度，Tref为标准状况下的温度。
5.如权利要求1所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
设置空气流量偏差的第一阈值范围、第二阈值范围及第三阈值范围；
当所述空气流量偏差处于第一阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为轻度污染；
当所述空气流量偏差处于第二阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为中度污染；
当所述空气流量偏差处于第三阈值范围时，确定所述空气滤芯器的污染程度为重度污染。
6.如权利要求5所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，所述第一阈值范围X1为3％≤X1＜6％，所述第二阈值范围X2为6％≤X2＜10％，所述第三阈值范围X3为10％≤X3＜15％。
7.如权利要求5所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
当所述空气滤芯器的污染程度为中度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出警告信号；
当所述空气滤芯器的污染程度为重度污染时，所述燃料电池系统控制子系统输出报警信号。
8.一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制系统，其特征在于，包括：
第一计算单元，用于燃料电池系统在标准运行状况下，基于流量模型确定空气滤芯无污染状态的第一空气流量；所述流量模型是燃料电池系统的仿真模型；
第二计算单元，用于根据流量计采集所述燃料电池系统在实际运行状况下的空气流量，基于流量修正模型确定燃料电池系统的第二空气流量；
流量偏差单元，用于根据所述第一空气流量和第二空气流量确定所述燃料电池系统在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；
控制子系统，用于根据所述空气流量偏差确定燃料电池系统中空气滤芯器的污染程度，并根据所述污染程度输出信号。
9.如权利要求8所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制系统，其特征在于，所述第一计算单元还用于对流量模型进行优化，得到所述流量修正模型。
10.如权利要求8所述的一种基于流量模型的燃料电池空气滤芯污染控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括云服务器，所述云服务器与控制子系统连接，用于远程监控燃料电池系统及上传、收集空气滤芯器在标准运行状况下和实际运行状况下的空气流量偏差；所述云服务器根据燃料电池系统运行位置确定燃料电池系统实际运行压力和温度。
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