CN118817358A - 一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法，涉及燃料电池系统零部件测试，设有依次连接的空压机、第一调节阀和中冷器，中冷器设置于隔热密封装置内，空压机与第一调节阀之间设有一级调温缓冲罐，第一调节阀和中冷器之间依次设有第二调节阀和空气流量计V1，第一调节阀和第二调节阀之间设有二级调温缓冲罐，二级调温缓冲罐出口连接第二调节阀，二级调温缓冲罐还依次设有空气流量计V3和旁通阀；三通阀并分别连接中冷器、散热器和加热器组成散热循环回路，本申请中的技术方案与现有技术相比，具有快速升降温功能，可以快速模拟空压机大功率运转状态下空气的实际温度，加快测试进程，而且减少长时间大功率运转空压机的能耗和噪音。

Description

一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统零部件测试技术领域，具体涉及一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法。

背景技术

随着燃料电池系统的飞速发展，为了使燃料电池系统性能越来越好，其内部个零部件也在快速迭代更新。空气子系统作为燃料电池系统中极其重要的一部分，一般空气经过空压机进行增压后，温度会大幅上升，需要中冷器对其进行冷却，经过增压和冷却后的空气进入电堆，因此中冷器是保证合理进堆空气温度的关键。因此，对中冷器性能测试是研发和生产的重要内容。

目前行业内对中冷器测试过程中出现的较多的问题包括：

1空压机大功率运转让空气逐渐升温至合适温度，时间较长。

2.中冷器冷却回路需要逐步升温至目标温度，加热时间较长。

3.长时间大功率运转空压机能耗高，噪音剧烈。

4.测量数据不准确，不能准确计算中冷器外壳对环境散热值。

5.不能测量不同环境温度下对中冷器的性能影响因素。

6.随着测试时间增加，环境温度会上升，导致空气进口温度出现变化，进而影响空压机出口空气温度，影响测试。

因此，本申请提出一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法，以期一定程度上解决上述相关技术中的技术问题。

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中冷器快速测试系统及其控制方法，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：

一种燃料电池中冷器快速测试系统，设有依次连接的空压机、第一调节阀和中冷器，其中中冷器并联连接有散热器和加热器，中冷器设置于隔热密封装置内，空压机与第一调节阀之间设有一级调温缓冲罐，第一调节阀和中冷器之间依次设有第二调节阀和空气流量计V1，第一调节阀和第二调节阀之间设有二级调温缓冲罐，二级调温缓冲罐出口连接第二调节阀，二级调温缓冲罐还设有旁通路，旁通路上依次设有空气流量计V3和旁通阀；此外还设有三通阀和水泵，三通阀并分别连接中冷器、散热器和加热器组成散热循环回路，水泵出口端连接有空气流量计V2。

在上述技术方案的基础上，隔热密封装置设有单向阀和排气阀，单向阀连接气泵，排气阀接通外界大气。

在上述技术方案的基础上，隔热密封装置还设有加热器、温度传感器T5、压力传感器P5。

在上述技术方案的基础上，中冷器空气出口设有消音器。

在上述技术方案的基础上，一级调温缓冲罐还设有制冷机和加热器，二级调温缓冲罐还设有加热器。

在上述技术方案的基础上，空气流量计V1出口依次连接有温度传感器T1、压力传感器P1，中冷器空气出口依次连接有温度传感器T2、压力传感器P2，空气流量计V2出口依次连接有温度传感器T3、压力传感器P3。

在上述技术方案的基础上，空压机空气入口端连有过滤器。

在上述技术方案的基础上，中冷器冷却水出口依次连接有温度传感器T4、压力传感器P4。

在上述技术方案的基础上，隔热密封装置由内而外依次设有隔热层、密封层和结构层。

在上述技术方案的基础上，一种燃料电池中冷器快速测试系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取中冷器测试所需的参数，包括需求空气流量L0，进口空气压力P0，进口空气温度T0，出口空气温度t0，冷却水温度WT0，冷却水流量WL0，通过气泵以及排气阀控制隔热密封装置内的压力达到测试条件压力，通过隔热密封装置内的加热器加热至设定测试温度；

S2、设置一级调温缓冲罐的压力DP1，一级调温缓冲罐的温度DT1，且DP1=2P0，DT1=0.8T0；设置二级调温缓冲罐的压力DP2，二级调温缓冲罐的温度DT2，且DP2=1.2P0，DT2=T0；

S3、调节空压机转速，使一级调温缓冲罐压力达到DP1，联合控制一级调温缓冲罐的加热器和制冷机，使一级调温缓冲罐内空气温度维持在温度DT1；

S5、调节第一调节阀使二级调温缓冲罐的压力达到DP2，控制二级调温缓冲罐的加热器加热功率为Wptc，Wptc=Cp×（L0+L1）×（DT2-DT1）×ρ/μ，Cp为空气比热容，L0为需求空气流量，L1为旁通空气流量，ρ为空气密度，μ是二级调温缓冲罐的加热器的效率，DT1为一级调温缓冲罐的温度，DT2为二级调温缓冲罐的温度，此时二级调温缓冲罐内空气温度达到T0；

S6、调节第二调节阀以及旁通阀使中冷器空气进口流量、压力达到需求空气流量L0和进口空气压力P0；

S7、调节水泵转速使空气流量计V2达到设定流量WL0，打开加热器，调节三通阀使冷却水流向加热器回路，使中冷器入口冷却水水温T3达到设定温度WT0；

S8、通过实时调节加热器冷却水流量、散热风扇转速以及三通阀开度使中冷器入口冷却水水温T3保持为目标温度WT0；

S9、调整隔热密封装置内的温度和压力以模拟不同环境工况并分别记录中冷器表面散热情况，中冷器外表面散热量Q_外=0.125×(ΔP5×Cp×ΔT5×ρ)，Cp为空气比热容，ρ为空气密度，ΔP5为隔热密封装置内测试前后压差，ΔT5为隔热密封装置内测试前后温差；

S10、结束。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明中的一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法与现有技术相比，具有快速升降温功能，快速模拟空压机大功率运转状态下空气的实际温度，加快测试进程，而且减少长时间大功率运转空压机的能耗和噪音。

（2）本发明中的一种燃料电池中冷器快速测试系统及其控制方法，通过隔热密封装置将中冷器与外界环境分离，实现更好的测量数据准确性，较为准确地计算中冷器外壳对环境散热值的影响，以及消除环境变化因素通过加热器控制温度的方式实现环境温度模拟，从而测量不同环境温度对中冷器性能的影响。

附图说明

图1为本发明实施例中一种燃料电池中冷器快速测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种燃料电池中冷器快速测试系统控制方法的原理框图。

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。

目前行业内仅安传统方法测试中冷器存在以下弊端：1.空压机大功率运转让空气逐渐升温至合适温度，时间长；2.中冷器冷却回路需要逐步升温至目标温度，加热时间长；3.长时间大功率运转空压机能耗高，噪音剧烈；4.测量数据不准确，不能准确计算中冷器外壳对环境散热值；5.不能测量不同环境温度下对中冷器的性能影响因素；6.随着测试时间增加，环境温度会上升，导致空气进口温度出现变化，进而影响空压机出口空气温度，影响测试。

为了解决上述问题，参见图1所示为本发明实施例中一种燃料电池中冷器快速测试系统的结构示意图，一种燃料电池中冷器快速测试系统设有依次连接的空压机、第一调节阀和中冷器，中冷器、散热器和加热器并联连接，中冷器设置于隔热密封装置内，隔热密封装置起到保温密封作用，采用隔热层、密封层和结构层三层复合结构，空压机与第一调节阀之间设有一级调温缓冲罐，一级调温缓冲罐对空压机出口温度进行第一次加热或降温处理，一级调温缓冲罐还设有加热器和制冷机，加热器用于对流经的空气进行加热升温，制冷机用于调降温进行更为精准快速的调温处理。第一调节阀和中冷器之间依次设有第二调节阀和空气流量计V1，第一调节阀和第二调节阀为比例电磁阀分别用于调节对应安装管道内空气的压力或流量。第一调节阀和第二调节阀之间设有二级调温缓冲罐，二级调温缓冲罐还设有加热器，二级调温缓冲罐内的加热器用于进一步对流经的空气进行加热升温处理，通过两级调温缓冲能够平稳精准地控制进入中冷器的空气温度。

二级调温缓冲罐出口连接第二调节阀，二级调温缓冲罐还设有旁通路，旁通路上依次设有空气流量计V3和旁通阀。本实施例中通过控制旁通阀的开启或关闭状态实现快速控制进入中冷器空气压力/流量的目的，通过旁通阀开度大小可以精细化调整旁通流出空气的多少，再通过空气流量计V3的实施监测可以准确调整所需旁通路空气流量。

本实施例中还设有三通阀和水泵，三通阀并分别连接中冷器、散热器和加热器组成散热循环回路，通过控制三通阀的选通实现中冷器、散热器、加热器所在回路的选通，当开启散热器时，关闭加热器所在管路进行散热，当开启加热器时，关闭散热器所在管路进行加热，实现动态管理冷却水，进而动态调整水温和控制中冷器温度。水泵出口端连接有空气流量计V2，空气流量计V2监测流经水泵的冷却水流量，进而可以精确控制冷却水流量大小实现精准地温度调节。

隔热密封装置设有单向阀和排气阀，单向阀连接气泵，排气阀接通外界大气。控制单向阀的开启和气泵的工作状态可以对隔热密封装置进行充气，通过控制排气阀的开启状态进而控制隔热密封装置是否泄压排气，通过温度传感器T5、压力传感器P5的数据变化本实施例可以实时联动调节单向阀和排气阀的开启或关闭状态。隔热密封装置还设有加热器，本实施例中通过隔热密封装置内加热器工作，迅速对隔热密封装置内腔加热升温，模拟中冷器在不同环境下的外界温度情况，实现环境温度模拟，从而在下一步深入测试工作中测量不同环境温度对中冷器性能的影响。

本实施例中，中冷器空气出口设有消音器，由于中冷器出口空气造成的噪音较大，消音器能够减低噪声，降低对实验测试人员工作环境的影响。

空气流量计V1出口依次连接有温度传感器T1、压力传感器P1，中冷器空气出口依次连接有温度传感器T2、压力传感器P2，空气流量计V2出口依次连接有温度传感器T3、压力传感器P3。

本实施例中空压机空气入口端连有过滤器，过滤器用于过滤空气中的粉尘颗粒。

本实施例在中冷器冷却水出口依次连接有温度传感器T4、压力传感器P4。温度传感器T4用于检测中冷器冷却水出口的温度，压力传感器P4用于检测中冷器冷却水出口的压力。

参见如图2所示为本发明实施例中的一种燃料电池中冷器快速测试系统控制方法的原理框图，该方法的实施步骤包括：

首先获取中冷器测试所需的参数，本实施例中包括需求空气流量L0，进口空气压力P0，进口空气温度T0，出口空气温度t0，冷却水温度WT0，冷却水流量WL0。

下一步，根据测试实际情况需要设置一级调温缓冲罐的压力DP1和温度DT1，本实施例中DP1=2P0，DT1=0.8T0。其次设置二级调温缓冲罐的压力DP2和温度DT2，本实施例中DP2=1.2P0，DT2=T0。

下一步，开启空压机进行测试，调节空压机转速使第一缓冲罐压力达到DP1，控制一级调温缓冲罐内的加热器及制冷机使缓冲罐内空气温度维持在温度DT1范围内。

下一步，控制第一调节阀使二级调温缓冲罐的压力达到DP2，控制二级调温缓冲罐的加热器加热功率为Wptc，Wptc=Cp×（L0+L1）×（DT2-DT1）×ρ/μ，Cp为空气比热容，L0为所需空气流量，L1为旁通空气流量，ρ为空气密度，μ是加热器的效率，此时二级调温缓冲罐内空气温度达到T0。

下一步，通过调节第二调节阀以及旁通阀来控制中冷器空气进口流量和压力达到设定值。

下一步，调节水泵转速，使空气流量计V2到达设定流量WL0，调节三通阀使其冷却水流向加热器回路，打开加热器使冷却水温度T3达到设定温度WT0，实现快速加热。

下一步，调节三通阀控制流向加热器的水流量，再通过控制散热器转速控制散热量。通过PID算法控制散热器转速以及三通阀开度，使冷却水温度T3一直保持为目标温度WT0。

隔热密封装置为长宽高0.5*0.5*0.5m，该装置内部为隔热且密封环境。隔热密封装置上设有空气进出口和冷却液进出口。隔热密封装置内设有温度传感器T5和压力传感器P5。该装置内部可以调节初始温度及压力，通过调整隔热密封装置的温度和压力以模拟不同环境工况，测试中冷器表面散热情况，具体实施为，测试开始前确定中冷器所需环境工况，通过外接气泵以及排气阀控制隔热密封装置内的压力达到测试条件压力，通过隔热密封装置内的加热器加热，直至达到测试温度，中冷器外表面散热量Q_外=0.125×(ΔP5×Cp×ΔT5×ρ)。

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。

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 (10)

1.一种燃料电池中冷器快速测试系统，设有依次连接的空压机、第一调节阀和中冷器，其中中冷器并联连接有散热器和加热器，其特征在于：中冷器设置于隔热密封装置内，空压机与第一调节阀之间设有一级调温缓冲罐，第一调节阀和中冷器之间依次设有第二调节阀和空气流量计V1，第一调节阀和第二调节阀之间设有二级调温缓冲罐，二级调温缓冲罐出口连接第二调节阀，二级调温缓冲罐还设有旁通路，旁通路上依次设有空气流量计V3和旁通阀；此外还设有三通阀和水泵，三通阀并分别连接中冷器、散热器和加热器组成散热循环回路，水泵出口端连接有空气流量计V2。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述隔热密封装置设有单向阀和排气阀，单向阀连接气泵，排气阀接通外界大气。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述隔热密封装置还设有加热器、温度传感器T5、压力传感器P5。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述中冷器空气出口设有消音器。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述一级调温缓冲罐还设有制冷机和加热器，二级调温缓冲罐还设有加热器。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述空气流量计V1出口依次连接有温度传感器T1、压力传感器P1，中冷器空气出口依次连接有温度传感器T2、压力传感器P2，空气流量计V2出口依次连接有温度传感器T3、压力传感器P3。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述空压机空气入口端连有过滤器。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述中冷器冷却水出口依次连接有温度传感器T4、压力传感器P4。

9.根据权利要求1所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统，其特征在于：所述隔热密封装置由内而外依次设有隔热层、密封层和结构层。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的一种燃料电池中冷器快速测试系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、获取中冷器测试所需的参数，包括需求空气流量L0，进口空气压力P0，进口空气温度T0，出口空气温度t0，冷却水温度WT0，冷却水流量WL0，通过气泵以及排气阀控制隔热密封装置内的压力达到测试条件压力，通过隔热密封装置内的加热器加热至设定测试温度；

S2、设置一级调温缓冲罐的压力DP1，一级调温缓冲罐的温度DT1，且DP1=2P0，DT1=0.8T0；设置二级调温缓冲罐的压力DP2，二级调温缓冲罐的温度DT2，且DP2=1.2P0，DT2=T0；

S3、调节空压机转速，使一级调温缓冲罐压力达到DP1，联合控制一级调温缓冲罐的加热器和制冷机，使一级调温缓冲罐内空气温度维持在温度DT1；

S5、调节第一调节阀使二级调温缓冲罐的压力达到DP2，控制二级调温缓冲罐的加热器加热功率为Wptc，Wptc=Cp×（L0+L1）×（DT2-DT1）×ρ/μ，Cp为空气比热容，L0为需求空气流量，L1为旁通空气流量，ρ为空气密度，μ是二级调温缓冲罐的加热器的效率，DT1为一级调温缓冲罐的温度，DT2为二级调温缓冲罐的温度，此时二级调温缓冲罐内空气温度达到T0；

S6、调节第二调节阀以及旁通阀使中冷器空气进口流量、压力达到需求空气流量L0和进口空气压力P0；

S7、调节水泵转速使空气流量计V2达到设定流量WL0，打开加热器，调节三通阀使冷却水流向加热器回路，使中冷器入口冷却水水温T3达到设定温度WT0；

S8、通过实时调节加热器冷却水流量、散热风扇转速以及三通阀开度使中冷器入口冷却水水温T3保持为目标温度WT0，T3=WT0；

S9、调整隔热密封装置内的温度和压力以模拟不同环境工况并分别记录中冷器表面散热情况，中冷器外表面散热量Q_外=0.125×(ΔP5×Cp×ΔT5×ρ)，Cp为空气比热容，ρ为空气密度，ΔP5为隔热密封装置内测试前后压差，ΔT5为隔热密封装置内测试前后温差；

S10、结束。