CN217361665U - 一种用于燃料电池的空气进气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于燃料电池的空气进气装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。该装置包括空压机。其中，空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机。其中，壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备。其中，永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机。压气机的输出端与燃料电池电堆的空气入口连接；涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接。该装置利用电涡流加热和磁滞损耗加热原理解决空压机的膨胀端在低温冷启动时的结冰问题。

Description

一种用于燃料电池的空气进气装置

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于燃料电池的空气进气装置。

背景技术

随着在重卡等大型车辆上的应用，燃料电池系统的功率越来越大，导致空压机的功耗也越来越大。大功率燃料电池系统的尾排气体具有较高的能量，包括动能和热能，通过带有膨胀机的空压机回收燃料电池系统的尾排气体的能量可以有效降低空压机的功耗，进而提高燃料电池系统的综合能量利用效率。但是，尾排气体中通常混有较多的液态水和水蒸气，在低温冷启动时空压机膨胀端残留的液态水会结冰，进而导致涡轮与蜗壳卡滞，使得空压机无法正常开机。

现有技术有两种方法可以解决上述空压机膨胀端的结冰问题。第一种方法是在蜗壳表面增加水套，在冷启动开机之前通过加热水套内的水对涡轮蜗壳进行加热。第二种方法是在蜗壳外表面或其他位置安装PTC加热带，通过PTC加热带对涡轮蜗壳进行加热。但上述两种方法均会造成空压机本体结构较为复杂，使得成本升高，同时使燃料电池系统的热管理架构、电气架构亦变得复杂，控制繁琐。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种用于燃料电池的空气进气装置，用以解决现有技术采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。

一方面，本实用新型实施例提供了一种用于燃料电池的空气进气装置，包括空压机；其中，

空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机；所述壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层；

永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机；压气机的输出端与燃料电池电堆的空气入口连接；涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接。

上述技术方案的有益效果如下：利用电涡流加热和磁滞损耗加热的方法解决空压机的膨胀端在低温冷启动时的结冰问题。具体地，当空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳采用铁磁材料或在非铁磁材料表面覆盖铁磁材料的涂层时，永磁同步电机产生的交变磁场实现涡流加热的同时会使铁磁材料反复磁化，磁畴相互间不停的摩擦产生热量，即使得空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳等零部件温度升高，进而实现融冰功能。

基于上述装置的进一步改进，所述空气进气装置还包括在空压机启动时识别到空压机内部存在低温结冰现象时控制永磁同步电机的交轴电流I _q=0、直轴电流I _d为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热和磁滞损耗加热后再正常启动空压机的控制器；并且，

所述控制器的输出端与永磁同步电机的控制端连接。

进一步，所述设定加热时间为当前环境温度下对涡壳进行电涡流加热和磁滞损耗加热达到消冰效果所需的最短加热时间。

进一步，所述控制器包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。

进一步，所述数据获取单元进一步包括：

环境温度传感器，设于空压机外的周围环境中。

进一步，所述数据获取单元还包括：

红外温度传感器，设于涡轮膨胀机的进气管道内壁上。

进一步，所述数据获取单元还包括:

叶轮转速和扭矩监测子单元，设于压气机叶轮处。

进一步，所述压气机的进气端处设有空气过滤网；并且，

所述涡轮膨胀机的涡轮和压气机的叶轮分别安装在永磁同步电机转轴的两端。

进一步，所述数据获取单元还包括:

气体温度-流量一体传感器，设于涡轮膨胀机的进气口处；并且，

所述控制器具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻的环境温度、根据该环境温度识别空压机内部存在低温结冰现象的结果、空压机的启动状态，以及，包含空气尾气能量信息的涡轮膨胀机的进气口处气体的温度、流量。

进一步，所述转轴通过高速滚动轴承或高速滑动轴承支撑在永磁同步电机的两端；并且，

在所述涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池的空气尾气出口之间设置有流量分配阀。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、空压机在冷启动时先不进行转动，控制永磁同步电机的交轴电流I _q=0、直轴电流I _d为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热，待融冰结束后再正常启动空压机。

2、通过电涡流加热和磁滞损耗加热两种原理的加热方式对空压机内部气体管路进行融冰，加热效果好，融冰速度快。

3、避免了采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。

4、增加了空气过滤网能够提高空压机的使用寿命，增加了流量分配阀，可根据需求对进入涡轮膨胀机内的尾气进行流量调整。

提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1用于燃料电池的空气进气装置组成示意图；

图2示出了实施例1永磁同步电机的直轴电流与交轴电流控制示意图。

附图标记：

N- 地磁北极；S- 地磁南极；D轴方向- 直轴电流方向；Q轴方向- 交轴电流方向；Is- 控制电流。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

为了更清楚地说明本实用新型的技术效果，首先介绍其涉及的基本物理原理。

空压机是由永磁同步电机驱动，而电机的定子绕组通过变化的电流（定轴电流）时可以产生变化的磁场，根据电磁感应定律，定子绕组的磁场发生变化时，处在磁场中的任何导体都会产生感应电动势和感应电流，并引起环流。这些环流在导体内部围绕磁场做旋涡状流动，称为涡流。涡流可以使导体发热，导体中磁通变化的频率越高，磁通密度B越大，感应电动势就越大，涡流就越大，涡流加热的功率就越大，即升温速度越快。

铁磁材料能被外磁场磁化是因为在它的内部存在着许多较小的被称为磁畴的天然磁化区。铁磁材料部件处在交变的磁场中时，材料被反复磁化，与此同时，其内部的磁畴之间不停地摩擦会产生热量，称为磁滞损耗加热。磁通变化的频率越高，升温速度越快。

磁通：指磁通量，在磁通密度B的匀强磁场中，有一个面积S且与磁场方向垂直的平面，磁通密度B与面积S的乘积，成为穿过这个平面的磁通量，简称磁通，通常用字母φ表示。

磁通密度：垂直穿过单位面积的磁力线叫做磁通量密度，简称磁通密度，其从数量上反映磁力线的疏密程度，常用符号B表示。

铁磁材料：包括铁、镍、钴以及它们的合金。

实施例1

本实用新型的一个实施例，公开了一种用于燃料电池的空气进气装置，如图1所示，包括空压机。

其中，空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机。所述壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备。

永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机。压气机的输出端与燃料电池电堆的空气入口连接。涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接。

值得说明的是，上述压气机、永磁同步电机、涡轮膨胀机均可采用现有设备的结构，但需要采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备的壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳。

实施时，当控制器输出的励磁电流使永磁同步电机的磁场发生变化时，那么在该磁场内的导体，包括永磁同步电机的定子铁芯、转子、壳体、膨胀机的涡轮、蜗壳等导体零部件，均会产生感应电动势及感应电流，继而产生涡流加热的现象。

定子载流线圈所产生的绝大部分磁通会通过定子铁芯和转子，这部分称为主磁通，因此定子铁芯和转子的涡流加热功率会高于其他导体零部件，定子铁芯和转子会通过热传递的方式将热量传递给空压机的膨胀机，以提高膨胀机蜗壳内的温度进而实现融冰。

而围绕载流线圈和部分铁芯周围的空间，还存在少量的分散磁通，这部分磁通称为漏磁通，漏磁通会经过壳体、膨胀机的涡轮和蜗壳等导体部件，因此壳体及膨胀机涡轮和蜗壳也会产生涡流加热的现象，同样会经过热传导使膨胀机蜗壳内的温度升高，进而实现融冰。

当空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳等零部件采用铁磁材料或在非铁磁材料表面覆盖铁磁材料的涂层时，电机产生的交变磁场实现涡流加热的同时会使铁磁材料反复磁化，磁畴相互间不停的摩擦产生热量，即使得空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳等零部件温度升高，进而实现融冰功能。

与现有技术相比，本实施例提供的进气装置利用电涡流加热和磁滞损耗加热的方法解决空压机的膨胀端在低温冷启动时的结冰问题。具体地，当空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳采用铁磁材料或在非铁磁材料表面覆盖铁磁材料的涂层时，永磁同步电机产生的交变磁场实现涡流加热的同时会使铁磁材料反复磁化，磁畴相互间不停的摩擦产生热量，即使得空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳等零部件温度升高，进而实现融冰功能。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该空气进气装置还包括控制器。

控制器，用于在空压机启动时识别到空压机内部存在低温结冰现象时控制永磁同步电机的交轴电流Iq=0、直轴电流I _d为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热和磁滞损耗加热后再正常启动空压机的控制器。值得说明的是，在空压机启动时如果识别到空压机内部不存在低温结冰现象，则正常启动空压机。控制永磁同步电机的交轴电流I _q、直轴电流I _d的方法可参见专利CN201611129148.0。

优选地，设定加热时间为当前环境温度下对涡壳进行电涡流加热和磁滞损耗加热达到消冰效果所需的最短加热时间。该时间可通过实验室标定获得，标定方法为现有技术，本领域技术人员能够理解，参见专利CN202010504165.8。

优选地，控制器包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。

优选地，数据获取单元进一步包括环境温度传感器、红外温度传感器、叶轮转速和扭矩监测子单元（可选摄像头）。

环境温度传感器，设于空压机外的周围环境中，用于获取空压机所处环境温度。数据处理与控制单元可根据环境温度传感器采集数据识别空压机内部是否存在低温结冰现象，

红外温度传感器，设于涡轮膨胀机的进气管道内壁上，用于获取布设位置处的环境温度，作为涡轮膨胀机的内部温度。数据处理与控制单元可根据红外温度传感器采集数据识别空压机内部是否存在低温结冰现象，示例性地，如果内部温度低于0℃，判定存在低温结冰现象，否则不存在低温结冰现象。该识别方法也为现有技术。

叶轮转速和扭矩监测子单元，设于压气机叶轮处，用于获取压气机中叶轮的转速和扭矩。数据处理与控制单元可根据叶轮转速和扭矩识别空压机内部是否存在低温结冰现象，示例性地，识别方法参见专利CN 114256487 A。

优选地，压气机的进气端处设有空气过滤网。对进气空气进行杂质过滤，能够有效提高空压机以及燃料电池整体的寿命。

优选西，涡轮膨胀机的涡轮和压气机的叶轮分别安装在永磁同步电机转轴的两端，便于实现同步控制，提高控制效率。

优选地，数据获取单元还包括气体温度-流量一体传感器。

气体温度-流量一体传感器，设于涡轮膨胀机的进气口处，用于获取布设位置处的气体温度、流量。

控制器具有显示模块，显示模块的显示屏上显示当前时刻的环境温度、根据该环境温度识别空压机内部存在低温结冰现象的结果、空压机的启动状态，以及，包含空气尾气能量信息的涡轮膨胀机的进气口处气体的温度、流量（便于开发人员对控制参数进行改进设计）。

优选地，转轴通过高速滚动轴承或高速滑动轴承支撑在永磁同步电机的两端。在涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池的空气尾气出口之间设置有流量分配阀。这就减少了电机的功率消耗，也可维持转轴的转速，从而节约了电能，提高了燃料电池的工作效率。

实施时，目前永磁同步电机采用的是FOC矢量控制（空压机正常启动），控制器输出的三相电流经过克拉克变换和帕克变换可以转换为直轴电流（I _d）和交轴电流（I _q），如图2所示。因为直轴电流和永磁转子的磁场方向一致，所以直轴电流只能控制电机磁场的增磁或者去磁。交轴与永磁转子的磁场方向垂直，所以交轴电流控制电机产生转矩。空压机在冷启动之前为了避免发生卡滞的情况，空压机不进行转动（I _q=0），先通过涡流加热的方法对空压机本体进行加热，当膨胀机腔内的温度高于0℃并保持一段时间之后，再进行启动。因此，空压机在冷启动时，应控制交轴电流I _q=0，使空压机的转矩电流为0，即空压机不产生转矩，实现空压机不转动的状态。直轴电流I _d输出为特定频率及特定幅值的交流电流，实现电机内的磁场变化，进而使该磁场内的导体产生涡流加热现象，实现融冰，能够有效提高空压机的使用寿命。

与实施例1相比，本实施例提供的空气进气装置具有如下有益效果：

1、空压机在冷启动时先不进行转动，控制永磁同步电机的交轴电流I _q=0、直轴电流I _d为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热，待融冰结束后再正常启动空压机。

2、通过电涡流加热和磁滞损耗加热两种原理的加热方式对空压机内部气体管路进行融冰，加热效果好，融冰速度快。

3、避免了采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。

4、增加了空气过滤网能够提高空压机的使用寿命，增加了流量分配阀，可根据需求对进入涡轮膨胀机内的尾气进行流量调整。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，包括空压机；其中，

空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机；所述壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层；

永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机；压气机的输出端与燃料电池电堆的空气入口连接；涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的空气尾气出口连接。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，还包括在空压机启动时识别到空压机内部存在低温结冰现象时控制永磁同步电机的交轴电流I _q=0、直轴电流I _d为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热和磁滞损耗加热后再正常启动空压机的控制器；并且，

所述控制器的输出端与永磁同步电机的控制端连接。

3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述设定加热时间为当前环境温度下对涡壳进行电涡流加热和磁滞损耗加热达到消冰效果所需的最短加热时间。

4.根据权利要求2或3所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述控制器包括依次连接的数据获取单元、数据处理与控制单元。

5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述数据获取单元进一步包括：

环境温度传感器，设于空压机外的周围环境中。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述数据获取单元还包括：

红外温度传感器，设于涡轮膨胀机的进气管道内壁上。

7.根据权利要求5或6所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述数据获取单元还包括:

叶轮转速和扭矩监测子单元，设于压气机叶轮处。

8.根据权利要求1、2、3、5、6任意一项所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述压气机的进气端处设有空气过滤网；并且，

所述涡轮膨胀机的涡轮和压气机的叶轮分别安装在永磁同步电机转轴的两端。

9.根据权利要求7所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述数据获取单元还包括:

气体温度-流量一体传感器，设于涡轮膨胀机的进气口处；并且，

所述控制器具有显示模块，所述显示模块的显示屏上显示当前时刻的环境温度、根据该环境温度识别空压机内部存在低温结冰现象的结果、空压机的启动状态，以及，包含空气尾气能量信息的涡轮膨胀机的进气口处气体的温度、流量。

10.根据权利要求1、2、3、5、6任意一项所述的用于燃料电池的空气进气装置，其特征在于，所述转轴通过高速滚动轴承或高速滑动轴承支撑在永磁同步电机的两端；并且，

在所述涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池的空气尾气出口之间设置有流量分配阀。

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