一种燃料电池氢气系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池氢气系统及其控制方法 (Fuel cell hydrogen system and control method thereof ) 是由 任树兴 张国强 张禾 杨绍军 贾能铀 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种燃料电池氢气系统及其控制方法,所述燃料电池氢气系统包括电堆、三通管路、第一管路、分水器、氢气循环组件、尾排组件和控制器,三通管路的第一端与氢气气源连通,三通管路的第二端与电堆的的氢气入口连通,三通管路的第三端与氢气循环组件连通,分水器通过第一管路与电堆的氢气出口连通,氢气循环组件连通三通管路的第三端与分水器的排气口,尾排组件与分水器的排水口连通,控制器与尾排组件电连接。本发明的优点在于：与现有的氢燃料电池氢气系统相比减少了一个吹扫阀,使燃料电池氢气系统的结构布置简单化,减小了占用空间；通过对一个吹扫阀的控制实现了判断和控制排水、排气时间的比例。(The invention provides a fuel cell hydrogen system and a control method thereof, the fuel cell hydrogen system comprises an electric pile, a three-way pipeline, a first pipeline, a water separator, a hydrogen circulation component, a tail discharge component and a controller, wherein the first end of the three-way pipeline is communicated with a hydrogen source, the second end of the three-way pipeline is communicated with a hydrogen inlet of the electric pile, the third end of the three-way pipeline is communicated with the hydrogen circulation component, the water separator is communicated with a hydrogen outlet of the electric pile through the first pipeline, the hydrogen circulation component is communicated with the third end of the three-way pipeline and an exhaust port of the water separator, the tail discharge component is communicated with a water outlet of the water separator, and the controller is electrically connected with the tail discharge component. The invention has the advantages that: compared with the existing hydrogen system of the hydrogen fuel cell, the hydrogen system of the hydrogen fuel cell has the advantages that one purging valve is omitted, the structural arrangement of the hydrogen system of the hydrogen fuel cell is simplified, and the occupied space is reduced; the proportion of the drainage time and the exhaust time is judged and controlled by controlling one purge valve.)
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池氢气系统及其控制方法。
背景技术
氢燃料电池汽车技术日趋发展成熟，作为一种零污染、零排放的新能源汽车，氢燃料电池汽车已经越来越多的进入到了交通系统，得到公众的广泛认可。燃料电池系统包括了燃料电池电堆、空气系统(空压机、节气门等部件)，氢气系统(氢瓶、流量控制装置、吹扫流量控制阀等部件)、冷却子系统(节温器、散热器和水泵)等子系统及零部件。氢气系统是为电堆提供适宜流量、压力、温度、湿度、浓度的氢气以及将电化学反应生成的水排空，避免电堆被水淹从而影响电堆寿命。在氢气系统中一般采用流量控制装置来调节电堆内氢气的压力和流量，使氢气压力跟随空气压力变化，使电解质两侧的压差维持稳定，保证电解质的寿命和性能；另外通过控制吹扫阀的开启时间，对电堆反应生成的水和阴极侧由于浓差阶梯和膜串漏扩散过来的氮气进行排出。
图1示出了一种现有的氢燃料电池氢气系统，现有的氢燃料电池氢气系统包括机械减压阀201、第一三通管路202、电堆203、第一管路204、分水器205、第二管路206、第一吹扫阀207、第二三通管路208、第二吹扫阀209和氢气循环泵210，机械减压阀201与第一三通管路202的第一端连通，第一三通管路202的第二端与电堆203的氢气入口连通，第一三通管路202的第三端与氢气循环210泵连通，分水器205通过第一管路204与电堆203的氢气出口连通，分水器205的排气口通过第二管路206与第一吹扫阀207连通，分水器205的排水口与第二三通管路208的第一端连通，第二三通管路208的第二端与第二吹扫阀209连通，第二三通管路208的第三端与氢气循环泵210连通。如图1所示，目前氢气系统在电堆的氢气进气端使用一个机械式控制阀201控制氢气供应流量和压力，在电堆的尾排端使用两个吹扫阀分别实现排气、排水的功能。
现有技术的氢气系统的缺点在于必须使用两个吹扫阀分别进行排水和排气，造成了氢气系统的管路较多，占用空间大。这对于空间有限的燃料电池车来说也增加了结构布置的复杂程度。
综上所述，需要提供一种燃料电池氢气系统及其控制方法其能够克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池氢气系统及其控制方法其能够克服现有技术的缺陷。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现。
本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池氢气系统，所述燃料电池氢气系统包括电堆、三通管路、第一管路、分水器、氢气循环组件、尾排组件和控制器，三通管路的第一端与氢气气源连通，三通管路的第二端与电堆的的氢气入口连通，三通管路的第三端与氢气循环组件连通，分水器通过第一管路与电堆的氢气出口连通，氢气循环组件连通三通管路的第三端与分水器的排气口，尾排组件与分水器的排水口连通，控制器与尾排组件电连接，控制器判断进入尾排组件中的氢气流量小于预设的阈值则控制器延长尾排组件的开启时间，控制器判断进入尾排组件中的氢气流量大于等于预设的阈值则控制器关闭尾排组件。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述燃料电池氢气系统还包括第二管路和流量控制阀、流量控制阀通过第二管路与氢气气源连通，三通管路的第一端与流量控制阀连通，控制器与流量控制阀电连接，控制器控制流量控制阀的开启时间。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述氢气循环组件包括第三管路和氢气循环泵，氢气循环泵通过第三管路与分水器的排气口连通，三通管路的第三端与氢气循环泵连通。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述尾排组件包括第四管路、吹扫阀和第五管路，吹扫阀通过第四管路与分水器的排水口连通，第五管路与吹扫阀连通，来自分水器的氢气和水先后经过第四管路、吹扫阀和第五管路被排出燃料电池氢气系统。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述控制器根据电堆输出的电流值查表确定吹扫阀的开启周期和每次开启的时间，控制器获取通过吹扫阀的氢气流量，控制器判断氢气流量未达到的阈值则控制器延长吹扫阀每次开启的时间，控制器判断氢气流量达到或超过预设的阈值则控制器关闭吹扫阀。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述控制器根据电堆输出的电流值、预先设定目标电流值、进入电堆的实际入堆氢气压力和预设的目标入堆氢气压力使用开环控制算法或闭环控制算法计算流量控制阀的开启时间从而控制进入电堆的氢气流量。
本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池氢气系统的控制方法，所述燃料电池的排气排液控制方法包括多个步骤：
步骤1：检测电堆输出的电流数值；
步骤2：根据电堆输出的电流数值查电流标定表获得吹扫阀的开启周期和吹扫阀每次开启的时间；
步骤3：获取通过吹扫阀的氢气流量；
步骤4：判断经过吹扫阀的氢气流量是否小于预设的阈值，若“是”，执行步骤5；若“否”，执行步骤6；
步骤5：保持吹扫阀开启并延长吹扫阀每次开启的时间，然后执行步骤3；
步骤6：关闭吹扫阀。
该燃料电池氢气系统及其控制方法的优点在于：与现有的氢燃料电池氢气系统相比减少了一个吹扫阀，使燃料电池氢气系统的结构布置简单化，减小了占用空间；通过对一个吹扫阀的控制实现了判断和控制排水、排气时间的比例；在电堆的氢气进气端使用了流量控制阀，控制器能够对流量控制阀的开启时间进行控制，从而使对进入电堆的氢气流量和压力进行闭环控制成为可能。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1示出了现有的一种燃料电池氢气系统的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢气系统的示意图；
图3示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢气系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
图2-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
图2示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢气系统的示意图。如图2所示，其中所述燃料电池氢气系统包括电堆101、三通管路102、第一管路103、分水器104、氢气循环组件105、尾排组件106和控制器107，三通管路102的第一端与氢气气源连通，三通管路102的第二端与电堆101的的氢气入口连通，三通管路102的第三端与氢气循环组件105连通，分水器104通过第一管路103与电堆101的氢气出口连通，氢气循环组件105连通三通管路102的第三端与分水器104的排气口，尾排组件106与分水器104的排水口连通，控制器107与尾排组件106电连接，控制器107判断进入尾排组件106中的氢气流量小于预设的阈值则控制器107延长尾排组件106的开启时间，控制器107判断进入尾排组件106中的氢气流量大于等于预设的阈值则控制器107关闭尾排组件106。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中来自氢气气源的氢气进入电堆101与氧气发生反应产生电能并生成水，经过反应的剩余氢气和水经第一管路103进入分水器104，水和部分剩余氢气从分水器104的排水口经尾排组件106排出，不包含水的剩余氢气从分水器104的排气口经氢气循环组件105和三通管路102与来自氢气气源的氢气混合后再次进入电堆。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中当进入尾排组件106中的氢气流量小于预设的阈值时，尾排组件106处于排水阶段，控制器107增加吹扫阀的开启时间以避免燃料电池氢气系统排水不尽；当进入尾排组件106中的氢气流量大于等于预设的阈值时，尾排组件106处于排气阶段，控制器107关闭尾排组件106以避免过多的氢气被排出燃料电池氢气系统造成浪费。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述燃料电池氢气系统还包括第二管路108和流量控制阀109、流量控制阀109通过第二管路108与氢气气源连通，三通管路102的第一端与流量控制阀109连通，控制器107与流量控制阀109电连接，控制器107控制流量控制阀109的开启时间。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述氢气循环组件105包括第三管路105a和氢气循环泵105b，氢气循环泵105b通过第三管路105a与分水器104的排气口连通，三通管路102的第三端与氢气循环泵105b连通。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述尾排组件106包括第四管路106a、吹扫阀106b和第五管路106c，吹扫阀106b通过第四管路106a与分水器104的排水口连通，第五管路106c与吹扫阀106b连通，来自分水器104的氢气和水先后经过第四管路106a、吹扫阀106b和第五管路106c被排出燃料电池氢气系统。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述控制器107根据电堆101输出的电流值查表确定吹扫阀106b的开启周期和每次开启的时间，控制器107获取通过吹扫阀106b的氢气流量，控制器107判断氢气流量未达到的阈值则控制器107延长吹扫阀106b每次开启的时间，控制器107判断氢气流量达到或超过预设的阈值则控制器107关闭吹扫阀106b。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述控制器107根据电堆101输出的电流值、预先设定目标电流值、进入电堆101的实际入堆氢气压力和预设的目标入堆氢气压力使用开环控制算法或闭环控制算法计算流量控制阀109的开启时间从而控制进入电堆101的氢气流量。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述开环控制算法是指不将控制的结果反馈回来影响当前控制的方法,通常依靠事先标定好的参数数值进行控制，例如查表法等。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池氢气系统，其中所述闭环控制算法是指将经过控制的输出结果作为反馈参数对输入端进行控制的方法，影响当前控制的方法,通常依靠事先标定好的参数数值进行控制，例如：PI算法或PID算法等，当使用PI算法时计算公式为
其中u1(t)为流量控制阀109的占空比，控制器107根据u1(t)控制流量控制阀109的开启时间，e1(t)为实际测量的入堆氢气流量和预先设定的目标入堆氢气流量之差，Ff1为根据电堆的输出电流预先标定的前馈参数，Kp1为根据电堆的输出电流预先标定的可调比例系数，Ki1为根据电堆的输出电流预先标定的可调积分系数，Ti1为积分时间常数。
图3示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢气系统控制方法的流程图。如图3所示，所述燃料电池的排气排液控制方法包括多个步骤：
步骤1：检测电堆输出的电流数值；
步骤2：根据电堆输出的电流数值查电流标定表获得吹扫阀的开启周期和吹扫阀每次开启的时间；
步骤3：获取通过吹扫阀的氢气流量；
步骤4：判断经过吹扫阀的氢气流量是否小于预设的阈值，若“是”，执行步骤5；若“否”，执行步骤6；
步骤5：保持吹扫阀开启并延长吹扫阀每次开启的时间，然后执行步骤3；
步骤6：关闭吹扫阀。
该燃料电池氢气系统及其控制方法的优点在于：与现有的氢燃料电池氢气系统相比减少了一个吹扫阀，使燃料电池氢气系统的结构布置简单化，减小了占用空间；通过对一个吹扫阀的控制实现了判断和控制排水、排气时间的比例；在电堆的氢气进气端使用了流量控制阀，控制器能够对流量控制阀的开启时间进行控制，从而使对进入电堆的氢气流量和压力进行闭环控制成为可能。
当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。
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