CN113506900A - 用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法，氢气排气控制方法用于氢气排气装置的控制，氢气排气控制方法包括：当燃料电池***的循环氢气浓度小于第一阈值时，控制器根据燃料电池***的循环氢气实际浓度设置排气阀的开启频率及开启占空比，用以对燃料电池***中的杂志气体进行排放；以及当燃料电池***的循环氢气浓度大于标准阈值时，控制器控制排气阀关闭。本发明的氢气排气控制方法能够根据循环氢气浓度，闭环控制排气阀开启频率和时间，及时排出***内杂质气体，同时避免排气过多造成氢耗增加。

Description

用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法
技术领域
本发明是关于用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法。
背景技术
目前的车用燃料电池***，为降低氢气消耗量，提高整车燃料经济性，都采用了氢气循环的燃料供给***。但这种密封循环的氢气***，随着燃料电池运行时间增长，必然导致***内非氢气杂质的累积，若不及时将杂质气体排出，将严重影响燃料电池***性能。
现有的技术方案，大多采用固定频率开启排氢阀的方法，用于排出***内杂质。但这是一种开环的控制方案，若排氢频率过高、排氢时间过长，会造成氢气排放过多，增加氢耗，降低***经济性，同时过高的氢气排放浓度也会带来氢安全问题。若排氢频率过低，排氢时间过短，则会造成***内杂质积累，降低燃料电池效率。
此外，频繁的开启关闭排氢阀，也容易造成***内氢气压力波动，不利于燃料电池的稳定运行。
现有技术的氢气的排气存在以下缺陷：
1.现有的氢气排气开环控制方案，无法精确控制排氢的频率和时长，造成氢气浪费或杂质气体在***内积累。
2.频繁开启排氢阀，容易造成***内氢气压力波动，影响燃料电池稳定性。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法，其能够根据循环氢气浓度，闭环控制排气阀开启频率和时间，及时排出***内杂质气体，同时避免排气过多造成氢耗增加。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于车用燃料电池***的氢气排气装置，包括氢气喷射器、电堆、排气阀、循环泵以及氢气浓度传感器。电堆设置在氢气喷射器的下游；排气阀设置在电堆的下游；循环泵进气端与电堆和排气阀之间的管路连通，出气端与氢气喷射器连通；氢气压力传感器设置在所述氢气喷射器与所述电堆之间的管路上；氢气浓度传感器设置在循环泵和电堆之间的管路上。
在一优选的实施方式中，用于车用燃料电池***的氢气排气装置还包括控制器，其同时与氢气喷射器、氢气压力传感器、电堆、排气阀、循环泵以及氢气浓度传感器数据连接。
在一优选的实施方式中，控制器用以监测氢气喷射器和电堆的工作状况，并通过氢气压力传感器和氢气浓度传感器反馈的数据来控制氢气喷射器、电堆、排气阀以及循环泵。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其用于如前述的氢气排气装置的控制，氢气排气控制方法包括：当燃料电池***的循环氢气浓度小于第一阈值时，控制器根据燃料电池***的循环氢气实际浓度设置排气阀的开启频率及开启占空比，用以对燃料电池***中的杂志气体进行排放；以及当燃料电池***的循环氢气浓度大于标准阈值时，控制器控制排气阀关闭。
在一优选的实施方式中，氢气排气控制方法还包括：当燃料电池***的循环氢气浓度大于第一阈值时，控制器控制排气阀关闭；以及当燃料电池***的循环氢气浓度小于标准阈值时，控制器继续根据燃料电池***的循环氢气实际浓度设置排气阀的开启频率及开启占空比，用以继续对燃料电池***中的杂志气体进行排放。
在一优选的实施方式中，排气阀的开启频率及开启占空比与燃料电池***的循环氢气浓度成反比关系。
在一优选的实施方式中，氢气排气控制方法还包括氢气压力补偿功能，控制器根据燃料电池***的需求压力设置喷射器的工作基础占空比，当排气阀开启，且氢气压力下降速率大于第二阈值时，氢气压力补偿功能被触发，氢气压力补偿功能包括：控制器根据氢气压力下降速率查寻补偿系数MAP，并重新计算喷射器的工作占空比，用以保持燃料电池***的氢气压力处于需求压力内。
在一优选的实施方式中，喷射器的工作占空比的计算适用下列公式：
喷射器的工作占空比＝喷射器的工作基础占空比×补偿系数。
在一优选的实施方式中，氢气压力下降速率与补偿系数呈正比关系，补偿系数大于1。
在一优选的实施方式中，当排气阀关闭或者燃料电池***的氢气压力与需求压力之差小于第三阈值时，氢气压力补偿功能关闭，控制器控制喷射器恢复至喷射器的工作基础占空比。
与现有技术相比，本发明的用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法具有以下有益效果：首先可根据循环氢气浓度，闭环控制排气阀开启频率和时间，及时排出***内杂质气体，同时避免排气过多造成氢耗增加。此外，在氢气排气阶段，***自动进行氢气压力补偿，使***内氢气压力稳定，保证燃料电池稳定运行。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的氢气排气装置的结构布置示意图；
图2是根据本发明一实施方式的氢气排气控制方法的流程示意图；
图3是根据本发明一实施方式的氢气压力补偿功能的流程示意图。
主要附图标记说明：
1-控制器，2-氢气喷射器，3-氢气压力传感器，4-电堆，5-排气阀，6-循环泵，7-氢气浓度传感器。
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。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种用于车用燃料电池***的氢气排气装置，包括氢气喷射器2、电堆4、排气阀5、循环泵6以及氢气浓度传感器7。电堆4设置在氢气喷射器2的下游。排气阀5设置在电堆4的下游。循环泵6的进气端与电堆4和排气阀5之间的管路连通，循环泵6的出气端与氢气喷射器2连通。氢气压力传感器3设置在氢气喷射器2与电堆4之间的管路上。氢气浓度传感器7设置在循环泵6和电堆4之间的管路上。
在一些实施方式中，用于车用燃料电池***的氢气排气装置还包括控制器1，控制器1同时与氢气喷射器2、氢气压力传感器3、电堆4、排气阀5循环泵6以及氢气浓度传感器7数据连接。控制器1用以监测氢气喷射器2和电堆4的工作状况，并通过氢气压力传感器3和氢气浓度传感器7反馈的数据来控制氢气喷射器2、电堆4排气阀5以及循环泵6。
如图2所示，根据本发明优选实施方式的一种用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法：在燃料电池***初始状态，排气阀5关闭，氢气从氢气喷射器2进入电堆4进行反应。反应剩余的氢气则通过循环泵6，重新进入电堆4反应。随着反应不断进行，电堆4内的氢气腔杂质气体逐渐累积，造成氢气浓度下降。当氢气浓度传感器7监测到燃料电池***内循环氢气浓度＜第一阈值时，则控制器1控制排气阀5开启，进行杂质气体排出。排气阀5开启的频率Frq及占空比Ducyc，与氢气浓度成反比关系，即氢气浓度越低，则排气阀5开启的频率Frq及占空比Ducyc越大。
当氢气浓度传感器7监测到燃料电池***内循环氢气浓度＞标准阈值时(标准阈值与第一阈值的关系为：第一阈值＜标准阈值，本实施例的第一阈值约为90％左右，标准阈值约为95％左右)，控制器1则则判断杂质气体排出完成，控制器1控制将排气阀5关闭。
在上述氢气排气控制过程，由于排气阀5开启，会造成电堆5内氢气燃料电池***的压力下降，因此需要在此过程中增加氢气压力补偿控制。
如图3所示，在一些实施方式中，氢气排气控制方法还包括氢气压力补偿功能：在燃料电池***运行时，控制器1根据燃料电池***的氢气需求压力，设置氢气喷射器2的工作基础占空比，使电堆4内氢气压力维持在需求压力内。当排气阀5开启，且氢气压力传感器3监测到的氢气压力下降速率＞第二阈值(本实施例的第二阈值约为100毫巴/秒)，则触发氢气压力补偿功能。
氢气压力补偿过程描述如下：根据氢气压力下降速率可以查询补偿系数MAP(补偿系数MAP是通过实验数据总结出的数据表)，计算新的喷射器的工作占空比＝喷射器的工作基础占空比×补偿系数；其中，压力下降速率与补偿系数成正比关系，即压力下降速率越大，补偿系数也越大，且补偿系数为大于1的值。
当排气阀5关闭，或者氢气压力传感器3监测到的氢气压力与需求压力之差＜第三阈值，则判断氢气压力补偿过程结束，控制器1将氢气喷射器2的工作占空比恢复为工作基础占空比。
综上所述，本发明的用于车用燃料电池***的氢气排气装置和控制方法具有以下优点：首先可根据循环氢气浓度，闭环控制排气阀开启频率和时间，及时排出***内杂质气体，同时避免排气过多造成氢耗增加。此外，在氢气排气阶段，***自动进行氢气压力补偿，使***内氢气压力稳定，保证燃料电池稳定运行。
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)

1.一种用于车用燃料电池***的氢气排气装置，其特征在于，包括：
氢气喷射器；
电堆，其设置在所述氢气喷射器的下游；
排气阀，其设置在所述电堆的下游；
循环泵，其进气端与所述电堆和所述排气阀之间的管路连通，出气端与所述氢气喷射器连通；
氢气压力传感器，其设置在所述氢气喷射器与所述电堆之间的管路上；以及
氢气浓度传感器，其设置在所述循环泵和所述电堆之间的管路上。
2.如权利要求1所述的用于车用燃料电池***的氢气排气装置，其特征在于，还包括控制器，其同时与所述氢气喷射器、所述氢气压力传感器、所述电堆、所述排气阀、所述循环泵以及所述氢气浓度传感器数据连接。
3.如权利要求2所述的用于车用燃料电池***的氢气排气装置，其特征在于，所述控制器用以监测所述氢气喷射器和所述电堆的工作状况，并通过所述氢气压力传感器和所述氢气浓度传感器反馈的数据来控制所述氢气喷射器、所述电堆、所述排气阀以及所述循环泵。
4.一种用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其用于如权利要求1至3任一项所述氢气排气装置的控制，其特征在于，所述氢气排气控制方法包括：
当所述燃料电池***的循环氢气浓度小于第一阈值时，所述控制器根据所述燃料电池***的循环氢气实际浓度设置所述排气阀的开启频率及开启占空比，用以对所述燃料电池***中的杂志气体进行排放；以及
当所述燃料电池***的循环氢气浓度大于标准阈值时，所述控制器控制所述排气阀关闭。
5.如权利要求4所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，所述氢气排气控制方法还包括：
当所述燃料电池***的循环氢气浓度大于第一阈值时，所述控制器控制所述排气阀关闭；以及
当所述燃料电池***的循环氢气浓度小于标准阈值时，所述控制器继续根据所述燃料电池***的循环氢气实际浓度设置所述排气阀的开启频率及开启占空比，用以继续对所述燃料电池***中的杂志气体进行排放。
6.如权利要求4所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，所述排气阀的开启频率及开启占空比与所述燃料电池***的循环氢气浓度成反比关系。
7.如权利要求4所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，所述氢气排气控制方法还包括氢气压力补偿功能，所述控制器根据所述燃料电池***的需求压力设置所述喷射器的工作基础占空比，当所述排气阀开启，且氢气压力下降速率大于第二阈值时，所述氢气压力补偿功能被触发，所述氢气压力补偿功能包括：所述控制器根据所述氢气压力下降速率查寻补偿系数MAP，并重新计算喷射器的工作占空比，用以保持所述燃料电池***的氢气压力处于所述需求压力内。
8.如权利要求7所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，所述喷射器的工作占空比的计算适用下列公式：
喷射器的工作占空比＝喷射器的工作基础占空比×补偿系数。
9.如权利要求8所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，所述氢气压力下降速率与所述补偿系数呈正比关系，所述补偿系数大于1。
10.如权利要求7所述的用于车用燃料电池***的氢气排气控制方法，其特征在于，当所述排气阀关闭或者所述燃料电池***的氢气压力与所述需求压力之差小于第三阈值时，所述氢气压力补偿功能关闭，所述控制器控制所述喷射器恢复至所述喷射器的工作基础占空比。
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Application publication date: 20211015

Assignee: Beijing Yuchai Xingshunda New Energy Technology Co.,Ltd.

Assignor: Guangxi Yuchai Machinery Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980002842

Denomination of invention: Hydrogen exhaust control method for automotive fuel cell systems

Granted publication date: 20221004

License type: Common License

Record date: 20240315

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