CN112803042B - 一种燃料电池汽车进气增湿量控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池汽车进气增湿量控制方法，包括：（1）燃料电池系统启动，若是常温开机，则进入步骤（2）；若是低温启动，则增湿器不进行增湿，使用干燥空气对电堆进行低温开机吹扫，直至达到常温开机条件；（2）计算增湿基础量、增湿补偿量，两者相加得到实际进气增湿量，与增湿器的准许最大增湿量比较，取小得到实际的增湿量，控制增湿器；（3）实时判断燃料电池需求功率是否大于0，若是，则循环执行步骤（1）和（2）对进气增湿量进行自动调节；若否，则进入关机流程。本发明通过识别环境温度、空气入堆温度、电堆交流阻抗和油门踏板来控制电堆是否需要增湿和增湿量的大小，使燃料电池电堆在低温启动工况下，使用干燥空气对电堆进行吹扫不对进堆空气进行增湿，吹扫时间短，燃料利用率高。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池汽车控制技术，具体涉及燃料电池汽车进气增湿量控制技术。
背景技术
燃料电池电堆正常运行过程中，质子交换膜处在水浸润的环境中，质子通过质子交换膜由阳极到阴极和氧离子结合，生成水分子，完成电化学反应，并产生电能。质子交换膜的含水量对燃料电池电堆的运行状态和使用寿命都具有非常重要的影响，质子交换膜含水量过低不仅影响电堆输出特性，还会对膜的寿命造成不可逆的损伤。
现有技术解决上述问题的方法是，主要采取外部膜增湿器的方式进行增湿，依赖于设计阶段膜增湿器与燃料电池堆的湿度匹配来保证电堆所需湿度，该增湿方式的缺点在于空气入堆湿度不可控，导致燃料电池堆不能工作在最佳的湿度条件下，从而影响整个燃料电池系统性能及耐久性。虽然，给膜增湿器增加旁通支路可实现局部工况湿度可控，但由于该方式对干湿空气分配管道直径的要求很高，很难达到湿度灵活可控的要求，故最终采用本发明专利进行燃料电池系统空气入堆湿度控制。
发明内容
本发明提供一种燃料电池汽车进气增湿量控制方法及系统，通过识别环境温度、空气入堆温度、电堆交流阻抗和油门踏板来控制电堆是否需要增湿和增湿量的大小，使电堆湿度更加稳定，减小对质子交换膜的损伤，提高燃料利用率。
本发明是通过如下的技术方案来实现，
一种燃料电池汽车进气增湿量控制方法，其包括如下步骤：
（1）燃料电池系统启动，判断是进入常温开机还是低温启动，若是常温开机，则进入步骤（2）；若是低温启动，则增湿器不进行增湿，使用干燥空气对电堆进行低温开机吹扫，直至达到常温开机条件；
（2）计算增湿基础量、增湿补偿量，两者相加得到实际进气增湿量，与增湿器的准许最大增湿量比较，取小得到实际的增湿量，控制增湿器；
（3）实时判断燃料电池需求功率是否大于0，若是，则循环执行步骤（1）和（2）对进气增湿量进行自动调节；若否，则进入关机流程。
进一步地，所述步骤（2）中，所述增湿基础量是通过整车控制器通过采集到的空气入堆温度和电堆交流阻抗查表计算得到。
所述增湿补偿量是根据驾驶员需求功率偏移量查表计算得到，所述驾驶员需求功率偏移量通过采集到的油门踏板开度，由整车控制模块查表计算得到。
进一步，本方法还包括步骤（4），关机流程；
先判断是选择常温关机还是低温关机，若是常温关机模式，则对电堆进行吹扫关机，增湿器不对进堆空气进行增湿；若是低温关机，则对电堆进行吹扫关机，增湿器不对进堆空气进行增湿；低温关机的吹扫时间是常温关机的吹扫时间的2-10倍。
本发明还提供一种燃料电池汽车进气增湿量控制系统，其包括，
整车控制器，所述整车控制器包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有指令，所述指令用于使得所述处理单元能够执行以上所述的燃料电池汽车进气增湿量控制方法。
温度传感器：采集环境温度、电堆温度、空气进堆温度，转化为电信号输出给整车控制器。
油门踏板开度传感器：采集油门踏板开度转化为电信号输出给整车控制器。
电堆交流阻抗传感器：采集电堆交流阻抗值，通过交流阻抗值和电堆湿度的对应关系可以得到电堆的湿度，输出给整车控制器。
增湿雾化器：为高压空气增湿降温。
增湿水泵：为增湿雾化器提供压力。
储水罐：收集电堆排出的水，作为给电堆增湿的水源。
燃料电池电堆：进行电化学反应，输出电能。
本发明具有以下优点：
1、通过识别环境温度、空气入堆温度、电堆交流阻抗和油门踏板来控制电堆是否需要增湿和增湿量的大小，使燃料电池电堆在低温启动工况下，使用干燥空气对电堆进行吹扫不对进堆空气进行增湿，吹扫时间短，燃料利用率高。
2、对增湿量可以灵活控制，且增加了由油门踏板决定的增湿补偿量，可以提前调节增湿量，使电堆湿度更稳定。
3、本发明是让空压机高速旋转压缩后的高温气体直接入堆，不需要额外的加热系统。不需要预热装置，使得系统更简单。
4、发明采取主动的湿度控制策略，即冷启动初始阶段采用高温且大流量的干空气直接入堆参与反应，并实时监控空气入堆湿度，且在恰当的时候恢复湿度控制。即整个冷启动初始阶段，保证电堆的状态比较干，待合适的时刻恢复电堆湿度状态，且大流量可确保启动阶段生成的水被及时的吹出电堆，以确保冷启动成功，防止二次结冰。
5、本发明对空气入堆湿度进行实时闭环修正，使得控制更准确。
附图说明
图1 系统架构示意图。
图2 控制方法的流程图。
图3 更为详细的控制方法流程图。
图1中，1-整车控制器、2-油门踏板开度传感器、3-环境温度传感器、4-空气滤清器、5-空压机、6-增湿雾化器及腔体、7-空气进堆温度传感器、8-电堆温度传感器、9-电堆交流阻抗传感器、10-增湿水泵、11-储水罐、12-空水分离器、13-燃料电池电堆。
具体实施方式
以下结合附图和实施例堵本发明涉及到的燃料电池汽车进气增湿方法及系统做进一步说明。
本发明的增湿是采用直接液态水喷射法，直接将增湿水雾化喷射到高压气体中，由于空气经过压缩机加压温度升高，所以只需将水雾化喷射到高压气体中即可,同时完成水气化增湿和进气中冷。
如图1所示为燃料电池汽车进气增湿量控制系统的一种具体实施例，该实施例仅展示燃料电池的空气侧，系统包括：
整车控制器：包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有指令，所述指令用于使得所述处理单元能够执行燃料电池汽车进气增湿量控制方法。具体地，其将环境温度传感器信号转化为环境温度；将油门踏板开度传感器信号转化为油门踏板开度；将电堆温度传感器信号转化为电堆温度；将空气进堆温度传感器信号转化为空气进堆温度；将电堆交流阻抗传感器信号转化为电堆湿度；并根据油门踏板开度、环境温度、电堆温度、空气进堆温度和电堆湿度计算燃料电池系统的实际进气增湿量。
温度传感器：将环境温度、电堆温度、空气进堆温度转化为电信号。
油门踏板开度传感器：将油门踏板开度转化为电信号。
电堆交流阻抗传感器：采集电堆交流阻抗值，通过交流阻抗值和电堆湿度的对应关系可以得到电堆的湿度。
空气滤清器：过滤空气中的杂质和灰尘等。
空压机：为电堆提供高压空气。
增湿雾化器及腔体：为高压空气增湿降温。
增湿水泵：为增湿雾化器提供压力。
空水分离器：将电堆空气出口的水和空气分离，空气排出，水收集到储水罐中，作为给电堆增湿的水源，循环利用。
储水罐：收集电堆排出的水，作为给电堆增湿的水源。
燃料电池电堆：进行电化学反应，输出电能。
如图2和图3所示为燃料电池汽车进气增湿控制方法的一个实施例，详细步骤如下：
1、开机：燃料电池电堆接收到开机指令，通过电堆温度传感器得到电堆温度，若电堆温度大于0℃，进入常温开机模式；若电堆温度小于等于0℃，进入低温开机模式，增湿器不对进堆空气增湿，使用干燥高温空气对电堆进行开机吹扫，可以达到快速解冻和升温的目的。
2、根据油门踏板开度（例如增加10%开度）查表计算驾驶员需求功率偏移量（例如增加5kW）。再根据需求偏移量（例如增加5kW）和增湿补偿值(对应湿度减少5%)的对应关系，得到增湿补偿值（空气入堆湿度减少5%）。
3、根据电堆交流阻抗(例如50mΩ)和电堆湿度（例如45%湿度）的对应关系得到电堆湿度（例如45%湿度），再由电堆湿度（例如45%湿度）、空气进堆温度（70℃）和进气增湿基础值（例如45%湿度）的对应关系得到进气增湿基础值（例如45%湿度）。
4、将基础增湿量（例如45%湿度）和补偿增湿量（空气入堆湿度减少5%）求和，再与进气增湿装置准许的最大增湿量（例如100%湿度）取小，得到最终的实际进气增湿量（例如40%湿度）。
5、判断燃料电池需求功率是否大于0。若是，则循环步骤2,3,4对进气增湿量进行自动调节；若否，则进入关机流程。
6、关机流程：通过环境温度传感器得到环境温度，若环境温度大于0℃，进入常温关机模式，对电堆进行吹扫，此时增湿器不对进堆空气进行增湿，相较于优化前的方案可显著缩短常温关机吹扫时间，例如可以使常温吹扫时间从40s缩短至30s；若环境温度小于等于0℃，则进入低温关机模式，对电堆进行吹扫，此时增湿器不对进堆空气进行增湿，可显著缩短低温关机吹扫时间，例如可以使低温吹扫时间从600s缩短至60s。
这里需要说明的是，油门踏板开度-驾驶员需求功率偏移量-增湿补偿量之间的关系、电堆交流阻抗值-电堆湿度-空气进堆温度-进气增湿基础值之间的关系，都是需要事先进行大量的摸底试验，形成对应关系表，并将其写入整车控制器，作为查表计算的基础。
Claims (5)
1.一种燃料电池汽车进气增湿量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）燃料电池系统启动，判断是进入常温开机还是低温启动，若是常温开机，则进入步骤（2）；若是低温启动，则增湿器不进行增湿，使用干燥空气对电堆进行低温开机吹扫，直至达到常温开机条件；
常温开机的判断条件是环境温度大于0℃；低温启动的判断条件是环境温度小于等于0℃；常温关机的判断条件是环境温度大于0℃；低温关机的判断条件是环境温度小于等于0℃；
（2）计算增湿基础量、增湿补偿量，两者相加得到实际进气增湿量，与增湿器的准许最大增湿量比较，取小得到实际的增湿量，控制增湿器；所述增湿基础量是整车控制器通过采集到的空气入堆温度和电堆交流阻抗查表计算得到；
所述增湿补偿量是根据驾驶员需求功率偏移量查表计算得到，所述驾驶员需求功率偏移量通过采集到的油门踏板开度，由整车控制器查表计算得到；
（3）实时判断燃料电池需求功率是否大于0，若是，则循环执行步骤（1）和（2）对进气增湿量进行自动调节；若否，则进入关机流程。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车进气增湿量控制方法，其特征在于，还包括步骤（4），关机流程；
先判断是选择常温关机还是低温关机，若是常温关机模式，则对电堆进行吹扫关机，增湿器不对进堆空气进行增湿；若是低温关机，则对电堆进行吹扫关机，增湿器不对进堆空气进行增湿；低温关机的吹扫时间是常温关机的吹扫时间的2-10倍。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车进气增湿量控制方法，其特征在于所述干燥空气是空压机高速旋转压缩后的高温气体。
4.一种燃料电池汽车进气增湿量控制系统，其特征在于，包括，
整车控制器，所述整车控制器包括存储单元和处理单元，所述存储单元中存储有指令，所述指令用于使得所述处理单元能够执行根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池汽车进气增湿量控制方法；
温度传感器：采集环境温度、电堆温度、空气进堆温度，转化为电信号输出给整车控制器；
油门踏板开度传感器：采集油门踏板开度转化为电信号输出给整车控制器；
电堆交流阻抗传感器：采集电堆交流阻抗值，通过交流阻抗值和电堆湿度的对应关系可以得到电堆的湿度，输出给整车控制器；
增湿雾化器：为高压空气增湿降温；
增湿水泵：为增湿雾化器提供压力；
储水罐：收集电堆排出的水，作为给电堆增湿的水源；
燃料电池电堆：进行电化学反应，输出电能。
5.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质上存储有指令，所述指令用于使得机器能够执行根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池汽车进气增湿量控制方法。
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