一种燃料电池汽车功率匹配系统的制作方法

本发明涉及一种氢燃料电池车控制系统，尤其涉及一种燃料电池汽车功率匹配系统及实现方法。

背景技术：

氢氧燃料电池是氢气和氧气在催化剂的环境下发生电化学反应，其反应产物只有水没有其他产物。其反应原理为：

氢氧燃料电池是氢气和氧气在催化剂的环境下发生电化学反应，其反应产物只有水没有其他产物。而燃料电池汽车就是以燃料电池为动力源的汽车，其具有行驶距离长，加燃料时间短，无污染物排放，低噪声，能量效率高等特点，被认为最有发展前途的新能源车。

氢燃料电池车必会因其自身的种种优点而得到大力推广，就如同普通燃油车一样要考虑燃油经济性，氢燃料电池车如何在高效工作区间工作是一个值得考虑的问题。对于普通燃油车要想获得足够的功率动力只需踩下油门即可，而燃料电池汽车由于供氢系统、发电系统的复杂性以及功率匹配系统的复杂性，要想实现理想的功率供给并不是不是特别容易满足，进行实时功率匹配更是复杂。因此设计发明一种燃料电池汽车功率匹配系统就显得尤为重要，本发明就是为了解决这个问题而提出来的,而且该问题的解决可以很好地提高燃料利用率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种氢燃料电池车实施需求功率的测量以及燃料电池发电功率的匹配，使电池和汽车工作需求功率一致，从而不使燃料电池因为发电多无法使用造成浪费或者因为电池发电不足而造成汽车动力不够，进而达到提高燃料利用率的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种燃料电池汽车功率匹配系统，所述系统包括含氢燃料电池组、多管路供氢管路系统、稳压机构、电磁减压阀、信号反馈控制器、汽车行车速度测量装置以及信号反馈装置，其特征在于：

所述多管路供氢管路系统的一端与接有电磁减压阀的储氢瓶组相连，另一端与带有多口径进气口的含氢燃料电池组连接；

所述信号反馈控制器控制多管路供氢管路系统选择合适口径的通气管路，电磁减压阀的压力调节也受信号反馈控制器的控制；

所述汽车行车速度测量装置用于测量汽车的实时行进速度，并通过信号反馈装置将测量的信号传输给信号反馈控制器；

所述信号反馈控制器用于计算电池所需的发电功率，并通过控制电磁减压阀以及多管路供氢管路系统实现满足需求功率的发电。

进一步地，多管路供氢管路系统多管路选择控制机构的外侧分别有1个进气口与3个口径不同的出气口，实现不同的供气口径的供气。

进一步地，燃料电池进气口径的选择由信号反馈控制器传输信号给步进电机，通过多管路供氢管道上的步进电机控制旋转轴选择多管路选择控制机构上不同的出气口径而实现。

进一步地，所述旋转轴为中空的通气结构，并且在旋转轴上进气口对应位置上间隔120°等间距开有3个与进气口径大小一致的通气口，在多管路控制器上与该3个进气口对应间隔180°在出气口对应位置开有与出气口径大小一致的通气口。

进一步地，燃料电池的最佳工作压力区间在0.15～0.25mpa之间。

一种如上所述的燃料电池汽车功率匹配系统的实现方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)测量计算出汽车的速度与所需要各种力的总和，根据功率计算公式，从而计算出燃料电池所需要提供的动力功率；

(2)与发电实验所得理论数据比对，得出该功率下即时需求氢燃料量的信号数据，通过控制电磁减压阀以及多管路供氢管道所提供氢气的压力、管路所选择的口径、以及流速实现满足需求功率的发电。

进一步地，在所述步骤(1)中，车辆在行驶过程中受到的阻力主要有滚动阻力ff、空气阻力fw、坡度阻力fi和加速阻力fj；

滚动阻力ff的计算式如下：

ff＝wf＝mgf(1)

式中，w为整车总重量；f为滚动阻力系数；m为整车总质量；g为重力加速度；

空气阻力fw的计算公式如下：

式中，cd为空气阻力系数；a为迎风面积；ρ为空气密度；ur为相对速度；

坡度阻力fi的计算式如式下：

fi＝wsinα(3)

式中，w为整车总重量，α为道路坡度；

加速阻力fj的计算式如下：

fj＝δmα(4)

式中，δ为旋转质量换算系数，α为车辆的加速度；

整车的阻力为∑f，则

∑f＝ff+fw+fi+fj(5)

由此，车辆行驶所需要的总功率为：

式中，η为车辆传动系的传动效率；

将单位转换后，将各参数带入公式(6)中，得到车辆在行驶过程中的需求功率，即：

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

该发明利用独特设计的多管路供气系统，不仅可以满足压力与流速的调节，还可在压力不变的情况下调节进气口径使进气量和发电量发生变化从而满足功率负载的要求。因为普通的单口径燃料电池供气系统，其进气量只靠进气压力来控制，但是当电池需要提高燃料电池的发电功率时，单独的提高进气压力不容易满足发电需求，而且过高的压力会造成电池的损坏这是要避免的，这时利用多口径供气系统的设计就可满足在压力符合安全使用的条件下提高燃料进气量来提高燃料电池的发电功率。多管路的设计如同汽车的换档一样在不同的需求下选择合适的供气口径满足汽车正常行驶。

附图说明

图1是为本发明的一种燃料电池汽车功率匹配系统的原理图。

其中，1—储氢瓶组，2—电磁减压阀，3—多管路供氢管路系统，4—信号反馈控制器，5—氢燃料电池组，6—传动电机，7—带有测速装置的汽车。

图2是选择出气口1的多管路供氢系统控制机构原理图。

图3是多管路供氢系统控制机构外形整体图。

图4是选择出气口2的多管路供氢系统控制机构原理图。

图5是选择出气口3的多管路供氢系统控制机构原理图。

其中，3-1-步进电机，3-2-电机输出轴，3-3-旋转轴，3-4-基体，3-5-进气接口，3-6-电机罩，3-7-减速机构，3-8-轴承，3-9-出口气三，3-10-出气口二，3-11-出气口一。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种燃料电池汽车功率匹配系统，包含氢燃料电池组5、多管路供氢管路系统3、稳压机构、电磁减压阀2、信号反馈控制器4、汽车行车速度测量装置以及信号反馈装置。

多管路供氢管道的一端与接有电磁减压阀的储氢瓶组相连另一端直接与带有多口径进气口的氢氧质子交换膜燃料电池连接，并且接受信号反馈控制器的控制选择合适口径的通气管路，电磁减压阀的压力调节也受信号反馈控制器的控制；燃料电池输出的电能通过电机带动汽车运行，汽车上的测速装置负责测量汽车的实时行进速度，并将测量的信号传输给反馈控制器，反馈控制器结合路况情况可以计算出电池所需的发电功率，计算完以后并与发电实验所得理论数据比对可以得出该功率下即时需求氢燃料量的信号数据，并通过控制电磁减压阀以及多管路供氢管道所提供氢气的压力、管路所选择的口径、以及流速可以实现满足需求功率的发电。

测量计算出汽车的速度与所需要各种力的总和，根据功率计算公式(6)，从而可以计算出燃料电池所需要提供的动力功率。因为根据对燃料电池发电功率的研究发现其发电情况是和负载、管道开度、燃料流速、供气压力等有关的，所以通过调节燃料电池供氢系统的供气管道的开度、流速、压力等使燃料电池的发电功率适应汽车的需求功率，从而使燃料电池的燃料(氢气)利用率达到最高。

车辆在行驶过程中受到的阻力主要有滚动阻力ff、空气阻力fw、坡度阻力fi和加速阻力fj。

滚动阻力ff的计算式如下：

ff＝wf＝mgf(1)

式中，w为整车总重量；f为滚动阻力系数；m为整车总质量；g为重力加速度。

空气阻力fw的计算公式如下：

式中，cd为空气阻力系数；a为迎风面积；ρ为空气密度；一般ρ＝1.2258n·s²·m^-4；ur为相对速度。

坡度阻力fi的计算式如式下：

fi＝wsinα(3)

式中，w为整车总重量，α为道路坡度；

加速阻力fj的计算式如下：

fj＝δmα(4)

式中，δ为旋转质量换算系数，α为车辆的加速度；

整车的阻力为∑f，则

∑f＝ff+fw+fi+fj(5)

由此，车辆行驶所需要的总功率为：

式中，η为车辆传动系的传动效率；

将单位转换后，将各参数带入公式(6)中，得到车辆在行驶过程中的需求功率，即：

在得到汽车行驶的需求功率以后，就要解决燃料电池的发电输出功率，燃料电池的最大功率由其自身决定，在其工作区间内的其他数值就需要调节控制。该发明专利利用独特设计的多管路供气系统，不仅可以满足压力与流速的调节，还可在压力不变的情况下调节进气口径使进气量和发电量发生变化从而满足功率负载的要求。因为普通的单口径燃料电池供气系统，其进气量只靠进气压力来控制，但是当电池需要提高燃料电池的发电功率时，单独的提高进气压力不容易满足发电需求，而且过高的压力会造成电池的损坏这是要避免的，这时利用多口径供气系统的设计就可满足在压力符合安全使用的条件下提高燃料进气量来提高燃料电池的发电功率。多管路的设计如同汽车的换档一样在不同的需求下选择合适的供气口径满足汽车正常行驶。

多管路供气系统多管路选择控制机构原理图如图2、3、4和5所示。多管路选择控制机构包括步进电机3-1，电机输出轴3-2，旋转轴3-3，基体3-4，进气接口3-5，电机罩3-6，减速机构3-7，轴承3-8，出口气三3-9，出气口二3-10，出气口一3-11。

其中在整个机构外侧分别有1个进气口与3个口径不同的出气口，可以实现不同的供气口径的供气。燃料电池进气口径的选择由信号反馈控制器传输的信号给步进电机，通过步进电机控制旋转轴选择该机构不同的出气口径而实现。旋转轴为中空的通气结构，并且在旋转轴上进气口对应位置上间隔120°等间距开有3个与进气口径大小一致的通气口，与该3个进气口对应间隔180°在出气口对应位置开有与出气口径大小一致的通气口，该接口与燃料电池的供气管路直接相连。通过信号反馈控制器控制步进电机每次旋转120°可以满足每个工步都有一组出气口相通(即对应尺寸的通气口一与通气口二相连)，并且与进气口3—5构成一个整个的通气管路，实现三个不同口径通气口可以在三个工步状态下供气。这样通过步进电机控制旋转轴的旋转可以实现3种不同口径管道的供氢。利用该种方式可以在提高或者降低燃料电池进气与工作压力的条件下调节进气量，使燃料电池在满足负载功率的情况下工作在最佳状态。因为燃料电池的最佳工作压力区间在0.15～0.25mpa之间，在高负载时由大口径的的进气管路进气就显得尤为必要。

计算实时功率需要知道实时的力与速度，受力情况可以根据实时工况以及汽车的自身质量进行理论计算，速度则用装载在汽车上的测速装置进行测量，然后利用公式(6)进行计算得到所需功率，并将功率信号传输到反馈控制器，由其控制燃料电池的发电。因为根据实验可知，燃料电池的发电情况和燃料的供气压力、供气流量有关，这些条件可以通过调节电磁减压阀的压力以及多管路供氢管道上的步进电机从而选择合适的进气口径，使其满足所需发电的状态。

本发明的上述具体实施方式只是对本发明专利技术方案的举例说明，而不构成对本发明保护范围的限制。任何依据本发明之发明精神所产生的技术方案的改进、变换、省略、替代等，都属于本发明的保护范围。