一种车载氢燃料电池发电总系统的制作方法

本发明涉及车辆子系统联合控制，尤其涉及一种车载氢燃料电池发电总系统。

背景技术：

1、由于传统石化能源的不可再生性和碳排放污染性，新能源汽车行业发展迅猛。目前，纯电车或者混动车虽然能在一定程度上摆脱对石油的过渡依赖，但由于锂电池的充电、续航以及废旧电池的污染处理问题，导致其应用具有一定的现实局限性。车载氢燃料电池由于其高效率、零排放等优点，相关产品研发和产品应用在不断发展。

2、本技术发明人在实现本发明实施例技术方法的过程中，至少发现现有技术中存在如下技术问题：

3、目前，车载氢燃料电池发电总系统在初始原理和基本功能方面均能满足要求，但其分系统和总系统的适配性较差，分系统的结构设计影响总系统的性能，主要表现在以下方面。

4、现有的氢气循环分系统使用的是单氢泵，即氢气循环分系统只使用氢气循环泵。虽然原理、结构和调试程序简单易行，在低功率工况条件下可以满足使用要求，但当系统功率提升到一定程度后，对氢气循环泵的体积、成本、功耗的要求更高，目前使用的氢气循环泵会影响整体发电效率。

5、水冷分系统的好坏对车载氢燃料电池电压持续稳定输出影响巨大。现有的水冷分系统采用单一的水泵调节水压，并采用三通调温阀一种形式来调节水流量。一旦水泵或三通调温阀损坏，这就造成单个部件的性能影响整体性能的问题，存在失效风险和不确定性。另外，水冷分系统只使用电加热器对水流进行加热，未与车辆暖风系统充分结合，能量利用率低。

6、综上，现有车载氢燃料电池发电总系统与其分系统之间的适配性较差。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种车载氢燃料电池发电总系统，解决了现有车载氢燃料电池发电总系统与其分系统之间的适配性较差的问题。

2、本发明实施例提供了一种车载氢燃料电池发电总系统，所述总系统包括：电堆模块；空气分系统，与所述电堆模块气路连接，所述空气分系统包括空压机；氢气循环分系统，与所述电堆模块气路连接，所述氢气循环分系统包括气路串联的引射器和氢气循环泵；在30kw以下的低功率工况下，所述引射器失效，所述氢气循环泵输送循环气体；在30kw-70kw的中功率工况下，所述引射器和氢气循环泵共同输送循环气体；在70kw-200kw的高功率工况下，所述氢气循环泵失效，所述引射器输送循环气体；总尾排管，与所述空气分系统和所述氢气循环分系统气路连接，排放水、空气和氢气；水冷分系统，包括电堆冷却子系统和辅机冷却子系统，所述电堆冷却子系统与车辆暖风系统的车辆暖风芯体集成在一起，所述电堆冷却子系统包括并联且不同时使用的电堆冷却主水泵和电堆冷却备用水泵，所述电堆冷却主水泵和所述电堆冷却备用水泵均采用变频水量调节机制，所述电堆冷却子系统还包括三通调温阀和电堆冷却风机，所述车辆暖风芯体和所述电堆冷却风机分别连接所述三通调温阀的两个分流输入端，所述电堆冷却风机采用变频风量调节机制；所述辅机冷却子系统包括并联且不同时使用的辅机冷却主水泵和辅机冷却备用水泵；控制分系统，包括整车控制器，所述整车控制器与所述空气分系统、所述水冷分系统和所述氢气循环分系统电路连接，通过所述整车控制器对所述空气分系统、所述水冷分系统和所述氢气循环分系统进行一体化控制，令分系统协同工作。

3、可选的，所述空气分系统还包括：节气门，与所述电堆模块的空气进气端和空气出气端气路连接，所述节气门控制所述电堆模块的空气进气量和空气排气量；所述节气门还与所述空压机气路连接，所述节气门在所述低功率工况下将所述空压机出口过量供应的空气排放至所述总尾排管。

4、可选的，所述总系统还包括：混合器，设置于所述总尾排管，所述混合器将所述总尾排管中空气、氢气和水混合均匀，形成待排放混合气体；总尾排氢浓度传感器，连接于所述混合器的输出端，所述总尾排氢浓度传感器检测所述待排放混合气体的氢气排放浓度值，并将所述氢气排放浓度值发送给所述整车控制器，所述整车控制器控制所述氢气循环分系统的氢气排放。

5、可选的，所述空气分系统还包括：膜增湿器，一端与所述电堆模块气路连接，另一端与所述总尾排管连通，所述膜增湿器利用电堆反应后所述总尾排管中的水对所述空压机出口的空气进行增湿处理，增湿后的空气进入所述电堆模块。

6、可选的，所述氢气循环分系统还包括：气水分离器，与所述电堆模块气路连接，所述气水分离器将电堆反应后的气水混合物进行分离，分离后的循环气体通过所述氢气循环泵和所述引射器重新进入所述电堆模块进行电堆反应或者通过所述总尾排管排放到大气，分离后的水通过所述总尾排管排放到大气。

7、可选的，所述氢气循环分系统还包括：电磁泄压阀，一端与所述引射器的输出端气路连接，另一端与所述总尾排管气路连接，过量供应的氢气可以通过所述电磁泄压阀排放到所述总尾排管。

8、可选的，所述电堆冷却子系统具体包括：电堆冷却进水回路，包括沿电堆进水方向依次连接的电堆冷却水箱、电堆冷却水泵和去离子过滤器，所述电堆冷却进水回路中的水对所述电堆模块进行冷却处理；所述电堆冷却水泵为所述电堆冷却主水泵或所述电堆冷却备用水泵；电堆冷却出水回路，具有降温循环子回路和升温循环子回路，所述电堆冷却风机设置于降温循环子回路，所述升温循环子回路还包括电加热器，所述车辆暖风芯体与所述电加热器串联在所述升温循环子回路；从所述电堆模块流出的一部分水流经过所述降温循环子回路中的所述电堆冷却风机进行降温，从所述电堆模块出来的另一部分水流依次经过所述升温循环子回路中的所述车辆暖风芯体和电加热器进行升温，降温后的水和升温后的水经过电堆冷却出水回路上的三通调温阀汇流后，回到所述电堆冷却水泵的吸入口。

9、可选的，所述电堆冷却进水回路还包括：电堆冷却温压一体传感器，采集进入所述电堆模块的水温值和水压值后，发送水温和水压传感信息至所述整车控制器，所述整车控制器控制所述三通调温阀、所述电堆冷却水泵和所述电堆冷却风机以进行恒温处理。

10、可选的，所述电堆冷却进水回路还包括：水箱氢浓度报警器，设置于所述电堆冷却水箱，检测所述电堆模块的氢气漏排值，并将所述氢气漏排值发送给所述整车控制器，所述整车控制器进行停机停车处理。

11、可选的，所述辅机冷却子系统具体包括：辅机冷却进水回路，在流向所述空压机的方向上，包括依次连接的辅机冷却水箱和辅机冷却水泵；所述辅机冷却水泵为所述辅机冷却主水泵或所述辅机冷却备用水泵；辅机冷却出水回路，包括辅机冷却风机；从所述空压机流出的水经过所述辅机冷却风机降温后回到所述辅机冷却水泵的吸入口。

12、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

13、本发明的车载氢燃料电池发电总系统中的关键部件冗余性高，能够提高总系统的稳定性和可靠性，各组成部分之间互相影响、相互制约，总系统与分系统适配性好，能够满足车辆在低功率、中功率和高功率工况下的实际应用需求。

14、本发明的氢气循环分系统采用引射器和氢气循环泵串联模式，能够适配功率范围更广的总系统工况，能更好地适配总系统的辅机功耗与氢气进气压力、氢气流量之间的平衡。具体地，按照引射器的工作特性，在相同一次流流量下，减小压升可以提升引射流量，所以串联使用氢气循环泵来减小引射器压升。氢气循环泵和引射器依次输送相同流量的循环气体，使之分担不同大小的压升，最终使得二者的总压升等于氢气循环分系统的压力损失。引射器和氢气循环泵串联模式下压升随电堆功率而变化，在70kw-200kw高功率工况下，只使用引射器输送循环气体，即引射器的压升等于系统阻力损失。当电堆功率降低到30kw-70kw时，使得引射器不能引射足够的循环气体，开启氢气循环泵来减小引射器的工作压升，使二者压升之和满足总系统压力损失。当电堆功率降低到30kw以下时，引射器失效，全部流量经过氢气循环泵输送，使氢气循环泵在低电堆功率下循环较大气体流量。尤其是，在30kw-70kw的中功率工况下，采用引射器和氢气循环泵串联模式比单独使用其中之一元器件更能充分发挥引射器的流量引射性能，有效降低氢气循环泵的辅机功耗。

15、本发明的水冷分系统中的电堆冷却子系统和辅机冷却子系统均采用双泵形式，即一用一备的主水泵和备用水泵，防止主动力设备出现问题导致总系统不能运行的风险，冗余度高。本发明的电堆冷却主水泵和电堆冷却备用水泵采用变频水量调节机制，通过设置变频器中泵的频率，对水泵输出水流量进行线性的改变，从而能够改变电堆冷却子系统中水的总流量，进而准确调节电堆模块的温度；本发明的电堆冷却风机采用变频风量调节机制，通过调节电堆冷却风机的转速，从而改变水冷分系统中的风量，不同的风量对水的散热速率不同，进而准确调节电堆模块的温度。本发明增加变频水量调节机制和变频风量调节机制，防止三通调温阀损坏导致总系统不能运行的风险，三级防护提高总系统运行的可靠性。本发明将电堆冷却子系统与车辆暖风芯体集成在一起，水冷分系统与车辆暖风系统共用车辆暖风芯体，车辆暖风芯体可以对水冷分系统的水流进行加热，能够合理利用车辆废热与电堆余热进行热交换，节省能量，提高总系统的能源利用率。

16、进一步，所述空气分系统还包括：节气门，与所述电堆模块的空气进气端和空气出气端气路连接，所述节气门控制所述电堆模块的空气进气量和空气排气量；所述节气门还与所述空压机气路连接，所述节气门在所述低功率工况下将所述空压机出口过量供应的空气排放至所述总尾排管。不仅能够合理控制电堆模块的空气进气量和空气排气量，保证电堆模块的电堆反应正常进行，还能够及时排除空压机出口过量供应的空气，避免空压机在低功率工况下低转速运行出现的喘振现象。

17、再进一步，所述总系统还包括：混合器，设置于所述总尾排管，所述混合器将所述总尾排管中空气、氢气和水混合均匀，形成待排放混合气体；总尾排氢浓度传感器，连接于所述混合器的输出端，所述总尾排氢浓度传感器检测所述待排放混合气体的氢气排放浓度值，并将所述氢气排放浓度值发送给所述整车控制器，所述整车控制器控制所述氢气循环分系统的氢气排放。混合器能够将总尾排管内的空气、氢气和水均匀混合在一起，避免某一时刻集中排放氢气引起的安全风险；总尾排氢浓度传感器能够检测总尾排管中的氢气浓度，整车控制器根据此氢气浓度控制氢气循环分系统的氢气排放，避免氢气超标排放。

18、又进一步，所述空气分系统还包括：膜增湿器，一端与所述电堆模块气路连接，另一端与所述总尾排管连通，所述膜增湿器利用电堆反应后所述总尾排管中的水对所述空压机出口的空气进行增湿处理，增湿后的空气进入所述电堆模块。利用电堆反应生成的水和空压机出口的空气进行湿热交换，满足电堆模块中质子交换膜对湿度的要求，能够长期有效地对进堆空气进行增湿，使其处于合适的水饱和状态和较高的电导，以提高反应效率，无需额外增设外部加湿罐，因为外部加湿设计不仅需要大量的水，还需要将水加热汽化的耗能，内部加湿设计相较于外部加湿设计，能够节省水资源，减少整体消耗。

19、还进一步，所述氢气循环分系统还包括：气水分离器，与所述电堆模块气路连接，所述气水分离器将电堆反应后的气水混合物进行分离，分离后的循环气体通过所述氢气循环泵和所述引射器重新进入所述电堆模块进行电堆反应或者通过所述总尾排管排放到大气，分离后的水通过所述总尾排管排放到大气。气水分离器能够将电堆反应生成的高湿度的气水混合物进行除湿，防止总系统管路和设备被水淹，而且分离后的循环气体中含适量水蒸气，适量的水蒸气重新进入电堆模块，能够提高电堆进气湿润度，延长电堆模块的运行寿命。

20、更进一步，所述氢气循环分系统还包括：电磁泄压阀，一端与所述引射器的输出端气路连接，另一端与所述总尾排管气路连接，过量供应的氢气可以通过所述电磁泄压阀排放到所述总尾排管。电磁泄压阀能够直接将氢气循环分系统中过量的氢气快速排放到总尾排管，防止氢气循环分系统内氢气压力和流量剧增引起的安全事故。

21、再进一步，所述电堆冷却子系统具体包括：电堆冷却进水回路，包括沿电堆进水方向依次连接的电堆冷却水箱、电堆冷却水泵和去离子过滤器，所述电堆冷却进水回路中的水对所述电堆模块进行冷却处理；所述电堆冷却水泵为所述电堆冷却主水泵或所述电堆冷却备用水泵；电堆冷却出水回路，具有降温循环子回路和升温循环子回路，所述电堆冷却风机设置于降温循环子回路，所述升温循环子回路还包括电加热器，所述车辆暖风芯体与所述电加热器串联在所述升温循环子回路；从所述电堆模块流出的一部分水流经过所述降温循环子回路中的所述电堆冷却风机进行降温，从所述电堆模块出来的另一部分水流依次经过所述升温循环子回路中的所述车辆暖风芯体和电加热器进行升温，降温后的水和升温后的水经过电堆冷却出水回路上的三通调温阀汇流后，回到所述电堆冷却水泵的吸入口。去离子过滤器能够消除水流中的离子，令电堆冷却子系统中的水流电导率小于5μs/cm，满足电堆对电导率的要求。三通调温阀将降温循环子回路的水流和升温循环子回路的水流进行汇流，汇流后的水流量等于两路水流量之和，降温循环子回路对水流进行散热，升温循环子回路对水流进行加热，通过调节三通调温阀的开度控制升温循环子回路和降温循环子回路的水流量，有利于准确控制电堆模块的温度。车辆暖风芯体与电加热器串联使用，能够使用电堆余热取暖及电加热器制热双模式，兼顾节能与乘客舒适性，令整车综合性能最优。

22、又进一步，所述电堆冷却进水回路还包括：电堆冷却温压一体传感器，采集进入所述电堆模块的水温值和水压值后，发送水温和水压传感信息至所述整车控制器，所述整车控制器控制所述三通调温阀、所述电堆冷却水泵和所述电堆冷却风机以进行恒温处理。通过电堆冷却温压一体传感器作为电堆冷却子回路的温度反馈，有利于整车控制器及时对三通调温阀、电堆冷却水泵和电堆冷却风机进行有效控制，将温度保持在65℃-75℃范围内，恒温控制效果好，有利于维持电堆模块内部的热平衡，使电堆模块稳定运行。

23、还进一步，所述电堆冷却进水回路还包括：水箱氢浓度报警器，设置于所述电堆冷却水箱，检测所述电堆模块的氢气漏排值，并将所述氢气漏排值发送给所述整车控制器，所述整车控制器进行停机停车处理。水箱氢浓度报警器能够检测电堆模块质子交换膜中水气互窜等异常情况，及时停机停车方便人员下车检查，防止车内氢气浓度上升，保障用气和人身安全。

24、更进一步，所述辅机冷却子系统具体包括：辅机冷却进水回路，在流向所述空压机的方向上，包括依次连接的辅机冷却水箱和辅机冷却水泵；所述辅机冷却水泵为所述辅机冷却主水泵或所述辅机冷却备用水泵；辅机冷却出水回路，包括辅机冷却风机；从所述空压机流出的水经过所述辅机冷却风机降温后回到所述辅机冷却水泵的吸入口。辅机冷却子系统能够对空压机进行降温处理，及时对空压机进行有效散热，保证空压机正常运作，进而保证电堆模块的空气供应，总系统稳定性好、可靠性高。