一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法与流程

本发明属于燃料电池领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法。

背景技术：

氢燃料电池汽车排放产物只有水，零污染的特性是其广受关注的主要原因。燃料电池汽车尾排水包括液态水滴和水蒸气，排气管路具有一定的压力。如果大量的燃料电池汽车都将尾排水直接排放到路面上，环境温度在0℃以下，可能会产生结冰现象。特别是红绿灯路口处，过往的车辆停车等待或加速起步将水排放到路面造成该区域的路面积水结冰，存在严重的交通安全隐患，会对过往行人和车辆的生命安全构成严重的威胁。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法，车辆在低速及怠速停车过程中尾排水收集至保温储水罐内不向路面排放，在车辆行驶中高车速过程中收集的水以雾化形式喷出。对尾排水进行合理的收集与排放可以解决冬季燃料电池车辆在红绿灯路口停车等待或低速行驶时尾排水直接流向地面造成该区域路面积水结冰的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置，包括储水箱体以及与储水箱体连通的进水管、排水组件、雾化组件、排气组件以及控制器；

所述排水组件、雾化组件以及排气组件与控制器连接；

所述进水管与燃料电池的排水管连接；

所述排气组件用于将夹杂在燃料电池尾排水中的水蒸汽排出至储水箱体外；

所述雾化组件用于对储水箱体内的燃料电池尾排水雾化并排出至储水箱体外；

所述排气组件设置在排水组件以及雾化组件的上方。

进一步的，所述排水组件包括排水管以及排水电磁阀，排水管通过排水电磁阀控制开闭，所述排水电磁阀与控制器连接。

进一步的，所述雾化组件包括雾化器以及雾化喷嘴，所述雾化器输入端与储水箱体连接，输出端与雾化喷嘴连接，所述雾化器与控制器连接。

进一步的，雾化器输出端与雾化喷嘴的连接部位还设有向下延伸的回流管，所述回流管另一端与储水箱体连接；

所述回流管靠近储水箱体一端还设有防逆流组件。

进一步的，所述排气组件包括排气管，所述排气管一端为用于与储水箱体连接的连接端，另一端为开口端；

所述排气管内壁下沿与水平线存在夹角α；

所述排气管内壁下沿靠近开口端的高度大于连接端的高度。

进一步的，储水箱体设有用于连接排气组件的排气口，排气口设有金属网；

所述金属网为80目不锈钢金属网。

进一步的，储水箱体上还设有与控制器信号输入端连接的低水位传感器以及高水位传感器；

控制器信号输入端还连接有整车控制器vcu，vcu输出的can信号包括车速信息、室外温度信息以及钥匙档位信息；

控制器信号输入端还连接有还连接有用于采集燃料电池状态信息的电堆温度传感器、电流传感器、空气流量传感器以及空气压力传感器；

所述电堆温度传感器用于采集燃料电池内部温度tfc；

所述电流传感器用于采集燃料电池输出电流ifc；

所述空气流量传感器用于采集阴极入口空气流量n2；

所述空气压力传感器用于采集阴极空气压强p2。

进一步的，一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置的控制方法为：

s1、控制器通过信号输入端采集信号，判断车辆是否下电，下电则在延迟t1时间后保持排水电磁阀为常开状态；

s2、车辆未下电则通过获取can信号获取室外环境t0，若t0≥0℃则保持保持排水电磁阀为常开状态，若t0＜0℃则关闭排水电磁阀；

s3、通过获取can信号判断当前车速v是否大于预先设定的速度阈值v0，不大于则雾化器与排水电磁阀保持当前工作状态；

s4、v＞v0则判断q是否大于预先设定的收集水量最大允许值qmax，不大于则雾化器与排水电磁阀保持当前工作状态；

s5、q＞qmax则判断燃料电池产水速率l是否大于预先设定的燃料电池产水速率阈值lmax，l＞lmax则调节雾化器为高功率工作模式，l≤lmax则调节雾化器为低功率工作模式；

s6、判断q是否小于预先设定的收集水量最小允许值qmin，若q＜qmin则关闭雾化器，若q≥qmin则保持雾化器与排水电磁阀为当前工作状态。

进一步的，计算步骤s5中燃料电池产水速率l的方法为：

a1、根据热动力学水蒸气特性map得到当前状态下水蒸气分压p1；

a2、根据p1和p2计算水蒸气和空气的分压比

a3、计算氧气消耗量其中f为法拉第常数；

a4、计算空气消耗量其中r是氧气在空气中的占比，即r＝21％；

a5、计算带走水分的空气流量n＝n2-n1；

a6、计算带走的水量w＝n*ε，单位时间内的产水量即为燃料电池的产水速率l。

相对于现有技术，本发明所述的一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法具有以下优势：

(1)本发明所述的一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法可根据行驶工况和室外温度的不同实现燃料电池尾排水的收集与雾化排放的功能，防止冬季尾排水直接排向路面造成路面积水结冰。

(2)本发明所述的一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置及控制方法可根据室外温度和车辆行驶工况综合判断装置进入收集或排放功能的条件，通过计算燃料电池产水速率来调节雾化排放速率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的装置结构示意图；

图2为本发明实施例所述的金属网结构示意图；

图3为本发明实施例所述的箱体排出口结构示意图；

图4为本发明实施例所述的雾化器工作状态示意图；

图5为本发明实施例所述的排水电磁阀工作状态示意图；

图6为本发明实施例所述的控制系统示意图；

图7为本发明实施例所述的燃料电池排水速率计算方法示意图；

图8为本发明实施例所述的工作判定流程图示意图。

附图标记说明：

1-储水箱体；2-进水管；3-排水管；4-排水电磁阀；5-雾化器；6-雾化喷嘴；7-排气管；8-金属网；9-回流管；91-防逆流组件；10-低水位传感器；11-高水位传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图8所示，一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置，包括储水箱体1以及与储水箱体1连通的进水管2、排水组件、雾化组件、排气组件以及控制器，进水管2与燃料电池的排水管3连接，排气组件用于将夹杂在燃料电池尾排水中的水蒸汽排出至储水箱体1外，雾化组件用于对储水箱体1内的燃料电池尾排水雾化并排出至储水箱体1外，排气组件设置在排水组件以及雾化组件的上方。

排水组件包括排水管3以及排水电磁阀4，排水管3通过排水电磁阀4控制开闭，排水电磁阀4与控制器连接。

雾化组件包括雾化器5以及雾化喷嘴6，所述雾化器5输入端与储水箱体1连接，输出端与雾化喷嘴6连接，雾化器5与控制器连接，所述雾化器5使用现有技术，包括但不限于蒸汽雾化、超声波雾化以及通过对液态水加压经喷头喷出以实现液态水高压雾化等可以实现将液态水转化成水雾的方式。

雾化器5输出端与雾化喷嘴6的连接部位还设有向下延伸的回流管9，所述回流管9另一端与储水箱体1连接，在使用过程中，雾化器5或者加压水泵对尾排水雾化或者加压并通过雾化喷嘴6排出，在回收雾化器5输出端与雾化喷嘴6的连接部位，会残留一些由于接触雾化喷嘴6内壁冷凝的水蒸气，冷凝的水蒸气无法顺利的通过雾化喷嘴6排出，且冷凝的水蒸气排除至车外残留在路面上会造成路面结冰等情况，回流管9的设置用于回收残余在雾化器5输出端与雾化喷嘴6的连接部位的液态水，减少液态水的存在对雾化喷嘴6的工作产生的影响。

回流管9靠近储水箱体1一端还设有防逆流组件91，防逆流组件使用现有的具有防止水逆流功能的组件，包括但不限于止流阀、止水阀、止逆阀、单向阀、防止水倒流止回阀等。

排气组件包括排气管7，所述排气管7一端为用于与储水箱体1连接的连接端，另一端为开口端，所述排气管7内壁下沿与水平线存在夹角α，所述排气管7内壁下沿靠近开口端的高度大于连接端的高度。

储水箱体1设有用于连接排气组件的排气口，排气口设有金属网8。

所述金属网8为80目不锈钢金属网；

储水箱体1上还设有与控制器信号输入端连接的低水位传感器10以及高水位传感器11；

控制器信号输入端还连接有整车控制器vcu，vcu输出的can信号包括车速信息、室外温度信息以及钥匙档位信息；

控制器信号输入端还连接有用于采集燃料电池状态信息的电堆温度传感器、电流传感器、空气流量传感器以及空气压力传感器；

所述电堆温度传感器用于采集燃料电池内部温度tfc；

所述电流传感器用于采集燃料电池输出电流ifc；

所述空气流量传感器用于采集阴极入口空气流量n2；

所述空气压力传感器用于采集阴极空气压强p2。

一种燃料电池汽车尾排水收集与雾化装置的控制方法为：

s1、控制器通过信号输入端采集信号，判断车辆是否下电，下电则在延迟t1时间后保持排水电磁阀4为常开状态；

s2、车辆未下电则通过获取can信号获取室外环境t0，若t0≥0℃则保持保持排水电磁阀4为常开状态，若t0＜0℃则关闭排水电磁阀4；

s3、通过获取can信号判断当前车速v是否大于预先设定的速度阈值v0，不大于则雾化器5与排水电磁阀4保持当前工作状态；

s4、v＞v0则判断q是否大于预先设定的收集水量最大允许值qmax，不大于则雾化器5与排水电磁阀4保持当前工作状态；

s5、q＞qmax则判断燃料电池产水速率l是否大于预先设定的燃料电池产水速率阈值lmax，l＞lmax则调节雾化器5为高功率工作模式，l≤lmax则调节雾化器5为低功率工作模式；

s6、判断q是否小于预先设定的收集水量最小允许值qmin，若q＜qmin则关闭雾化器5，若q≥qmin则保持雾化器5与排水电磁阀4为当前工作状态。

计算步骤s5中燃料电池产水速率l的方法为：

a1、根据热动力学水蒸气特性map得到当前状态下水蒸气分压p1；

a2、根据p1和p2计算水蒸气和空气的分压比

a3、计算氧气消耗量其中f为法拉第常数；

a4、计算空气消耗量其中r是氧气在空气中的占比，即r＝21％；

a5、计算带走水分的空气流量n＝n2-n1；

a6、计算带走的水量w＝n*ε，单位时间内的产水量即为燃料电池的产水速率l。

本发明的第一个实施例中，如图1所示，来自燃料电池电堆的尾排水直接排放到储水箱体1内，储水箱体1下方的排水电磁阀4为常开状态，当控制系统接收到车辆的环境温度传感器采集的温度低于温度t0时，本发明推荐0℃，装置将闭合排水电磁阀4，将进入尾排水的收集模式，从电堆出来的带有一定压力的液态小水滴和水蒸气排放到储水箱体1内，通过重力将其中较大的水滴如图1实线箭头所示滴落在储水箱内进行收集。水雾及水蒸气如图中虚线箭头所示通过金属网8直接从箱体的排出口排至室外，箱体排出口下沿与水平线存在夹角α，本发明推荐5度，使金属网及内壁上凝结的水滴回流到箱体内，箱体排出口结构如图3所示，金属网结构如图2所示，本发明推荐80目不锈钢金属网。水雾及水蒸气如图1中虚线箭头所示通过金属网8直接从储水箱体1的排气口排出，储水箱体1排气口下沿与水平线存在夹角α，优选的α＝5°，金属网8与夹角α的设置使金属网8及内壁上凝结的水滴回流到箱体内。

本发明的第二个实施例中，如图4所示，当前车速大于某一速度阈值v0，可通过实车标定得到该阈值，本发明推荐30km/h，且当储水箱内储水液面达到高水位传感器11时，装置通过采集燃料电池内部温度、燃料电池输出电流、阴极入口空气流量、阴极空气压强，计算产水速率，当产水速率大于设定值某一速率阈值lmax时，本发明推荐lmax＝1.6ml/s，且当前车速大于v0时，控制器通过判断，装置将启动雾化排放功能，并根据产水速率l调节雾化器工作功率，雾化器5将启动，存储在水箱内的水通过雾化喷嘴6雾化后排出，当液面降到低水位传感器10以下时，控制装置将停止雾化器5。

本发明的第三个实施例中，如图5所示，当环境温度大于0℃时装置的排水电磁阀4将处于常开状态，尾排水通过排出口流到地面，装置不启动，不会影响车辆在室外环境高于t0时尾排水的正常排放。

本发明的第四个实施例中，当车辆停车下电后车辆装置在时间t1以后打开排水电磁阀4将储水箱体1排空，本发明推荐时间t1为10s，防止装置的残留水份在寒冷环境下结冰。

本申请的控制系统方面如图6所示，为排水收集与雾化排放装置控制系统框图，显示了内部控制器、执行器和传感器之间的信号交互关系，其中控制器需要同时采集当前燃料电池内部温度、燃料电池输出电流、阴极入口空气流量、阴极空气压强，计算燃料电池排水量，根据当前产水速率以及车速及水位传感器信号，进行逻辑判断，并将相关控制信号发送给执行器决定进入收集水或排水功能以及及调节排水速率。

如图7所示为燃料电池排水速率计算方法。装置控制部根据燃料电池内部温度tfc以及水蒸气饱和特性map，计算当前状态下水蒸气分压p1，根据空气压力传感器可以得到当前阴极空气分压p2，根据p1和p2可以得到水蒸气和空气的分压比ε。装置控制部根据燃料电池对外输出电流ifc，计算用于发电的空气流量n1，空气流量传感器测得阴极入口处的空气流量n2，n2-n1为带走水分的空气流量n,n和ε通过计算得到带走的水量，单位时间内带走的水量即燃料电池输入到排水收集及雾化装置的产水速率l。

如图8所示，装置工作模式判定流程控制部读取can信号及各传感器信号，判断燃料电池产生的水分是雾化排放，还是以液态水形式存储。当同时满足以下条件：

收集水量小于最大允许值qmax，其中qmax与装置高水位传感器检测到液面信号有关及当前储水箱内储水体积有关，参考值1l；

水箱内剩余的最小允许值qmin，其中qmin与装置低水位传感器检测到液面信号有关及当前储水箱内储水体积有关，参考值200ml；

排水速率小于最大允许值lmax，其中lmax与燃料电池当前状态有关，具体监测原理如上述所示，参考值为1.6ml/s；

车速小于最大允许值v0，其中v0与车辆行驶状况相关，当车速低于v0,认为车辆大概率处于交通十字路口；

当车辆上电；室外环境温度大于t0；电磁阀将关闭装置进入收集模式，车速小于等于v0时认为车辆大概率处于十字路口不进行雾化排放。

当车辆上电；室外环境温度大于t0；车速大于v0；箱内储水量q＞qmax；在满足以上条件同时，当产水速率l＞lmax装置将开启水泵高速档进行高速雾化排放。否则开启低速挡进行低速雾化排放，当箱内储水量q＜qmin；装置将关闭水泵。

当车辆下电后装置将延时10s后开启电磁阀常开进入排空模式。

当车辆未处于下电状态，且环境温度t0≥0℃时；装置电磁阀常开。装置不进行收集排放。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。