一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台及方法与流程

[0001]
本发明属于氢燃料电池的应用技术领域，涉及一种用于燃料电池阴极空气供应回路的化工及控制特性的测控平台，以及其测试方法。


背景技术：

[0002]
燃料电池的正常运行需要阴极提供过量的氧气，如果氧气不足，燃料电池的性能和寿命会受到极大的影响。空气供应系统主要是为燃料电池阴极提供反应所需的氧气，确保阴极有合适的氧气流量、氧气压力和适宜的湿度。为了提高燃料电池的性能，保证燃料电池整体输出净功率最优，需要设计空气供应系统高效的利用方案。
[0003]
空气系统的功耗占整个燃料电池附属部件功耗的绝大部分，为了保证燃料电池整体系统工作在最优状态，需要对空气系统进行空气流量和压力的控制。对空气流量和压力的控制主要在于对空气供应系统空气压缩机和排气端阀门的控制，保证阴极处于最佳工作状态。
[0004]
然而，在实际的燃料电池系统中，空气供给系统存在较强的非线性和参数强耦合性，因此对空气供给系统的调控存在很大的难度。这主要基于以下因素:第一，空气回路的压力控制直接关系到阴阳极的压差平衡，当阴阳极的压力差超过质子交换膜的耐受极限时，导致电堆损坏。
[0005]
第二，空气供给系统是大滞后系统，当电堆的负载电流发生扰动时，空气流量和压力的响应速度很慢，容易造成电堆氧饥饿，导致电堆性能下降，甚至损坏电堆。
[0006]
第三，在实际应用过程中，不同功率需求的电堆会选用不同的空气压缩装置，空气压缩装置的性能差异会导致实际控制方案的不同。
[0007]
第四，如果化工部件的容积、管径和阀径不匹配时，阴极流量、压力无法通过控制稳定，导致空气供应系统频繁调节。
[0008]
第五，整个燃料系统适当的背压可以提高电池的电流密度，在背压条件下，空气系统的进出堆压力的研究对整体系统的控制具有很大的意义。


技术实现要素：

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本发明的目的之一在于提供一种燃料电池空气供应回路的特性的测控平台，实现空气供应回路背压、常压、空滤堵塞、负荷变化等条件或工作模式的模拟，以达到化工匹配和控制参数标定的低成本、便利性测试与分析的良好效果。
[0010]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，包括空气过滤装置、空气压缩装置、基于缓冲罐的燃料电池电堆模拟装置、燃料电池控制器以及温度/压力/质量流量传感器；所述的空气过滤装置后端连接空气压缩装置；所述的空气压缩装置包括空气压缩机和电机，空气压缩装置后端通过球阀ⅰ引出两条支路，一条连接缓冲罐前端，一条连接球阀ⅱ后通过阀门连接空气出口，球阀ⅰ和球阀ⅱ的开度均等于燃料电池电堆内最小流道截面积的尺寸，缓冲罐的容积等于燃料电池电堆内的腔
体容积，缓冲罐后端连接有比例阀，通过调节比例阀可模拟电堆内部对空气的消耗，比例阀连接气体消耗出口；所述的燃料电池控制器与空气压缩装置、比例阀、阀门以及温度/压力/质量流量传感器连接，可以通过控制电机的转动速度调节进入燃料电池电堆模拟装置的空气流量，起到控制空气流量和压力的作用，以满足不同工况下多种不同燃料电池的流量和压力需求。
[0011]
所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其燃料电池控制器包括中央控制单元、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、can通信模块、pwm控制模块、供电电源模块、电源输出模块和数据存储模块；其中，模拟量输入输出模块用于温度/压力/质量流量传感器的控制与数据采集，can通信模块和pwm控制模块用于控制电机的转速，另一路带功率驱动能力的pwm用于控制燃料电池电堆模拟装置的比例阀的开度，排气端的阀门根据选型可以用pwm/do/ao等控制，供电电源模块和电源输出模块用于给控制器和其余需要供电部件供电，以及作为部件采样信号的参考电压，数据存储模块用于存储实验过程中的各项数据，便于后续的分析研究。
[0012]
所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其温度/压力/质量流量传感器包括连接在空气过滤装置和空气压缩装置之间的温度传感器、压力传感器和流量计i，连接在空气压缩装置和球阀ⅰ之间的温度传感器、压力传感器，连接在球阀ⅰ、球阀ⅱ和缓冲罐之间的压力传感器，连接在球阀ⅱ和阀门之间的温度传感器、压力传感器以及连接在比例阀出口处的流量计ⅱ。
[0013]
所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，其阀门为节气门阀门。
[0014]
本发明的目的之二是提供上述测控平台的测试方法，主要在以下两种工作模式下进行测试：背压工作模式时，燃料电池控制器控制排气端阀门开度，模拟背压环境；燃料电池控制器控制电机转速并调节进气流量；通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积；燃料电池控制器控制比例阀开度，调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗；常压工作模式时，燃料电池控制器控制排气端阀门为全开；燃料电池控制器控制电机转速并调节进气流量；通过缓冲罐模拟燃料电池电堆内的腔体容积；燃料电池控制器控制比例阀开度，调节缓冲罐排出的气体流量，模拟当前燃料电池电堆的气体消耗。
[0015]
所述的一种燃料电池空气供应回路特性的测试方法，还包括针对空气过滤装置，通过堵塞空气过滤装置的入口等方法来模拟空气入口堵塞的状况，在此状态下进行相应特征的研究。
[0016]
本发明的有益效果在于：1，针对空气供应系统，搭建燃料电池空气供应回路的测控平台，将空气供应系统的特性测试和控制参数标定与燃料电池测控平台分离，独立研究空气供应系统的相关性能特性。
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2，测控平台的搭建由管道、阀门、空气压缩装置等部件构成，搭建简单，不涉及复杂的结构设计，克服了实验平台搭建困难的缺点。同时，通过燃料电池模拟器模拟燃料电池电堆，不用在实验平台中加入真实的燃料电池电堆，极大节约了研究成本。
[0018]
3，测控平台可以通过更换空气压缩机型号、缓冲罐容积、球阀开度等，模拟不同功率燃料电池电堆进行空气回路性能特性的研究，克服了现有技术针对不同电堆需要搭建不
同测试系统的弊端，对实际工况下燃料电池发动机系统的研究起到积极作用。
[0019]
4，测控平台可以通过改变不同测试条件，如空滤堵塞、是否背压等模拟实际工况中的不同情景，从而记录空气系统各项参数。通过对参数、实验条件的分析，对空气系统的建模和控制方法的研究起到一定的推动作用。
[0020]
5，通过对测控平台部件的增删、替换、管路的修改等，可以实现对不同应用场景下空气供给系统特性的研究，实现空气回路匹配特性测试的灵活性。
[0021]
6，测控平台有效地模拟空气供应系统的流量-容积-压力特性，为空气压缩装置、出口出阀门的选型与控制参数调试，提供安全、可靠、有效的实验测试环境；7，控制器的选择可根据实际平台搭建情况进行，选用带有所匹配的端口的控制器即可。
附图说明
[0022]
图1为本发明的系统组成原理图；图2为本发明的背压工作模式图；图3为本发明的常压工作模式图。
[0023]
各附图标记为：1—空气过滤装置，2—空气压缩装置，3—燃料电池电堆模拟装置，4—缓冲罐，5—燃料电池控制器，11—流量计i，12—流量计ii，13—球阀i，14—球阀ii，15—比例阀，16—阀门，t1/t2/t3/t4—温度传感器，p1/p2/ p3/ p4—压力传感器。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0025]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图；本实施例中，对于术语“前”、“后”、“左”、“右”、“中间”等指示方位或位置关系的描述，仅基于附图所示的方位或位置关系，目的在于便于描述本发明和简化描述，不能理解为对本发明的限制。
[0026]
本发明将空气系统以一定的方式从整个燃料系统剥离出来，单独搭建相应的测试和控制一体的测控平台，通过模拟实际应用中的调节阀、容积、管径、电磁阀等化工参数，实现实际工作条件下的特性模拟；一方面可用于气路设计中的阀体和管径特性匹配，另一方面可用于入口空气压缩装置和排气端阀门的控制参数标定。
[0027]
参照图1所示，本发明公开的一种燃料电池空气供应回路特性的测控平台，主要由空气过滤装置1、空气压缩装置2、基于缓冲罐4的燃料电池电堆模拟装置3以及燃料电池控制器5组成。
[0028]
所述的空气过滤装置1后端依次连接温度传感器t1、压力传感器p1和流量计i 11后与空气压缩装置2相连，温度传感器t1和压力传感器p1用于记录空气系统入口端的温度与压力。
[0029]
所述的空气压缩装置2为包括空气压缩机（空气泵）和电机等可以压缩气体的装置，用于将空气压缩至空气流道，空气压缩装置2后端依次连接温度传感器t2和压力传感器p2后连接球阀
ⅰꢀ
13，然后引出两条支路，一条连接缓冲罐4前端，一条依次连接压力传感器
p3、球阀
ⅱꢀ
14、温度传感器t3和压力传感器p4之后通过阀门16连接空气出口，以进行相应数据的采集，球阀
ⅰꢀ
13和球阀
ⅱꢀ
14的开度相等，均等于燃料电池电堆内最小流道截面积的尺寸，缓冲罐4的容积等于燃料电池电堆内的腔体容积，缓冲罐4后端连接有比例阀15，通过调节比例阀15可模拟电堆内部对空气的消耗，比例阀15通过流量计
ⅱꢀ
12连接气体消耗出口。传感器分别用于检测空气入口的温度压力与流量，以及空气出口的温度压力与流量，出口处的阀门用于控制燃料电池电堆模拟装置3内部的压力与流量，起到调节出口气体量和调节电堆内部压力的作用。
[0030]
所述的燃料电池控制器5起对整个测控平台进行数据采集及发出相应控制指令的作用，可以通过can/pwm模块控制电机的转动速度，以调节进入燃料电池电堆模拟装置3的空气流量，起到控制空气流量和压力的作用，以满足不同工况下多种不同燃料电池的流量和压力需求，包括中央控制单元（mcu）、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块、can通信模块、pwm控制模块、供电电源模块、电源输出模块和数据存储模块；其中，模拟量输入输出模块用于温度/压力/质量流量传感器的控制与数据采集，can通信模块和pwm控制模块用于控制电机的转速，另一路带功率驱动能力的pwm用于控制燃料电池电堆模拟装置3中的比例阀15的开度，排气端的阀门16根据选型可以用pwm/do/ao等控制，供电电源模块和电源输出模块用于给控制器和其余需要供电部件供电，以及作为部件采样信号的参考电压，数据存储模块用于存储实验过程中的各项数据，便于后续的分析研究。
[0031]
本发明测控平台通过空气过滤装置1、空气压缩装置2、燃料电池电堆模拟装置3、燃料电池控制器5及各种温度压力、质量流量传感器和管道连接器、阀门及化工管路的组合，实现空气供应回路背压、常压、空滤堵塞、负荷变化等条件或工作模式的模拟，以达到化工匹配和控制参数标定的低成本、便利性测试与分析的良好效果本发明根据待模拟的电堆的功率等级、流道最小截面积，选用相同容积的缓冲罐4，将球阀
ⅰꢀ
13和球阀
ⅱꢀ
14调节至通径等于流道的最小截面积，为了达到实际的控制及性能评估效果，温度传感器t1～t4的值，压力传感器p1～p4的值分别通过ai通道接进系统控制器，比例阀15由系统控制器采用带功率驱动能力的pwm输出口进行控制，空气压缩装置2根据功率需求可以选用空气泵或者空压机等，通过系统控制器带功率驱动能力的pwm口或者通过can通信端口进行控制，控制测控平台内部压力的出口端阀门16可选用节气门等，使用控制器的pwm端口进行控制。
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本发明公开的一种燃料电池空气供应回路特性的测试方法，通过控制出口端阀门16开度的大小，实现以下两种模式：a） 背压工作模式：如图2所示，通过控制器调节尾端阀门16开启的角度，来控制管道内部的压力，燃料电池电堆消耗的气体流量通过设定比例阀15的开度来实现；入堆的气体流量通过调节空气压缩装置2的转速来实现，堆内压力与缓冲罐4容积及进出口的气体流量差及出口处阀门16的开度有关。
[0033]
b） 常压工作模式：如图3所示，尾端阀门16全开；燃料电池电堆消耗的气体流量通过设定比例阀15的开度来实现，通过调节比例阀15的开度可模拟负载变化；入堆的气体流量通过调节空气压缩装置2的转速来实现。
[0034]
具体的实现步骤如下。
[0035]
1），运行在背压工作模式，改变空气压缩机转速为某一定值，调节比例阀15开度到
相应开度，维持电堆消耗不变，调节出口处阀门16的开度，获取温度和压力数据，分析特定流量状态下，进出堆压力和温度与出口处阀门16的关系。
[0036]
2），运行在背压/常压工作模式，出口处阀门16保持不变，比例阀15设置到一定开度保持不变，调节空气压缩装置2转速，获取温度压力数据，分析进出堆压力和温度与空气压缩装置2转速的关系。
[0037]
3），运行在背压/常压工作模式，调节比例阀15开度模仿负载变化，根据空气压缩装置2的响应时间、超调和稳态误差等参数来修正空气压缩装置2的控制参数。
[0038]
4），运行在背压/常压工作模式，将空气过滤装置1堵塞，改变比例阀15模拟电堆负载消耗，研究空气压缩装置2的响应特性。
[0039]
通过本测控平台的应用，一方面用于研究空气压缩装置2的响应特性，标定空气压缩装置2的控制参数，对于实际运行中，减少空气系统响应时间，提升电堆整体性能有有效帮助；此外，背压特性分析，可以提升燃料电池功率密度，提升燃料电池性能。此外，可以获得更优的化工特性匹配，为阀径、管径、压力平抑缓冲罐4的选型及配置提供设计依据。
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最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0041]
同时，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。