一种基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统

1.本发明涉及燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池发动机，简称pemfc发动机，是燃料电池汽车将氢能转化为电能的重要部件之一。质子交换膜在工作时，需要适度的含水率，若水量较少，会产生膜干故障，膜干故障若发展到一定的程度，质子交换膜从皱缩逐渐变脆，最后产生裂纹。这种情况下，质子交换膜对气体的分隔作用就会消失，反应气体在电池内产生气体交叉和循环往复，电池就会逐渐不再产生能量。因此，严重的膜干故障对燃料电池造成的是不可逆的损失，严重影响燃料电池发动机寿命。水淹故障会严重影响燃料电池性能甚至减少燃料电池发动机的使用寿命。
3.因此，如何使质子交换膜具有合适的含水率，是本领域亟待解决的重要问题之一。更具体地，由于质子交换膜中的含水率是不断变化的，而阴极侧与阳极侧之间的水是随着工作条件不断产生动态变化的，这种情况下，如何对燃料电池发动机进行控制，以使质子交换膜具有合适的含水率，就极为关键。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，以解决现有技术中的不足，它能够使质子交换膜具有合适的含水率，以提高燃料电池发动机的使用寿命。
5.本发明提供了一种基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，包括用于利用氢气和氧气发电的燃料电池、用于向所述燃料电池供应氢气的氢气供应单元、用于向所述燃料电池发动机供应氧气的空气供应单元和用于进行吹扫的吹扫单元；
6.其中，还包括，
7.诊断单元，所述诊断单元与所述燃料电池、所述氢气供应单元、所述空气供应单元电连接；所述诊断单元用于从所述燃料电池、所述氢气供应单元、所述空气供应单元获取状态信号，并根据所述状态信号进行故障诊断；
8.诊断控制单元，所述诊断控制单元与所述诊断单元、所述氢气供应单元、所述空气供应单元电连接；所述诊断控制单元用于获取所述诊断单元的诊断结果，并根据所述诊断结果调节所述氢气供应单元和所述空气供应单元。
9.如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，可选的是，所述诊断单元的诊断结果包括：健康状态、阴极水淹、阳极水淹和膜干故障。
10.如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断单元包括：
11.诊断控制器；
12.用于检测所述燃料电池输出电压的电压传感器；
13.用于检测所述燃料电池空气进口处空气压力的第一压力传感器；
14.用于检测所述燃料电池空气出口处空气压力的第二压力传感器；
15.用于检测所述燃料电池内阻的内阻检测部件；
16.所述诊断控制器与所述电压传感器、所述第一压力传感器和所述第二压力传感器电连接；
17.所述诊断控制器获取所述电压传感器的检测结果，并判断其是否小于设定的电压阈值，如果是，则诊断结果为健康状态；如果否，获取所述内阻检测部件的检测结果，并判断该内阻检测部件的检测结果是否小于设定内阻值，如果是，则诊断该故障为阳极水淹或阴极水淹，如果否，则诊断结果为膜干故障。
18.如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断单元还包括，
19.用于检测所述燃料电池空气进口处空气压力的第一压力传感器；
20.用于检测所述燃料电池空气出口处空气压力的第二压力传感器；
21.用于检测所述燃料电池氢气进口处压力的第三压力传感器；
22.用于检测所述燃料电池氢气出口处压力的第四压力传感器；
23.所述诊断控制器还用于在诊断该故障为阳极水淹或阴极水淹时，获取所述第三压力传感器和所述第四压力传感器的检测结果，并根据所述检测结果估算阳极压力；根据所述第一压力传感器和第二压力传感器的检测结果估算阴极压力；
24.根据所述阳极压力与所述阴极压力是否满足第一判断条件，如果是，则为阳极水淹，如果否；则为阴极水淹。
25.如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述第一判断条件为，
[0026][0027]
其中，a为设计系数，p
yi
为阴极压力，p
ya
为阳极压力，ε为常系数，取值为0.1到0.25。
[0028]
如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断控制单元还包括，
[0029]
用于检测所述燃料电池空气进口处湿度的第一湿度传感器；
[0030]
用于检测所述燃料电池氢气进口处湿度的第二湿度传感器；
[0031]
用于检测所述燃料电池内部温度的温度传感器；
[0032]
所述诊断控制单元与所述第一湿度传感器、第二湿度传感器、所述温度传感器、所述诊断控制器、安装在所述氢气供应单元上的第一加湿器、安装在所述空气供应单元上的第二加湿器和吹扫单元电连接；
[0033]
所述诊断控制单元用于获取所述诊断结果，并根据所述检测结果、所述第一湿度传感器的检测结果、所述第二湿度传感器的检测结果控制所述第一加湿器、所述第二加湿器和所述吹扫单元电工作。
[0034]
如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断控制单元用于在诊断结果为健康状态时，按设定的参数和程序控制所述燃料电池发动机；
[0035]
所述诊断控制单元用于在诊断结果为膜干故障时，控制所述第一加湿器和所述第二加湿器增大加湿量；
[0036]
所述诊断控制单元用于在诊断结果为阴极水淹时，调节所述第一加湿器，以降低空气的湿度；
[0037]
所述诊断控制单元用于在诊断结果为阳极水淹时，调节所述第二加湿器，以降低氢气的湿度。
[0038]
如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断控制单元还与所述燃料电池发动机的冷却系统电连接，所述诊断控制单元还用于在诊断结果为膜干故障时，提高冷却液流动速度，以降低燃料电池的温度。
[0039]
如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断控制单元还用于在诊断结果为阴极水淹时，获取目标功率并判断目标功率中的非必需功率，控制降低非必需功率，以降低电流密度。
[0040]
如上所述的基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，其中，所述诊断控制单元还与所述氢气供给系统、所述空气供给系统电连接，所述诊断控制单元还用于在诊断结果为阳极水淹时，控制降低氢气压力和/或提高空气的进气压力，以提高阳极压力和/或降低阴极压力。
[0041]
与现有技术相比，本发明通过诊断单元对燃料电池发动机的膜干故障、阴极水淹、阳极水淹等故障进行诊断，并根据诊断结果对燃料电池发动机进行控制，以消除故障，使质子交换膜始终工作在合适的含水率范围内。从而保证氢气与氧气的反应速率，提高燃料电池发动机的使用寿命。
[0042]
本发明根据输出电压、阴极压降、阳极压降、燃料电池内阻等参数对膜干故障、阴极水淹、阳极水淹进行详细诊断，由于区分了阴极水淹和阳极水淹，使得故障类型更为准确，足以进行针对情的故障消除控制。
[0043]
本发明根据诊断结果，对燃料电池发动机的故障进行有针对性地消除，能够及时消除阴极水淹、阳极水淹和膜干故障，防止以上三种类型的故障演化成严重故障。
附图说明
[0044]
图1是本发明的整体结构框图；
[0045]
图2是本发明提出的诊断故障类型的步骤流程图。
[0046]
附图标记说明：
[0047]
1-燃料电池，2-氢气供应单元，3-空气供应单元，4-吹扫单元，5-诊断控制单元，6-诊断控制器，7-电压传感器，8-第一压力传感器，9-第二压力传感器，10-第三压力传感器，11-第四压力传感器，12-第一湿度传感器，13-第二湿度传感器，14-温度传感器，15-第一加湿器，16-第二加湿器。
具体实施方式
[0048]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为
对本发明的限制。
[0049]
实施例1，
[0050]
请参照图1，本实施例公开了一种基于水热管理的氢氧燃料电池发动机控制系统，包括用于利用氢气和氧气发电的燃料电池1、用于向所述燃料电池1供应氢气的氢气供应单元2、用于向所述燃料电池发动机供应氧气的空气供应单元3和用于进行吹扫的吹扫单元4。由于燃料电池1氢气供应单元2与燃料电池1空气供应单元3以及吹扫单元4均为现有技术，其控制系统也为现有，在本技术中，不再描述。本实施例在现在燃料电池发动机的基础上增设了诊断单元和诊断控制单元5、与相关部件的连接关系以及诊断方法及控制方法。
[0051]
具体地，本实施增设了诊断单元和诊断控制单元5。具体地，诊断单元，所述诊断单元与所述燃料电池1、所述氢气供应单元2、所述空气供应单元3电连接；所述诊断单元用于从所述燃料电池1、所述氢气供应单元2、所述空气供应单元3获取状态信号，并根据所述状态信号进行故障诊断。在具体实施时，诊断单元在燃料电池发动机运行时，实时进行故障诊断，其用于诊断燃料电池发动机是否存在膜干故障、阳极水淹和阴极水淹中的一种。
[0052]
所述诊断控制单元5与所述诊断单元、所述氢气供应单元2、所述空气供应单元3电连接；所述诊断控制单元5用于获取所述诊断单元的诊断结果，并根据所述诊断结果调节所述氢气供应单元2和所述空气供应单元3。在具体实施时，诊断单元诊断结果包括健康状态、阴极水淹、阳极水淹和膜干故障。实施时，健康状态是指燃料电池1输出的电压正常，即，实际输出电压与目标电压基本一致的情况。在本实施例中，仅解决识别阴极水淹、阳极水淹和膜干故障这几种类型的故障并消除对应故障。
[0053]
具体实施时，诊断单元实时获取状态信号，并根据状态信号对燃料电池1的故障状态进行诊断，诊断控制单元5获取诊断结果，并根据诊断结果控制氢气供应单元2和空气供应单元3，以消除相应的故障。通过这种方式，能够防止故障进一步故障发展而对燃料电池发动机造成严重损坏。
[0054]
在现有技术中，阴极水淹、阳极水淹和膜干故障都会导致燃料电池1输出电压的降低。在消除故障时，由于不同类型的故障对应的消除方法不同，对故障类型的准确识别是实现以上效果的关键，因而，如何准确诊断故障类型，是本技术所要解决的关键问题。为此，本实施例通过以下方式对故障类型进行准确诊断：
[0055]
具体地，所述诊断单元包括诊断控制器6、电压传感器7、第一压力传感器8、第二压力传感器9和内阻检测部件。
[0056]
诊断控制器6用于获取诊断所需要的数据，具体包括燃料电池1输出电压、燃料电池1空气进口处的压力、燃料电池1空气出口处的压力和燃料电池1欧姆内阻等。
[0057]
具体地，电压传感器7用于检测所述燃料电池1输出电压，电压传感器7安装在所述燃料电池1的电压输出端；第一压力传感器8用于检测所述燃料电池1空气进口处空气压力，具体地，所述第一压力传感器8安装在燃料电池1的空气进口处，当然，也可以是安装在空气供应系统的末端。第二压力传感器9用于检测所述燃料电池1空气出口处空气压力，具体地，第二压力传感器9安装在所述燃料电池1空气出口处。内阻检测部件用于检测所述燃料电池1内阻，燃料电池1内阻即为燃料电池1的欧姆内阻，在检测时，可利用eis测量得到的数据对的pemfc模型进行曲线拟合和参数估算，以进一步获取欧姆阻抗。
[0058]
所述诊断控制器6与所述电压传感器7、所述第一压力传感器8和所述第二压力传
感器9电连接。以使所述诊断控制器6获取所述电压传感器7、所述第一压力传感器8和所述第二压力传感器9的检测结果。
[0059]
具体地，请参照图2，诊断控制器6对故障类型进行诊断的步骤为：
[0060]
s1，所述诊断控制器6获取所述电压传感器7的检测结果。
[0061]
s2，判断电压传感器7的检测结果是否小于设定的电压阈值，如果是，则诊断结果为健康状态；如果否，执行步骤s3。在本实施例中，仅针对导致燃料电池1电压下降的三种主要故障进行诊断，即，阳极水淹、阴极水淹和膜干故障进行诊断。在本步骤中，利用燃料电池1的电压来区分健康状态和故障状态。
[0062]
s3，获取所述内阻检测部件的检测结果，并判断该内阻检测部件的检测结果是否小于设定内阻值，如果是，则诊断该故障为水淹故障，即阳极水淹或阴极水淹，如果否，则诊断结果为膜干故障。本步骤中，利用内阻检测部件检测欧姆内阻，以区分水淹故障与膜干故障。
[0063]
通过以上步骤，可以区分膜干故障与水淹故障，对于膜干故障，可以直接按设定方式消除膜干故障。但对于水淹故障，分为阳极水淹和阴极水淹，阳极水淹与阴极水淹产生的方式也不同，因而，需要对阳极水淹和阴极水淹进行区分。
[0064]
为了进一步区分阳极水淹和阴极水淹，本实施例还作了如下改进：
[0065]
具体地，所述诊断单元还包括第一压力传感器8、第二压力传感器9、第三压力传感器10和第四压力传感器11。
[0066]
第一压力传感器8用于检测所述燃料电池1空气进口处空气压力；具体地，第一压力传感器8安装在燃料电池1空气进口处。第二压力传感器9用于检测所述燃料电池1空气出口处空气压力，在实施时，第二压力传感器9安装在燃料电池1空气出口处。
[0067]
第三压力传感器10用于检测所述燃料电池1氢气进口处压力，实施时，第三压力传感器10安装在燃料电池1氢气进口处。第四压力传感器11用于检测所述燃料电池1氢气出口处压力，第四压力传感器11安装在燃料电池1的氢气出口处。
[0068]
所述诊断控制器6还用于在诊断该故障为阳极水淹或阴极水淹时，获取所述第三压力传感器10和所述第四压力传感器11的检测结果，并根据所述检测结果估算阳极压力；在具体实施时，阳极压力按以下方式进行估算：
[0069][0070]
其中，p
ya
为阳极压力；p
ya1
为第三压力传感器10的检测结果，p
ya2
为第四压力传感器11的检测结果。
[0071]
根据所述第一压力传感器8和第二压力传感器9的检测结果估算阴极压力；
[0072][0073]
其中，p
yi
为阴极压力；p
yi1
为第一压力传感器8的检测结果；p
yi2
为第二压力传感器9的检测结果。
[0074]
具体实施时，还包括s4，判断所述阳极压力与所述阴极压力是否满足第一判断条件，如果是，则为阳极水淹，如果否；则为阴极水淹。
[0075]
即，通过阳极压力与阴极压力之间的关系来判断是否为阴极水淹。具体地，
[0076]
具体实施时，所述第一判断条件为，
[0077][0078]
其中，a为设计系数，p
yi
为阴极压力，p
ya
为阳极压力，ε为常系数，取值为0.1到0.25。在实施时，设计系数为设计阴极压力与设计阳极压力的比值。如，若阴极的设计压力为阳极设计压力的1.5倍，则a的取值为1.5。更具体地，所指的设计系数是指为利用压力迁移作用，在设计之初设定的阳极压力与阴极压力的比值，在设计不明确的情况下，可以正常状态下的阳极压力与阴极压力的比值为参考，获得用于表征设计系数的值。
[0079]
在实施时，为了消除故障，本实施例还作了如下改进，具体地，所述诊断控制单元5还包括第一湿度传感器12、第二湿度传感器13和温度传感器14。
[0080]
所述第一湿度传感器12用于检测所述燃料电池1空气进口处湿度；所述第二湿度传感器13用于检测所述燃料电池1氢气进口处湿度。所述温度传感器14用于检测所述燃料电池1内部温度。具体地，所述第一湿度传感器12的检测结果和所述第二湿度传感器13的检测结果用于进一步判断对应故障的消除方法的可行性，以便选择最佳的消除方法。
[0081]
具体地，所述诊断控制单元5与所述第一湿度传感器12、第二湿度传感器13、所述温度传感器14、所述诊断控制器6、安装在所述氢气供应单元2上的第一加湿器15、安装在所述空气供应单元3上的第二加湿器16和吹扫单元4电连接。具体地，本实施例通过控制第一加湿器15、第二加湿器16和吹扫单元4来消除对应的故障。具体实施时，对于阳极的吹扫，可以通过吹扫单元4来实现，而对于阴极的吹扫，可以通过空气供应系统来实现，具体为关闭第一加湿器对阴极供应干燥空气，以实现对于阳极的吹扫。
[0082]
所述诊断控制单元5用于获取所述诊断结果，并根据所述检测结果、所述第一湿度传感器12的检测结果、所述第二湿度传感器13的检测结果控制所述第一加湿器15、所述第二加湿器16和所述吹扫单元4电工作。具体实施时，可通过控制第一加湿器15和第二加湿器16的加湿量的控制，可以消除膜干故障及水淹故障。
[0083]
具体地，所述诊断控制单元5用于在诊断结果为健康状态时，按设定的参数和程序控制所述燃料电池发动机；实施时，设定的参数或程序是指燃料电池发动机现有的控制参数及控制算法等。
[0084]
所述诊断控制单元5用于在诊断结果为膜干故障时，控制所述第一加湿器15和所述第二加湿器16增大加湿量。具体地，当诊断结果为膜干故障时，获取第一湿度传感器12的检测结果和第二湿度传感器13的检测结果，并根据第一湿度传感器12的检测结果和第二湿度传感器13的检测结果判断是否符合加湿条件。具体地，加湿条件为湿度不大于对应的湿度设计范围的最大值。
[0085]
在实施时，膜干故障常发生于阳极，增大第二加湿器16的加湿量有利于直接增大阳极的水量，增大第一加湿器15的加湿量，有利于增加阳极的水量，以利用渗透作用增加阴极向阳极的移动。
[0086]
所述诊断控制单元5用于在诊断结果为阴极水淹时，调节所述第一加湿器15，以降低空气的湿度。在实施时，根据所述第一湿度传感器12的检测结果判断是否符合降低湿度
的条件，具体为第一湿度传感器12的检测结果不小于设定湿度范围的最小值。若符合降低湿度的条件，通过降低第一加湿器15的加湿量来解决阴极水淹的问题。若不符合降低湿度的条件，则有两种方式来消除阴极水淹，第一，通过获取目标功率并判断目标功率中的非必需功率，控制降低非必需功率，以降低电流密度。具体地，在燃料电池1汽车上，驱动汽车所需的功率记为必需功率，给蓄电池充电所需的功率记为非必需功率，其他用电部件可以根据实际情况预先设定为必需功率或非必需功率。通过这种办法降低电流密度，从而降低电拖曳作用，从而降低水由阳极向阴极流动的速度，以减轻直至消除阴极水淹。第二，控制吹扫系统进行吹扫。为了能够实现吹扫，在本系统中，可增设蓄电池，在进行吹扫期间，所使用的能量，以及供汽车驱动所需要的能量均由蓄电池提供。蓄电池的充电，可在燃料电池1健康状态下进行，或通过插电的方式，利用外接电源进行充电。
[0087]
所述诊断控制单元5用于在诊断结果为阳极水淹时，调节所述第二加湿器16，以降低氢气的湿度。具体实施时，先获取第二湿度传感器13的检测结果，判断该第二湿度传感器13的检测结果是否大于氢气进气湿度范围的最小值，如果是，则可以降低加湿量；如果否，则通过控制阴极与阳极的压力差来实现消除阳极水淹。具体地，所述诊断控制单元5还与所述氢气供给系统、所述空气供给系统电连接，所述诊断控制单元5还用于在诊断结果为阳极水淹时，控制降低氢气压力和/或提高空气的进气压力，以提高阳极压力和/或降低阴极压力。如此，通过控制阴极与阳极的压力差，来利用两侧压力来减轻或消除阳极水淹。
[0088]
实施例2
[0089]
本实施例是在实施例1的基础上所作的改进，相同之处不再赘述，以下仅对不同之处进行说明。
[0090]
具体地，所述诊断控制单元5还与所述燃料电池发动机的冷却系统电连接，所述诊断控制单元5还用于在诊断结果为膜干故障时，提高冷却液流动速度，以降低燃料电池1的温度。
[0091]
即，在发生膜干故障时，提高第一加湿器15和第二加湿器16的加湿量与提高冷却液流动速度同步进行。提高第一加湿器15和第二加湿器16的加湿量能够补充燃料电池1中的水份。而降燃料电池1的温度，能够大大减少扩散作用导致的水分散失。
[0092]
由于膜干故障发生时，质子交换膜的温度上升，一方面会降低氢离子通过质子交换膜的速度，导致阴极产生的水量减少，另一方面水的扩散速度也快速增大。通过上述方法，一方面通过第一加湿器15和第二加湿器16补充水分，另一方面通过降低质子交换膜的湿度，降低水的扩散速度。从而减轻直到消除膜干故障。
[0093]
所述诊断控制单元5还用于在发生阴极水淹或阳极水淹，若未进行过吹扫且持续设定时间仍为改改善时，所述诊断控制单元5控制吹扫系统进行吹扫。
[0094]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。