一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置及自动控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置及自动控制方法。


背景技术：

2.燃料电池具有效率高、噪声小、启动温度低、零污染等优点，使燃料电池汽车成本下降，从而与传统汽车行业形成有力竞争。燃料电池中电堆的性能直接决定燃料电池的性能，而电堆的技术门槛较高，是整个燃料电池系统技术含量最高的部分，目前，国内氢燃料电池电堆技术发展迅速，总成性能可以基本满足车用要求。但氢燃料电池发展的关键问题还是成本高昂，要想降低成本，除了电堆本身通过增加产量和采用先进的技术降本外，核心零部件成本也需要降低成本，与电堆相宜得章。然而，氢燃料电池改进过程中需要反复测试不同工况下的工作状态，现有的测试系统装置不能真实的模拟电堆的真实工况，一些燃料电池零部件在生产内部反复测试时都无异常，但在实际使用时，就会产生各种各样的问题，甚至损坏电堆。主要原因是测试条件和电堆的实际工况差异很大，尤其是温度和湿度及压力的组合影响。但若采用真实的电堆测试，容易对电堆产生不可逆的损坏，甚至直接报废，测试成本高，风险大；测试过程智能化较差，集成度低，测试数据准确性不高。


技术实现要素：

3.针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置及自动控制方法，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置及自动控制方法，利用了露点温度，露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。露点不受温度影响，但受压力影响，在压力一定的情况下，通过改变温度就可以模拟电堆的湿度，通过改变温度使之与电堆温度相匹配，即可模拟电堆的实际排出湿度。而通过改变进气管路流量，可以控制电堆内的压力。通过这三者的协同工作就可以模拟真实电堆在不同工况下的实际排出温度、湿度和压力，为零部件厂家提供最真实可靠的测试数据。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置，反应筒提供反应场所，配电箱内置配电线路及电子控制模块ecu，反应筒顶盖上连接有进气管路和u型管，u型管上连接有出气管路，进气管路上设有流量阀和压力传感器；所述u型管进气口处设有u型管入口压力传感器和u型管入口温度传感器，u型管出气口处设有u型管出口压力传感器和温湿度传感器，所述u型管上设有加热带，可在u型管外壁设有隔热层，将加热带设置于u型管外壁与隔热层之间，既能确保安全，又能提高加热效果。u型管的底部设有排液管路，排液管路可设置于u型管底部最低点处，且排液管路从u型管底部坡向排液管路远端，排液效果更佳；所述反应筒侧壁内设有温度传感器、智能加热仪和液位计，液位计较高位置处安装有高位光电液位开
关，液位计较低位置处安装有低位光电液位开关，反应筒上连接有进液管路，为反应筒内部注水，反应筒底部设有排污管路，用于反应结束后利用重力冲洗并排出反应筒内污物；所述流量阀、各个传感器、加热带、智能加热仪、液位计、高位光电液位开关和低位光电液位开关均与ecu电连接，ecu是核心控制元件。为提高反应筒的加热均匀性，将智能加热仪设置多组，智能加热仪的外端设置电源接口，智能加热仪的内端螺旋排布于反应筒内。
7.进气管路与空压机连接，进气管路上设有电动开关阀，ecu通过电连接电动开关阀而联动连接空压机。通过ecu控制电动开关阀的启停，电动开关阀连锁开启或关闭空压机。
8.进液管路与水箱连接，进液管路上设有进液泵，进液泵内部集成有单向阀，防止反应筒内液体回流至水泵，ecu与进液泵电连接，通过ecu控制进液泵的启停来控制向反应筒内注水；ecu中设有故障报警装置，当ecu控制的任意元件出现故障时，故障报警装置就会启动发出报警信号。
9.排液管路上设有排水电磁阀，排污管路上设有排污电磁阀，排水电磁阀和排污电磁阀均与ecu电连接，测试结束后，通过ecu控制排水和排污。另外，可将排液管路的出液端与水箱连接，连接到水箱时需要使排液口高于水箱的高度，利用重力使液体回流至水箱，或者在排液管路上增设循环泵，循环泵与ecu电连接。
10.反应筒顶部设有排气电磁阀，且反应筒顶部、底部、侧壁均用保温材料包裹。排气电磁阀与ecu电连接，ecu通过进气管路的流量和反应筒内的温度，计算流量消耗，通过控制排气电磁阀(带流量反馈功能)的开启和关闭模拟流量消耗。
11.本发明进一步提供了一种仿真模拟燃料电池电堆工况的自动控制方法，以反应筒模拟燃料电池电堆，测试开始，启动ecu，ecu控制进液泵、进气管路上的电动开关阀及智能加热仪启动；
12.进液自动控制如下：进液泵向反应筒中泵入水，液位计实时显示反应筒内液位高度，ecu根据低位光电液位开关和高位光电液位开关反馈的信号控制进液泵的启停；
13.进气自动控制如下：电动开关阀连锁开启空压机向反应筒输送空气，进气管路上的压力传感器反馈反应筒内的压力，ecu根据所述压力传感器反馈的信号控制流量阀调节送入空气的流量；
14.温度自动控制如下：智能加热仪对反应筒加热，ecu内预设有电堆实际工作的温度范围，反应筒侧壁内的温度传感器反馈反应筒内的温度信号至ecu，ecu将接收的温度信号与预设的温度范围相比，当反应筒内温度升高至预设温度范围时，ecu控制智能加热仪停止加热，当随着测试的进行反应筒内温度低于预设的温度范围时，ecu控制智能加热仪启动；
15.湿度自动控制如下：利用了露点温度，露点不受温度影响，但受压力影响，在压力一定的情况下，通过改变温度就可以模拟电堆的湿度，通过改变温度使之与电堆温度相匹配，即可模拟电堆的实际排出湿度。电堆的正常工作温度是65℃～75℃，在该温度范围内，电堆可以发挥出最佳性能。用反应筒模拟电堆，当反应筒温度较低时，ecu控制加热带给u型管加热，当电堆温度较高时，此时不加热u型管，u型管内空气中的过饱和水蒸气就会结露析出。通过u型管出气口处的温湿度传感器即可采集反应筒的实际排除湿度；通过改变进气管路流量、反应筒内温度、u型管内温度，三者协同工作就可以模拟真实电堆在不同工况下的排出温度、湿度和压力的效果。
16.测试结束后，ecu控制排水电磁阀开启，及时排出u型管内的冷凝水，ecu控制排污
电磁阀开启，排出反应筒内污物。
17.相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
18.(1)本发明提供的仿真模拟燃料电池电堆工况的装置，可以模拟真实电堆的各种工况，通过进气管路流量和压力、反应筒内温度和湿度、u型管温度和湿度的联动调节，可模拟真实电堆在不同工况下的压力、压降、进气流量、排气温度，排气湿度等参数，为零部件厂家提供真实的测试工况，得到真实的测试数据，保证系统运行安全可靠，且设计容错能力强，从而有效降低燃料电池的研发周期和研发成本。通过ecu能实时监控运行状态，测试数据实时存储；允许长时间无人值守，自动控制和测试。
19.(2)本发明还可通过控制反应筒顶部的排气电磁阀的开闭，使之按ecu内置的算法控制开启和关闭时间，即可模拟电堆的流量消耗。
附图说明
20.图1是本发明实施例提供的仿真模拟燃料电池电堆工况的装置的结构示意图。
21.图2是本发明实施例提供的仿真模拟燃料电池电堆工况的装置另一方向的结构示意图。
22.图中：1
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进气管路；2
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电动开关阀；3
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流量阀；4
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压力传感器；5
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单向阀；6
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反应筒；7
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温度传感器；8
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智能加热仪；9
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液位计；10
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高位光电液位开关；11
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低位光电液位开关；12
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排水电磁阀；13
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排液管路；14
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排污电磁阀；15
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排污管路；16
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进液管路；17
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进液泵；18
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u型管；19
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加热带；20
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出气管路；21
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支脚；22
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温湿度传感器；23
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u型管出口压力传感器；24
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u型管入口压力传感器；25
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u型管入口温度传感器；26
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排气电磁阀；27
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配电箱。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.一种仿真模拟燃料电池电堆工况的装置，如图1
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2所示，反应筒6作为反应场所用于模拟燃料电池的电堆，反应筒6底部设有支脚21，支脚21可固定于支撑面上，反应筒6顶盖上连接有进气管路1和u型管18，u型管18的尾端连接有出气管路20。
25.进气管路1上设有电动开关阀2、流量阀3、压力传感器4和单向阀5，电动开关阀2用来控制进气管路1的开闭，同时连锁启闭与进气管路1连接的空压机，流量阀3通过控制流量来控制反应筒6内压力，压力传感器4反馈反应筒6内压力，单向阀5防止反应筒6内空气倒流入进气管路1而损坏零部件，单向阀5通过硅胶软管采用抱箍方式固定于进气管路1上。
26.反应筒6顶部、底部、侧壁均用保温材料包裹，反应筒6侧壁内设有温度传感器7、智能加热仪8和液位计9，智能加热仪8用来提高反应筒6内温度，为提高反应筒6的加热均匀性，将智能加热仪8设置多组，智能加热仪8的外端设置电源接口，智能加热仪8的内端螺旋排布于反应筒6内。温度传感器7反馈反应筒6内温，液位计9较高位置处安装有高位光电液位开关10，液位计9较低位置处安装有低位光电液位开关11，通过高位光电液位开关10和低位光电液位开关11控制反应筒6内水位处在高位和地位液位之间；反应筒6侧壁焊接有管箍，管箍上通过快插接头连接有进液管路16，进液管路16与水箱连接，进液管路16上设有进
液泵17，为反应筒6内部注水，进液泵17内部集成了单向阀，防止反应筒6内液体回流至进液泵17，单向阀通过硅胶软管采用抱箍方式固定于进液管路16上，反应筒6底部设有排污管路15，排污管路15上设有排污电磁阀14，反应结束后打开排污电磁阀14，利用重力冲洗并排出反应筒6内污物，由排污管路15排出。
27.u型管18进气口处设有u型管入口压力传感器24和u型管入口温度传感器25，u型管18出气口处设有u型管出口压力传感器23和温湿度传感器22，u型管18上缠绕有加热带19，采集并对比u型管18入口和出口的温度和压力，通过控制加热带19调整排出湿度。可在u型管18外壁设有隔热层，将加热带19设置于u型管18外壁与隔热层之间，既能确保安全，又能提高加热效果，加热带19的端部可与外界电源连接。u型管18的底部设有排液管路13，排液管路13上设有排水电磁阀12，排液管路13可设置于u型管18底部最低点处，且排液管路13从u型管18底部坡向排液管路13远端，排液效果更佳。排出的液体也可进行回收，将排液管路13的出液端与进液水箱连接，连接到水箱时需要使排液口高于水箱的高度，利用重力使液体回流至水箱，或者在排液管路13上增设循环泵，通过循环泵将排出液体引入水箱。
28.配电箱27内置配电线路及电子控制模块ecu，ecu是核心控制元件，与流量阀3、各个传感器、各电磁阀、各开关阀、加热带19、智能加热仪8、液位计9、高位光电液位开关10和低位光电液位开关11电连接，ecu通过控制电动开关阀2的开闭而联动开启或关闭空压机，从而自控控制进气，通过ecu控制流量阀3的开度实现进气流量的调节；通过ecu控制进液泵17的启停来自动控制进液；通过ecu控制排水电磁阀和排污电磁阀开闭来自动控制排水和排污，排出液体通过ecu控制循环泵回流至进液水箱中。反应筒6内的压力通过压力传感器4反馈至ecu，反应筒6内的温度通过温度传感器7反馈至ecu，ecu控制智能加热仪8为反应筒6加热，液位计9反馈反应筒6内液面高位至ecu，ecu根据液位高度控制进液泵17启停，u型管18入口和出口的温度、压力分别通过u型管入口压力传感器24、u型管入口温度传感器25、u型管出口压力传感器23和温湿度传感器22反馈信号至ecu，温湿度传感器22还反馈排气湿度至ecu。ecu中设有故障报警装置，当ecu控制的任意元件出现故障时，故障报警装置就会启动发出报警信号。
29.反应筒6顶部设有排气电磁阀26，排气电磁阀26与ecu电连接，ecu通过进气管路1的流量和反应筒6内的温度，计算流量消耗，通过控制排气电磁阀26(带流量反馈功能)的开启和关闭达到模拟流量消耗的效果。
30.工作原理：电堆的正常工作温度是65℃～75℃，在该温度下，电堆可以发挥出最佳性能。当电堆温度较低时，例如50℃，电堆内空气含有水分的能力较小，此时给u型管18加热升温，使反应筒6(模拟电堆)排入u型管18内空气含有水的能力提高，即相对湿度增大；当电堆温度较高时，例如78℃，此时电堆内空气含有水分的能力较大，此时给u型管18不加热，空气中的过饱和水蒸气就会结露析出。本装置是综合运用温度和湿度的关系，通过改变进气管路1的流量、反应筒6内的温度以及u型管18的温度，三者相互匹配，协同工作，从而达到模拟电堆真实排出温度、湿度和压力的效果。
31.本发明仿真模拟燃料电池电堆工况的自动控制方法如下：
32.以反应筒6模拟燃料电池电堆，测试开始，启动ecu，ecu控制进液泵17、进气管路1上的电动开关阀2及智能加热仪8启动。
33.进液自动控制如下：进液泵17向反应筒6中泵入水，液位计9实时显示反应筒6内液
位高度，当液位高度达到高位光电液位开关10位置时，高位光电液位开关10反馈信号给ecu，ecu控制进液泵17停泵；由于气体从出气管路20排出时是携带一定的水分，具有一定湿度的，随着测试的进行，反应筒6内液位高度逐渐下降，当降到低位光电液位开关11位置时，低位光电液位开关11反馈信号给ecu，ecu控制进液泵17启泵，向反应筒6内泵水，液位高度上升，当到达高位光电液位开关10高度时，停泵；如此往复循环。
34.进气自动控制如下：ecu开启电动开关阀2后，电动开关阀2连锁开启空压机，通过进气管路1向反应筒6输送空气，流量阀3控制向反应筒6送入空气的流量，压力传感器4反馈反应筒6内的压力，ecu根据压力传感器4反馈的信号，控制流量阀3调节送入空气的流量；试验完成后，ecu关闭电动开关阀2，电动开关阀2连锁关闭空压机。
35.温度自动控制如下：测试开始智能加热仪8对反应筒6加热，ecu内预设有电堆实际工作的温度范围(65℃～75℃)，反应筒6侧壁内的温度传感器7反馈反应筒6内的温度信号至ecu，ecu将接收的温度信号与预设的温度范围相比，当反应筒6内温度升高至预设温度范围时，ecu控制智能加热仪8停止加热；随着测试的进行，气体排出时蒸发吸热，使反应筒6内温度逐渐降低，当降到低于预设温度时，温度传感器7反馈低温温度信号到ecu，ecu控制智能加热仪8开启加热；同时智能加热仪8还能起到防干烧功能。
36.湿度自动控制如下：利用了露点温度，露点不受温度影响，但受压力影响，在压力一定的情况下，通过改变温度就可以模拟电堆的湿度，通过改变温度使之与电堆温度相匹配，即可模拟电堆的实际排出湿度。电堆的正常工作温度是65℃～75℃，在该温度范围中，电堆可以发挥出最佳性能。用反应筒6模拟电堆，当反应筒6温度较低时，反应筒6内空气含有水分的能力较小，此时通过ecu控制加热带19给u型管18加热升温，使排入u型管18内的空气含有水的能力提高，即相对湿度增大；当电堆温度较高时，此时不加热u型管18，u型管18内空气中的过饱和水蒸气就会结露析出。ecu通过对比u型管18入口和出口的温度，根据对比差值和ecu中预设的策略控制加热带19加热功能的开启和关闭，通过出口的温湿度传感器22即可采集实际排除湿度；即通过改变进气管路1流量、反应筒6内温度、u型管18内温度，三者相互配合，协同工作，从而达到模拟真实电堆在不同工况下的排出温度、湿度和压力的效果。
37.测试结束后，ecu控制排水电磁阀12开启，及时排出u型管18内的冷凝水，ecu控制排污电磁阀14开启，排出反应筒6内污物。ecu还可通过进气管路1的流量和反应筒6内的温度，按内置的算法计算流量消耗，通过控制排气电磁阀26(带流量反馈功能)的开启和关闭进行流量消耗的模拟。
38.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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。