一种引射器的检测控制装置、方法及燃料电池系统与流程

1.本发明涉及燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种引射器的检测控制装置及方法。


背景技术：

2.对于燃料电池的氢气循环系统，在燃料电池的工作过程中，电堆入口供给的氢气通常是过量的，为了提高燃料的利用率，可将电堆阳极出口处的气体通过回流的方式再次引入电堆入口，与新鲜气体混合后发生反应。引射器是氢气循环系统中一个常用的关键零部件。
3.目前，关于氢气喷射器 引射器的氢气回流方案应用较少，暂无关于引射器在冷启动工况下的潜在故障识别方法。在冷启动工况时，现有的氢气回流方案，如专利cn202011231783.6，由于回流氢气中存在水蒸气，因此引射器有结冰风险，可能导致系统故障关机或冷启动失败。


技术实现要素：

4.本发明实施例旨在提供一种引射器的检测控制装置、方法及燃料电池系统，用以解决现有技术无法识别引射器在冷启动工况下的潜在故障的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种引射器的检测控制装置，其特征在于引射器的检测控制装置，其特征在于，包括电堆、氢源、氢气喷射器一、二、待测引射器、氢气回收设备，以及控制器；其中，氢源输出的氢气一路经氢气喷射器二传输至电堆的氢气入口，另一路经氢气喷射器一从待测引射器的喷嘴入口传输至电堆的氢气入口；电堆排出的氢气经氢气回收设备反馈至待测引射器的引流气体入口；控制器的输出端与氢气喷射器一、二的控制端连接；控制器，用于接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一，获取电堆的入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值，根据所述差值判断待测引射器是否正常工作，如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
6.上述技术方案的有益效果如下：实现了引射器的故障识别及容错，避免因引射器结冰导致的启动失败，提升了燃料电池系统冷启动的成功率，提高引射器零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
7.基于上述装置的进一步改进，该检测控制装置还包括分水器、排水阀、排气阀；其中，所述分水器的进气口与电堆的出口连接，其出气口与氢气回收设备的输入端连接，其排水口与所述排水阀连接；氢气回收设备的氢气出口与引射器的引流气体入口连接，其尾气出口与所述排气阀连接。
8.上述进一步改进方案的有益效果是：通过增加的分水器、排水阀、排气阀能够扩大
了使用范围，使得可以直接使用现有燃料电池系统的线路，完成引射器的工作状态检测与调控。
9.进一步，所述控制器进一步包括：数据采集单元，用于实时采集电堆的入堆氢气压力，以及氢气回收设备输出端的气体压力作为出堆氢气压力，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一，获取所述入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值，根据所述差值判断待测引射器是否正常工作，如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
10.上述进一步改进方案的有益效果是：对控制器的结构进行限定。由于出堆气体中还有大量的空气，采用氢气回收设备输出端的气体压力作为出堆氢气压力能够精准地判断待测引射器的工作状态，并控制。
11.进一步，所述数据处理与控制单元包括辅助加热设备；其中，所述辅助加热设备，分别布设于待测引射器的喷嘴入口处和引流气体入口处，用于根据控制器的控制，启动后对待测引射器的喷嘴入口或引流气体入口执行加热。
12.上述进一步改进方案的有益效果是：通过辅助加热设备可以对待测引射器最容易发生结冰故障的两个位点，即喷嘴入口处和引流气体入口处，进行加热，使得结冰位点能够快速恢复正常状态，消除待测引射器的故障。
13.进一步，所述数据采集单元进一步包括：压力传感器一，设置于电堆的进气口处管道内壁上，用于实时采集电堆的入堆氢气压力；压力传感器二，设置于氢气回收设备输出端的管道内壁上，用于实时采集氢气回收设备输出端的气体压力，作为出堆氢气压力。
14.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一；获取所述入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值δp;将所述差值δp与预设压差阈值m比较，判断待测引射器是否正常工作；如果δp≥m＞0，判定待测引射器正常工作，在燃料电池低温冷启动时，启动氢气喷射器一；如果0≤δp＜m，判定待测引射器的引流气体入口位置结冰，提高排水阀和排气阀的开启频率，并启动引流气体入口处的辅助加热设备，对待测引射器的引流气体入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作；如果δp＜0，判定待测引射器的喷嘴入口位置结冰，先启动氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备，对待测引射器的喷嘴入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作，关闭氢气喷射器二；输出引射器正常结果。
15.上述进一步改进方案的有益效果是：对数据处理与控制单元的具体执行程序进行了限定。氢气喷射器二实际上是备用方案，只有当待测引射器的喷嘴入口位置结冰，才会启动氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备进行故障排除。
16.另一方面，本发明实施例提供了一种使用上述检测控制装置的引射器的检测控制方法：
接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一；获取电堆的入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值；根据上述差值判断待测引射器是否正常工作；如果正常工作，输出引射器正常结果；如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
17.采用上述方案的有益效果是：实现了引射器的故障识别及容错，避免因引射器结冰导致的启动失败，提升了燃料电池系统冷启动的成功率，提高引射器零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
18.基于上述方法的进一步改进，所述非正常工作包括待测引射器的引流气体入口位置结冰或喷嘴入口位置结冰。
19.采用上述进一步改进方案的有益效果是：对待测引射器非正常工作的两种重要且常见的结冰位点进行了限定，针对两种结冰位点，可分别进行不同方案的故障排除。
20.进一步，所述根据上述差值判断待测引射器是否正常工作的步骤，进一步包括：将入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值δp与预设压差阈值m比较，判断待测引射器是否正常工作；如果δp≥m＞0，判定待测引射器正常工作；如果0≤δp＜m，判定待测引射器的引流气体入口位置结冰，提高排水阀和排气阀的开启频率，并启动引流气体入口处的辅助加热设备，对待测引射器的引流气体入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作；如果δp＜0，判定待测引射器的喷嘴入口位置结冰，启动氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备，对待测引射器的喷嘴入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作，关闭氢气喷射器二；输出引射器正常结果。
21.采用上述进一步改进方案的有益效果是：对待测引射器是否正常工作的判断方法以及调控方法进行了限定。能够避免因引射器结冰导致的启动失败，提升燃料电池系统的冷启动成功率，提高零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
22.此外，本发明实施例还提供了一种具有上述检测控制装置的燃料电池系统，其特征在于，还包括空压机、启动控制器，以及，与所述检测控制装置共用的电堆、氢源、氢气喷射器一、二、待测引射器、氢气回收设备；其中，空压机输出的空气传输至电堆的空气入口；启动控制器的输出端与所述检测控制装置、空压机、氢气喷射器一、二的控制端连接；启动控制器，用于接收到用户发出的启动控制指令后，向所述检测控制装置发出检测控制指令；在接收到所述检测控制装置反馈的引射器正常结果后，启动空压机和氢气喷射器一，直到燃料电池输出额定功率。
23.采用上述进一步改进方案的有益效果是：实现了引射器的故障识别及容错，避免因引射器结冰导致的启动失败，提升了燃料电池系统冷启动的成功率，提高引射器零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
24.提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无
意限制本公开的范围。
附图说明
25.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
26.图1示出了实施例1引射器的检测控制装置的结构示意图；图2示出了实施例1引射器的检测控制装置的电路连接示意图；图3示出了实施例2引射器的检测控制装置的结构示意图；图4示出了实施例2引射器的检测控制装置的电路连接示意图；图5示出了实施例2引射器的检测控制装置的原理示意图。
27.附图标记：1
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氢气喷射器一；2
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氢气喷射器二；3
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待测引射器；4
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压力传感器一；5
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氢气回收设备，6
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排水排气阀，7
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压力传感器二；8-分水器；位点1
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待测引射器的引流气体入口位置；位点2
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判定待测引射器的喷嘴入口位置；p1-压力传感器一获得的压力；p2-压力传感器二获得的压力；氢喷h1
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氢气喷射器一；氢喷h2
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氢气喷射器二；位点1
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引射器的喷嘴入口；位点2
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引射器的引流气体入口。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
30.实施例1本发明的一个实施例，提供了一种引射器的检测控制装置，包括电堆、氢源、氢气喷射器一、二、待测引射器、氢气回收设备，以及控制器。
31.氢气喷射器是一种通过改变管段内壁的几何形状以加速气流的装置。在燃料电池的氢气进气端使用，使高压氢气流降压增速。
32.待测引射器是一种利用一股高速高能流(液流、气流或其他物质流)引射另一股低速低能流的装置，射流经收缩形喷嘴迸入混合室，其周围是被引射流。
33.氢源输出的氢气一路经氢气喷射器二传输至电堆的氢气入口，另一路经氢气喷射器一从待测引射器的喷嘴入口传输至电堆的氢气入口；电堆排出的氢气经氢气回收设备反馈至待测引射器的引流气体入口；控制器的输出端与氢气喷射器一、二的控制端连接，如图1~2所示。
34.控制器，用于接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一，获取电堆的入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值，根据所述差值判断待测引射器是否正常工作，如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
35.实施时，电堆、氢源、氢气喷射器一、二、待测引射器、氢气回收设备可与燃料电池系统共用。
36.可选地，如果电堆内无空气，入堆氢气压力和出堆氢气压力可直接在电堆的氢气入口和出口采集。一般情况下，电堆内部有空气，入堆氢气压力可在电堆的氢气入口采集，出堆氢气压力可在氢气回收设备的输出端采集。
37.可选地，判断待测引射器是否正常工作的方法，可采用深度学习网络，例如事先训练好的向量机，也可采用实施例2所述的判断方法。
38.可选地，提升待测引射器的内部温度，可以通过对待测引射器整体进行加热，也可以采用在待测引射器表面均匀布设加热片的方法，或者，实施例2所述的辅助加热设备加热局部。
39.与现有技术相比，本实施例实现了引射器的故障识别及容错，避免因引射器结冰导致的启动失败，提升了燃料电池系统冷启动的成功率，提高引射器零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
40.实施例2在实施例1的基础上进行改进，该引射器的检测控制装置还包括分水器、排水阀、排气阀，如图3~4所示。
41.分水器的进气口与电堆的出口连接，其出气口与氢气回收设备的输入端连接，其排水口与排水阀连接；氢气回收设备的氢气出口与引射器的引流气体入口连接，其尾气出口与排气阀连接。
42.优选地，控制器进一步包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。
43.数据采集单元，用于实时采集电堆的入堆氢气压力，以及氢气回收设备输出端的气体压力作为出堆氢气压力，发送至数据处理与控制单元。
44.数据处理与控制单元，用于接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一，获取入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值，根据差值判断待测引射器是否正常工作，如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
45.优选地，数据处理与控制单元包括辅助加热设备。辅助加热设备可采用现有的加热设备，具体类型不限定。
46.辅助加热设备，分别布设于待测引射器的喷嘴入口处和引流气体入口处，用于根据控制器的控制，启动后对待测引射器的喷嘴入口或引流气体入口执行加热。
47.优选地，数据采集单元进一步包括压力传感器一和压力传感器二。
48.压力传感器一，设置于电堆的进气口处管道内壁上，用于实时采集电堆的入堆氢气压力。
49.压力传感器二，设置于氢气回收设备输出端的管道内壁上，用于实时采集氢气回收设备输出端的气体压力，作为出堆氢气压力。
50.优选地，数据处理与控制单元执行如下程序：ss1. 接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一；ss2. 获取入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值δp;ss3. 将差值δp与预设压差阈值m比较，判断待测引射器是否正常工作；如果δp≥m＞0，判定待测引射器正常工作，在燃料电池低温冷启动时，启动氢气喷射器一；如果0≤δp＜m，判定待测引射器的引流气体入口位置（位点）结冰，执行步骤ss4；如果δp＜0，判定待测引射器的喷嘴入口位置（位点）结冰，执行步骤ss5；ss4. 保持氢气喷射器一的工作状态不变，提高排水阀和排气阀的开启频率，并启动引流气体入口处的辅助加热设备，对待测引射器的引流气体入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作，可关闭引流气体入口处的辅助加热设备；ss5. 先启动氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备，对待测引射器的喷嘴入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作，可关闭氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备；ss6. 输出引射器正常结果。
51.具体原理如图5所示。
52.上述设定的预设压差阈值m与环境温度(可以是车厢内温度或大气温度)有关，具体地，通过如下步骤确定：ss01. 获取燃料电池电堆的包括不同入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值δp、环境温度、电池寿命对应的数据样本；ss02. 对上述数据样本进行拟合，通过最佳逼近方法确定电池寿命-环境温度-δp的函数曲线；ss03. 获取当前时刻的环境温度，根据上述函数曲线进一步确定该环境温度下的电池寿命-δp曲线，将该电池寿命-δp曲线中燃料电池的额定寿命-最高寿命的对应的δp的下限作为判断待测引射器是否正常工作的预设压差阈值m。
53.与实施例1相比，本实施例提供的装置可利用现有燃料电池系统对引射器冷启动时的故障模式进行识别，无须多加传感器或设备，可实施性强。可有效避免因引射器结冰故障导致的启动失败，提升燃料电池系统的冷启动成功率，提高零部件、电堆及燃料电池系统的寿命。
54.实施例3本发明还公开了一种使用上述实施例1、2检测控制装置的引射器的检测控制方法，包括如下步骤：s1. 接收到用户的引射器检测指令后，启动氢气喷射器一；s2. 获取电堆的入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值；s3. 根据上述差值判断待测引射器是否正常工作；如果正常工作，输出引射器正常结果；如果非正常工作，启动氢气喷射器二，同时提升待测引射器的内部温度，再次判断，直到待测引射器正常工作，输出引射器正常结果。
55.优选地，非正常工作包括待测引射器的引流气体入口位置结冰或喷嘴入口位置结冰。
56.优选地，根据上述差值判断待测引射器是否正常工作的步骤，进一步包括：
s31. 将入堆氢气压力和出堆氢气压力的差值δp与预设压差阈值m比较，判断待测引射器是否正常工作；如果δp≥m＞0，判定待测引射器正常工作（在燃料电池冷启动时，启动氢气喷射器一后可直接工作）；如果0≤δp＜m，判定待测引射器的引流气体入口位置结冰，提高排水阀和排气阀的开启频率，并启动引流气体入口处的辅助加热设备，对待测引射器的引流气体入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作；如果δp＜0，判定待测引射器的喷嘴入口位置结冰，先关闭氢气喷射器一，同时启动氢气喷射器二和喷嘴入口处的辅助加热设备，对待测引射器的喷嘴入口加热预设时间，再次判断待测引射器是否正常工作，直到正常工作，关闭氢气喷射器二（如果环境温度不是过低，也可关闭辅助加热设备）；s4. 输出引射器正常结果。
57.实施例4本发明还公开了一种具有实施例1、2检测控制装置的燃料电池系统，还包括空压机、启动控制器，以及，与检测控制装置共用的电堆、氢源、氢气喷射器一、二、待测引射器、氢气回收设备。
58.空压机输出的空气传输至电堆的空气入口；启动控制器的输出端与检测控制装置、空压机、氢气喷射器一、二的控制端连接。
59.启动控制器，用于接收到用户发出的启动控制指令后，向检测控制装置发出检测控制指令；在接收到检测控制装置反馈的引射器正常结果后，启动空压机和氢气喷射器一，直到燃料电池输出额定功率。
60.启动控制器，还用于预设时间内一直未接收到检测控制装置反馈的引射器正常结果，启动空压机和氢气喷射器二，直到燃料电池输出额定功率。此情况应用于待测引射器发生其他不常见的故障状态。
61.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。