车用氢燃料电池进排气系统的制作方法

1.本实用新型涉及车辆领域，尤其涉及一种车用氢燃料电池进排气系统。


背景技术：

2.采用氢燃料电池的新能源汽车，氢燃料电池的电堆反应运行过程中会产生大量水汽，会使出氢管内含有少量的水汽，大量的水汽通过空气出管排出。由于出氢管中含有少量的氢气，为了对氢气进行回收利用，通常对出氢管中的流体进行水气分离，将分离出的气体再次送入进氢管中，由于水气分离器的效率问题，导致分离出的气体中含有少量的水汽，从而使进氢管中也含有少量的水汽。氢燃料电池的空气来源为空气压缩机对大气进行压缩形成的压缩空气，在空气压缩机压缩空气时会形成少量的水汽，导致空气进管内含有水汽。
3.在进排气管内的温度低于0℃时，若进行发动机冷启动，冷进氢管、出氢管、空气进管和空气出管中的水汽将会结冰，使进排气管上设置的阀门开关异常，极易导致车辆冷启动失败，还会对氢燃料电池本身造成损伤。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种车用氢燃料电池进排气系统，能够准确确认进排气管内是否结冰，并在进排气管内结冰时及时进行融冰，不仅能提高发动机的冷启动性能，还能提高融冰效率。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.车用氢燃料电池进排气系统，包括：
7.进排气管，所述进排气管的一端与氢燃料电池的进排气口连通；
8.结冰检测电容，所述结冰检测电容包括两个电极板，两个所述电极板相对分布于所述进排气管内；
9.电容检测单元，用于检测所述结冰检测电容的电容值；
10.融冰单元，用于加热融化所述进排气管中的冰。
11.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述结冰检测电容设有多个，多个所述结冰检测电容沿所述进排气管的延伸方向依次分布。
12.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述电极板紧贴所述进排气管的内壁设置。
13.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述电极板为平直板、圆筒或弧形板。
14.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，还包括：
15.温度检测单元，用于检测所述氢燃料电池的进气管内的温度。
16.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述进排气管包括氢燃料电池的进氢管、出氢管、空气进管和空气出管中的至少一个。
17.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述出氢管内设有水
气分离器，所述水气分离器的气体出口与所述进氢管连通；
18.所述出氢管内设有所述结冰检测电容，所述结冰检测电容位于所述水气分离器的上游。
19.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述进氢管内设有所述结冰检测电容，所述结冰检测电容位于所述水气分离器与所述进氢管连通位置的下游。
20.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，所述空气进管上设有空气压缩机和所述结冰检测电容，所述结冰检测电容位于所述空气压缩机的下游。
21.作为上述车用氢燃料电池进排气系统的一种优选技术方案，还包括：
22.压力检测单元，用于检测所述进排气管内的压力；
23.和/或，流量检测单元，用于检测所述进排气管内的所流通流体的流量。
24.本实用新型的有益效果：本实用新型提供的氢燃料电池进排气系统，根据冰的物理特性，在进排气管内设置结冰检测电容，通过结冰检测电容的电容值的变化，不仅可以确认进排气管内是否结冰以便于在进排气管内结冰时通过融冰单元进行加热融冰，提高发动机冷启动性能；还可以确定结冰量，以便于通过调节融冰单元的功率提高融冰效率。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本实用新型实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
26.图1是本实用新型实施例一提供的车用氢燃料电池进排气系统的结构简图；
27.图2是本实用新型实施例一提供的无冰的出氢管；
28.图3是本实用新型实施例一提供的有冰的出氢管；
29.图4是本实用新型实施例一提供的结冰量与电容的关系曲线图；
30.图5是本实用新型实施例一提供的车用氢燃料电池进排气系统的控制原理图。
31.图中：
32.1、出氢管；2、进氢管；3、氢气储罐；4、开关阀；5、流量检测单元；6、温度检测单元；7、压力检测单元；8、电极板；9、氢燃料电池。
具体实施方式
33.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部。
34.实施例一
35.本实施例提供了一种具有融冰功能的车用氢燃料电池进排气系统，以保证发动机正常启动。
36.如图1至3所示，上述车用氢燃料电池进排气系统，包括进排气管、结冰检测电容、电容检测单元和融冰单元，其中，进排气管的一端用于连接氢燃料电池9的进排气口；结冰
检测电容包括两个电极板8，两个电极板8相对分布于进排气管内；电容检测单元用于检测结冰检测电容的电容值；融冰单元用于加热融化进排气管中的冰。
37.上述电极板8为平直板、圆筒或弧形板，需要说明的是，进排气管为圆管时，电极板8优选为弧形板，电极板8的轮廓与进排气管的内壁形状匹配；进排气管为方管时，电极板8优选为平直板。电极板8采用弧形板或平直板时，使电极板8紧贴进排气管的内壁。
38.下面以电极板8为平直板为例，对利用结冰检测电容和电容检测单元判断进排气管内是否结冰的原理进行简要说明。
39.一个电容的电容值为c，其中，ε表示两个电极板8之间介质的介电常数，s表示两个电极板8的正对面积，k表示两个电极板8之间的介质的静电常数，d表示两个电极板8之间的间距。
40.上述进排气管包括进氢管2、出氢管1、空气进管和空气出管，氢燃料电池9工作时，出氢管1中的介质可能为氢气、水蒸气、少量杂质气体和少量液态水。为了对氢气进行回收利用，出氢管1内设有水气分离器，水气分离器的气体出口与进氢管2连通，由于水气分离器的分离效率问题，导致分离出的氢气中含有少量的水汽，从而使氢燃料电池9工作时进氢管2中的介质除了氢气外还含有少量的水汽。空气进管与空气压缩机的出口相连，空气压缩机通过空气进管为氢燃料电池9提供压缩空气，空气压缩机在对外界空气进行压缩时会产生水汽，从而使空气进管中除了空气外还有少量的水汽；空气出管中除了空气外还有氢燃料电池9反应形成的水。因此车辆低温启动时，进氢管2、出氢管1、空气进管和空气出管内的水汽都可能会结冰。
41.氢气的相对介电常数为1.00026，空气的相对介电常数为1.000585，水蒸气的相对介电常数为1.00785，水的相对介电常数为81.5，冰的相对介电常数为2～3。因此，进排气管中结冰时，两个电极板8之间的电容值会发生明显变化。因此可以通过检测结冰检测电容的电容值来确认进排气管中是否结冰。
42.本实施例提供的氢燃料电池进排气系统，根据冰的物理特性，在进排气管内设置结冰检测电容，通过结冰检测电容的电容值的变化确认是否结冰，以便于在进排气管内结冰时通过融冰单元进行加热融冰，提高发动机冷启动性能。
43.优选地，进氢管2、出氢管1、空气进管和空气出管内均设有结冰检测电容。具体地，出氢管1中的结冰检测电容位于水气分离器的上游；进氢管2中的结冰检测电容位于水气分离器与进氢管2连通位置的下游；空气进管中的结冰检测电容位于空气压缩机的下游。
44.对于水平设置的进排气管而言，进排气管内结冰时，考虑到重力影响，冰通常存在于进排气管的内底壁，为了能及时有效地检测到进排气管内是否结冰，要求其中一个电极板8紧贴进排气管的底部内壁。
45.进一步地，上述结冰检测电容设有多个，多个结冰检测电容沿进排气管的延伸方向依次分布，以提高结冰检测的准确性。
46.进一步地，上述氢燃料电池进排气系统还包括温度检测单元6，用于检测氢燃料电池9的进气管内的温度，由于进气管中的温度较为接近环境温度，在进气管内的温度大于0℃时，进排气管内的水不会结冰，因此无需进行结冰检测，有效排除了水的干扰。上述温度检测单元6为温度传感器，进气管可以为进氢管2，也可以为空气进管，在此不再限定。需要
说明的是，还可以利用车上自带的环境温度传感器检测环境温度。
47.本实施例以进排气管为出氢管1为例，对上述氢燃料电池进排气系统融冰装置的控制方法进行简要介绍，具体如下：
48.s1、判断进气管中的温度是否大于0℃，若是，则执行s2，若否，则返回s1。
49.在进气管中的温度大于0℃时，进排气管内不会结冰问题，无需进行结冰检测。
50.s2、通过电容检测单元获取结冰检测电容的电容值，判断电容值是否大于预设最小电容值，若是，则执行s3；若否，则返回s2。
51.在进气管中的温度不大于0℃，考虑到进排气管中不一定有水存在，因此通过电容检测单元获取结冰检测电容的电容值，通过比较电容值和预设最小电容值确定是否结冰。
52.s3、根据电容值确定融冰时长。
53.在排除水的干扰后，空气、氢气和水蒸气的相对介电常数与冰的相对介电常数差异相对较大，在进行结冰检测时得到的电容值差距也较大。
54.通过多次试验的数据拟合出氢管1中的结冰检测电容的电容值与结冰量的关系曲线，如图4所示。在确定结冰后，根据实际电容值对应上述关系曲线得出结冰量，再根据结冰量和融冰单元的功率确定融冰时长。
55.s4、控制融冰单元持续工作融冰时长后，控制电容检测单元再次获取结冰检测电容的电容值，并判断电容值是否大于预设最小电容值，若是，则执行s5；若否，则结束融冰。
56.s5、检测融冰单元是否故障，若否，则返回s4；若是，报融冰单元故障。
57.上述融冰单元为电加热结构或换热器，换热器的换热介质可以为热风或热水，在此不再具体限定。融冰单元设置的位置不仅限于结冰检测电容所在的部位，还可以将融冰单元设置于结冰检测电容的附近或相关部位，进行连带融冰，以达到更佳的融冰效果。
58.优选地，在电容值大于预设最小电容值c1时，判断电容值是否不小于预设最大电容值c2，一旦电容值不小于预设最大电容值c2，则说明此时出氢管1内的结冰量较为接近最大结冰量，极易造成发动机低温冷启动失败，控制此时的发动机冷启动指令无效，融冰单元进行融冰。若是发动机工作过程中，出现上述情况，则报出发动机需停止运行的信号，以便于驾驶人员及时控制发动机停止运行。
59.需要说明的是，参照图4，上述c2小于c
max
，c
max
为出氢管1内被冰完全封堵时的电容值，图4中x
max
表示与c
max
对应的结冰量。
60.上述车用氢燃料电池进排气系统还包括压力检测单元7，用于检测进排气管内的压力。具体地，进氢管2连接有氢气储罐3，氢气储罐3通过开关阀4与进氢管2连通，在开关阀4的开度不变，出氢管1因结冰而堵塞时，进氢管2和出氢管1内的压力将会发生较大的变化。示例性地，进氢管2和出氢管1上均设有压力检测单元7，且出氢管1上的压力检测单元7设于结冰检测电容的下游，进氢管2上的压力检测单元7位于水气分离器与进氢管2连通位置的下游。因此在出氢管1内的电容值不小于预设最大电容值c2之后，再结合进氢管2内的压力变化进行进一步的确认，一旦进氢管2内的压力变化符合出氢管1内的结冰量较为接近最大结冰量时的变化，则采取上述的进一步措施。上述压力检测单元7为压力传感器。
61.需要说明的是，在出氢管1内的结冰量较为接近最大结冰量时，进氢管2内所流通流体的流量也会发生变化，因此还可以在进氢管2或出氢管1上设置流量检测单元5。示例性地，流量检测单元5设于进氢管2上且位于水气分离器与进氢管2连通位置的下游，流量检测
单元5选用流量计。
62.对于出氢管1而言，在没有结冰时出氢管1内的流动介质主要为氢气和水蒸气，对应的电容值为c0，由于c0存在微小波动，为了提高测量的准确性，上述预设最小电容值c1为在c0基础上适当增大后得到的c
0 k
，提高了融冰控制的抗物理干扰能力。图4中x0表示与c0对应的结冰量，x
0 k
表示与c
0 k
对应的结冰量。
63.如图5所示，车内设有显示单元，如车载显示屏，车载显示屏与氢燃料电池汽车控制器通讯，可以通过车载显示屏实时显示进排气管内的结冰情况。上述温度检测单元6通过can信号传输模块与氢燃料电池汽车控制器通讯。
64.每个结冰检测电容均配设有继电器，所有继电器共用一个电源，通过继电器使电源选择性地为结冰检测电容供电，或与结冰检测电容断开。电容检测单元包括信号采集模块、滤波模块和信号转换模块，信号采集模块用于采集结冰检测电容的电容信号，滤波模块用于对电容信号进行滤波处理，信号转换模块用于对经过滤波的电容信号转换为氢燃料电池汽车控制器可以读取的信号，信号转换模块通过can信号传输模块与氢燃料电池汽车控制器通讯；氢燃料电池汽车控制器将从电容检测单元获取的信号发送给数据分析模块，数据分析模块经过分析计算得出的分析结果发送给氢燃料电池汽车控制器，氢燃料电池汽车控制器根据分析结果确认是否启动融冰单元；同时将分析结果通过车载显示屏显示。
65.上述滤波模块可以采用谐波模块，成本低，可以降噪点及进行信号放大且稳定性好。
66.需要说明的是，于其他实施例中，上述数据分析模块可以与电容检测单元集成设置，由二者的集成模块发送是否结冰的分析结果的信号给氢燃料电池汽车控制器，以便于氢燃料电池汽车控制器根据分析结果确认是否启动融冰单元。
67.实施例二
68.本实施例与实施例一的不同之处在于，融冰控制不同，以出氢管1为例。具体地，在进气管内的温度小于0℃且电容值大于预设最小结冰量时，则氢燃料电池汽车控制器控制融冰单元启动，进行融冰直至电容值不大于预设最小结冰量。
69.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
70.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
71.在本实用新型的描述中，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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。