一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置的制作方法

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置。

背景技术

燃料电池技术是一种高效、环境友好的能量转换技术，它通过电化学反应把储存在燃料中的化学能直接转化为电能。相比于传统的内燃机，这种能量转换方式不受卡诺循环的限制，理论上可以达到更高的效率。

燃料电池发动机是未来新能源气车的理想动力源之一，但其大规模商业化仍受到耐久性限制。为提高燃料电池的使用寿命，需要合理控制其工作条件。其中，保证阳极入口压力能够快速跟随负载变化是非常重要的。为此，需要开发合适的燃料电池氢气子系统控制策略。将控制策略应用于真实的燃料电池发动机之前，需要对其进行反复验证，否则一旦控制策略有不规范的地方，则会容易导致被控对象失控，进而对电堆造成不可逆的伤害。

技术实现要素：

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置，以实现合适的燃料电池氢气子系统控制策略快速开发、验证和优化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置，包括：

氢气控制单元，通过管路连接至电堆阳极模拟器，用于向所述电堆阳极模拟器提供符合预设压力的氢气；

所述电堆阳极模拟器的出口处设置有一排氢阀，用于模拟燃料电池发动机的排氢动作；

传感器单元，设置在所述管路上，至少用于获取所述氢气控制单元的入口处的氢气压力、电堆阳极模拟器入口处的温度和压力、电堆阳极模拟器出口处的温度和压力；

上位机，用于根据目标工况制定控制策略；根据所述控制策略设置所述电堆阳极模拟器的参数及控制所述氢气控制单元；根据所述传感器模块的数据验证所述控制策略。

优选地，所述传感器单元，包括一中压压力传感器、一氢入压力传感器、一氢入温度传感器、一氢出压力传感器、一氢出温度传感器。

优选地，所述氢气控制单元包括氢进电磁阀、调压模块、氢循环模块，泄压阀，气水分离器；

所述氢进电磁阀，设置在所述管路的入口处，用于控制氢气气源的开关；

所述调压模块，用于控制进入所述电堆阳极模拟器的氢气压力，其一端连接至所述氢进电磁阀，另一端连接至所述氢循环模块；所述氢循环模块用于循环未反应的氢气。

优选地，所述氢气控制单元还包括泄压阀；

所述泄压阀设置在与所述电堆阳极模拟器的入口连接的管路上，用于控制所述电堆阳极模拟器内的压力。

优选地，所述氢气控制单元还包括气水分离器；

所述气水分离器设置在与所述电堆阳极模拟器的出口连接的管路上，用于分离所述电堆阳极模拟器出口处气体内的液态水。

优选地，所述排氢阀设置在所述气水分离器的氢气出口处。

优选地，所述电堆阳极模拟器，包括流阻网、质量流量控制器、喷水器、加热器、水泵、温度传感器；

所述流阻网的流阻随空气流量的变化而变化，用于模拟电堆内部流阻；

所述质量流量控制器，用于控制电堆阳极模拟器内部的氢气消耗；

所述喷水器、加热器、水泵连接形成一连通回路，所述回路中储存有液态水；所述液态水经所述水泵循环且经所述加热器加热后，通过所述喷水器对所述电堆阳极模拟器内部的氢气进行加湿；

所述温度传感器用于测量所述液态水的温度。

优选地，所述流阻网的网格角度可调，以模拟不同功率等级电堆的流阻。

优选地，所述上位机包括一控制器，所述控制器与所述氢进电磁阀、调压模块、氢循环模块、排氢阀、喷水器、质量流量控制器、加热器、水泵通信连接，对其进行参数设置和/或下发控制指令。

优选地，所述控制器与所述传感器单元、温度传感器连接，用于采集各传感器的数据；所述控制器根据所述各传感器的数据验证控制策略。

本发明的有益效果为：

本发明采用电堆阳极模拟器进行阳极腔体模拟，实现控制策略快速开发、验证和优化，科学有效地提高了燃料电池的使用寿命。克服了采用真实的燃料电池发动机对控制策略进行验证时，容易因控制策略的不完善，导致被控对象失控，进而引起不可逆的伤害等诸多风险。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中上所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置的结构示意图。

附图标记

1 中压压力传感器

2 氢进电磁阀

3 调压模块

4 氢循环模块

5 氢入压力传感器

6 氢入温度传感器

7 氢出温度传感器

8 氢出压力传感器

9 泄压阀

10 气水分离器

11 排氢阀

12 喷水器

13 流阻网

14 质量流量控制器

15 温度传感器

16 加热器

17 水泵

18 电堆阳极模拟器

19 控制器

20 上位机

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。当一个元件被认为是“固定在另一元件上”，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

下面将结合具体实施例对本发明请求保护的一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置作进一步地详细阐述。

请参阅图1，图1示出了本发明实施例一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置，它包括：

一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置，包括：

氢气控制单元，通过管路连接至电堆阳极模拟器18，用于向电堆阳极模拟器18提供符合预设压力的氢气；

电堆阳极模拟器18的出口处设置有一排氢阀11，用于模拟燃料电池发动机的排氢动作，可以有效防止电堆阳极侧氮气浓度过高或水淹故障的发生，从而提高电堆的电压一致性；电堆阳极模拟器18用于模拟电堆的阳极腔体。

传感器单元，设置在管路上，至少用于获取氢气控制单元的入口处的氢气压力、电堆阳极模拟器18入口处的温度和压力、电堆阳极模拟器18出口处的温度和压力；

上位机20，用于根据目标工况制定控制策略；根据控制策略设置电堆阳极模拟器18的参数及控制氢气控制单元；根据传感器模块的数据验证控制策略。上位机20为用户提供了编写工况序列的接口，主要以表格形式呈现。

优选地，上位机20或控制器19内可设置快速原型模拟平台，快速原型模拟平台可实现燃料电池发动机氢气子系统控制策略快速编写、编译和烧写。具体的，根据目标工况制定控制策略，包括控制策略的编写、编译和烧写；控制策略的编写包括编写工况序列，进一步包括编写工作电流的时间序列，氢气流量序列、进入电堆阳极模拟器18的目标氢气压力序列、电堆工作温度序列、喷水器开度序列、排氢阀控制序列。

优选地，传感器单元，包括中压压力传感器1、氢入压力传感器5、氢入温度传感器6、氢出压力传感器8、氢出温度传感器7。其中，中压压力传感器1设置于管路的入口处，用于测量台架入口的氢气压力，此处的氢气压力等效为车载氢瓶减压后的压力，一般可设置为5bar-20bar范围内；氢入压力传感器5和氢入温度传感器6设置于电堆阳极模拟器18入口处，用于测量电堆阳极模拟器18入口处的压力和温度；氢出温度传感器7、氢出压力传感器8设置于电堆阳极模拟器18出口处，用于测量电堆阳极模拟器18出口处的温度和压力；

优选地，氢气控制单元包括氢进电磁阀2、调压模块3、氢循环模块4，泄压阀9，气水分离器10；

氢进电磁阀2，设置在管路的入口处，用于控制氢气气源的开关；

调压模块3，用于控制进入所述电堆阳极模拟器18的氢气压力，其一端连接至氢进电磁阀2，另一端连接至氢循环模块4；氢循环模块4用于循环未反应

的氢气。具体的，调压模块3可配置为比例阀或喷射器；氢循环模块4可配置为引射器或氢气循环泵。

优选地，氢气控制单元还包括泄压阀9；

泄压阀9设置在与电堆阳极模拟器18的入口连接的管路上，用于控制电堆阳极模拟器18内的压力。需要说明的是，此处通过泄压阀9地设置可以有效防止控制策略失控从而避免造成电堆阳极模拟器18内压力过大，在实际测试中效果显著。

优选地，氢气控制单元还包括气水分离器10；

气水分离器10设置在与电堆阳极模拟器18的出口连接的管路上，用于分离电堆阳极模拟器18出口处气体内的液态水。需要说明的是，此处通过气水分离器10的设置，可以有效分离出电堆阳极模拟器18出口处气体内的液态水，防止氢循环装置生锈；同时，进一步防止由氢循环装置进入电堆阳极模拟器18的气体中有液态水；排氢阀11用于模拟实车燃料电池发动机的排氢动作；

优选地，排氢阀11设置在气水分离器10的氢气出口处。

优选地，电堆阳极模拟器18，包括流阻网13、质量流量控制器14、喷水器12、加热器16、水泵17、温度传感器15；

流阻网13的流阻随空气流量的变化而变化，用于模拟电堆内部流阻特性。在其中一个实施例中，流阻网13的流阻大小会随着空气流量的增加而增加。

质量流量控制器14，用于控制电堆阳极模拟器18内部的氢气消耗，其氢气流量大小可根据控制器19设定的目标氢气流量序列进行调节；

喷水器12、加热器16、水泵17连接形成一连通回路，回路中储存有液态水；液态水经水泵17循环且经加热器16加热后，通过喷水器12对电堆阳极模拟器18内部的氢气进行加湿；喷水器12用于模拟电堆内部阴极侧跨膜传质水。具体的，喷水器12喷出的流量可根据工作电流进行调节；需要说明的是，此处并不限定液态水流过喷水器12、加热器16、水泵17的先后顺序。以其中一个可能的实施例为例进行说明，液态水经加热器16加热后，经水泵17被泵至电堆阳极模拟器18的顶部，喷水器12向下喷射对电堆阳极模拟器18的内部氢气进行加湿。

温度传感器15用于测量电堆阳极模拟器18内液态水的温度。加热器16用于模拟电堆产热，其内置有温度控制器，可根据温度传感器15的测量值进行加热功率控制，保证电堆阳极模拟器18内部的液态水温度可控。

优选地，所述流阻网13的网格角度可调，以模拟不同功率等级电堆的流阻。

优选地，所述上位机20包括一控制器19，所述控制器19与氢进电磁阀2、调压模块3、氢循环模块4、排氢阀11、喷水器12、质量流量控制器14、加热器16、水泵17通信连接，对其进行参数设置和/或下发控制指令。

需要说明的是，上位机20可触发调试模式，直接与氢进电磁阀2、调压模块3、氢循环模块4、排氢阀11、喷水器12、质量流量控制器14、加热器16、水泵17进行通讯和下发指令；控制器19可以直接与电堆阳极模拟器18连接，也可与电堆阳极模拟器18中的质量流量控制器14、加热器16、喷水器12等直接连接，这里的连接可以是数据传输线连接也可以是通信连接；以其中一个可能的实施例为例进行说明，控制器19与质量流量控制器14、加热器16、水泵17通信连接，对其下发控制指令。

优选地，控制器19内可设置快速原型模拟平台，快速原型模拟平台可实现燃料电池发动机氢气子系统控制策略快速编写、编译和烧写。具体的，控制器19根据目标工况制定控制策略，包括控制策略的编写、编译和烧写；快速原型模拟平台对控制策略进行编译并将其烧写至控制器19内；控制策略的编写包括编写工况序列，其中功率大小通过工作电流表示，进一步包括编写工作电流的时间序列、反应需要的氢气流量序列、进入电堆阳极模拟器18的目标氢气压力序列、电堆工作温度序列、喷水器开度序列、排氢阀11控制序列。

上位机20包括控制器19，控制器19与氢进电磁阀2、调压模块3、氢循环模块4、排氢阀11、喷水器12、质量流量控制器14、加热器16、水泵17通信连接。具体的，上位机20或控制器19或快速原型模拟平台将编写好的工况序列发送给各执行组件，例如，将反应的氢气流量序列发送至质量流量控制器14，据此，电堆阳极模拟器18可根据电流工作序列模拟氢气流量消耗；将电堆工作温度序列发送至加热器16，据此，电堆阳极模拟器18可根据电流工作序列模拟电堆的温度变化；将喷水器开度序列发送至喷水器12，据此，电堆阳极模拟器18可根据电流工作序列进行跨膜水传质加湿模拟；将排气阀控制序列发送至排氢阀11，据此，电堆阳极模拟器18可根据电流工作序列进行排氢动作模拟。

上位机20或控制器19或快速原型模拟平台为用户提供了编写工况序列的接口，主要以表格形式呈现。进一步举例说明，氢气流量消耗与电流呈一定关系式，可表示为MHIN/2F，其中，MH为氢气摩尔质量，I为工作电流，N为单体片数，F为法拉第常数。N和I接口客户开放，方便编写反应氢气流量消耗序列和目标氢气流量序列。

编写的燃料电池发动机氢气子系统控制策可根据进入电堆阳极模拟器18目的标氢气压力序列和实际测量的氢入压力进行调压模块3的开度和氢循环模块4的转速控制(倘若氢循环模块4采用的是引射器，则不需要与氢循环模块4进行通讯)。

优选地，控制器19与所述传感器单元、温度传感器15连接，用于采集各传感器的数据；控制器19根据各传感器的数据验证控制策略。具体的，控制器19与中压压力传感器1、氢入压力传感器5、氢入温度传感器6、氢出压力传感器8、氢出温度传感器7、温度传感器15连接，分别用于获取氢气控制单元的入口处的氢气压力、电堆阳极模拟器18入口处的压力、电堆阳极模拟器18入口处的温度、电堆阳极模拟器18出口处的温度、电堆阳极模拟器18出口处的压力数据，通过相关传感器数据进一步验证控制策略的效果。

优选地，用于对本发明一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置供电，本发明一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置还可包括台架。

与现有技术相比，本发明实施例一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置具有如下有益效果：

本发明实施例一种燃料电池发动机氢气子系统控制策略测试验证装置采用电堆阳极模拟器进行阳极腔体模拟，实现控制策略快速开发、验证和优化，科学有效地提高了燃料电池的使用寿命。克服了采用真实的燃料电池发动机对控制策略进行验证时，容易因控制策略的不完善，导致被控对象失控，进而引起不可逆的伤害等诸多风险。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。