一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池发动机是多个子系统相互组合构成的发电装置，是由氢气系统、空气系统和冷却系统构成。当前氢燃料电池技术发展迅速，车用燃料电池发动机也进入商业化阶段，对燃料电池发动机的研发能力需求也逐渐提高。在系统研发过程中，使用合理的验证方法对燃料电池发动机对获取各个子系统影响参数与发动机整体性能高精度数据具有重要意义。
3.因此，需要寻求一款多功能燃料电池发动机测试台，能够满足燃料电池集成系统不同子系统的运行需求，数据采集，并能有效对燃料电池发动机的各个设备进行性能验证或标定工作。
4.现有的测试系统技术方案主要有两类。第一种如：cn105807233氢气系统测试平台(参照图1)、cn211427169燃料电池热管理测试系统(参照图2)，主要是针对燃料电池系统某一子系统的测试，应用场景局限于燃料电池单一子系统的初期研发或标定阶段，同时也没有考虑到不同子系统之间相互的耦合。
5.此外，也有一部分现有技术同样是适用由燃料电池子系统，如cn210243168(参照图3)，但是不引入燃料电池电堆，仅对实际工作过程进行模拟，同时进行性能验证或标定。
6.但是现有技术中存在如下问题：
7.1、现有技术主要针对特定子系统的性能，测试或验证能力单一，无法涉及到发动机层面的验证；
8.2、通过不引入电堆的方式对实际工况进行模拟和数据采集，导致研发效率低，数据精准度较低；
9.3、现有技术未考虑各个子系统之间的影响，最终得到的数据对燃料电池发动机研发有明显局限性；
10.4、现有技术未考虑将燃料电池气密性、窜气试验等类型的可快速完成的发动机性能测试引入燃料电池发动机测试平台。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题是：提供一种引入燃料电池发动机气密性、氢空系统互窜性等性能试验能力的用于燃料电池发动机的多功能监测系统及其控制方法。
12.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
13.一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统，包括燃料电池发动机、测试系统和上位机；所述上位机控制燃料电池发动机和测试系统的运行；
14.所述测试系统包括燃料氢气模块、氮气模块、空气模块相互协作实现对燃料电池
发动机的测试控制和验证；
15.所述氮气模块与氢气模块共用一个入口进入燃料电池发动机用于对完成测试的燃料电池发动机进行吹扫、气密性测试和窜气试验。
16.为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
17.一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的控制方法，包括：
18.通过上位机对测试系统发出操作试验指令，若各个模块均符合与操作试验指令对应的预期值要求，则监测系统进入与操作试验指令对应的状态或执行相应的操作，若否，则上位机进行故障诊断并记录。
19.本发明的有益效果在于：通过氮气模块和空气模块的设置，能够用于完成对测试的燃料电池发动机进行吹扫、气密性测试和窜气试验改善了目前多为子系统测试平台的单一试验能力；得益于各个子系统的整合，本发明提供的技术方法对于燃料电池发动机的测试和研发标定均具有高灵活性和多功能性，在外部条件允许的情况下，可随时进行如：气密性试验，窜气试验，氢氧气浓度耐受性等燃料电池发动机性能试验。
附图说明
20.图1为本发明具体实施方式的一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的结构框图；
21.图2为本发明具体实施方式的一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的开机控制方法；
22.图3为本发明具体实施方式的一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的关机控制方法；
23.图4为本发明具体实施方式的一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的窜气控制方法。
具体实施方式
24.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
25.请参照图1以及图2，一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统，包括燃料电池发动机、测试系统和上位机；所述上位机控制燃料电池发动机和测试系统的运行；
26.所述测试系统包括燃料氢气模块、氮气模块、空气模块相互协作实现对燃料电池发动机的测试控制和验证；
27.所述氮气模块与氢气模块共用一个入口进入燃料电池发动机用于对完成测试的燃料电池发动机进行吹扫、气密性测试和窜气试验。
28.从上述描述可知，通过氮气模块和空气模块的设置，能够用于完成对测试的燃料电池发动机进行吹扫、气密性测试和窜气试验改善了目前多为子系统测试平台的单一试验能力；得益于各个子系统的整合，本发明提供的技术方法对于燃料电池发动机的测试和研发标定均具有高灵活性和多功能性，在外部条件允许的情况下，可随时进行如：气密性试验，窜气试验，氢氧气浓度耐受性等燃料电池发动机性能试验。
29.进一步的，所述氢气模块包括高压氢气源和第一调压器，所述高压氢气源通过第
一调压器进入燃料电池。
30.从上述描述可知，通过第一调压器的设置，能够排出多余的氢气压力，保证燃料电池发动机内的氢气压力精确控制，提升安全性。
31.进一步的，所述氮气模块包括对高压氮气进行一级调压主路线和对高压氮气进行二级调压的分支路线，所述分支路线并联在主路线上。
32.从上述描述可知，通过对高压氮气进行一级调压主路线和对高压氮气进行二级调压的分支路线，进而实现窜气试验的氮气压力需求。
33.进一步的，所述测试系统还包括用于为燃料电池发动机进行冷却的冷却模块，所述冷却模块包括主冷却路和辅冷却路；所述燃料电池发动机内设置有主散热路和辅散热路，所述主冷却路与主散热路连通，所述辅冷却路与辅散热路连通；
34.所述主冷却路上还设置有增压水泵。
35.从上述描述可知，通过增压水泵的设置，能够提高燃料电池发动机主入水口和回水口的压比、流量。
36.进一步的，所述测试系统还包括用于为燃料电池发动机和冷却模块补充冷却液的补水模块；
37.所述空气模块还设置有为补水模块增加压力的分支路线；
38.所述主冷却路上设置有主换热板，所述主换热板通过主冷却路进行补水换热；
39.所述主换热板的冷端入口处设置有三通阀。
40.从上述描述可知，通过三通阀的设置，能够方便调调整主冷却路的散热能力。
41.进一步的，所述测试系统还包括尾排模块，所述尾排模块上设置有氢气浓度传感器。
42.从上述描述可知，通过氢气浓度传感器的设置，能够测试并并记录氢气尾排浓度，发送至上位机，辅助氢耗值等计算；提升测试系统的安全性。
43.一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统的控制方法，包括：
44.通过上位机对测试系统发出操作试验指令，若各个模块均符合与操作试验指令对应的预期值要求，则监测系统进入与操作试验指令对应的状态或执行相应的操作，若否，则上位机进行故障诊断并记录。
45.进一步的，所述操作试验为开机试验；
46.所述上位机对测试系统发出开机试验指令；对空气模块、氢气模块以及冷却模块进行检测，若空气模块、氢气模块以及冷却模块都符合要求，则进入开机状态，若否，则上位机进行故障诊断并记录。
47.进一步的，所述操作试验为关机试验；
48.所述上位机对测试系统发出关机试验指令；若空气模块以及氢气模块都符合要求，则通过氮气模块对燃料电池发动机进行吹扫；吹扫完成后关机。
49.进一步的，所述操作试验为窜气试验；
50.所述上位机对测试系统发出窜气试验指令；若氢气模块符合要求，则进一步对氮气模块的主路线进行关闭，分支路线进行开启，并供给氮气，若氮气不符合预设压力则进行故障诊断，若氮气符合预设压力则关闭分支路线，同时燃料电池发动机的尾排阀关闭，并记录分支路线的微漏流量，若微漏流量小于预设值，则通过窜气试验，否则重新进行窜气试
验。
51.实施例一
52.参照图1，一种用于燃料电池发动机的多功能监测系统，包括燃料电池发动机、测试系统和上位机；所述上位机控制燃料电池发动机和测试系统的运行；
53.所述测试系统包括燃料氢气模块、氮气模块、空气模块、冷却模块，排气排水模块，补水模块相互协作实现对燃料电池发动机的测试控制和验证；
54.所述氮气模块与氢气模块共用一个入口进入燃料电池发动机用于对完成测试的燃料电池发动机进行吹扫、气密性测试和窜气试验。
55.所述氢气模块包括高压氢气源，所述高压氢气源依次通过过滤器#1、手控阀#1、手动调压阀#1、防爆电磁阀、气体流量计以及止回阀#1与燃料电池发动机的氢气/氮气入口连通；
56.所述氮气模块包括高压氮气源、主路线和分支路线，所述高压氮气源通过主路线与燃料电池发动机的氢气/氮气入口连通；所述主路线从高压氮气源至氢气/氮气入口之间依次设置有过滤器#2、手控阀#2、手动调压阀#2、电磁阀#1、止回阀#2；所述分支路线依次包括电磁阀#2、二级调压器以及微漏流量计，所述分支路线并联在电磁阀#1两端；
57.所述空气模块分别用于燃料电池发动机运行时供给高压空气，为补水模块提供压力包括高压空气源、主路线和分支路线，所述高压空气源通过主路线与燃料电池发动机的空气入口连通，所述主路线从高压空气源至空气入口之间依次设置有过滤器#3、手控阀#3、电磁阀#4、止回阀#4；所述分支路线一端连接在高压空气源上，另一端与燃料电池发动机的的补水口连通；
58.所述冷却模块用于燃料电池发动机的冷却包括冷水机、主冷却路和辅冷却路；所述燃料电池发动机内设置有主散热路和辅散热路，所述主冷却路与主散热路的主入水口和主出水口连通，所述辅冷却路与辅散热路的辅入水口和辅出水口连通；所述冷水机包括冷水机出口和冷水机入口，所述冷水机出口通过液体流量计#2与辅换热板上的冷端连通并连回冷水机入口；所述手控阀#4并联在冷水机出口与液体流量计#2之间的管道上，所述辅换热板上的热端分别与辅入水口和辅出水口连通；所述手控阀#4与液体流量计#2之间的管道上还连接有主换热板，所述主换热板的冷端的进口与出口之间设置有三通阀，所述主换热板的冷端出口通过手控阀#5与冷水机入口连通；所述主冷却路从主出水口到主入水口依次设置有电导率仪和液体流量计#1，所述电导率仪和液体流量计#1之间的管道穿过主换热板的热端；所述电导率仪的两端并联有增压水泵；
59.所述补水模块是用于为燃料电池发动机和冷却模块补充冷却液包括去离子罐、补水水箱、三通阀以及常开电磁阀，所述补水水箱通过去离子罐从主换热板的热端与液体流量计#1之间的管道连出，所述补水水箱通过三通阀连接常开电磁阀(与空气模块的分支路线)再连入补水口；
60.所述燃料电池发动机还包括有尾排口，所述排气排水模块是用于排出燃料电池发动机运行时内部生成的水和为发生反应的氢气、空气等包括从述尾排口上依次连出的尾排阀、氢浓度传感器和分水器，所述排气排水模块还包括从止回阀#1引出的电磁阀#3、止回阀#3并引出至分水器。
61.通过氢气模块的手动调压阀#1存在一个外接设计，用于排出多余的氢气压力，保
证发动机内氢气压力精确。
62.通过氮气模块中的分支路线是用于对高压氮气进行二级调压，进而实现窜气试验的氮气压力需求。
63.通过空气模块中的分支路线是通过引入二级减压后的高压空气为补水模块增加压力。
64.冷却路中的三通阀是用于调整主冷却路的散热能力。
65.冷却路中的两个换热板分别用于转移燃料电池发动机产生在主/辅冷却路中的热量。
66.冷却路中的增压水泵是为了提高燃料电池发动机主入水口和回水口的压比、流量。
67.四个止回阀(止回阀#1、止回阀#2、止回阀#3、止回阀#4)用于防止气体倒流，实现对燃料电池发动机质量的保证。
68.三个过滤器(过滤器#1、过滤器#2、过滤器#3)用于保证各个气体的纯净度，避免杂质进入燃料电池发动机。
69.尾排的氢气浓度传感器用于确保安全性，同时测试并记录氢气尾排浓度，发送至上位机，辅助氢耗值等计算。
70.以上各个模块的功能如：人机交互控制、数据显示及存储、故障报警等，都是以上位机通过软件以实现。
71.实施例二
72.参照图2，一种实施例一的开机控制方法，包括：
73.上位机对测试系统发出开机试验指令；
74.检测空气模块的电磁阀#4是否开启，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，则空气模块检测空气流量计数值是否正常，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，满足要求；
75.检测氢气模块的防爆电磁阀是否开启，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，则氢气模块检测气体流量计数值是否正常，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，满足要求；
76.检测冷却模块的温度压力传感器数值是否正常是否开启，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，则冷却模块检测电导率数值是否正常，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，满足要求；
77.若空气模块、氢气模块、冷却模块三者都满足要求，则进入开机状态。
78.实施例三
79.参照图3，一种实施例一的关机控制方法，包括：
80.上位机对测试系统发出关机试验指令；
81.检测空气模块的电磁阀#4是否关闭，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，则满足要求；
82.检测氢气模块的防爆电磁阀是否关闭，若no，则上位机进行故障诊断和记录；若yes，则满足要求；
83.若空气模块、氢气模块都满足要求，则氮气模块检测电磁阀#1是否开启和电磁阀#
2是否关闭，不论是否，通过氮气模块对燃料电池发动机吹扫3min，吹扫完成后，氮气模块的电磁阀#1关闭，则完成关机。
84.实施例四
85.参照图4，一种实施例一的窜气控制方法，包括：
86.上位机对测试系统发出窜气试验指令；
87.将氢气模块的防爆电磁阀关闭；
88.将氮气模块的电磁阀#1关闭，电磁阀#2开启，给定170kpa氮气，若给定不足，则上位机进行故障诊断，若符合要求，则氮气模块关闭电磁阀#2，燃料电池发动机尾排阀关闭，氮气模块的微漏流量计记录流量，若＜250ml/min，则通过窜气试验，否则重新进行试验
89.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。