一种燃料电池发动机用氢气供气装置的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池发动机用氢气供气装置。


背景技术：

2.氢燃料电池汽车是一种具有广阔发展前景的新能源汽车，具有加氢时间短、续驶里程长等诸多优点。其搭载的燃料电池发动机通常包含电堆和外围的氢气供气、空气供气、冷却循环等子系统。由于电堆中膜电极对供气压力的稳定性要求非常高，因此，需要氢气供气子系统的压力波动较为稳定。
3.现有氢气供气子系统主要采用开关形式的氢气喷射器。为了提高流量控制的精确性，也有专业人员提出了采用了氢气喷射器 比例阀的控制方案。该控制方案中，由fcu输出pwm信号控制比例阀，以控制氢气喷射器输出的入堆氢气流量，但由于单个比例阀切换工作点一般会出现供气压力的不稳定现象，影响电堆的寿命。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种燃料电池发动机用氢气供气装置，用以解决现有技术存在的供气压力不稳定的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池发动机用氢气供气装置，包括集成于一体的主比例阀、旁通路比例阀、引射器和控制器；其中，主比例阀、引射器依次连接后接电堆的氢气入口，构成发动机启动时自动启动、发动机关闭时自动断开的主供气支路；旁通路比例阀直接与电堆的氢气入口连接，其与主供气支路并联，构成发动机启动后从低工况点切换到高工况点时自动启动、从高工况点切换到低工况点自动断开的旁通供气支路；控制器，用于发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭；以及，在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度，再启动旁通路比例阀，根据高工况点的目标入堆气压调整旁通路比例阀的开度，同时根据实时的射流气体压力调整主比例阀的开度，以消除旁通路比例阀启动的延迟响应。
6.上述技术方案的有益效果如下：该氢气供气装置集成了引射器和两个比例阀，通过控制主比例阀先开启，旁通路比例阀关闭，在发动机启动后低工况点运行时，以入堆氢气压力为控制目标，调整主比例阀的开度，使得该装置在燃料电池工作电流较低的点为电堆提供氢气。当发动机切换到高工况点（需要增大燃料电池工作电流）时，主供气支路单独工作无法满足燃料电池发动机的氢气消耗需求，此时打开旁通路比例阀，为燃料电池电堆持续补充氢气，来保证燃料电池发动机中电堆一直处于高效工作状态。
7.基于上述装置的进一步改进，该氢气供气装置还包括防爆壳体；其中，所述主比例阀、旁通路比例阀和引射器均集成于防爆壳体的内部；所述防爆壳体的外侧设有用于与高压氢气瓶连接的第一氢气输入端、用于与电堆
的氢气尾气出口连接的第二氢气输入端、用于与电堆的氢气入口连接的氢气输出端；并且，第一氢气输入端接防爆壳体内的主比例阀，第二氢气输入端接防爆壳体内引射器的引流入口，氢气输出端接防爆壳体外电堆的氢气入口。
8.进一步，所述控制器进一步包括：数据采集单元，用于获取引射器的射流气体压力、入堆气体压力，以及旁通路比例阀的开启电流，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭，以仅通过主供气支路为电堆提供氢气；以及，在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度，再向旁通路比例阀发出启动指令，直到监测到旁通路比例阀的开启电流达到启动电流的50%~60%，调整旁通路比例阀的开度使得实时的入堆气体压力达到高工况点的目标入堆气压以上设定范围，同时调整主比例阀的开度使得实时的射流气体压力达到高工况点对应的设定开度，以消除旁通路比例阀启动的延迟响应。
9.进一步，所述数据采集单元进一步包括：第一压力传感器，布设于引射器的射流入口处或主比例阀的输出端，用于获取实时的射流气体压力p1；第二压力传感器，布设于电堆的氢气入口处管道内壁上，用于获取实时的入堆气体压力p2；电流传感器，布设于旁通路比例阀的控制端，用于获取旁通路比例阀的开启电流。
10.进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：s1.发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭，以仅通过主供气支路为电堆提供氢气，并控制主比例阀的开度以维持入堆氢气压力p2的稳定；s2.在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度使得入堆氢气压力p2达到切换前的原始值 标定压力s之和，启动第一计时器开始计时，并同时向旁通路比例阀发出启动指令；s3.监测旁通路比例阀的开启电流，直到开启电流达到启动电流的50%，调整旁通路比例阀的开度使得实时的入堆气体压力p2达到高工况点的目标入堆氢气值 标定压力s之和，同时调整主比例阀的开度使得实时的射流气体压力p1达到50kpa，启动第二计时器开始计时；s4.在第一计时器达到标定时间1s时，调整主比例阀的开度使得入堆气体压力p2达到高工况点的目标入堆氢气值，并维持旁通路比例阀的开度不变；s5.在第二计时器达到标定时间3s时，根据射流气体压力p1控制主比例阀的开度，并根据入堆气体压力p2控制旁通路比例阀的开度，以维持入堆氢气压力p2的稳定。
11.进一步，所述数据处理与控制单元具有显示模块；其中，所述显示模块的显示屏上显示第一压力传感器、第二压力传感器、电流传感器采集的实时数据。
12.进一步，该氢气供气装置还包括第三比例阀；其中，所述第三比例阀的输入端与电堆的氢气尾气出口连接，输出端与引射器的引流入口连接，控制端与控制器的输出端连接；所述第三比例阀与主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体。
13.进一步，该氢气供气装置还包括截止阀；其中，所述截止阀的输出端分别与主比例阀、旁通路比例阀的输入端连接，并与主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体。
14.进一步，该氢气供气装置还包括气液分离器；其中，所述气液分离器的输入端与电堆的氢气尾气出口连接，气体输出端经第三比例阀与引射器的引流入口连接，液体输出端接燃料电池发动机的尾排管道；所述气液分离器与第三比例阀、主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体。
15.进一步，所述主供气支路、旁通供气支路中所有与氢气接触的管道内壁上均涂覆有阻氢渗透涂层。
16.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：1、通过两个比例阀高效地对燃料电池发动机的高工况点和低工况点进行控制。
17.2、在发动机切换到高工况点时，先提高主比例阀的开度，以增加入堆氢气流量，再开启旁通路比例阀达到目标位置，以克服旁通路比例阀存在的响应延迟问题。
18.3、通过各压力传感器和电流传感器对燃料电池发动机的氢气进气状态进行实时监测。
19.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
20.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。
21.图1示出了实施例1氢气供气装置组成示意图；图2示出了实施例1氢气供气装置原理示意图；图3示出了实施例1旁通路比例阀启动时的迟滞效应；图4示出了实施例1工况点切换时直接启动旁通路比例阀对流量影响的示意图；图5示出了实施例1工况点切换时采用本实施例控制方案对流量影响的示意图；图6示出了实施例2氢气供气装置组成示意图；图7示出了实施例2氢气供气装置控制原理示意图。
22.附图标记：1
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主比例阀；2
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旁通路比例阀；3
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引射器；4
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第一压力传感器；5
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第二压力传感器；fcu
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控制器；bypass比例阀
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旁通路比例阀。
具体实施方式
23.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。
24.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。
25.实施例1本发明的一个实施例，公开了一种燃料电池发动机用氢气供气装置，如图1~2所示，包括集成于一体的主比例阀、旁通路比例阀（bypass比例阀）、引射器和控制器。
26.主比例阀、引射器依次连接后接电堆的氢气入口，构成发动机启动时自动启动、发动机关闭时自动断开的主供气支路。在发动机处于低工况点和高工况点，主供气支路均导通。
27.旁通路比例阀直接与电堆的氢气入口连接，其与主供气支路并联，构成发动机启动后从低工况点切换到高工况点时自动启动、从高工况点切换到低工况点自动断开的旁通供气支路。
28.控制器，用于发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭；以及，在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度，再启动旁通路比例阀，根据高工况点的目标入堆气压调整旁通路比例阀的开度，同时根据实时的射流气体压力调整主比例阀的开度，以消除旁通路比例阀启动的延迟响应；以及，在接收到发动机切换到低工况点的控制命令后，控制旁通路比例阀关闭。
29.上述工况点可以是电堆的输出电流、输出功率、需求氢气压力中的一种。以电堆的输出电流为例，高工况点为电流达280 a以上，低工况点为电流小于260 a，电流在260 a~280 a之间为滞回区间，电流超过280 a时 bypass比例阀开启，电流低于260a bypass比例阀关闭，防止bypass比例阀状态频繁跳变。
30.比例阀因为自身结构的原因，控制端需要达到设定的电流值才会开启，如图3所示，而达到设定的电流值后，产生的电磁力需要克服比例阀本身的摩擦力和弹簧的压紧力之后，其开度才会达到目标位置，这个过程通常会造成十几到几十毫秒的响应延迟。考虑到比例阀开启需要一定的启动电流和响应时间，在切换时bypass比例阀补气存在一定的迟滞现象，因此进一步通过控制器的上述控制方法，可以克服bypass比例阀的迟滞现象。
31.为了说明上述控制方案的技术效果，下面进行一组对比试验。
32.图4为切换工况点时，直接打开旁通供气支路bypass比例阀的方案试验结果示意图，可看出入堆总流量会发生很大的突变。
33.图5为切换工况点时，先增大主比例阀的开度，再启动旁通路比例阀，根据高工况点的目标入堆气压调整旁通路比例阀的开度，同时根据实时的射流气体压力调整主比例阀的开度，以消除旁通路比例阀启动的延迟响应方案试验结果示意图，可看出总流量发生缓慢变化，bypass慢慢介入，迟滞现象得到有效的抑制。
34.实施时，发动机处于低工况点，只有主供气支路导通为电堆提供氢气，切换到高工况点时，主供气支路、旁通供气支路均导通为燃料电池发动机补充氢气。
35.与现有技术相比，本实施例提供的冷却装置集成了引射器和两个比例阀，通过控制主比例阀先开启，旁通路比例阀关闭，在发动机启动后低工况点运行时，以入堆氢气压力
为控制目标，调整主比例阀的开度，使得该装置在燃料电池工作电流较低的点为电堆提供氢气。当发动机切换到高工况点（需要增大燃料电池工作电流）时，主供气支路单独工作无法满足燃料电池发动机的氢气消耗需求，此时打开旁通路比例阀，为燃料电池电堆持续补充氢气，来保证燃料电池发动机中电堆一直处于高效工作状态。
36.实施例2在实施例1的基础上进行改进，该氢气供气装置还包括防爆壳体。其中，控制器、主比例阀、旁通路比例阀和引射器均集成于防爆壳体的内部。
37.防爆壳体的外侧设有用于与高压氢气瓶连接的第一氢气输入端、用于与电堆的氢气尾气出口连接的第二氢气输入端、用于与电堆的氢气入口连接的氢气输出端；并且，第一氢气输入端接防爆壳体内的主比例阀，第二氢气输入端接防爆壳体内引射器的引流入口，氢气输出端接防爆壳体外电堆的氢气入口。
38.优选地，控制器包括依次连接的数据采集单元、数据处理与控制单元。控制器的输出端分别与主比例阀、旁通路比例阀的控制端连接。
39.数据采集单元，用于获取引射器的射流气体压力、入堆气体压力，以及旁通路比例阀的开启电流，发送至数据处理与控制单元。
40.数据处理与控制单元，用于发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭，以仅通过主供气支路为电堆提供氢气；以及，在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度，再向旁通路比例阀发出启动指令，直到监测到旁通路比例阀的开启电流达到启动电流的50%~60%，调整旁通路比例阀的开度使得实时的入堆气体压力达到高工况点的目标入堆气压以上设定范围，同时调整主比例阀的开度使得实时的射流气体压力达到高工况点对应的设定开度，以消除旁通路比例阀启动的延迟响应。
41.数据采集单元进一步包括第一压力传感器、第二压力传感器、电流传感器和温度传感器。
42.第一压力传感器，布设于引射器的射流入口处或主比例阀的输出端，用于获取实时的射流气体压力p1，如图6所示。
43.第二压力传感器，布设于电堆的氢气入口处管道内壁上，用于获取实时的入堆气体压力p2，如图6所示。
44.电流传感器，布设于旁通路比例阀的控制端，用于获取旁通路比例阀的开启电流。
45.温度传感器，设于电堆的氢气入口处管道内壁上，用于获取入堆氢气温度。
46.优选地，数据处理与控制单元执行如下程序：s1.发动机运行在低工况点时，控制主比例阀开启、旁通路比例阀关闭，以仅通过主供气支路为电堆提供氢气，并控制主比例阀的开度以维持入堆氢气压力p2的稳定；s2.在接收到发动机切换到高工况点的控制命令后，先增大主比例阀的开度使得入堆氢气压力p2达到切换前的原始值 标定压力s之和，启动第一计时器开始计时（计时时间设定为标定时间b），并同时向旁通路比例阀发出启动指令；s3.监测旁通路比例阀的开启电流，直到开启电流达到启动电流的50%(标定值a)，调整主比例阀的开度使得实时的射流气体压力p1达到50kpa（标定值c），同时调整旁通路比例阀的开度使得实时的入堆气体压力p2达到高工况点的目标入堆氢气值 标定压力s之和，启动第二计时器开始计时(计时时间设定为标定时间d）；
s4.在第一计时器达到标定时间b(1s)时，调整主比例阀的开度使得入堆气体压力p2达到高工况点的标定值c，并维持旁通路比例阀的开度不变；s5.在第二计时器达到标定时间d(3s)时，根据射流气体压力p1控制主比例阀的开度，并根据入堆气体压力p2控制旁通路比例阀的开度，以维持入堆氢气压力p2的稳定。
47.示例性地，s为5 kpa，b为1 s，c为50 kpa，d为3 s。a、b、c、d、s与比例阀的特性有关，跟燃料电池发动机的工况点不相关。
48.控制程序原理参见图7，运行到切换工作点的时候，临时提高p2压力为原始值 标定压力s，维持时间为标定量b。同时，打开bypass比例阀，当bypass比例阀占空比达到标定值a的时候，主比例阀切换为以p1压力为控制目标，提供氢气并发挥引射器作用。此时，临时提高p1压力为标定值c，维持标定时间d。
49.标定时间b结束后，p2压力恢复目标入堆氢气值。标定时间d结束后，p1压力恢复目标值。燃料电池发动机正常运行，主比例阀以p1压力为控制目标，bypass比例阀以p2压力为控制目标提供氢气。
50.优选地，数据处理与控制单元具有显示模块。其中，所述显示模块的显示屏上显示第一压力传感器、第二压力传感器、电流传感器、温度传感器采集的实时数据。
51.优选地，该氢气供气装置还包括第三比例阀。
52.其中，第三比例阀的输入端与电堆的氢气尾气出口连接，输出端与引射器的引流入口连接，控制端与控制器的输出端连接，用于控制引射器的引流气体流量。第三比例阀与主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体。
53.优选地，该氢气供气装置还包括截止阀。
54.其中，截止阀的输出端分别与主比例阀、旁通路比例阀的输入端连接，并与主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体，控制端与控制器的输出端连接，用于在燃料电池发动机启动后开启，在燃料电池发动机关闭后断开，以保证用氢安全。
55.优选地，该氢气供气装置还包括气液分离器。
56.其中，气液分离器的输入端与电堆的氢气尾气出口连接，气体输出端经第三比例阀与引射器的引流入口连接，液体输出端接燃料电池发动机的尾排管道，用于降低入堆氢气中的水分。
57.气液分离器与第三比例阀、主比例阀、旁通路比例阀和引射器集成于一体。
58.优选地，主供气支路、旁通供气支路中所有与气体接触的管道内壁上均涂覆有阻氢渗透涂层，防止氢气泄露，进一步提高用氢安全。
59.优选地，该氢气供气装置的各部件之间密封连接，防止氢气泄露。
60.与现有技术相比，本实施例提供的燃料电池发动机用氢气供气装置具有如下有益效果：1、通过两个比例阀高效地对燃料电池发动机的高工况点和低工况点进行控制。
61.2、在发动机切换到高工况点时，先提高主比例阀的开度，以增加入堆氢气流量，再开启旁通路比例阀达到目标位置，以克服旁通路比例阀存在的响应延迟问题。
62.3、通过各压力传感器和温度传感器对燃料电池发动机的氢气进气状态进行实时监测。
63.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。