一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统的氢气循环系统，尤其是涉及一种使用于低温环境状态下运行燃料电池系统的氢气循环泵低温自启动方法。


背景技术：

2.燃料电池系统正越来越多地作为一种动力源被广泛应用。燃料电池系统也被提议用于燃油机汽车作为内燃机的替代换代产品；燃料电池是一种电化学反应装置，以氢气和空气中的氧气分别作为阳极和阴极的反应气体，经过催化反应产生电能，并且生成无任何污染的水。燃料电池具有清洁高效、无污染、能量效率高、可靠性高等优良特点，在备用电源、中小型发电站、基站电源、新能源汽车等领域上，具有广阔的可应用前景。尤其在新能源汽车应用方面，以燃料电池作为动力的电动汽车是全球各国重点发展的对象，也是将来可能替代燃油汽车动力来源的最终解决方案之一。
3.随着经济的发展和技术的进步，燃料电池作为车用动力系统的电动汽车将逐渐的普及，也开始陆续进入我们的生活当中。由于燃料电池内部最佳的运行温度是在70
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80℃，但是在我们生活的环境中温度并不是一成不变的，从地里位置上看南北温差巨大，从季节变化上来冬夏温差巨大，温度变化范围可从
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50℃到+50℃区间变化。燃料电池系统虽然利用氢气和氧气的电化学反应生成无污染的水，这也是它的优点，但从另一个角度来看却也是它的一个缺点，因为反应生产的无污染水却会在0℃以下环境中迅速冻结成冰。而这也给在低温环境下运行的燃料电池系统带来很大的技术挑战。如何解决燃料电池中低温正常启动及运行，是亟待解决的问题。而作为燃料电池系统重要组成部分的氢气循环系统，在运行当中也会有部分水产生的。在低温状态下，如何保证氢气循环系统中的水不结冰，并能够迅速的排出，也是亟待解决的问题之一。
4.燃料电池氢气循环系统主要包括氢气罐、减压阀、比例阀、氢气循环泵、电堆、压力传感器等部件构成。目前市面上大部分解决氢气循环系统在低温状态下，所产生的水不结冰的方法是给氢气循环泵加热。此方法虽然能起到一定的效果，但是因氢气循环泵体积较大，对氢气循环泵加热需耗费巨大的额外能源，能耗大。
5.另外，美国能源部在2010年针对燃料电池零下气温环境的启动过程提出了具体的技术指标：在
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20℃温度条件下，燃料电池在启动后30s内达到额定功率的90％。低温启动快速启动，也就必须对氢气循环系统进行快速加热，此时需要整车电池包供电对氢气循环泵进行加热，而在低温状态下，整车电池包的性能会大大降低，此时需对氢气循环泵加热，将大大增加整车电池系统的负担。再有，大部分氢气循环泵外表面都是设计成不规则形状，很难在其表面布置大面积的加热片。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有燃料电池系统的氢气循环系统存在着为避免因反应运行产生的水会在0℃以下环境中迅速冻结成冰，而采用的氢气循环泵体积较大，对氢气循环泵加热
需耗费巨大的额外能源，能耗大；另外也存在着无法对氢气循环泵快速加热，难以满足低温启动快速启动需求等现状而提供的一种可在低温环境下，能够自发热，快速实现融冰碎冰效果，启动后可迅速加热升温，达到满足快速启动需求的磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法。
7.本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法，其特征在于：包括如下自启动方法
8.a1.上电开始，进入常规启动模式，如果常规模式正常启动磁悬浮轴承氢气循环泵，则表示磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵能够正常启动和工作；
9.a2.如果常规模式下不能正常启动，系统进入氢气循环泵控制系统结冰故障判定，如果判定系统氢气循环系统中存在结冰故障，进入低温自启动模式，否则进入其他故障状态判定；
10.a3.进入低温自启动模式后，分为两个阶段执行如下第a4步骤～a5步骤；
11.a4.氢气循环泵低温自启动模式的第一阶段为磁轴承自热融冰模式阶段；在此模式状态下向磁轴承线圈施加融冰电流，磁轴承线圈将产生热量用于融化转子与磁轴承接触处的冰，达到迅速融冰的效果，使得转子能够移动；自热融冰阶段主要集中在改变启动环境温度和转子与磁轴承接触位置(未悬浮前转子落在磁轴承的起浮环上)处的结冰状况；
12.a5.氢气循环泵低温自启动模式的第二阶段为磁轴承振荡碎冰模式阶段，振荡碎冰阶段主要针对叶片及其他部位的冰块，采用振荡碎冰的方式，效率更高；在此模式状态下利用磁悬浮轴承间隙，实现转子的主动振动控制，向磁轴承线圈施加振荡电流，使得磁悬浮氢泵系统进入磁轴承振荡碎冰模式；
13.a6.经过上述第a4步骤～a5步骤的低温自启动后，磁悬浮氢泵控制系统切换至常规启动模式，尝试常规模式启动，判定能否正常启动氢气循环泵；
14.a7.在常规启动模式下，正常启动升速完成，如果能够根据上位机指令，在指定时间内升速至额定转速，则表示启动成功；若启动不成功，继续返回上述第a3步骤执行磁悬浮轴承氢气循环泵低温自启动模式；
15.a8.执行上述a7步骤，多次循环执行至低温启动模式，判断是否超过循环次数上限，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定；
16.a9.在上述a7步骤中，若正常启动成功，或者经过上述a8步骤中没有超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵能成功启动，均表示启动成功，退出低温自启动模式，系统正常运行，进入正常工作状态；
17.a10.执行上述步骤，执行至磁悬浮氢泵能正常启动，低温自启动模式结束。
18.本发明可在低温环境下，利用磁轴承能够自发热和主动振动控制的特点，快速实现融冰碎冰效果，从而达到低温自启动的目的，悬浮氢气循环泵低温环境下启动后可迅速加热升温，达到满足快速启动需求。磁轴承线圈能够通恒定电流，能够自发热，到达初步融冰的效果；给磁轴承线圈通入振荡电流，可以使得转子振动，进一步达到碎冰的效果；启动后，系统能电机能迅速升温，达到正常工作状态。采用恒流融冰加振荡碎冰的方式，快速加热升温效率更高。本发明的低温自启动方法无需改变磁悬浮氢气循环泵的电路结构，也无需额外增加用除冰的执行机构、任何传感器如位移传感器、电流传感器及温度传感器，即可
实现本发明之目的和效果。
19.作为优选，在上述a2步骤中，所述的氢气循环泵控制系统结冰故障判定包括判断控制系统是否正常工作和对检测启动环境＜0℃的判断；如果满足以下两个条件，a21.控制系统自检通过，能够正常工作；a22.检测判断氢气循环泵启动环境温度低于水的熔点，则判断为氢气循环泵控制系统结冰故障，否则进入其他故障状态判定。提高系统故障判定的准确、稳定性及可靠有效性。
20.作为优选，在上述第a4步骤～a5步骤之间，向磁轴承线圈施加融冰电流，并执行对融冰时间达到预设标准的判定和对温度检测达到预设标准的判定，判断条件分为两个条件，其中条件1为施加直流融冰电流的融冰时间达到预设标准，条件2为检测到氢气循环泵启动环境温度达到预设标准；如果满足上述条件1和条件2中的任意一条或全都满足的，则开始判断能否进入上述第a5步骤，其判断条件为检测转子是否能够发生位移，如果检测到转子发生位移，则氢气循环泵的控制系统执行判断能够进入上述第a5步骤，如果不能检测转子发生位移，则循环执行上述第a4步骤。
21.作为优选，所述检测转子是否能够发生位移的检测方式是切换至施加调理电流，通过位移传感器检测转子位移，并判断是否超过循环次数上限；在循环次数内检测到转子发生位移，则进入上述第a5步骤，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能检测到转子发生位移，则退出低温自启动模式，进入其他故障状态判定。提高是否满足有效融冰状态的判定准确性、可靠性及有效性，对不满足判定条件的，自动返回执行继续融冰处理。
22.作为优选，在进入上述第a5步骤后进入上述第a6步骤前，利用磁悬浮轴承间隙，向磁轴承线圈施加振荡碎冰电流，使磁悬浮氢泵系统进入磁轴承振荡碎冰模式，并执行对碎冰时间达到预设标准的判定和对振荡峰值达到预设标准的判定，并据此判断执行切换至常规启动模式，尝试正常启动氢气循环泵；且判定条件分为两个条件，其中条件3为施加碎冰电流时间达到预设标准，条件4为检测的转子位移振荡峰值达到预设标准；如果满足条件3和条件4中的任意一条或全都满足，氢气循环泵的控制系统将切换到常规启动模式，尝试正常启动氢气循环泵，执行进入上述第a6步骤，如果启动成功，则停止施加振荡碎冰电流，退出低温自启动模式，系统正常运行；如果启动不成功，则循环执行上述第a5～a6步骤。提高碎冰状态的判定可靠稳定有效性。
23.作为优选，执行上述第a6步骤，如果启动成功，则退出低温自启动模式，开始正常工作模式，如果启动不成功，则循环进入上述第a5步骤，继续施加振荡碎冰电流，并判断是否超过循环次数上限；在循环次数内成功启动，则进入上述第a7步骤，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定。提高碎冰状态的判定可靠稳定有效性，对不满足有效碎冰状态的，自动返回执行继续碎冰处理，必要时做其他故障判定处理。
24.作为优选，在返回执行上述第a5步骤过程中，多次循环执行至上述第a7骤，并判断是否超过循环次数上限，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定。提高多次循环执行次数后的状态判定处理可靠稳定有效性。
25.作为优选，在上述第a4步骤中，施加融冰电流采用施加恒定直流融冰电流，在转子a、b两端分别布置设有a端传感器和b端传感器，通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制
功率放大器分别给转子a、b两端的径向四通道磁轴承线圈施加恒定融冰电流，同时也给轴向z磁轴承线圈施加恒定融冰电流，由电流流过磁轴承线圈，产生热量，使转子与磁悬浮轴承接触位置的结冰部分迅速融化掉，直至检测到氢气循环泵启动环境温度高于水的熔点，或者施加融冰电流时间达到设定值，判定是否满足进入执行上述第a5步骤的条件，若满足条件，则停止施加恒定融冰电流，进入执行第a5步骤。提高磁轴承线圈的融冰热量，提高快速融冰效率。
26.作为优选，在上述第a5步骤中，施加振荡碎冰电流采用施加振荡碎冰电流，轴向保持悬浮状态，径向进入振荡调理状态，通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制功率放大器分别给转子a、b两端x轴方向的两个径向轴承线圈ay、by施加对应正弦振荡电流i
ax
和i
bx
，给转子a、b两端y方向磁轴承线圈ay、by施加余弦振荡电流i
ay
和i
by
，振荡电流的频率为2hz～10hz，振荡电流的幅值为0.5a；直至径向四通道振荡幅值达到预设的径向位移振荡信号峰值标准，或者施加振动碎冰电流时间达到预设值，切换至常规启动模式并判定能否启动成功，若启动成功，则停止施加振荡碎冰电流，继续执行第a7步骤。前述设置可降低执行元件使用数量与成本，并提高快速破冰效率，满足快速启动需求。
27.作为优选，所述的径向位移振荡信号峰值的预设范围为0.25v～2.75v。提高磁悬浮氢泵控制系统切换至常规启动模式的监测可靠稳定有效性，提高快速启动需求满足可靠性。
28.本发明的有益效果是：可在低温环境下，能够自发热，快速实现融冰碎冰效果，启动后可迅速加热升温，达到满足快速启动需求。磁轴承线圈能够通恒定电流，能够自发热，到达初步融冰的效果；给磁轴承线圈通入振荡电流，可以使得转子振动，进一步达到碎冰的效果；启动后，系统能电机能迅速升温，达到正常工作状态。采用恒流融冰加振荡碎冰的方式，快速加热升温效率更高。
附图说明：
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
30.图1是本发明一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法的大流程示意图。
31.图2是本发明一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法的更细化流程示意图。
32.图3是发明一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法施加恒定直流融冰的结构示意图。
33.图4是发明一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法施加振荡碎冰电流的结构示意图。
具体实施方式
34.图1、图2、图3、图4所示的实施例中，一种磁悬浮轴承支撑的氢气循环泵低温自启动方法，包括如下自启动方法：
35.a1.上电开始01，进入常规启动模式02，如果常规模式正常启动磁悬浮轴承氢气循环泵04，则表示磁悬浮轴承支撑氢气循环泵能够正常启动和工作；
36.a2.如果常规模式下不能正常启动，系统进入氢气循环泵控制系统结冰故障判定03，如果判定系统氢气循环系统中存在结冰故障，进入低温自启动模式06，否则进入其他故障状态判定05；
37.a3.进入低温自启动模式后，分为两个阶段执行如下第a4步骤～a5步骤；
38.a4.氢气循环泵低温自启动模式的第一阶段为磁轴承自热融冰模式07阶段，在此模式状态下向磁轴承线圈施加融冰电流，磁轴承线圈将产生热量用于融化转子与磁轴承接触处的冰，达到迅速融冰的效果，使得转子能够移动；
39.a5.氢气循环泵低温自启动模式的第二阶段为磁轴承振荡碎冰模式09阶段，在此模式状态下利用磁悬浮轴承间隙，实现转子的主动振动控制，向磁轴承线圈施加振荡电流，使得磁悬浮氢泵系统进入磁轴承振荡碎冰模式；
40.a6.经过上述第a4步骤～a5步骤的低温自启动后，磁悬浮氢泵控制系统切换至常规启动模式，尝试常规模式启动，判定能否正常启动氢气循环泵10；
41.a7.在常规启动模式下，正常启动升速完成，如果能够根据上位机指令，在指定时间内升速至额定转速，则表示启动成功；若启动不成功，继续返回上述第a3步骤执行磁悬浮轴承氢气循环泵低温自启动模式；
42.a8.执行上述a7步骤，多次循环执行至低温启动模式，判断是否超过循环次数上限08，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定05；
43.a9.在上述a7步骤中，若正常启动成功，或者经过上述a8步骤中没有超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵启动成功的，均表示启动成功，退出低温自启动模式，系统正常运行11，进入正常工作状态；
44.a10.执行上述步骤，执行至磁悬浮氢泵能正常启动，低温自启动模式结束12。
45.具体的，在上述a2步骤中，所述的氢气循环泵控制系统结冰故障判定包括判断控制系统是否正常工作031和对检测启动环境＜0℃032的判断；如果满足以下两个条件，a21.控制系统自检通过，能够正常工作；a22.检测判断氢气循环泵启动环境温度低于水的熔点，则判断为氢气循环泵控制系统结冰故障，否则进入其他故障状态判定。
46.在上述第a4步骤～a5步骤之间，向磁轴承线圈施加融冰电流，并执行对融冰时间达到预设标准071的判定和对温度检测达到预设标准072的判定，并据此执行判断能否进入第二阶段073的上述第a5步骤；且判断条件分为两个条件，其中条件1为施加直流融冰电流的融冰时间达到预设标准，条件2为检测到氢气循环泵启动环境温度达到预设标准；如果满足上述条件1和条件2中的任意一条或全都满足的，则开始判断能否进入上述第a5步骤，其判断条件为检测转子是否能够发生位移，如果检测到转子发生位移，则氢气循环泵的控制系统执行判断能够进入上述第a5步骤，如果不能检测转子发生位移，则循环执行上述第a4步骤。
47.检测转子是否能够发生位移的检测方式是切换至施加调理电流，通过位移传感器检测转子位移，并判断是否超过循环次数上限；在循环次数内检测到转子发生位移，则进入上述第a5步骤，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能检测到转子发生位移，则退出低温自启动模式，进入其他故障状态判定。
48.在进入上述第a5步骤后进入上述第a6步骤前，利用磁悬浮轴承间隙，向磁轴承线
圈施加振荡碎冰电流，使磁悬浮氢泵系统进入磁轴承振荡碎冰模式，并执行对碎冰时间达到预设标准091的判定和对振荡峰值达到预设标准092的判定，并据此判断执行切换至常规启动模式，尝试正常启动氢气循环泵093；且判定条件分为两个条件，其中条件3为施加碎冰电流时间达到预设标准，条件4为检测的转子位移振荡峰值达到预设标准；如果满足条件3和条件4中的任意一条或全都满足，氢气循环泵的控制系统将切换到常规启动模式，尝试正常启动氢气循环泵，执行进入上述第a6步骤，如果启动成功，则停止施加振荡碎冰电流，退出低温自启动模式，系统正常运行；如果启动不成功，则循环执行上述第a5～a6步骤。在上述2个条件标准判断中，若都不能满足的，则不能进入上述第a6步骤，则返回执行上述第a5步骤，并继续施加振荡碎冰电流。在返回执行上述第a5步骤过程中，多次循环执行至上述第a9步骤，并判断是否超过循环次数上限，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定。执行上述第a6步骤，如果启动成功，则退出低温自启动模式，开始正常工作模式，如果启动不成功，则循环进入上述第a5步骤，继续施加振荡碎冰电流，并判断是否超过循环次数上限；在循环次数内成功启动，则进入上述第a7步骤，如果超过循环次数上限，且磁悬浮轴承氢气循环泵仍然不能启动成功，则进入其他故障判定。
49.在上述第a4步骤中，施加融冰电流采用施加恒定直流融冰电流，在转子a、b两端分别布置设有a端传感器和b端传感器(见图3)，通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制功率放大器分别给转子a、b两端的径向四通道磁轴承线圈(ax、bx、ay、by)施加恒定融冰电流(0.5a)，同时也给轴向z磁轴承线圈施加恒定融冰电流(0.6a)，由电流流过磁轴承线圈，产生热量，使转子与磁悬浮轴承接触位置的结冰部分迅速融化掉，直至检测到氢气循环泵启动环境温度高于水的熔点，或者施加融冰电流时间达到设定值，判定是否满足进入执行上述第a5步骤的条件，若满足条件，则停止施加恒定融冰电流，进入执行第a5步骤。
50.在上述第a5步骤中，施加振荡碎冰电流采用施加振荡碎冰电流，轴向保持悬浮状态，径向进入振荡调理状态，通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制功率放大器分别给转子a、b两端x轴方向的两个径向轴承线圈ay、by施加对应正弦振荡电流i
ax
和i
bx
，给转子a、b两端y方向磁轴承线圈ay、by施加余弦振荡电流i
ay
和i
by
，振荡电流的频率为2hz～10hz，振荡电流的幅值为0.5a；直至径向四通道振荡幅值达到预设的径向位移振荡信号峰值标准，或者施加振动碎冰电流时间达到预设值，切换至常规启动模式并判定能否启动成功，若启动成功，则停止施加振荡碎冰电流，继续执行第a7步骤。
51.径向位移振荡信号峰值的预设范围为0.25v～2.75v。直至检测到氢气循环泵启动环境温度高于水的熔点，所设置环境温度的检测温度判断值为>5℃。提高磁轴承自热融冰可靠有效性，降低第二阶段振荡碎冰模式的振荡碎冰难度，提高快速破冰效率，提高快速启动需求满足有效性。氢气循环泵启动环境温度的启动环境温度监测获取采用型号为pt100温度传感器，通过温度传感器驱动电路，获得温度与电压的线性关系。提高实时监测获得启动的环境温度数据采集有效性。进一步的，恒定融冰电流为0.3～0.5a。提高磁轴承线圈的融冰热量，提高快速融冰效率。
52.如图3所示，当磁轴承氢气循环泵的控制器收到来之pt100温度传感器采样得到环境温度的信号，及系统自检通过，进入低温自启动模式；在自热融冰阶段后，通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制功率放大器分别给转子a、b两端的径向四通道磁轴承线圈(ax、
bx、ay、by)施加恒定融冰电流(0.5a)，同时也给轴向z磁轴承线圈施加恒定融冰电流(0.6a)(图3中未指出)，由电流流过磁轴承线圈，产生热量，使转子与磁悬浮轴承接触位置(转子起浮环位置)的结冰部分迅速融化掉，直至检测到氢气循环泵启动环境温度高于水的熔点，或施加恒定电流时间达到设定值，则通过位移传感器检测转子是否能够位移判定能否进入低温自启动模式的第二阶段，如果不能够进入下一阶段，则循环执行该步骤，如果能够进入第二阶段，则暂停施加恒定融冰电流，进入第二阶段振荡碎冰模式。
53.如图4所示，进入低温自启动的第二阶段后，向四通道径向磁轴承施加振荡碎冰电流，此时，轴向保持稳定悬浮状态，径向进入振荡状态；通过磁轴承控制器采用pwm脉宽调制，控制功率放大器分别给转子a、b两端x轴方向的两个径向轴承线圈ay、by施加对应正弦振荡电流i
ax
和i
bx
，给转子a、b两端y方向磁轴承线圈ay、by施加余弦振荡电流i
ay
和i
by
，振荡电流的频率为2hz～10hz，振荡电流的幅值为0.5a；直至径向四通道振荡幅值达到预设的径向位移振荡信号峰值标准，或者施加振荡碎冰电流时间达到预设值，则尝试常规启动；如果常规启动不成功，则循环执行该第二阶段，直至常规启动成功，则停止施加振荡碎冰电流。
54.上述各步骤的流程示意图中，y标记代表为是状态，n标记代表为否状态。
55.磁轴承系统能进入第一阶段(自热融冰)的原因是：与传统电机相比，磁轴承线圈的阻抗比电机的阻抗大一些，同如相同大小的恒定融冰电流，磁轴承线圈能产生更多的热量，并且由于磁轴承悬浮转子与磁轴承接触面结冰，因此在磁轴承线圈处加热，能迅速达到融冰的效果。
56.磁轴承系统进入第二阶段(振荡融冰)的原因：自热融冰主要集中在改变启动环境温度和转子与磁轴承接触位置(未悬浮前转子落在磁轴承的起浮环上)，而叶片及其他部位的冰块，采用振荡碎冰的方式，效率更高。
57.与机械轴承相比较，磁悬浮轴承有一定的间隙，同时轴承可以主动控制，因此，无需额外的执行元件，通过向径向磁轴承线圈通入一定规律的振荡电流，即可实现转子的振荡。
58.在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者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。
59.以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实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，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。