一种燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置的制作方法

1.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空气子系统控制策略测试验证装置。


背景技术：

2.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。同时，燃料电池系统结构简单、不存在可移动的机械部件，因此运行噪声小，维护成本低，具有较大的应用潜力。当使用纯氢作为燃料时，燃料电池的反应产物只有电能、热能和水，没有不良的生成物，不会对大气环境造成污染。同时，燃料电池汽车还具有燃料加注时间短和续航里程长的独特优势。然而，目前燃料电池汽车大规模商业化应用仍然受到耐久性限制。
3.燃料电池发动机动态变载过程中，不当的空气子系统控制策略容易导致空气供给速率无法满足反应需求，从而产生缺气现象。为此，需要开发合适的燃料电池空气子系统控制策略，以提高空气供给的动态响应能力。目前，许多学者对燃料电池空气子系统控制策略已经展开了大量研究，但是多半研究成果仍然停留在仿真层面，并未在实际的燃料电池发动机上得到验证。然而，采用真实的燃料电池发动机对控制策略进行验证也存在诸多风险，比如，一旦控制策略有漏洞，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：

4.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空气子系统控制策略测试验证装置，以实现空气子系统控制策略的快速开发、验证和优化。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置，包括：
7.空压机，连接至加湿器的第一入口，用于向所述加湿器提供符合预设压力的空气；
8.电堆模拟器，连接至所述加湿器的第一出口和第二入口；所述电堆模拟器与所述加湿器第二入口之间设置有一旁路节气门，所述加湿器的第二出口处设置有一尾排节气门；
9.管路，由所述空压机的进气口连接至所述加湿器的第二出口；
10.传感器模块，设置在所述管路上，至少用于获取所述空压机的进气口的环境温度、环境压力、空气质量流量数据；所述空压机的出气口的压力数据；所述加湿器的湿度数据；所述电堆模拟器的入口及出口的压力、温度数据；
11.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空压机、加湿器、电堆模拟器的参数及控制所述旁路节气门和尾排节气门的开度；根据所述传感器模块的数据验证所述控制策略。
12.优选地，所述空压机连接至所述加湿器的管路上设置有中冷器，用于对压缩后的
空气进行降温。
13.优选地，所述电堆模拟器，包括流阻网、空气质量流量控制器、喷水器、加热器、水泵、温度传感器；
14.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；
15.所述空气质量流量控制器，用于控制电堆模拟器内部的空气流量，模拟电堆内部空气消耗；
16.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、经所述加热器加热，并通过所述喷水器对所述电堆模拟器内部的空气进行加湿；
17.所述温度传感器用于测量所述液态水的温度。
18.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。
19.优选地，所述传感器模块，包括一环境温度压力传感器、一空气质量流量计、一压力传感器、一湿度传感器组件、一空入温度压力传感器、一空出温度压力传感器。
20.优选地，所述湿度传感器组件包括一第一湿度传感器、一第二湿度传感器、一第三湿度传感器、一第四湿度传感器。
21.优选地，还包括冷却模块，用于帮助所述空压机、中冷器散热。
22.优选地，还包括电源模块，用于对所述燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置供电。
23.优选地，所述上位机包括一控制器，所述控制器与所述空压机、加湿器、电堆模拟器、旁路节气门、尾排节气门通信连接，对其进行参数设置和/或下发控制指令。
24.优选地，所述控制器与所述传感器模块、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。
25.本发明的有益效果为：
26.本发明采用电堆模拟器进行阴极腔体模拟，实现空气子系统控制策略的快速开发、验证和优化，从而科学有效地提高燃料电池空气供给的动态响应能力，克服了采用真实的燃料电池发动机对控制策略进行验证的诸多风险。
27.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
28.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。
29.图1为本发明实施例一种燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置的结构示意图。
30.附图标记
31.1 环境温度压力传感器
32.2 空气质量流量计
33.3 空压机
34.4 压力传感器
35.5 中冷器
36.601 第一湿度传感器
37.602 第二湿度传感器
38.603 第三湿度传感器
39.604 第四湿度传感器
40.7 加湿器
41.8 空入温度压力传感器
42.9 空出温度压力传感器
43.10 旁路节气门
44.11 尾排节气门
45.12 喷水器
46.13 流阻网
47.14 空气质量流量控制器
48.15 温度传感器
49.16 加热器
50.17 水泵
51.18 控制器
52.19 上位机
53.20 电堆模拟器
具体实施方式
54.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。
55.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。
56.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空气子系统控制策略测试验证装置作进一步地详细阐述。
57.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空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空气子系统控制策略测试验证装置，它包括：空压机3、加湿器7、电堆模拟器20、管路21、传感器模块、上位机19。
58.其中，空压机3，连接至加湿器7的第一入口，用于向加湿器7提供符合预设压力的空气，空压机对空气进行压缩，为加湿器7、电堆模拟器20提供具有一定压力的空气；电堆模拟器20，连接至加湿器7的第一出口和第二入口；电堆模拟器20与加湿器7的第二入口之间设置有一旁路节气门10，用于调节不经过加湿器的湿空气，通过对旁路节气门10合理的开度控制，可实现对电堆模拟器20空气入口的湿度和压力进行控制；加湿器7的第二出口处设置有一尾排节气门11，用于调节经过加湿器的湿空气，通过对尾排节气门11合理的开度控制，可实现对电堆模拟器20空气入口的压力进行控制。
59.管路21，由空压机3的进气口连接至加湿器7的第二出口；加湿器7用于对管路21内空气进行加湿；
60.传感器模块，设置在管路21上，至少用于获取空压机3的进气口的环境温度、环境压力、空气质量流量数据；空压机3的出气口的压力数据；加湿器7的湿度数据；电堆模拟器的入口及出口的压力、温度数据；
61.上位机19，用于根据目标工况制定控制策略；根据控制策略设置空压机3、加湿器7、电堆模拟器20的参数及控制旁路节气门10和尾排节气门11的开度；根据传感器模块的数据验证控制策略。上位机19为用户提供了编写工况序列的接口，主要以表格形式呈现。
62.优选地，上位机19或控制器18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空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，进一步包括编写电流序列、反应消耗的空气流量序列、进入电堆模拟器20的目标空气流量序列、进入电堆模拟器20的目标空气压力序列、电堆工作温度序列、目标湿度序列、喷水器开度序列。
63.优选地，空压机3连接至加湿器7的管路上设置有中冷器5，用于对压缩后的空气进行降温，空压机可通过电源模块供电，空压机3的电源为高压电源。
64.优选地，电堆模拟器20，包括流阻网13、空气质量流量控制器14、喷水器12、加热器16、水泵17、温度传感器15；其中，
65.流阻网13用于模拟电堆内部流阻特性，其流阻随空气流量的变化而变化，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。
66.空气质量流量控制器14，用于控制电堆模拟器20内部的空气流量，模拟电堆内部空气消耗，其流量大小可根据进入电堆模拟器20的目标空气流量序列进行调节。
67.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、经加热器16加热，并通过喷水器12对电堆模拟器20内部的空气进行加湿，模拟电化学反应产生水；具体的，喷水器喷出的流量可根据目标湿度序列进行调节；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被泵至电堆模拟器20的顶部，喷水器12向下喷射对电堆模拟器20的内部空气进行加湿。
68.优选地，加热器16用于模拟燃料电池电堆的产热，温度传感器15用于测量电堆模
拟器20内部液态水的温度。加热器16其内置温度控制器，可根据温度传感器15的测量值进行反馈控制温度；
69.优选地，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。
70.优选地，传感器模块，包括环境温度压力传感器1、空气质量流量计2、压力传感器4、湿度传感器组件、空入温度压力传感器8、空出温度压力传感器9。具体的，环境温度传感器1设置于空压机3的进气口处或台架入口处或管路21进气口处，用于测量空压机3的进气口处或台架入口处或管路21进气口处的环境温度和环境压力，测量压力范围支持负压测试，以满足高原环境测试需求；空气质量流量计2设置于空压机3的进气口处，用于测量进入空压机3的空气质量流量；压力传感器4设置于空压机3的出气口处，用于测量空压机3的出气口的压力；湿度传感器组件用于测量加湿器进出口处的湿度；空入温度压力传感器8设置于电堆模拟器20入口处，用于测量电堆模拟器20入口处的压力和温度；空出温度压力传感器9设置于电堆模拟器20出口处，用于测量电堆模拟器20出口处的压力和温度；
71.优选地，湿度传感器组件包括第一湿度传感器601、第二湿度传感器602、第三湿度传感器603、第四湿度传感器604，分别设置于加湿器的第一入口、第一出口、第二出口、第二入口处。
72.优选地，还包括冷却模块，用于帮助所述空压机3、中冷器5散热。
73.优选地，还包括电源模块，用于对本发明燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置供电，本发明燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置还可包括台架。
74.优选地，上位机19包括控制器18，控制器18与空压机3、空气质量流量控制器14、加湿器7、加热器16、水泵17、电堆模拟器20、旁路节气门10、尾排节气门11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19可触发调试模式，直接与空压机3、加热器16、水泵17、旁路节气门10、尾排节气门11进行通讯和下发指令；控制器18可以直接与电堆模拟器20连接，也可与电堆模拟器20中的空气质量流量控制器14、加热器16、喷水器12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18与空气质量流量控制器14、加热器16、水泵17、旁路节气门10、尾排节气门11通信连接，对其下发控制指令。
75.优选地，控制器18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空气子系统控制策略快速编写、编译和烧写。具体的，控制器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18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，进一步包括编写电流序列、反应消耗的空气流量序列、进入电堆模拟器20的目标空气流量序列和目标空气压力序列、电堆工作温度序列、目标湿度序列、喷水器开度序列。
76.上位机19包括控制器18，控制器18与空压机3、加湿器7、电堆模拟器20、旁路节气门10、尾排节气门11通信连接。具体的，上位机19或控制器18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，将反应消耗的空气流量序列发送至空气质量流量控制器14，据此，电堆模拟器20可根据电流工作序列进行模拟空气流量消耗；将电堆工作温度序列发送至加热器16，据此，电堆模拟器20可根据电流工作序列进行模拟温度变化；将喷水器开度序列发送至喷水器12，据此，电堆模拟器20可根据电流工作序列进行内部加湿模拟；
上位机19或控制器18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。
77.进一步举例说明，空气流量消耗与电流呈一定关系式，可表示为moin/
78.φ4f，其中，mo为氧气摩尔质量，i为工作电流，n为单体片数，φ为空气中氧气摩尔分数，f为法拉第常数。n和i接口对客户开放，方便编写反应空气流量消耗序列和目标空气流量序列。
79.控制策略可根据进入电堆模拟器20的目标空气流量序列和目标空气压力序列、空气质量流量计2测量的实际空气流量、空入温度压力传感器8测量的实际空入压力控制空压机3的转速以及尾排节气门11和旁路节门10的开度；
80.控制策略可根据目标湿度序列控制旁路节气门10的开度；
81.优选地，控制器18与传感器模块、温度传感器15连接，用于采集各传感器的数据；控制器18根据各传感器的数据验证控制策略的控制效果。
82.此外，本发明还可用于空压机的map测试和加湿器的加湿特性测试，可将上位机设置成触发模式，直接使其与空压机、尾排节气门、喷水器、加热器通讯连接进行指令发送，并记录相关传感器数据。
83.具体的，倘若需要开展的新的控制策略研究，则重复步骤1和步骤2。
84.本发明的测试台架还可支持空压机3的map测试和加湿器7的加湿特性测试；
85.若进行空压机3的map测试，将上位机19设置成触发模式，直接使其与空压机3和尾排节气门11进行通讯连接，通过上位机19，直接给空压机3和尾排节气门11分别发送转速指令和开度指令；记录环境压力传感器1、空气质量流量计2、压力传感器4的数值。
86.若进行加湿器7的加湿特性测试，将上位机19设置成触发模式，将其与空压机3、喷水器12、加热器16和尾排节气门11通讯连接，通过上位机19，直接给空压机3、尾排节气门11、喷水器12、加热器16发送指令；记录湿度传感器6、空气质量流量计2数值。
87.与现有技术相比，本发明实施例一种燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置具有如下有益效果：
88.本发明实施例一种燃料电池发动机空气子系统控制策略测试验证装置采用电堆模拟器进行阴极腔体模拟，实现空气子系统控制策略的快速开发、验证和优化，从而科学有效地提高燃料电池空气供给的动态响应能力，克服了采用真实的燃料电池发动机对控制策略进行验证的诸多风险。
89.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。