自调节电子背压阀、燃料电池系统及控制方法与流程

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1.本发明涉及自调节电子背压阀、燃料电池系统及控制方法。


背景技术：

2.在中压(或高压)pemfc系统中，一方面，高的工作压力提高了燃料电池堆的功率密度；另一方面，提供高压空气的设备，如压缩机，会比低压电堆的风机消耗更多的功率，从而增加燃料电池发动机系统的辅助系统功耗。针对空压机系统，在同样的流量以及转速下可对应诸多背压压力，从而会出现不同的系统效率。因此，在不同工况点需要实时控制空气系统达到最佳空压机转速和背压，从而可以较大减少辅助系统功耗，另外还可以提升电堆寿命(在供气不足的情况下会大大降低电堆寿命)。
3.目前，传统的背压阀控制器接收发动机ecu指令，输出对应的控制信号给电机驱动信号，结合阀门的位置反馈信息，使阀门转动到相应角度，见专利号为cn201310145316.5、专利名称为一种车载燃料电池发动机背压控制系统，该专利存在以下技术问题：
4.1)背压调控需要通过燃料电池系统控制器fcu采集数据并计算给出阀转动指令，控制链长且复杂，导致背压阀响应慢，调控阀开度有延时，不利于燃料电池系统稳定运行；
5.2)不同口径和款式的背压阀需要针对同一燃料电池系统单独标定，对燃料电池系统零部件兼容开发不友好，开发成本高。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是提供自调节电子背压阀，能解决现有技术中背压调控需要通过燃料电池系统控制器fcu采集数据并计算给出阀转动指令，控制链长且复杂，导致背压阀响应慢，调控阀开度有延时，不利于燃料电池系统稳定运行的技术问题。
7.本发明的进一步目的是提供一种燃料电池系统，能解决现有技术中不同口径和款式的背压阀需要针对同一燃料电池系统单独标定，对燃料电池系统零部件兼容开发不友好，开发成本高的技术问题
8.本发明的第三个目的是提供一种燃料电池的控制的控制方法，解决控制链长且复杂，导致背压阀响应慢，调控阀开度有延时，不利于燃料电池系统稳定运行的技术问题。
9.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
10.本发明的目的是提供自调节电子背压阀，其特征在于：包括背压阀本体，背压阀本体包括背压阀控制器、电机、阀体和阀芯膜片，阀芯膜片安装在阀体里面，通过阀芯膜片的开合实现背压阀本体的打开或者关闭，其中：
11.背压阀控制器包括通讯供电模块、压力采集模块、位置采集模块、驱动模块和运算控制模块；
12.电机安装在阀体上，电机用来控制阀芯膜片开度；
13.通讯供电模块是用于运算控制模块与外部设备建立连接通讯，运算控制模块通过通讯供电模块接收外部设备发出的压力值指令；
14.压力采集模块主要是采集外部空气流道的压力值信号，将采集到的压力值信号输送到运算控制模块；
15.位置采集模块主要采集阀芯膜片在任意时刻的停留位置，作为驱动电机转动方向和角度的参考，并将采集到的位置信号反馈给运算控制模块；
16.驱动模块用于驱动电机正转或反转和转动的角度，控制阀芯膜片开度，从而调节外部空气流道的压力值，使外部空气流道的压力值与外部设备发出的压力值指令相等；
17.运算控制模块是接收通讯供电模块、压力采集模块和位置采集模块输出的数据，运算控制模块将外部设备发出的压力值指令和采集外部空气流道的压力值信号做对比分析，经过分析运算后，运算控制模块输出转动指令信号到驱动模块，驱动模块驱动电机控制阀芯膜片开度，从而实现背压阀本体开度的调节
18.上述所述的压力采集模块还连接一个压力传感器，压力传感器安装在外部空气流道里面，采集外部空气流道的压力值信号。
19.上述所述的驱动模块包括电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4，电子开关管q1和电子开关管q2组成第一个桥臂，电子开关管q3和电子开关管q4组成第二个桥臂，电子开关管q1和电子开关管q2之间与电机的一个接线端a形成电连接，电子开关管q3和电子开关管q4之间与电机的另一个接线端b形成电连接，电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4的控制端与运算控制模块电连接。
20.上述所述的电机是步进电机或者是伺服电机。
21.上述所述的运算控制模块是单片机mcu，电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4采用mos管。
22.一种燃料电池系统，包括空气供应系统、冷却系统、供氢系统、电堆模块、燃料电池系统控制器fcu和自调节电子背压阀，空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块的空气出口排出尾排气再次经过增湿器增湿处理，流经自调节电子背压阀后排出，其特征在于：自调节电子背压阀为上述所述的自调节电子背压阀。
23.上述所述的背压阀控制器的通讯供电模块与燃料电池系统控制器fcu连接通讯，燃料电池系统控制器fcu根据流量计发送过来的信号来控制空压机的转速调节空压机的输送量，燃料电池系统控制器fcu根据控制空压机的输送量发出压力值指令给通讯供电模块，通讯供电模块将压力值指令输送到运算控制模块；
24.背压阀控制器的压力采集模块连接的压力传感器设置在电堆模块的空气入口处，压力采集模块通过压力传感器采集到进入电堆模块的空气入口处的压力值，压力采集模块将采集到的压力值信号送到运算控制模块。
25.上述所述的燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0,电堆模块的空气入口处的压力值为p1，运算控制模块根据燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0和电堆模块的空气入口处的压力值为p1做对比分析，经过分析运算后，运算控制模块输出转动指令信号到驱动模块，驱动模块驱动电机控制阀芯膜片开度，从而实现背压阀本体开度的调节。
26.上述所述的当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0大于0时，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，
增大背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常；
27.当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0小于0时，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机带动阀芯转动，减少背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常。
28.当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0等于0时，背压阀本体的开度满足需求，背压阀控制器给出停止驱动电机的指令，直至下一次燃料电池系统控制器fcu发出的目标压力值给出新的目标压力指令。
29.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于：采用上述所述的燃料电池系统，控制方法包括如下步骤：
30.步骤1：输入电堆模块的空气入口处的压力值为p1和燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0；
31.步骤2：判断电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0是否大于0；如果是，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，增大背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常，然后进入步骤3；如果否,背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，减少背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常，然后进入步骤3。
32.步骤3：判断电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0是否等于0；如果是，背压阀控制器给出停止驱动电机的指令，直至下一次燃料电池系统控制器fcu发出的目标压力值给出新的目标压力指令；如果否，则返回步骤2。
33.本发明与现有技术相比，具有如下效果：
34.1)本发明的自调节电子背压阀包括背压阀本体，背压阀本体包括背压阀控制器、电机、阀体和阀芯膜片，阀芯膜片安装在阀体里面，通过阀芯膜片的开合实现背压阀本体的打开或者关闭，其中：背压阀控制器包括通讯供电模块、压力采集模块、位置采集模块、驱动模块和运算控制模块；运算控制模块是接收通讯供电模块、压力采集模块和位置采集模块输出的数据，运算控制模块将外部设备发出的压力值指令和采集外部空气流道的压力值信号做对比分析，经过分析运算后，运算控制模块输出转动指令信号到驱动模块，驱动模块驱动电机控制阀芯膜片开度，从而实现背压阀本体开度的调节，自调节背压阀接收目标压力，采集外部空气流道实际压力来自我调节阀开度，具有简化燃料电池系统的控制策略，背压阀本体响应时间短，自我故障反馈等优点，结构布置合理，兼容性好，对燃料电池系统稳定可靠运行有很大帮助。
35.2)本发明的燃料电池系统，包括空气供应系统、冷却系统、供氢系统、电堆模块、燃料电池系统控制器fcu和自调节电子背压阀，空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块的空气出口排出尾排气再次经过增湿器增湿处
理，流经自调节电子背压阀后排出，其特征在于：自调节电子背压阀为上述所述的自调节电子背压阀，燃料电池系统自身标定好各工况点的目标压力后，可以随时选型切换不同厂家、口径和批次的自调节背压阀，而无需重新对阀单独标定，大大提升了系统开发效率，成本低。
36.3)本发明的燃料电池系统的控制方法，控制简单可靠，容易实现，实现成本低，保证燃料电池系统空气路的压力和流量的要求，使燃料电池系统正常运行，节省能源。
37.4)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
38.图1是本发明实施例一提供的背压阀本体的原理图；
39.图2是本发明实施例一提供的背压阀本体与压力传感器和外部设备的连接原理图；
40.图3是本发明实施例一提供的驱动模块的原理图；
41.图4是本发明实施例二提供的燃料电池系统的原理图；
42.图5是本发明实施例三提供的流程图。
具体实施方式：
43.下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
44.如图1至图3所示，本实施例提供的是自调节电子背压阀，包括背压阀本体，背压阀本体包括背压阀控制器、电机、阀体和阀芯膜片，阀芯膜片安装在阀体里面，通过阀芯膜片的开合实现背压阀本体的打开或者关闭，其中：
45.背压阀控制器包括通讯供电模块、压力采集模块、位置采集模块、驱动模块和运算控制模块；
46.电机安装在阀体上，电机用来控制阀芯膜片开度；
47.通讯供电模块是用于运算控制模块与外部设备建立连接通讯，运算控制模块通过通讯供电模块接收外部设备发出的压力值指令；
48.压力采集模块主要是采集外部空气流道的压力值信号，将采集到的压力值信号输送到运算控制模块；
49.位置采集模块主要采集阀芯膜片在任意时刻的停留位置，作为驱动电机转动方向和角度的参考，并将采集到的位置信号反馈给运算控制模块；
50.驱动模块用于驱动电机正转或反转和转动的角度，控制阀芯膜片开度，从而调节外部空气流道的压力值，使外部空气流道的压力值与外部设备发出的压力值指令相等；
51.运算控制模块是接收通讯供电模块、压力采集模块和位置采集模块输出的数据，运算控制模块将外部设备发出的压力值指令和采集外部空气流道的压力值信号做对比分析，经过分析运算后，运算控制模块输出转动指令信号到驱动模块，驱动模块驱动电机控制阀芯膜片开度，从而实现背压阀本体开度的调节。自调节背压阀接收目标压力，采集外部空气流道实际压力来自我调节阀开度，具有简化燃料电池系统的控制策略，背压阀本体响应时间短，自我故障反馈等优点，结构布置合理，控制简单，兼容性好，对燃料电池系统稳定可靠运行有很大帮助。图中m代表电机。
52.上述的压力采集模块还连接一个压力传感器，压力传感器安装在外部空气流道里面，采集外部空气流道的压力值信号，结构布置合理，通过压力传感器布置便于采集外部流道压力值。
53.上述的驱动模块包括电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4，电子开关管q1和电子开关管q2组成第一个桥臂，电子开关管q3和电子开关管q4组成第二个桥臂，电子开关管q1和电子开关管q2之间与电机的一个接线端a形成电连接，电子开关管q3和电子开关管q4之间与电机的另一个接线端b形成电连接，电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4的控制端与运算控制模块电连接，结构布置合理，便于驱动模块控制电机正转或反转。
54.上述的电机是步进电机或者是伺服电机。
55.上述的运算控制模块是单片机mcu，电子开关管q1、电子开关管q2、电子开关管q3和电子开关管q4采用mos管。
56.实施例二：
57.如图1、图2和图4所示，一种燃料电池系统，包括空气供应系统、冷却系统、供氢系统、电堆模块、燃料电池系统控制器fcu和自调节电子背压阀，空气供应系统包括空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，外部空气依次经过空气过滤器、流量计、空压机、中冷器和增湿器，然后送到电堆模块的空气入口，从电堆模块的空气出口排出尾排气再次经过增湿器增湿处理，流经自调节电子背压阀后排出，其特征在于：自调节电子背压阀为上述实施例一所述的自调节电子背压阀，燃料电池系统自身标定好各工况点的目标压力后，可以随时选型切换不同厂家、口径和批次的自调节背压阀，而无需重新对阀单独标定，大大提升了系统开发效率，成本低。
58.上述的背压阀控制器的通讯供电模块与燃料电池系统控制器fcu连接通讯，燃料电池系统控制器fcu根据流量计发送过来的信号来控制空压机的转速调节空压机的输送量，燃料电池系统控制器fcu根据控制空压机的输送量发出压力值指令给通讯供电模块，通讯供电模块将压力值指令输送到运算控制模块；
59.背压阀控制器的压力采集模块连接的压力传感器设置在电堆模块的空气入口处，压力采集模块通过压力传感器采集到进入电堆模块的空气入口处的压力值，压力采集模块将采集到的压力值信号送到运算控制模块。
60.上述的燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0,电堆模块的空气入口处的压力值为p1，运算控制模块根据燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0和电堆模块的空气入口处的压力值为p1做对比分析，经过分析运算后，运算控制模块输出转动指令信号到驱动模块，驱动模块驱动电机控制阀芯膜片开度，从而实现背压阀本体开度的调节。
61.当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0大于0时，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，增大背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常；
62.当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0小于0时，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机带动阀芯转动，减少背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控
制模块，确保电机转动正常。
63.当电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0等于0时，背压阀本体的开度满足需求，背压阀控制器给出停止驱动电机的指令，直至下一次燃料电池系统控制器fcu发出的目标压力值给出新的目标压力指令。
64.实施例三：
65.如图5所示，一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于：采用实施例二所述的燃料电池系统，控制方法包括如下步骤：
66.步骤1：输入电堆模块的空气入口处的压力值为p1和燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0；
67.步骤2：判断电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0是否大于0；如果是，背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，增大背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常，然后进入步骤3；如果否,背压阀控制器给出驱动电机转动指令，电机控制阀芯膜片，减少背压阀本体的开度，同时位置采集模块采集阀芯膜片的位置，将采集到的位置信号反馈到运算控制模块，确保电机转动正常，然后进入步骤3。
68.步骤3：判断电堆模块的空气入口处的压力值为p1减去燃料电池系统控制器fcu发出压力值指令为p0是否等于0；如果是，背压阀控制器给出停止驱动电机的指令，直至下一次燃料电池系统控制器fcu发出的目标压力值给出新的目标压力指令；如果否，则返回步骤2。
69.该控制方法简单可靠，容易实现，实现成本低，保证燃料电池系统空气路的压力和流量的要求，使燃料电池系统正常运行，节省能源。
70.以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。