一种燃料电池用可调式引射器系统及其流量控制方法 |
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| 申请号 | CN202310277888.2 | 申请日 | 2023-03-21 | 公开(公告)号 | CN116379018A | 公开(公告)日 | 2023-07-04 |
| 申请人 | 同济大学; | 发明人 | 李晶; 张力; 邹姜昆; 明平文; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种 燃料 电池 用可调式引射器系统及其流量控制方法，系统包括引射器本体和控制部分，引射器本体包括引射器主体、比例电磁 铁 、比例减压 阀 、 工作 流体 压 力 传感器 和引射流体 压力传感器 ，引射器本体还包括四个电 信号 通道；控制部分包括高压储氢瓶和 质子交换膜 燃料电池 ，高压储氢瓶的输出连接一次流体入口，质子交换膜燃料电池的输入连接系统混合流体出口，质子交换膜燃料电池的输出分别连接二次流体入口和排气阀，控制部分还包括控 制模 块 。与 现有技术 相比，本发明具有在燃料电池系统变负载工况下主动、快速、准确、连续地调节等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种燃料电池用可调式引射器系统，其特征在于，包括引射器本体和控制部分，引射器本体包括引射器主体(1)、比例电磁铁(2)、比例减压阀(3)、工作流体压力传感器(4)和引射流体压力传感器(5)， |
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| 说明书全文 | 一种燃料电池用可调式引射器系统及其流量控制方法技术领域背景技术[0002] 随着工业技术发展与汽车等工业设备保有量的上升，碳排放的增加加剧了温室效应等环境问题，清洁能源利用装置及动力系统成为了当今相关领域的研究热点。作为新世纪极具潜力的新能源动力装置的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，以氢气为燃料，产物为无污染的水，此外也具有高能量转换效率、零排放、工作温度较低、可快速启动等优点，适用于汽车、船舶等工况负载容易变化的运输设备，燃料电池汽车也成为燃油汽车的代替品之一。 [0003] 由于电堆的氢气往往不能在短时间内完全反应，现阶段车载燃料电池供氢方式多以过量供给、循环利用为主。现有的循环装置有循环泵和引射器两大类：循环泵可控性高，工作区间宽，但需要额外供给功率，且体积大，容易产生噪声；相比之下，引射器则是一种无源装置，靠其内部结构来实现流体的循环，无需消耗功率、维护成本低、体积小、噪声小。因此近年来引射器成为许多燃料电池系统氢气循环装置的首选。 [0004] 传统引射器内部结构固定，其设计从某一额定工况点展开，所设计出的引射器的性能也是在该工况点处才表现为最佳；而对新能源汽车动力系统而言，实际运行时系统工况是多变的，在偏离上述额定工况点时，引射器的引射性能会变差，导致燃料电池氢气供不应求。 [0005] 在传统引射器局限性的限制下，出现了可调引射器这个概念。可调式引射器内部有一定的可活动部件，来在不同工况下调节引射器的结构参数从而调节引射比，使其适应变负载工况。现有可调式引射器多为依靠流量与压力被动调节、或手动调节、或有级调节的方式，难以实现燃料电池系统变负载工况下主动、快速、准确、连续地调节以满足系统的动态响应需求。 发明内容[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种燃料电池用可调式引射器系统及其流量控制方法，能够实时动态调节一次流氢气流量和引射比从而向燃料电池电堆输送期望的氢气流量，同时也能根据阳极压力反馈和电堆电流反馈实时调整氢气流量，维持电堆的性能。 [0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0008] 一种燃料电池用可调式引射器系统，包括引射器本体和控制部分，引射器本体包括引射器主体、比例电磁铁、比例减压阀、工作流体压力传感器和引射流体压力传感器，[0009] 引射器主体包括引射器壳体，引射器壳体的一端为混合流体出口，引射器壳体的内部按照从外到内的顺序依次设有首尾连接的扩散室、混合室、吸入室和喷嘴，扩散室的一端为混合流体出口，吸入室的一侧设有引射流体入口，喷嘴的一侧设有工作流体入口； [0010] 比例电磁铁包括套于推杆外的推杆套，推杆套的一侧面对喷嘴，推杆套的另一侧设有限位片，推杆的一端靠近喷嘴，推杆的另一端穿过推杆套和限位片，与衔铁的一端连接，衔铁的另一端连接弹簧的一端，弹簧的另一端连接端盖的内侧，端盖的外侧设有控制电流接头，衔铁外设有轴承环，轴承环外设置有线圈，线圈和轴承环之间设有导套，导套的中间插入隔磁环，所述控制电流接头的电流与衔铁的行程成比例关系； [0011] 比例减压阀的输出连接工作流体入口； [0012] 工作流体压力传感器设于工作流体入口，引射流体压力传感器设于引射流体入口； [0013] 引射器本体还包括三个流体通道，具体为一次流体入口、二次流体入口和混合流体出口，比例减压阀的输入为一次流体入口，引射流体入口为二次流体入口，混合流体出口为系统混合流体出口； [0015] 控制部分包括高压储氢瓶和质子交换膜燃料电池，高压储氢瓶的输出连接一次流体入口，质子交换膜燃料电池的输入连接系统混合流体出口，质子交换膜燃料电池的输出分别连接二次流体入口和排气阀， [0017] 第一控制器的输入通道、第二控制器的第二输入通道和工作流量计算器的第三输入通道都与引射流体入口压力传感器信号输出通道连接， [0018] 第二控制器的第一输入通道连接工作流体压力传感器信号输出通道，[0019] 第二控制器的输出通道连接比例电磁铁控制信号输入通道， [0020] 第二控制器的第三输入通道连接工作流量计算器的输出通道， [0021] 工作流量计算器的第一输入通道连接质子交换膜燃料电池的输出端，工作流量计算器的第二输入通道连接给定电流信号模块。 [0022] 进一步地，工作流量计算器包括第一查表器、第二查表器、第一PID控制器和第二PID控制器， [0023] 其中，工作流量计算器的第二输入通道连接第二查表器的输入端，[0024] 工作流量计算器的第二输入通道的信号和第一输出通道的信号之差输入第一PID控制器， [0025] 工作流量计算器的第一输入通道连接第一查表器的输入端，第一查表器的输出端输出的信号和工作流量计算器的第三输入通道的信号之差输入第二PID控制器，[0026] 第一PID控制器的输出端、第二PID控制器的输出端和第二查表器的输出端输出的信号经过求和，输入到工作流量计算器的输出通道。 [0027] 进一步地，高压储氢瓶连接瓶口组合阀的输入端，瓶口组合阀的输出端连接一次流体入口。 [0029] 另一方面，本发明还提出一种应用于上述的燃料电池用可调式引射器系统的流量控制方法，流量控制方法包括以下步骤： [0030] 第一控制器的输入通道通过引射流体入口压力传感器信号输出通道，接收由引射流体压力传感器测得的引射流体压力信号，将其反馈给第一控制器，第一控制器通过输出通道向比例减压阀控制信号输入通道输出比例减压阀的控制信号； [0031] 第二控制器的第一输入通道通过工作流体压力传感器信号输出通道，接收由工作流体压力传感器测得的工作流体压力信号，第二输入通道接收引射流体压力传感器测得的引射流体压力信号，第三输入通道通过工作流量计算器的输出通道接收工作流量计算器输出的给定工作流量信号，第二控制器根据其三个输入通道接收的信号计算得到当前压力下输出给定流量所需要的电磁铁推杆行程，将电磁铁推杆行程对应的控制电流信号通过输出通道和比例电磁铁控制信号输入通道传输给比例电磁铁； [0032] 工作流量计算器的第一输出通道接收实际电流信号，第二输出通道接收给定电流信号，第三输入通道接收引射流体压力传感器测得的引射流体压力信号，工作流量计算器根据三个输入通道接收的信号计算给定工作流量信号，并将给定工作流量信号发送给第二控制器的第三输入通道。 [0033] 进一步地，第三输入通道接收的引射流体压力传感器测得的引射流体压力信号作为燃料电池阳极压力信号，工作流量计算器基于燃料电池阳极压力信号计算给定工作流量信号。 [0034] 进一步地，电磁铁推杆行程的表达式为： [0035] x＝f2(AP) [0036] 其中，x为电磁铁推杆行程，f2表示推杆位移和引射器喷嘴节流口面积的函数关系，AP表示引射器喷嘴节流口面积。 [0037] 进一步地，所述引射器喷嘴节流口面积的表达式为： [0038] [0039] 其中， 为根据负载电流需求计算的给定氢气质量流量信号，pP表示工作流体压力，ynoz表示工作流体和引射流体压力比值范围不同时表现喷嘴处气体亚音速/音速两种流动状态的函数。 [0040] 进一步地，工作流体和引射流体压力比值范围不同时表现喷嘴处气体亚音速/音速两种流动状态的函数ynoz的表达式为： [0041] [0042] 其中，pH表示引射流体压力，Rg表示氢气的气体常数，Cd表示喷嘴节流口流量修正系数，T表示温度，k表示氢气绝热系数。 [0043] 进一步地，喷嘴节流口流量修正系数与喷嘴处的结构形状有关。 [0044] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0045] (1)本发明中比例减压阀不再是和现有技术一样仅以调节工作流体流量为目的调节工作流体压力，而是配合比例电磁铁，在工作流量变化时动态控制工作流体的压力，使其配合引射流体压力的变化，从而保证变负载工况下的引射比。工作流体的流量由比例电磁铁的控制器来调节，其控制方法可使得工作流体流量不受引射器入口压力变化与波动的影响。 [0046] (2)本发明利用行程控制型比例电磁铁驱动的推杆来调节引射器喷嘴面积，并将压力传感器测得的压力信号反馈给控制器，控制器通过计算做到精确调节推杆位移从而调节喷嘴面积，进一步精确控制输出的指定工作流量，流量控制具有动态、连续、快速、准确的优点。 [0047] (3)本发明采用实际输出电流信号反馈与燃料电池阳极压力信号反馈的双PID闭环反馈调节方式，使得燃料电池实际输出电流跟踪指定输出电流的同时，电堆阳极压力以一定的响应速度跟踪变负载工况下的标称压力。附图说明 [0048] 图1为本发明的结构示意图； [0049] 图2为本发明的引射器本体的结构图； [0050] 图3为本发明的引射器主体和比例电磁铁详细结构图； [0051] 图4为本发明的引射器主体和比例电磁铁在燃料电池电堆低负载电流下的推杆位置示意图； [0052] 图5为本发明的引射器主体和比例电磁铁在燃料电池电堆高负载电流下的推杆位置示意图； [0053] 图6为本发明的控制部分的结构图； [0054] 图7为本发明的工作流量计算器UC的结构图； [0055] 图中，引射器主体1，比例电磁铁2，比例减压阀3，工作流体压力传感器4，引射流体压力传感器5，高压储氢瓶6，瓶口组合阀6a，质子交换膜燃料电池7，电池阳极7a，电池阴极7a，排气阀8，控制模块9，引射器壳体101，喷嘴102，工作流体入口103，引射流体入口104，吸入室105，混合室106，扩散室107，混合流体出口108，推杆套201，线圈202，隔磁环203，导套 204，端盖205，控制电流接头206，弹簧207，轴承环208，衔铁209，限位片210，推杆211，一次流体入口F1，二次流体入口F2，混合流体出口F3，比例减压阀控制信号输入通道IN1，比例电磁铁控制信号输入通道IN2，工作流体入口压力传感器信号输出通道OUT1，引射流体入口压力传感器信号输出通道OUT2，第一控制器UA的输入通道AI1，第一控制器UA的输出通道AO1，第二控制器UB的第一输入通道BI1，第二控制器UB的第二输入通道BI2，第二控制器UB的第三输入通道BI3，第二控制器UB的输出通道BO1，工作流量计算器UC的第一输入通道CI1，工作流量计算器UC的第二输入通道CI2，工作流量计算器UC的第三输入通道CI3，工作流量计算器UC的输出通道CO1。 具体实施方式[0056] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0057] 本发明提出一种燃料电池用可调式引射器系统，系统的结构图如图1所示。系统包括引射器本体和控制部分。引射器本体的结构图如图2所示。引射器本体包括引射器主体1、比例电磁铁2、比例减压阀3、工作流体压力传感器4、引射流体压力传感器5。引射器主体1实现基础的氢气循环功能；比例电磁铁2与比例减压阀3分别调节引射器的喷嘴面积和工作流体压力；压力传感器4、5将测得的压力信号反馈给控制部分。 [0058] 引射器主体1和比例电磁铁2详细结构图如图3所示。引射器主体包括引射器壳体101、喷嘴102、工作流体入口103、引射流体入口104、吸入室105、混合室106、扩散室107、混合流体出口108。引射器壳体101的一端为混合流体出口108，引射器壳体101的内部按照从外到内的顺序依次设有首尾连接的扩散室107、混合室106、吸入室105和喷嘴102，扩散室 107的一端为混合流体出口108，吸入室105的一侧设有引射流体入口104，喷嘴102的一侧设有工作流体入口103。 [0059] 与引射器主体喷嘴前端相连的比例电磁铁2包括推杆套201、线圈202、隔磁环203、导套204、端盖205、控制电流接头206、弹簧207、轴承环208、衔铁209、限位片210、推杆211。推杆套201套于推杆211外部，推杆套201的一侧面对喷嘴102，推杆套201的另一侧设有限位片210，推杆211的一端靠近喷嘴102，推杆211的另一端穿过推杆套201和限位片210，与衔铁 209的一端连接，衔铁209的另一端连接弹簧207的一端，弹簧207的另一端连接端盖205的内侧，端盖205的外侧设有控制电流接头206，衔铁209外设有轴承环208，轴承环208外设置有线圈202，线圈202和轴承环208之间设有导套204，导套204的中间插入隔磁环203。 [0060] 比例减压阀3的输出连接工作流体入口103；工作流体压力传感器4设于工作流体入口103，引射流体压力传感器5设于引射流体入口104。 [0061] 本发明的推杆套201起到分隔比例电磁铁2和引射器氢气流动空间的作用，同时加强推杆211轴向运动时的刚度。限位片210置于推杆套201与衔铁209之间，可防止衔铁209移动到吸合区，避免电磁铁的输出力急剧上升，不能正常工作的现象。 [0062] 本发明的导套204置于衔铁209、轴承环208与线圈202之间，在保护线圈202，防止磨损和断裂的同时，可形成特殊的磁路结构，使得电磁铁的输出与输入电流成比例。导套204前后两段由导磁材料制成，中间插入一段非导磁材料做成的隔磁环203，隔磁环203可以改变磁路的磁阻，提高电磁铁的灵敏度和响应速度。 [0063] 同时，系统包括三个流体通道：一次流体入口F1、二次流体入口F2、混合流体出口F3；包括四个电信号通道：比例减压阀控制信号输入通道IN1、比例电磁铁控制信号输入通道IN2、工作流体入口压力传感器信号输出通道OUT1、引射流体入口压力传感器信号输出通道OUT2。 [0064] 控制部分的结构图如图6所示。控制部分包括高压储氢瓶6和质子交换膜燃料电池7，高压储氢瓶6的输出连接一次流体入口F1，质子交换膜燃料电池7的输入连接系统混合流体出口F3，质子交换膜燃料电池7的输出分别连接二次流体入口F2和排气阀8。高压储氢瓶6连接瓶口组合阀6a的输入端，瓶口组合阀6a的输出端连接一次流体入口F1。质子交换膜燃料电池7包括电池阳极7a和电池阴极7b。 [0065] 控制部分还包括控制模块9，控制模块9包括第一控制器UA、第二控制器UB和工作流量计算器UC，其中，第一控制器UA的输出通道AO1连接比例减压阀控制信号输入通道IN1。 [0066] 第一控制器UA的输入通道AI1、第二控制器UB的第二输入通道BI2和工作流量计算器UC的第三输入通道CI3都与引射流体入口压力传感器信号输出通道OUT2连接。 [0067] 第二控制器UB的第一输入通道BI1连接工作流体压力传感器信号输出通道OUT1。 [0068] 第二控制器UB的输出通道BO1连接比例电磁铁控制信号输入通道IN2，[0069] 第二控制器UB的第三输入通道BI3连接工作流量计算器UC的输出通道CO1。 [0070] 工作流量计算器UC的第一输入通道CI1连接质子交换膜燃料电池7的输出端，工作流量计算器UC的第二输入通道CI2连接给定电流信号模块。 [0071] 工作流量计算器的结构图如图7所示。工作流量计算器UC包括第一查表器UC1、第二查表器UC2、第一PID控制器和第二PID控制器，其中，工作流量计算器UC的第二输入通道CI2连接第二查表器UC2的输入端，工作流量计算器UC的第二输入通道CI2的信号和第一输出通道CI1的信号之差输入第一PID控制器，工作流量计算器UC的第一输入通道CI1连接第一查表器UC1的输入端，第一查表器UC1的输出端输出的信号和工作流量计算器UC的第三输入通道CI3的信号之差输入第二PID控制器，第一PID控制器的输出端、第二PID控制器的输出端和第二查表器UC2的输出端输出的信号经过求和，输入到工作流量计算器UC的输出通道CO1。 [0072] 本发明的燃料电池用可调式引射器系统的工作原理如下： [0073] 高压储氢瓶6储存氢气压力一般为35MPa或70MPa，经过瓶口组合阀6a的减压阀压力降至符合比例减压阀入口压力范围。引射器的工作流体为来自高压储氢瓶6的一次流氢气，经瓶口组合阀6a、比例减压阀3与引射器本体1进入燃料电池阳极7a后，一部分参与电化学反应，另一部分未完全反应的二次流体氢气由阳极出气管道输送至引射器引射流体入口104，与一次流体混合后再次进入阳极。一般以二次流和一次流的质量流量比作为引射器的引射系数或引射比。排气阀8为间歇开启排气或常开泄露排气，目的是排出累积的杂质气体。 [0074] 对于上述燃料电池用可调式引射器系统，其流量控制方法包括以下步骤： [0075] 第一控制器UA的输入通道AI1通过引射流体入口压力传感器信号输出通道OUT2，接收由引射流体压力传感器5测得的引射流体压力信号，将其反馈给第一控制器UA，第一控制器UA通过输出通道AO1向比例减压阀控制信号输入通道IN1输出比例减压阀3的控制信号； [0076] 第二控制器UB的第一输入通道BI1通过工作流体压力传感器信号输出通道OUT1，接收由工作流体压力传感器4测得的工作流体压力信号，第二输入通道BI2接收引射流体压力传感器5测得的引射流体压力信号，第三输入通道BI3通过工作流量计算器UC的输出通道CO1接收工作流量计算器UC输出的给定工作流量信号，第二控制器UB根据其三个输入通道接收的信号计算得到当前压力下输出给定流量所需要的电磁铁推杆行程，将电磁铁推杆行程对应的控制电流信号通过输出通道BO1和比例电磁铁控制信号输入通道IN2传输给比例电磁铁2； [0077] 工作流量计算器UC的第一输出通道CI1接收实际电流信号，第二输出通道CI2接收给定电流信号，第三输入通道CI3接收引射流体压力传感器5测得的引射流体压力信号，工作流量计算器UC根据三个输入通道接收的信号计算给定工作流量信号，并将给定工作流量信号发送给第二控制器UB的第三输入通道BI3。 [0078] 上述三个步骤在系统的运行过程中同时进行。 [0079] 在氢气循环的过程中，引射器主体1和比例电磁铁2由控制模块9控制。控制模块包括控制器UA、UB与工作流量计算器UC，及其各自的I/O通道。控制器UA具有输入通道AI1与输出通道AO1。AI1接收由压力传感器5测得的引射流体压力信号，将其反馈给控制器UA，AO1输出比例减压阀3的控制信号，调节工作流体压力：当负载电流较低时，阳极压力和出气管道压力较低，为使引射器能够靠压力差将二次流气体顺利引射到吸入室，需要使工作流体压力较低；同样的，当负载电流较高时，阳极压力和出气管道压力较高，为了避免引射比过大而导致电堆杂质气体含量超标，需要使工作流体的压力也较高。 [0080] 控制器UB具有输入通道BI1、BI2、BI3，以及输出通道BO1。BI1接收压力传感器4测得的工作流体压力信号，BI2接收压力传感器5测得的引射流体压力信号，BI3接收由工作流量计算器UC输出的给定工作流量信号。控制器UB根据上述信号计算当前压力下输出给定流量所需要的电磁铁推杆行程，将对应的控制电流信号经BO1输送给比例电磁铁2。推杆行程的计算方法具体如下： [0081] x＝f2(AP) [0082] [0083] [0084] 式中，x表示比例电磁铁推杆的位移，AP表示引射器喷嘴节流口面积，f2(AP)表示推杆位移和引射器喷嘴节流口面积的函数关系，与喷嘴处的结构形状有关；pP表示工作流体压力即比例减压阀出口压力，pH表示引射流体压力即燃料电池出气管道压力， 表示根据负载电流需求计算的给定氢气质量流量信号，Rg表示氢气的气体常数；Cd表示喷嘴节流口流量修正系数，与喷嘴处结构形状有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数，ynoz为工作流体和引射流体压力比值范围不同时表现喷嘴处气体亚音速/音速两种流动状态的函数。 [0085] 根据上述计算方法，可快速、连续、准确地调节喷嘴处的工作流体流量，且当引射器入口压力在变负载工况下发生变化、或受外界因素影响而波动时仍能够根据给定流量信号来输出所期望的一次流氢气流量。 [0086] 上述BI3接收的给定流量信号来自工作流量计算器UC。计算器UC包含输入通道CI1、CI2、CI3和输出通道CO1。其中，CI1接收实际电流信号，CI2接收给定电流信号，CI3接收燃料电池阳极压力信号由于电堆内部压力检测较困难，常用阳极出气管道压力来近似代替阳极压力，CO1输出给定流量信号。 [0087] 对于计算器UC，CI2接收给定电流信号 经计算器UC2计算所需要的工作流体流量，作为给定流量信号的前馈量；CI1接收实际电流信号Ist，将给定电流 与实际电流Ist的误差eI反馈给PID控制器，将PID输出量作为电流误差补偿量；同时，根据实际电流信号Ist通过查表器UC1确定各负载电流下对应的燃料电池阳极标称压力 CI3接收实际压力信号pa，将实际压力pa与标称压力 之间的误差ep反馈给PID控制器，将PID输出量作为压力误差补偿量。由前馈量、电流误差补偿量、压力误差补偿量三者之和作为计算器UC的输出，即给定工作流量信号 [0088] 在上述控制模块的控制下，该可调式引射器在系统变负载工况下能够实时动态调节一次流氢气流量和引射比从而向燃料电池电堆输送期望的氢气流量，同时也能根据阳极压力反馈和电堆电流反馈实时调整氢气流量，维持电堆的性能。 [0089] 采用上述流量控制方法，当负载电流需求较低、对氢气流量需求较小时，如图4所示，控制器向控制电流接头206输入较高的控制电流，线圈202产生较大电磁力吸引衔铁209，使其克服弹簧207的拉力，带动推杆211往靠近引射器喷嘴方向运动，形成较小的喷嘴面积。当负载电流需求较高、对氢气流量需求较大时，如图5所示，控制器输送较低的控制电流信号，线圈202产生的电磁力较小，此时衔铁209带动推杆211在弹簧力的作用下往远离引射器喷嘴方向运动，形成较大的喷嘴面积。 |
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