用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器及应用

1. 用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器，其特征在于：所述执 行器包括第一电磁阀进口支管(1)、连接电池出口管(2)、第一电磁阀(3)、电 磁阀进口总管(4)、第二电磁阀进口支管(5)、第二电磁阀(6)、第三电磁阀进 口支管(7)、第三电磁阀(8)、第三限流孔(9)、第三电磁阀出口支管(10)、电 磁阀出口总管(11)、第二限流孔(12)、第二电磁阀出口支管(13)、第一限流孔 (14)、第一电磁阀出口支管(15)、连通大气管(16)，与电磁阀进口总管(4) 相连的连接电池出口管(2)分三路，第一路经第一电磁阀进口支管(1)、第一电 磁阀(3)、第一限流孔(14)至第一电磁阀出口支管(15)，第二路经第二电磁阀 进口支管(5)、第二电磁阀(6)、第二限流孔(12)至第二电磁阀出口支管(13)， 第三路经第三电磁阀进口支管(7)、第三电磁阀(8)、第三限流孔(9)至第三电 磁阀出口支管(10)，第一电磁阀出口支管(15)、第二电磁阀出口支管(13)、第 三电磁阀出口支管(10)汇成电磁阀出口总管(11)，电磁阀出口总管(11)与大 气相通。
2. 按照权利要求1所述用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器， 其特征在于：所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
3. 按照权利要求1所述用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器的 应用，其特征在于在燃料电池出口设置数字式变压操作执行器，利用所述数字式 变压操作执行器实现燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、 低排气量的状态下输出低功率，具体为：
1)根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找 出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v1，电池输出功率，输出电 压、输出电流、空压机消耗的功率；
2)根据所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系数根据实际系 统运行数据回归得出：
函数关系式    1v1＝α×P
函数关系式    2p＝β×v1
函数关系式    3N＝γ×pa×v1 b
符号说明：
v1：进气量(m3/hr)
P：电堆功率(kW)
p：系统压力(MPa)
N：空压机转速(rpm)
γ、α、β、a、b：函数回归系数；
3)在燃料电池出口设置具有三个开关电磁阀及限流板的数字式变压操作执行 器，通过三个阀开关状态不同组合成7档操作条件；
4)燃料电池的中央处理器根据上述模型预测当发动机需要发出某一功率P 时的系统所需的空气流量v、系统压力p，并根据这样的预测计算出所需空压机转 速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量V2，从而控制了燃料电池 的进气量及工作压力。

技术领域\n本发明涉及燃料电池发动机实现变压操作时所采用的一种数字式控制执行器 及应用。利用可靠性非常高的单元器件制成了机电一体化变压操作控制器，真正 实现了变压/变功率操作，大幅降低了低功率输出时的系统的内耗，提高了燃料电 池发动机的效率。\n背景技术\n目前燃料电池系统根据供气压力不同分为常压系统及加压系统，当采用风机 常压供气时，燃料电池系统以常压空气作氧化剂，它是根据电池预置空气利用率 和电池组工作电流密度控制风机的产气量，一般采用变频控制风机的转速来控制 产气量，其尾气需控制，过量氧气与氮气一起排入大气；当采用加压空气(如： 2bar)后，一般根据实验确定的空气利用率及电池组工作电流密度变频控制空压 机，进而控制其产气量，而加压操作中往往控制其尾气压力为恒定压力。\n发明内容\n本发明目的在于提供一种用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器 及应用，为燃料电池的变压操作提供了可实施方案。\n本发明的技术方案是：\n用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器，所述执行器包括第一电 磁阀进口支管、连接电池出口管、第一电磁阀、电磁阀进口总管、第二电磁阀进 口支管、第二电磁阀、第三电磁阀进口支管、第三电磁阀、第三限流孔、第三电 磁阀出口支管、电磁阀出口总管、第二限流孔、第二电磁阀出口支管、第一限流 孔、第一电磁阀出口支管、连通大气管，与电磁阀进口总管相连的连接电池出口 管分三路，第一路经第一电磁阀进口支管、第一电磁阀、第一限流孔至第一电磁 阀出口支管，第二路经第二电磁阀进口支管、第二电磁阀、第二限流孔至第二电 磁阀出口支管，第三路经第三电磁阀进口支管、第三电磁阀、第三限流孔至第三 电磁阀出口支管，第一电磁阀出口支管、第二电磁阀出口支管、第三电磁阀出口 支管汇成电磁阀出口总管，电磁阀出口总管与大气相通。\n所述用于燃料电池发动机系统的数字式变压操作执行器的应用，在燃料电池 出口设置数字式变压操作执行器，利用所述数字式变压操作执行器实现燃料电池 在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低排气量的状态下输出低功率， 具体为：\n1)根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找 出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v1，电池输出功率，输出电 压、输出电流、空压机消耗的功率；\n2)根据所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系数根据实际系 统运行数据回归得出：\n函数关系式1  v1＝α×P\n函数关系式2  p＝β×v1\n函数关系式3  N＝γ×pa×v1 b\n符号说明：\nv1：进气量(m3/hr)\nP：电堆功率(kW)\np：系统压力(MPa)\nN：空压机转速(rpm)\nγ、α、β、a、b：函数回归系数；\n3)在燃料电池出口设置具有三个开关电磁阀及限流板的数字式变压操作执行 器，通过三个阀开关状态不同组合成7档操作条件；\n4)燃料电池的中央处理器根据上述模型(函数关系)预测当发动机需要发出 某一功率P时的系统所需的空气流量v、系统压力p，并根据这样的预测计算出 所需空压机转速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量v2，从而控 制了燃料电池的进气量及工作压力。\n本发明的有益效果是：\n1、本发明针对只调空压机转速不能保证燃料电池在所需工作压力段连续可调 这一缺点，通过优化带限流孔的阀排列组合开关状态，使空气尾排形成由小到大 的局部阻力系数，每种开关状态下空压机有固定的转速，从而实现燃料电池工作 压力及排气量由低到高的数字化调节，实现了变压/变功率操作，大幅降低了低功 率输出时的系统的内耗，提高了燃料电池发动机的效率。\n附图说明\n图1为本发明结构示意图。\n图中1为第一电磁阀进口支管，2为连接电池出口管，3为第一电磁阀，4为 电磁阀进口总管，5为第二电磁阀进口支管，6为第二电磁阀，7为第三电磁阀进 口支管，8为第三电磁阀，9为第三限流孔，10为第三电磁阀出口支管，11为电 磁阀出口总管，12为第二限流孔，13为第二电磁阀出口支管，14为第一限流孔， 15为第一电磁阀出口支管，16为连通大气管。\n图2为本发明一个实施例变压操作曲线。\n具体实施方式\n如图1所示，执行器包括第一电磁阀进口支管1、连接电池出口管2、第一电 磁阀3、电磁阀进口总管4、第二电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第三电磁阀 进口支管7、第三电磁阀8、第三限流孔9、第三电磁阀出口支管10、电磁阀出口 总管11、第二限流孔12、第二电磁阀出口支管13、第一限流孔14、第一电磁阀 出口支管15、连通大气管16，与电磁阀进口总管4相连的连接电池出口管2分三 路，第一路经第一电磁阀进口支管1、第一电磁阀3、第一限流孔14至第一电磁 阀出口支管15，第二路经第二电磁阀进口支管5、第二电磁阀6、第二限流孔12 至第二电磁阀出口支管13，第三路经第三电磁阀进口支管7、第三电磁阀8、第 三限流孔9至第三电磁阀出口支管10，第一电磁阀出口支管15、第二电磁阀出口 支管13、第三电磁阀出口支管10汇成电磁阀出口总管11，电磁阀出口总管11 与大气相通。\n上述结构通过优化三个带限流孔的阀排列组合成7种组合开关状态，使空气 尾排形成7个由小到大的局部阻力系数把燃料电池分为7个工作点，这7种状态 下空压机有固定的转速，从而实现燃料电池工作压力及排气量由低到高的数字化 调节。\n变压操作具体实施办法如下：\n1、基本原则为燃料电池在高压力、高排气量的状态下输出高功率，低压、低 排气量的状态下输出低功率。\n2、根据实际工况的系统净输出功率、电池伏安特性曲线、空压机性能曲线找 出最高、最低工作点的燃料电池工作压力p，进气量v1，电池输出功率，输出电 压、输出电流、空压机消耗的功率。\n3、根据一个实例表1所测得的空压机数据整理成如下模型，模型中的具体系 数可根据实际系统运行数据回归得出：\n函数关系式1  v1＝α×P\n函数关系式2  p＝β×v1\n函数关系式3  N＝γ×pa×v1 b\n符号说明：\nv1：气量(m3/hr)\nP：电堆功率(kW)\np：系统压力(MPa)\nN：空压机转速(rpm)\nγ、α、β、a、b：函数回归系数\n4、在燃料电池出口设置有三个开关量阀及限流板，通过三个阀开关状态不同 组合成7档操作条件。\n5、燃料电池的中央处理器(ECU)根据上述模型(函数关系)预测当发动 机需要发出某一功率P时的系统所需的空气流量v、系统压力p，并根据这样的 预测计算出所需空压机转速N及每个阀的开关状态，有效的控制空压机的排气量 v2，即控制了燃料电池的进气量及工作压力。\n6、其中一个实例工作状态如图2，从而实现了燃料电池发动机系统的数字式 变压操作。\n表1  150KW空压机性能标定\n  功率   KW   尾排量   m3/h   进气压   力MPa   转速   rpm   150KW   空压机   输入电   压V   消耗功   率KW   电机温   度℃   出气温   度℃   8   31   0.048   505   6   367   4   23.8   26.4   33   114   0.072   1191   13.8   370   9   27.8   33   58   204   0.108   1865   24.3   366   15   34.9   40.7   84   294   0.114   2460   31.5   363.5   20   44.8   46.1   109   385   0.15   3088   41.2   359   26   51   51.7   134   485   0.155   3760   50.2   355   31   60   54.9   134   510   0.175   4000   54.2   351   33   65   59.4   160   570   0.193   4500   63   348   38   76.4   61