一种车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统和吹扫方法

摘要

一种车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统和吹扫方法，系统包括燃料电池、整车控制器、燃料电池控制器、动力输出继电器、空气泵、氢气尾排电磁阀、燃料电池温度采集装置和环境温度采集装置；控制方法是燃料电池控制器根据燃料电池温度和环境温度控制关机时空气泵的转速、氢气尾排电磁阀的排放周期和吹扫时长。本发明的有益效果是：吹扫过程依靠燃料电池发电系统本身发出的电力，可防止因关机吹扫导致的蓄电池馈电；吹扫不受时间限制，根据燃料电池和环境状态来确定，液态水吹扫的较彻底。

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池发电 系统关机吹扫控制系统和吹扫控制方法。

技术背景

现有技术中，车载燃料电池发电系统关机吹扫都是采取固定的方式进行， 收到整车的关机命令以后，切断燃料电池继电器，以蓄电池为主动力电源进行 吹扫，吹扫采用固定的方法，空气泵吹扫速率固定、尾排阀定时排放。现有技 术的不足是：1、由于不同的环境温度和不同的燃料电池温度下燃料电池内部的 液态水量是有差异的，不能根据不同的环境温度和燃料电池温度控制吹扫，达 不到最佳吹扫效果；2、吹扫是在燃料电池关闭状态下进行，需用辅助电源提供 吹扫动力，蓄电池的电量是有限的，一般最大不允许超过2分钟，如果吹扫时 间过长，辅助电源电量无法满足消耗需求，将出现馈电现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于车载燃料电池发电系统的关机吹扫控制系 统和控制方法，加强关机时对燃料电池发电系统内液态水吹扫，根据环境温度 与燃料电池温度来确定关机时的空气速率和氢气尾排周期，用燃料电池本身发 出的电量来满足吹扫要求，不用蓄电池供电，实现自身发电供自身吹扫使用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统，主要包括燃料电池、整车控 制器、燃料电池控制器、动力输出继电器、空气泵和氢气尾排电磁阀，整车控 制器与燃料电池控制器通过数据线通讯，燃料电池通过动力输出继电器向外输 出电量，燃料电池控制器通过数据线控制燃料电池的运行，其特征在于所述用 于车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统还包括燃料电池温度采集装置和环境 温度采集装置，燃料电池温度采集装置和环境温度采集装置通过数据线向燃料 电池控制器传输温度数据，燃料电池控制器根据获得的温度数据控制关机时吹 扫。

本发明所述的一种车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统的吹扫方法，包 括整车关机时用空气泵对燃料电池进行吹扫，其特征在于所述吹扫方法还包括 预关机过程，所述预关机过程包括以下步骤：

1)整车控制器发出整车关机信号后，燃料电池控制器发出预关机指令，使 燃料电池动力输出继电器保持吸合状态，保持空气泵运行和氢气尾排电磁阀运 行，控制燃料电池的空气和氢气的流量，使燃料电池处于满足吹扫所需功率的 输出状态；

2)根据燃料电池温度采集装置和环境温度采集装置采集的温度数据用相对 应的吹扫气体速率、尾排电磁阀排气周期和吹扫时长对燃料电池进行吹扫；

3)吹扫完成后，燃料电池控制器向整车控制器返回预关机完成信号，燃料 电池控制器切断燃料电池动力输出继电器，使燃料电池关机，同时整车控制器 切断其它辅助电源，完成关机。

本发明所述一种车载燃料电池发电系统的关机吹扫系统的吹扫方法，其特 征在于所述根据燃料电池温度采集装置和环境温度采集装置采集的温度数据用 相对应的吹扫气体速率、尾排电磁阀排气周期和吹扫时长对燃料电池进行吹扫 是：将燃料电池温度划分为m个温度区间，将环境温度划分为n个温度区间，m 和n为1～8的整数，每个温度区间对应一个温度范围，根据燃料电池温度采 集装置采集的温度所在的温度区间m和环境温度采集装置采集的温度所在的温 度区间n，确定该m和n组合下的吹扫气体速率、尾排电磁阀排气周期和吹扫 时长，燃料电池温度和环境温度低则吹扫气体速率高，尾排电磁阀排气周期短， 吹扫时长长。吹扫气体速率由空气泵的转速控制。

本发明的原理是：在不同环境温度和不同燃料电池温度下，燃料电池内的 反应生成的液态冷凝水的量是不同的，根据这种不同环境温度和不同燃料电池 温度下，燃料电池内的不同的液态水量控制吹扫气体的速率、氢气尾排电磁阀 排放周期和吹扫时长。同时，使燃料电池处于小功率发电状态，仅提供用于吹 扫的电力，由于功率较小，产生的水较少，并且在大的空气流量下，产生的水 很容易被吹扫净。理论上对化工工艺管线的吹扫流速一般要求不低于20米/秒， 本发明的燃料电池相当于工艺管线，按照化工管线要求对其吹扫，高流速、高 压力会加快物质的流动。通过调节空气泵的转速来提高燃料电池内的吹扫压力 和流量，进而提高吹扫流速，达到吹尽空气反应界面液态水的目的；调节氢气 尾排电磁阀的开合，脉冲排出燃料电池内氢反应界面，由于浓度差效应自空气 反应界面，渗透过来的液态水。

本发明的有益效果是：

1、以小输出功率提供足够大的气量的方式来吹扫燃料电池，燃料电池 在该功率下反应生成水也将被吹净；

2、吹扫过程不使用蓄电池的电量，依靠燃料电池发电系统本身发出的电 力，供应吹扫所需电量，可有效防止因关机吹扫导致的蓄电池馈电；

3、本发明吹扫不受时间限制，根据燃料电池和环境状态来确定吹扫方法， 液态水吹扫的较彻底。

附图说明

本发明有附图六幅，其中：

图1为本发明的车载燃料电池发电系统关机吹扫系统示意图；

图2为本发明车载燃料电池发电系统关机吹扫系统吹扫控制方法流程示意 图；

图3为现有技术车载燃料电池发电系统关机吹扫系统吹扫控制方法流程示 意图。

图4为实施例的关机吹扫系统吹扫控制方法流程示意图；

图5为本发明的试验结果曲线图；

图6为本发明的试验结果与现有技术试验结果曲线对比图。

附图中，1、整车控制器，2、燃料电池控制器，3、动力输出继电器，4、 环境温度采集装置，5、燃料电池温度采集装置，6、空气泵，7、氢气尾排电磁 阀，8、蓄电池，9、电流转换装置，10、驱动轮毂电机，11、燃料电池，12、 辅助电源，13、尾排湿度计，14、散热器，

101、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度T ≤0℃，电池温度t≤40℃，

202、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度T ≤0℃，电池温度t＞40℃，

303、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度0 ℃＜T≤10℃，电池温度t≤40℃，

404、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度 0℃＜T≤10℃，电池温度t＞40℃，

505、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度 10℃＜T≤20℃，电池温度t≤40℃，

606、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度 10℃＜T≤20℃，电池温度t＞40℃，

707、本发明方法的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：环境温度T ＞20℃，

110、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为：， 环境温度T≤0℃，电池温度t≤40℃，

220、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度T≤0℃，电池温度t＞40℃，

330、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度0℃＜T≤10℃，电池温度t≤40℃，

440、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度0℃＜T≤10℃，电池温度t＞40℃，

550、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度10℃＜T≤20℃，电池温度t≤40℃，

660、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度10℃＜T≤20℃，电池温度t＞40℃，

770、现有技术吹扫1.5分钟的相对湿度随时间变化实验曲线图，实验条件为： 环境温度T＞20℃。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

关机吹扫系统主要包括燃料电池、整车控制器、燃料电池控制器、动力输 出继电器、空气泵、氢气尾排电磁阀、燃料电池温度采集装置和环境温度采集 装置，整车控制器与燃料电池控制器通过数据线通讯，燃料电池通过动力输出 继电器向外输出电量，燃料电池控制器通过数据线控制燃料电池的运行，燃料 电池温度采集装置和环境温度采集装置通过数据线向燃料电池控制器传输温度 数据，燃料电池控制器根据获得的温度数据控制关机时吹扫。

吹扫方法包括整车关机时的预关机步骤和用空气泵对燃料电池进行吹扫， 预关机步骤包括以下步骤：

1)整车控制器发出整车关机信号后，燃料电池控制器发出预关机 指令，使燃料电池动力输出继电器保持吸合状态，断开动力输出继电器与电流 转换装置DC/DC(9)的连接，保持空气泵和氢气尾排电磁阀的连接，控制燃料 电池的空气和氢气的流量，使燃料电池处于小功率输出状态，满足吹扫燃料电 池所需的电量；

2)根据燃料电池温度采集装置和环境温度采集装置采集的温度数据用相对 应的吹扫气体速率、尾排电磁阀(7)排气周期和吹扫时长对燃料电池进行吹扫 是：将燃料电池温度划分为m个温度区间，将环境温度划分为n个温度区间，m 和n为1～8的整数，每个温度区间对应一个温度范围，根据燃料电池温度采 集装置采集的温度所在的温度区间m和环境温度采集装置采集的温度所在的温 度区间n，确定该m和n组合下的吹扫气体速率、尾排电磁阀(7)排气周期和 吹扫时长。

3)吹扫完成后，燃料电池控制器向整车控制器返回预关机完成信号，燃料 电池控制器切断燃料电池动力输出继电器，使燃料电池关机，同时整车控制器 切断其它辅助电源，完成关机。

实施例以车载额定40kW燃料电池发电系统为对象，采用8AH的蓄电池作为 启动电源，空气泵最大转速3600转，最大流量270m³/h，氢气尾排电磁阀CV 值1.1。整个系统置入环境仓内在不同的环境温度下运行，环境湿度控制在40％。 模拟车载匀速工况加载，每隔一分钟采集燃料电池湿度变化数据。关机吹扫步 骤如下：

①整车控制器1发出关机信号信息；

②燃料电池控制器2根据整车关机信号启动预关机命令，即当收到整车的 关机命令后，并不马上执行关机命令，而是执行预关机命令，进入预关机状态， 执行关机吹扫程序；

③保持氢气进气电磁阀开启，保持动力输出继电器3处于吸合状态，该状 态不是为了通过电流转换装置DC/DC9来使驱动电机10工作，而是为了不消耗 蓄电池8的电量，由燃料电池11本身发出的小功率电量提供用于吹扫的电力。 由于功率较小，产生的水较少，在很大的空气流量下，很容易吹净，对整个过 程没有太大影响。

④由环境温度采集装置4测取当前车载燃料电池发电系统外部环境温度 ，将环境温度信息引入燃料电池发电系统关机吹扫控制中，将环境温度划分为 四个温度区间，分别为：n1温度区间的温度为T≤0℃，n2温度区间的温度T 为0℃＜T≤10℃，n3温度区间的温度T为10℃＜T≤20℃，n4温度区间的温度 T为T＞20℃；

⑤由燃料电池温度采集装置5测取当前车载燃料电池温度，将车载燃料电 池温度划分为二个温度区间，分别为：m1温度区间的温度T为T≤40℃，m2 温度区间的温度T为T＞40℃；

⑥根据所述测取的环境温度所在的区间和测取的燃料电池温度所在的温 度区间的组合，确定空气泵6的转速和氢气尾排电磁阀7的开合周期；具体组 合状态及空气泵6的转速和氢气尾排电磁阀7的开合周期如下：

1)环境仓环境温度为-5℃，处于n1区间，环境湿度控制在40％，加载 10kW驱动电机，由于燃料电池连有散热器14，环境温度较低，使燃料电池温度 很难攀升，经10分钟运行，燃料电池温度为5℃，处于m1区间。该m1和n1 的组合，环境温度非常低，燃料电池温度也较低，燃料电池内部的水汽大部分 已凝结为液态水，为防止过低温度结冰给燃料电池造成损伤，该环境温度和燃 料电池温度组合下给定空气泵6转速为3000转/秒，经换算得燃料电池空气尾 排流速为28米/秒，高流量、高压力下，空气带来比较高的热量，使气态水不 容易凝结，也使已沉降下来的液态水气化，更容易吹出燃料电池。氢气尾排电 磁阀7排气周期2秒，开启1秒关闭1秒，由质子交换膜渗透到氢反应界面的 水在高频次脉冲压降下，有利于水的排出。吹扫15分钟后，尾排湿度计13测 量的湿度下降至43％，接近环境湿度40％，认为已吹扫完全，测试结果见图5 中曲线101。

环境仓环境温度和环境湿度保持不变，驱动电机载荷增加到20KW，经10 分钟运行，燃料电池温度上升到41℃，处于m2区间。环境温度很低，燃料电 池温度较高，此时燃料电池内部凝结的液态水较少，给定空气泵6转速3000 转/秒，尾排电磁阀7排气周期2秒，开启1秒关闭1秒。由于水以气态存在的 比例高，吹扫10分钟后，尾排湿度计13测量的湿度已下降至41％，燃料电池 内的水基本吹扫干净，测试结果见图5中曲线202。

2)环境仓环境温度为5℃，处于n2区间，环境湿度控制在40％，加载 10KW驱动电机，由于燃料电池连有散热器14，环境温度较低，使燃料电池温度 很难攀升，经10分钟运行，燃料电池温度达到23℃，燃料电池温度也较低， 处于m1区间。该m2和n2组合条件下，内部水汽大部分已凝结为液态水，需要 较高的流速吹扫，由于环境温度没有低于水的冰点，所以不会给燃料电池带来 损伤，为防止过大的气量吹扫使质子交换膜失水而偏干，又避免吹扫不干净引 起的腐蚀，给定空气泵6转速2500转/秒，经换算得燃料电池空气尾排流速达 到26米/秒，尾排电磁阀7排气周期3秒，开启1秒关闭2秒，该环境温度下 氢反应界面渗透过来的水较少，容易排出。吹扫10分钟后尾排湿度计13测量 的湿度已下降至43％，测试结果见图5中曲线303。

环境仓环境温度和环境湿度保持不变，驱动电机载荷增加到20KW，经10 分钟运行，燃料电池温度上升到48℃，处于m2区间。给定空气泵6转速2500 转/秒，尾排电磁阀7排气周期3秒，开启1秒关闭2秒。吹扫6分钟后尾排湿 度计13测量的湿度已下降至42％，测试结果见图5中曲线404。

3)环境仓环境温度为15℃，处于n2区间，环境湿度控制在40％，加载10KW 驱动电机，由于燃料电池连有散热器14，环境温度较低，使燃料电池温度很难 攀升，经10分钟运行，燃料电池温度达到38℃，处于m1区间。环境温度较高， 燃料电池内的水液态水含量不高，给定空气泵6转速2000转/秒，测得燃料电 池空气尾排流速达到23米/秒，尾排电磁阀7排气周期4秒，开启1秒关闭3 秒。吹扫6分钟后尾排湿度计13测量的湿度已下降至44％，测试结果见图5中 曲线505。

环境仓环境温度和环境湿度保持不变，驱动电机载荷增加到20KW，经10 分钟运行，燃料电池温度上升到55℃处于m2区间。这时燃料电池内水多以气 态形式存在，给定空气泵6转速2000转/秒，尾排电磁阀7排气周期4秒，开 启1秒关闭3秒。吹扫4分钟后尾排湿度计13测量的湿度已下降至43％，测试 结果见图5中曲线606。

4)环境仓环境温度为25℃，处于n2区间，环境湿度控制在40％，加载 10KW驱动电机，环境温度高，燃料电池温度上升很快，经10分钟运行，燃料 电池温度达到61℃，处于m1区间。由于环境温度很高，内部水均以气态存在， 则小气量足以带走大部分的水汽，而不会产生凝结，给定空气泵6转速1500 转/秒，测得燃料电池空气尾排流速达到21米/秒，渗透过来的氢反应界面水也 以气态存在，少量脉冲即可排出。尾排电磁阀7排气周期5秒，开启1秒关闭 4秒。吹扫2分钟后尾排湿度计13测量的湿度已下降至44％，测试结果见图5 中曲线707。

⑦当上述吹扫方法执行完毕后，返回关机码，同时发送给整车控制器1。

⑧关机码返回后，整车控制器1控制切断燃料电池动力输出继电器3，所 有燃料电池系统部件停止工作，整车控制器1根据关机码切断所有其它辅助电 源12供应，关机。

用现有技术方法做了对比测试，由于蓄电池电量的限制，只允许不同温度 下吹扫1.5分钟，空气泵6转速3000转，尾排电磁阀7排气周期5秒，开启1 秒关闭1秒脉冲式吹扫。测试结果是只有在环境温度高时，接近于吹扫完全， 具体测试结果见本发明实验结果与现有技术的对比曲线图6。