氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种氢燃料电池发动机测试技术领域，尤其涉及的是一种氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种具有能量转换效率高、工作温度低、零污染、能量密度高等优点的新能源发电装置。它的最大优势在于它的工作温度适应性强，其最佳工作温度是80～90℃，在零下或者海拔高度高且室外温度低的环境下，依然能够保持正常运行工作。特别适合用于户外交通大、中型乘用及商用车辆的行驶动力提供。属于绿色环保、低耗能源。氢燃料电池属于是一种质子交换膜燃料电池。
3.对于燃料电池发动机(fce)本身技术研究和标准化测试，是实现氢能燃料电池发动机技术发展并取得实质性成果研究的关键点。技术研究需要理论做支撑，理论更需要通过大量试验去做验证，通常不同型号或不同制造厂商生产的发动机在测试过程中，都需要给予或满足发动机一些恒定测试工况的指标条件，满足这些恒定工况指标要求后，方能顺利完成发动机各项国标试验要求，得到各项发动机性能指标，实现对氢燃料电池发动机性研究分析。
4.整个测试过程，需要对恒定条件下的指标做到全程可监控，直至各项指标均能符合燃料电池发动机使用要求。据以往现场测试经验分析及发动机测试特性，氢燃料电池发动机带载验证国标特性试验项中，需要给燃料电池发动机系统提供的稳定的指标，主要有以下四个：入堆冷却水压力指标、发动机内循环加水排气指标、发动机出/入堆口温差、入堆口目标温度指标。
5.根据现场测试时，对燃料电池发动机冷却液入堆口压力的稳态指标的控制，是所有测试条件中最为关键的一环。燃料电池发动机系统测试中，对于精准控制内水循环压力极为重要，但是在实际运行过程中，受发动机带载功率变化的影响，伴随着发动机内循水泵转速不断变化调节，易造成水路入堆压力频繁波动，无法稳定控制；同时该指标未能够形程闭环控制逻辑，从而去稳定该入堆口的压力，更无法谈及在发动机变载时对入堆口目标压力的动态跟随调节。正因为如此，往往对发动机自身性能测试受到很大的制约，在发动机入堆口压力指标异常时，容易触发发动机入口压力高或低报警，造成发动机三级故障，发动机执行紧急动作停机。
6.传统的变频水泵采用转速标定的方法去处理入堆压力控制问题，在使用上不够灵活方便，当客户再次更换被测件时，或者发动机再次变载时，水泵转速与发动机的入堆压力的标定值需要重新更改调整，独立性不高，且还会对其他入堆目标温度指标等其他控制变量存在干扰。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已构成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.本实用新型所要解决的技术问题在于：如何解决目前的燃料电池发动机测试过程中，受发动机带载功率变化导致发动机内循环水泵转速不断变化，从而再次入堆压力频繁波动，造成发动机故障的问题。
9.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
10.氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，包括补水箱单元、主循环管道、增压管道、变频水泵、缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀、工控机；所述补水箱单元与氢燃料电池发动机通过主循环管道进行水循环连接，所述变频水平连接所述主循环管道上，所述缓冲压力罐、比例调节阀均与所述主循环管道连接，所述增压管道的两端分别连接所述补水箱单元与所述主循环管道，所述隔膜泵连接所述增压管道上，所述工控机与所述缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀均连接。
11.本实用新型中，补水箱单元与氢燃料电池发动机通过主循环管道进行水循环连接，在工控机内设置不同的入堆压力目标值，开启缓冲压力罐、比例调节阀和隔膜泵，对发动机入堆压力进行增压闭环控制时，缓冲压力罐配合隔膜泵增压，同时比例调节阀动态调节实际入堆压力，缓冲压力罐是的压力升高和下降均缓慢进行，有效的解决了入堆压力稳态值波动及动态超调量大的缺点，一方面使用比例阀独立调节，使得压力控制动态响应性得到提高，另一方面精准控制住了入堆压力，降低了台架主系统变频水泵能耗的增加。
12.优选的，还包括流量计，所述流量计连接所述主循环管道，所述流量计连接所述工控机。
13.优选的，所述主循环管道包括入堆管道和出堆管道，所述入堆管道与所述出堆管道的两端均分别连接所述补水箱单元和氢燃料电池发动机，所述缓冲压力罐连接所述入堆管道或出堆管道。
14.优选的，所述入堆管道上连接第一压力传感器，所述出堆管道上连接第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器与所述工控机连接。
15.优选的，所述入堆管道上连接第一电动开关阀，所述出堆管道上连接第二电动开关阀，所述第一电动开关阀与所述第二电动开关阀与所述工控机连接。
16.优选的，所述增压管道上还包括第三电动开关阀，所述出堆管道上还连接第四电动开关阀，第四电动开关阀位于所述变频水泵与所述补水箱单元之间，所述第三电动开关阀与所述第四电动开关阀与所述工控机连接。
17.优选的，还包括换热单元，所述换热单元所述主循环管道连接。
18.换热单元根据需要，在测试结束或需要换热时开启，实现对内循环中水温的控制。
19.优选的，所述补水箱单元包括补水箱本体、液位传感器、补水管道、第七电动开关阀，所述补水管道连接所述补水箱本体的顶部，所述液位传感器连接所述补水箱本体内部，所述第七电动开关阀连接所述补水管道，所述液位传感器与所述第七电动开关阀与所述工控机连接。
20.优选的，所述缓冲压力罐包括罐体、泄压阀、压力表、排气阀，所述泄压阀、所述压力表与所述排气阀连接所述罐体上，所述罐体的底部与所述主循环管道通过软管连接，软管上连接截止阀。
21.优选的，所述隔膜泵与所述主循环管道通过软管连接。
22.本实用新型的优点在于：
23.(1)本实用新型中，补水箱单元与氢燃料电池发动机通过主循环管道进行水循环连接，在工控机内设置不同的入堆压力目标值，开启缓冲压力罐、比例调节阀和隔膜泵，对发动机入堆压力进行增压闭环控制时，缓冲压力罐配合隔膜泵增压，同时比例调节阀动态调节实际入堆压力，缓冲压力罐是的压力升高和下降均缓慢进行，有效的解决了入堆压力稳态值波动及动态超调量大的缺点，一方面使用比例阀独立调节，使得压力控制动态响应性得到提高，另一方面精准控制住了入堆压力，降低了台架主系统变频水泵能耗的增加；避免了内循环回路中防止系统增压时，水冷系统测试台架内循环压力波动较大，所带来的水锤效应的发生，减少了对变频水泵的冲击；保证了装置中变频水泵正常运行使用和发动机内部压力的稳定，实现了氢燃料电池发动机在整个测试过程中，关键测试指标能够可控的目的，对氢燃料电池发动机测试试验起到一定的促进作用。
24.(2)通过液位传感器与第七电动开关阀，实现主动对补水箱本体进行补水，保证用水充足。
附图说明
25.图1是本实用新型实施例氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置的结构示意图；
26.图2是本实用新型实施例缓冲罐的结构示意图；
27.图3是本实用新型实施例氢燃料电池发动机测试台的冷却系统示意图；
28.图中标号：
29.1、补水箱单元；11、补水箱本体；12、液位传感器；13、第七电动开关阀；
30.2、入堆管道；21、比例调节阀；22、流量计；23、第一压力传感器；24、第一温度传感器；25、第一电动开关阀；
31.3、出堆管道；31、第四电动开关阀；32、变频水泵；33、缓冲压力罐；34、第二压力传感器；35、第二温度传感器；36、第二电动开关阀；
32.4、增压管道；41、第三电动开关阀；42、隔膜泵；
33.5、工控机；
34.6、换热单元；61、换热器；62、散热风扇；
35.7、第一直补水管道；71、第五电动开关阀；72、第一球阀；
36.8、排气管道；81、第六电动开关阀；82、第二球阀。
具体实施方式
37.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.实施例一：
39.如图1所示，氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，包括补水箱单元1、主循环
管道、增压管道4、工控机5，其中，主循环管道包括入堆管道2和出堆管道3，补水箱单元1放置在高位，所述入堆管道2与所述出堆管道3的一端均与所述补水箱单元1连接，所述入堆管道2与所述出堆管道3的另一端分别通过氢燃料电池发动机的外部对接口与氢燃料电池发动机连接，所述增压管道4的两端分别连接所述补水箱单元1与入堆管道2或出堆管道3，因主循环管道为一个循环水路，所以增压管道4可以与入堆管道2或出堆管道3连接，均能够提高管道内水压的作用。
40.在入堆管道2上依次连接比例调节阀21、流量计22、第一压力传感器23、第一温度传感器24、第一电动开关阀25；在增压管道4上连接第三电动开关阀41、隔膜泵42，增压管道4为软管；在出堆管道3上，依次连接第四电动开关阀31、变频水泵32、缓冲压力罐33、第二压力传感器34、第二温度传感器35、第二电动开关阀36。
41.需要说明的是，缓冲压力罐33可以与入堆管道2连接，也可以连接在出堆管道3上，均能够对进入氢燃料电池发动机内部的循环水起到压力调节的作用。
42.如图1、图2所示，缓冲压力罐33的底部通过软管与入堆管道2或出堆管道3连接，缓冲压力罐33包括罐体331、泄压阀332、压力表333、排气阀334，所述泄压阀332、所述压力表333与所述排气阀334连接所述罐体331上，所述罐体331的底部与所述主循环管道通过软管连接，软管上连接截止阀335。
43.罐体331为密闭容器，当主循环管道中的水压力升高时，可以在水压作用下进入罐体331并挤占空气体积，形成压缩空气，直到达到一个平衡点。当水压升高时水会进一步挤进罐体331，避免压力陡然上升。当水压降低时水会在空气作用下进入主循环管道避免压力陡然下降。根据罐体331大小、管道液体流量大小、以及安装位置的不同，可以起到缓冲各种原因引起的管道压力、流量波动、减小水锤效应。本实施例中，缓冲压力罐33与水冷系统台架的隔膜泵42、比例调节阀21配套使用，主要针对被测件(氢燃料电池发动机)对于入口处管道内的压力有一定要求的环境。通过在水冷系统台架上安装缓冲压力罐33，恒定隔膜泵42的输出压力，同时结合软件上的pid自动算法逻辑，动态调节比例调节阀21，对燃料电池发动机入堆口压力进行闭环控制，从而实现对发动机入口压力进准控制。
44.所述补水箱单元1包括补水箱本体11、液位传感器12、补水管道、第七电动开关阀13，所述补水管道连接所述补水箱本体11的顶部，所述液位传感器12连接所述补水箱本体11内部，所述第七电动开关阀13连接所述补水管道，所述液位传感器12与所述第七电动开关阀13与所述工控机5连接。
45.所述工控机5与上述所述缓冲压力罐33、隔膜泵42、比例调节阀21均连接，并与压力传感器、温度传感器、电动开关阀等各自阀门连接，实现控制过程。
46.本实施例的具体工作过程：
47.首先，打开第七电动开关阀13，由补水箱本体11通过顶端的补水管道进行加注补水，当液位达到高液位li1时，关闭第七电动开关阀13，此前可以在工控机5上进行设置高液位li1与低液位li2的数值，实现及时补水，但到达高液位时默认补水箱本体11补水已完成，停止补水；当水箱里的液位达到低液位li2时，plc程序上默认检测到补水箱本体11缺水，同时再次开启第七电动开关阀13进行补水，直至高液位停止。
48.再者，补水箱本体11内部的纯水通过入堆管道2、增压管道4注入发动机机内循环管道，出堆管道3用于排气，同时工控机5开启变频水泵32开启，调节转速缓慢运行至燃料发
动机需求的额定转速值，此时发动机内部容腔将会连通主循环管道和增压管道4进行加水循环排气动作，通过工控机5界面观察：(1)发动机水冷系统进出口压差值δ＝(p01-p02，由第一压力传感器23和第二压力传感器34获取)以及流量计22内流量值是否达到预设指标值；(2)观察补水箱本体11内液位与气泡等；满足上述条件可以判定加水排气完成，则燃料电池发发动机已经具备启堆前的带载测试条件。
49.因入堆压力低，容易造成燃料电池内部气压不稳，影响发动机输出效率；一般燃料电池发动机的阴极(空气)、阳极(氢气)及内部冷却水压力都是需要做到精准控制的，具体要求阳极压力略大于阴极压力，冷却水压力略大于阳极压力。为保证不会出现在不同功率下或因燃料电池发动机冷却水热胀冷缩或温度震荡带来的管道内部水压变化幅度大的问题；此时为了对燃料电池发动机内部入堆水压维持一个恒定压力输入值，因此就需要对入堆压力有所控制。
50.其次，当完成水路加水排气后，此时发动机在确保供氢、供电控制、安全保护状态正常情况下，对燃料电池发动机进行正常启堆带载或不同功率段下的加减载变化试验。打开测试上位机，进入测试界面，设定发动机入堆压力目标值，开启比例调节阀21自动模式，同时设定压力控制范围上下限(注意：下限值不能为0，防止因比例调节阀21失效，比例调节阀21关死，造成隔膜泵42反复增压，损坏电堆)，设定入堆压力pid参数三组，三组控制工况设定具体如下：第一种：0kpa＜δp＜1kpa(可设)；第二种：2kpa＞δp＞1kpa(可设)；第二种：δp＞2kpa(可设)(入堆压力上下限值及pid控制参数都是自由可设的，不同发动机会因带载功率不同，参数设定上会有所差异，具体以实际调试工况为准)。
51.最后，检查缓冲压力罐33，检查上位机软件控制操作及入/出堆口采样送显值。确保缓冲压力罐33及内部压力显示无问题，以及系统管道密封无漏水的情况下，开启隔膜泵42，对发动机入堆压力进行增压闭环控制(根据实际情况可以一直处于增压状态，也可以隔膜泵42、缓冲压力罐33间隔使用，具体根据被测件的测试情况)，缓冲压力罐33上设定机械压力表、手动泄放针阀及自动泄压阀。机械表头用于反馈罐体331内空气压力，若值指针压力为0无显示值，则需及时停止试验，检查罐体331及管道密封性及变频水泵32工作状态；手动泄放阀/自动泄压阀，用于保护缓冲压力罐33、与之连接的主循环管道上各部件以及发动机内部水压过高且软件程序死机或台架安全保护功能未开启情况下，无法关闭第三电动开关阀41且又无法正常停隔膜泵42泄压时，台架硬件上可以作出手动或自动的泄放保护动作。
52.本实施例通过开启缓冲压力罐33配合隔膜泵42增压，以及比例调节阀21动态调节实际入堆口压力，实现闭环控制，有效的解决了入堆压力稳态值波动及动态超调量大的缺点，一方面使用比例调节阀21独立调节，使得压力控制动态响应性得到提高；另一方面精准控制住了入堆压力，降低了台架主系统变频水泵32能耗的增加；在此之前变频水泵32，一方面需要提高转速维持入堆压力，一方面还需要动态控制转速以维持工作时流量满足发动机进出口温差实际稳态下的需要，因此在使用和控制上始终存在难以耦合关系，二者无法及时兼顾，本实用新型有效解决了该问题。
53.实施例二：
54.如图3所示，本实施例还包括换热单元6，所述换热单元6所述主循环管道连接。
55.换热单元6包括换热器61、外部循环散热管道、安装在外部循环散热管道上的蝶阀
以及散热风扇62。具体的，在入堆管道2和出堆管道3分别与换热器61连接。
56.换热单元6根据需要，在测试结束或需要换热时开启，实现对内循环中水温的控制。
57.实施例三：
58.如图3所示，在燃料电池发动机测试台中，所述冷却系统通常包括燃料电池发动机循环回路、以及发动机辅助装置回路，上述实施例一是燃料电池发动机循环回路；因此对于发动机辅助装置回路包括第一直补水管道7、排气管道8，所述第一直补水管道7的两端分别连接所述补水箱单元1、发动机辅助装置的直补水口，所述排气管道8的两端分别连接所述补水箱单元1、发动机辅助装置的排气口。
59.在测试前，第一直补水管道7与主循环管道一起使用，向整个燃料电池发动机测试台进行注水。
60.所述第一直补水管道7上连接第五电动开关阀71、第一球阀72，所述排气管道8上连接第六电动开关阀81、第二球阀82，所述第五电动开关阀71、所述第一球阀72、所述第六电动开关阀81、所述第二球阀82与所述工控机5连接。发动机辅助装置回路根据实际测试使用情况，在注水完成后可以关闭通路也可以不关闭。
61.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，包括补水箱单元、主循环管道、增压管道、变频水泵、缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀、工控机；所述补水箱单元与氢燃料电池发动机通过主循环管道进行水循环连接，所述变频水泵连接所述主循环管道上，所述缓冲压力罐、比例调节阀均与所述主循环管道连接，所述增压管道的两端分别连接所述补水箱单元与所述主循环管道，所述隔膜泵连接所述增压管道上，所述工控机与所述缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀均连接。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，还包括流量计，所述流量计连接所述主循环管道，所述流量计连接所述工控机。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述主循环管道包括入堆管道和出堆管道，所述入堆管道与所述出堆管道的两端均分别连接所述补水箱单元和氢燃料电池发动机，所述缓冲压力罐连接所述入堆管道或出堆管道。4.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述入堆管道上连接第一压力传感器，所述出堆管道上连接第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器与所述工控机连接。5.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述入堆管道上连接第一电动开关阀，所述出堆管道上连接第二电动开关阀，所述第一电动开关阀与所述第二电动开关阀与所述工控机连接。6.根据权利要求3所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述增压管道上还包括第三电动开关阀，所述出堆管道上还连接第四电动开关阀，第四电动开关阀位于所述变频水泵与所述补水箱单元之间，所述第三电动开关阀与所述第四电动开关阀与所述工控机连接。7.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，还包括换热单元，所述换热单元所述主循环管道连接。8.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述补水箱单元包括补水箱本体、液位传感器、补水管道、第七电动开关阀，所述补水管道连接所述补水箱本体的顶部，所述液位传感器连接所述补水箱本体内部，所述第七电动开关阀连接所述补水管道，所述液位传感器与所述第七电动开关阀与所述工控机连接。9.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述缓冲压力罐包括罐体、泄压阀、压力表、排气阀，所述泄压阀、所述压力表与所述排气阀连接所述罐体上，所述罐体的底部与所述主循环管道通过软管连接，软管上连接截止阀。10.根据权利要求1所述的氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，其特征在于，所述隔膜泵与所述主循环管道通过软管连接。

技术总结
本实用新型公开氢燃料电池发动机水路入堆压力控制装置，包括补水箱单元、主循环管道、增压管道、变频水泵、缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀、工控机；所述补水箱单元与氢燃料电池发动机通过主循环管道进行水循环连接，所述变频水平连接所述主循环管道上，所述缓冲压力罐、比例调节阀均与所述主循环管道连接，所述增压管道的两端分别连接所述补水箱单元与所述主循环管道，所述隔膜泵连接所述增压管道上，所述工控机与所述所述缓冲压力罐、隔膜泵、比例调节阀均连接。本实用新型的有益效果：有效的解决了入堆压力稳态值波动及动态超调量大的问题。大的问题。大的问题。


技术研发人员：骆再根 阚宏伟
受保护的技术使用者：科威尔（北京）技术开发有限公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/27