一种燃料电池系统及其控制方法及车辆与流程

1.本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统及其控制方法及车辆。


背景技术：

2.燃料电池新能源车辆，或以燃料电池新能源驱动的其它交通工具，是空气与燃料电池堆的氢气在催化剂的作用下，把化学转换为电能，电能再转换为动能。
3.我国，东西宽5,000km，南北长5,500km；海拔高度自西向东从4,000m-500m以下。气候条件存在着雾霾、缺氧、极寒、极热、高潮湿等；此外，海拔高度每上升1,000m，空气密度降低11％。
4.空气湿度越大，含氧量越低；pm2.5值越高，空气中的微尘、黏性化学附着物的值就越高。燃料电池新能源交通工具动力的核心，燃料电池堆在等量的氧气与等量的氢气，在催化剂的作用下产生电能。这就要求进入燃料电池堆的氧气必须做到等量、可控和能调节。
5.犹如为了适应空气稀薄的环境，起降拉萨等西藏机场的飞机发动机，与起降其它地区机场的飞机发动机是不一样的。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题，本发明的实施例提供了一种燃料电池系统及其控制方法及车辆，实现燃料电池堆的氧气量和氢气量均衡，保证燃料电池堆在不同环境下都能正常工作。
7.为了达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆，用于为车辆的动力系统提供电能；范德瓦尔斯利，包括进气口和出气口，所述出气口与所述燃料电池堆连通，用于将空气净化，并将净化后的空气输送给燃料电池堆；空气压缩机，与所述进气口连通，用于将外部空气送入范德瓦尔斯利；第一传感器，用于检测所述进气口处的空气流量；第二传感器，用于检测所述出气口处的空气流量；控制器，分别与所述空气压缩机、第一传感器和第二传感器通信连接，用于根据第一传感器和第二传感器的检测信号控制空气压缩机工作。本发明提供的燃料电池系统可实现燃料电池堆的氧气量和氢气量均衡，保证燃料电池堆在不同环境下都能正常工作。
9.在另一个可能的实现中，所述控制器还与范德瓦尔斯利通信连接，用于控制范德瓦尔斯利的运转速度与所述空气压缩机的运转速度匹配。
10.在另一个可能的实现中，所述控制器与所述车辆的中控系统通信连接，所述车辆的中控系统用于获取车辆的内部信息，所述车辆内部信息包括车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；
11.所述控制器用于根据车辆的内部信息控制所述空气压缩机工作。
12.在另一个可能的实现中，所述控制器与所述车辆的车联网系统通信连接，所述车辆的车联网系统用于获取车辆的外部信息，所述车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多
种；
13.所述控制器用于根据车辆的外部信息控制所述空气压缩机工作。
14.在另一个可能的实现中，燃料电池系统还包括滤袋和排水管路；所述滤袋与所述范德瓦尔斯利的排污口连通，用于收集所述范德瓦尔斯利排出的废物；所述排水管路分别与所述范德瓦尔斯利的排水口和车辆的排水管连通，用于将所述范德瓦尔斯利排出的废水排出车辆。
15.第二方面，本发明提供一种车辆，包括：动力系统，用于为车辆提供动力；
16.中控系统，用于获取车辆的内部信息，所述车辆内部信息包括车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；
17.车联网系统，用于获取车辆的外部信息，所述车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多种；
18.如第一方面所述的燃料电池系统；
19.其中，所述燃料电池系统的控制器分别与所述中控系统和车联网系统通信连接。
20.第三方面，本发明提供一种燃料电池系统的控制方法，应用于第一方面提供的燃料电池系统，该方法包括：控制器根据所述第一传感器和第二传感器的检测信号，控制所述空气压缩机工作。
21.在另一个可能的实现中，控制器控制所述范德瓦尔斯利的运转速度与所述空气压缩机的运转速度匹配。
22.在另一个可能的实现中，控制器根据所述车辆的外部信息和/或所述车辆的内部信息，控制所述空气压缩机工作。
23.在另一个可能的实现中，当车辆处于静止，且车辆内部的用电设备开启时，控制器控制所述空气压缩机以大于第一预设转速的转速工作。
24.在另一个可能的实现中，当车辆处于静止，且车辆内部的用电设备开启时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第一预设转速的转速工作；和/或
25.当车辆所处的环境温度小于预设温度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第二预设转速的转速工作；和/或
26.当所述车辆的行驶速度大于预设行驶速度，控制器控制所述空气压缩机以小于或等于第三预设转速的转速工作；和/或
27.当所述车辆所处的环境的空气质量的pm2.5大于预设阈值，或所述车辆所处的环境湿度大于预设湿度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第四预设转速的转速工作；和/或
28.当所述车辆所处的海拔高度大于预设海拔高度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第五预设转速的转速工作；
29.其中，所述第一预设转速等于所述第二预设转速且大于所述第五预设转速，所述第五预设转速大于所述第四预设转速，所述第四预设转速大于所述第三预设转速。
附图说明
30.下面对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍。
31.图1为本技术实施例提供的一种燃料电池系统的结构示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
33.在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体的连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.为了便于理解，将本文中可能涉及到的名词进行定义解释：
36.燃料电池堆(fuel cell stack)，国家标准(gb/t28816-2012/3.50)载明的释义是：由单电池、隔离板、冷却版、歧管和支承结构组成的设备，通过电化学反应把(通常)富氢气体和空气反应物转换成直流电、热和其它反应产物。
37.燃料电池系统(fuel cell)，国家标准(gb/t28816-2012/3.43)载明的释义是：将一种燃料和一种氧化剂的化学能直接转化为电能(直流电)、热和反应产物的电化学装置。
38.空气流量传感器(air flow sensor)亦称空气流量计，是燃料电池新能源交通工具的重要传感器之一。它是将吸入的空气流量转换为电信信号传递给控制器，即一种电控单元(ecu)。
39.电控单元：(electronic control unit，ecu)，是由集成电路组成的、实现对数据的分析处理和发送等一系列功能的控制装置。
40.空气压缩机(air compressor/air pump)，亦称气泵，是将原动机(一般情况下是电动机)的机械能转换为气体压力能得装置，通过调整转速(r/min)调节空气进气量。
41.范德瓦尔斯利(van der waals force)，是仿生“壁虎”爪吸盘功效的、采用物理旋风和化学吸附技术的空气净化装置，可以有效地将吸入空气质量pm2.5＞50μg/m3以上时，达到符合燃料电池堆运行的要求。
42.图1为本发明实施例提供的燃料电池系统的结构示意图。如图1所示，燃料电池系统包括：燃料电池堆10、范德瓦尔斯利20、空气压缩机30、传感器41、传感器42和控制器50，其中，燃料电池堆10用于为车辆的动力系统提供电能；范德瓦尔斯利20包括进气口和出气口，出气口与燃料电池堆10连通，用于将空气净化，并将净化后的空气输送给燃料电池堆10；空气压缩机30与范德瓦尔斯利20的进气口连通，用于将外部空气送入范德瓦尔斯利20；传感器41(即第一传感器)用于检测范德瓦尔斯利20的进气口处的空气流量；传感器42(即第二传感器)，用于检测范德瓦尔斯利20的出气口处的空气流量；控制器50分别与空气压缩机30、传感器41和传感器42通信连接，用于根据传感器41和传感器42的检测信号控制空气压缩机30工作。
43.通过在范德瓦尔斯利的前端和后端分别增设传感器，检测进入范德瓦尔斯利的空气流量和进入燃料电池堆的空气流量，控制器分别根据范德瓦尔斯利的前端和后端的进气
量，控制空气压缩机工作，以实现燃料电池堆在不同环境下的氧气量和氢气量均衡，保证燃料电池堆在不同环境下都能正常工作。
44.传感器41：置于范德瓦尔斯利前端，当车辆启动时，即开始采集空气进气流量和流速等综合信息，并实时传输给控制器。
45.控制器50：是车辆总线(can car或can bus)的单元子系统，具有如下功能：接受传感器41和传感器42输入的检测信号；将输入的模拟信号转换为数字信号；存储、计算和分析处理信息；输出执行信号以完成进气量控制。
46.空气压缩机30：受控于控制器，为车辆的燃料电池系统输送空气的装置，可选的，空气压缩机30为涡轮式空气压缩机。
47.范德瓦尔斯利20装置：受控于控制器的一种空气净化装置，在不加装智能分析子系统前提下，是一种被动式的机械空气净化器，处理空气质量的有效率可达99.90％；亦被称之为燃料电池新能源车辆运行和燃料电池堆寿命的“守护神”。
48.传感器42：置于燃料电池系统内范德瓦尔斯利末端，用于采集范德瓦尔斯利末端、进入燃料电池堆之前的空气流量等信息，并传输控制器。传感器42将检测信号反馈给控制器，控制器调整空气压缩机的工作效率，以确保进入燃料电池堆的空气，在其运行额定量的区间；
49.在一种示例中，传感器41和传感器42可以为空气流量传感器直接检测范德瓦尔斯利的前端和后端的空气流量。
50.在另一个示例中，传感器41和传感器42也可以为空气压力传感器，传感器41检测范德瓦尔斯利进气口处的空气流量，传感器42范德瓦尔斯利出气口处的空气流量，也即进入燃料电池堆的空气流量；空气压力传感器不同于空气流量传感器，空气流量传感器信号传输不稳定。另外，空气压力传感器比空气流量传感器更经济、更可靠。
51.继续参见图1，控制器50还与范德瓦尔斯利20通信连接，用于控制范德瓦尔斯利20的运转速度与空气压缩机30的运转速度匹配。例如，当空气压缩机30的转速增大，进气量加大时，范德瓦尔斯利20的转速也增大，增加空气净化效率，当空气压缩机30的转速减小，进气量减小时，范德瓦尔斯利20的转速也减小，降低空气净化效率，净化效率与进气量匹配，节省电能。
52.可以理解的是，范德瓦尔斯利20的运转速度与空气压缩机30的运转速度匹配的含义为：范德瓦尔斯利20的净化效率和空气压缩机30泵入范德瓦尔斯利20内的空气量匹配，也就是说，保证范德瓦尔斯利20正好可以将进入的空气净化完全。
53.继续参见图1，燃料电池系统还包括滤袋71和排水管路72；滤袋71与范德瓦尔斯利20的排污口连通，用于收集范德瓦尔斯利20排出的废物，例如，收集范德瓦尔斯利分离出来的微尘和杂质。可选的，滤袋71可为布制容器，可定期清洁或更换。排水管路72分别与范德瓦尔斯利20的排水口和车辆的排水管连通，用于将范德瓦尔斯利20排出的废水排出车辆，例如，范德瓦尔斯利20装置从空气中分离出来的黏性化学附着物，经过中和处理后水化，通过与车辆的排水管连通的排水管路72，排出车辆。
54.在一个示例中，控制器与车辆的中控系统通信连接，车辆的中控系统用于获取车辆的内部信息，车辆内部信息包括但不限于车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；控制器用于根据车辆的内部信息控制空气压缩机工作。
55.在另一个示例中，控制器与车辆的车联网系统通信连接，车辆的车联网系统用于获取车辆的外部信息，车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多种；控制器用于根据车辆的外部信息控制空气压缩机工作。
56.本发明的实施例还提供一种车辆，包括：
57.动力系统，用于为车辆提供动力；
58.中控系统，用于获取车辆的内部信息，所述车辆内部信息包括车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；
59.车联网系统，用于获取车辆的外部信息，所述车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多种；
60.如上文所述的燃料电池系统；
61.其中，燃料电池系统的控制器分别与所述中控系统和车联网系统通信连接。
62.本发明实施例提供的车辆包括但不限于轿车、suv、mpv、大巴车、货车、农用车等车辆。
63.本发明实施例还提供一种燃料电池系统的控制方法，可应用于图1所示的燃料电池系统，该方法包括：控制器根据传感器41和传感器42的检测信号，控制空气压缩机工作。
64.传感器4和传感器42分别采集进入范德瓦尔斯利和流出范德瓦尔斯利的空气流量数据，并高效率实时传输给了控制器，控制器根据其检测信号空气压缩机工作，以实现了燃料电池堆内清洁氧气与氢气的“能量守恒”，就确保了燃料电池新能源车辆最核心的化学能可以转换成为电能。
65.例如，当车辆启动，位于范德瓦尔斯利前端的传感器41即开始工作，并将信号传输给控制器，控制器控制空气压缩机启动，向范德瓦尔斯利装置输送空气；位于范德瓦尔斯利后端的传感器42，对经过范德瓦尔斯利处理过的、进入燃料电池堆的空气波峰波谷值进行数据采集，并传输给控制器；控制器对传感器数据分析、处理后，指令空气压缩机加大或减少转速，来调节空气进气量，保证燃料电池系统的正常高效的工作。
66.在另一个示例中，控制器控制范德瓦尔斯利的运转速度与空气压缩机的运转速度匹配。即当控制器将控制数据传输给空气压缩机时，同步传输给范德瓦尔斯利，以使范德瓦尔斯利与空气压缩机同步提高或降低运行频率。
67.在另一个示例中，控制器根据车辆的外部信息和/或车辆的内部信息和/或传感器41和传感器42的检测信号，控制空气压缩机工作。
68.例如，当车辆处于静止，且车辆内部的用电设备开启时，控制器控制空气压缩机以大于获得等于第一预设转速的转速工作，可选的，第一预设转速为11000r/min。
69.当控制器通过车辆的中控系统得知，车辆的内部信息为，车辆速度为0即处于静止，同时车辆开启需要消耗电能的照明和冷/热系统，则控制器控制空气压缩机较车辆正常行驶状态时提高转速(例如转速提高至11000r/min)，以增加进气量。
70.当车辆所处的环境温度小于预设温度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第二预设转速的转速工作，可选的，第二预设转速为11000r/min。
71.例如，车辆的车联网系统通过定位得知车辆所处的位置信息，然后通过网络查询
该位置的温度信息，控制器通过车联网得知车辆所处环境的温度处于-20℃以下自然环境启动时，为了给燃料电池堆预热，则控制器控制空气压缩机较车辆正常行驶状态时提高转速(例如转速提高至11000r/min)，以增加进气量。
72.当所述车辆的行驶速度大于预设行驶速度，控制器控制所述空气压缩机以小于或等于第三预设转速的转速工作，可选的，第三预设转速为2000r/min。
73.例如，当控制器从车辆的中控系统得知车辆的行驶速度＞70km/h(当车速100km/h时，顺风行驶，空气进气压力＞10级风；顺风行驶，空气进气压力≈10级风)时，风阻值吹入的空气量处于高位数值，则控制器控制空气压缩机较车辆正常行驶状态时降低转速(例如转速降低至2000r/min)。
74.或者，当所述车辆所处的环境的空气质量的pm2.5大于预设阈值，或所述车辆所处的环境湿度大于预设湿度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第四预设转速的转速工作，可选的，可选的，第四预设转速为5000r/min。
75.例如，车辆的车联网系统通过定位得知车辆当前的位置信息，然后通过网络查询该位置的空气质量信息，当pm2.5＞50μg/m3以上，或空气相对湿度＞75％以上时，空气中微尘、黏性化学附着物量增大，或空气中的含氧量降低，传感器41采集到的空气进气量＞与传感器42的进气量，则控制器控制空气压缩机较车辆正常行驶状态时提高转速(例如转速提高至5000r/min)。
76.或者，当所述车辆所处的海拔高度大于预设海拔高度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第五预设转速的转速工作，可选的，第五预设转速为8000r/min。
77.例如，车辆的车联网系统通过定位得知车辆当前的位置信息，然后通过网络查询该位置的海拔，当车辆在海拔3,000m以上运行时，空气中的氧气含量降低，则控制器控制空气压缩机较车辆正常行驶状态时提高转速(例如转速提高至8000r/min)，增加空气进气量，弥补氧气含量的不足。
78.本技术实施例公开的燃料电池系统及其控制方法，使不规则、不均衡的进气量得到了高效调控。燃料电池新能源车辆持久高效运行、燃料电池堆寿命峰值，依赖于进入燃料电池堆空气的洁净度，且必须与燃料电池堆释放的氢气均等均衡。传感器41和传感器42综合实时采集和输送给控制器的空气进气量信息，确保了这种均等均衡。
79.需要解释的是，上文提及的车辆正常行驶状态的含义为：车辆在空气质量较好时，例如pm2.5《25μg/m3，空气相对湿度《50％，在平原地区的平整路段以60km/h的速度行驶的状态，此时空气压缩机的转速为4000r/min。
80.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以适合的方式结合。
81.最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：燃料电池堆，用于为车辆的动力系统提供电能；范德瓦尔斯利，包括进气口和出气口，所述出气口与所述燃料电池堆连通，用于将空气净化，并将净化后的空气输送给燃料电池堆；空气压缩机，与所述进气口连通，用于将外部空气送入范德瓦尔斯利；第一传感器，用于检测所述进气口处的空气流量；第二传感器，用于检测所述出气口处的空气流量；控制器，分别与所述空气压缩机、第一传感器和第二传感器通信连接，用于根据第一传感器和第二传感器的检测信号控制空气压缩机工作。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器还与范德瓦尔斯利通信连接，用于控制范德瓦尔斯利的运转速度与所述空气压缩机的运转速度匹配。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器与所述车辆的中控系统通信连接，所述车辆的中控系统用于获取车辆的内部信息，所述车辆内部信息包括车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；所述控制器用于根据车辆的内部信息控制所述空气压缩机工作。4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器与所述车辆的车联网系统通信连接，所述车辆的车联网系统用于获取车辆的外部信息，所述车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多种；所述控制器用于根据车辆的外部信息控制所述空气压缩机工作。5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括滤袋和排水管路；所述滤袋与所述范德瓦尔斯利的排污口连通，用于收集所述范德瓦尔斯利排出的废物；所述排水管路分别与所述范德瓦尔斯利的排水口和车辆的排水管连通，用于将所述范德瓦尔斯利排出的废水排出车辆。6.一种车辆，其特征在于，包括：动力系统，用于为车辆提供动力；中控系统，用于获取车辆的内部信息，所述车辆内部信息包括车辆的速度信息和/或车辆的用电信息；车联网系统，用于获取车辆的外部信息，所述车辆的外部信息包括车辆所处的环境温度、车辆所处的海拔高度、车辆所处的环境湿度、车辆所处的环境的空气质量中的一种或多种；如权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统；其中，所述燃料电池系统的控制器分别与所述中控系统和车联网系统通信连接。7.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，可应用于权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统，所述方法包括：控制器根据所述第一传感器和第二传感器的检测信号，控制所述空气压缩机工作。8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，控制器控制所述范德瓦尔斯利的运转
速度与所述空气压缩机的运转速度匹配。9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，控制器根据所述车辆的外部信息和/或所述车辆的内部信息，控制所述空气压缩机工作。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，当车辆处于静止，且车辆内部的用电设备开启时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第一预设转速的转速工作；和/或当车辆所处的环境温度小于预设温度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第二预设转速的转速工作；和/或当所述车辆的行驶速度大于预设行驶速度，控制器控制所述空气压缩机以小于或等于第三预设转速的转速工作；和/或当所述车辆所处的环境的空气质量的pm2.5大于预设阈值，或所述车辆所处的环境湿度大于预设湿度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第四预设转速的转速工作；和/或当所述车辆所处的海拔高度大于预设海拔高度时，控制器控制所述空气压缩机以大于或等于第五预设转速的转速工作；其中，所述第一预设转速等于所述第二预设转速且大于所述第五预设转速，所述第五预设转速大于所述第四预设转速，所述第四预设转速大于所述第三预设转速。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆，用于为所述车辆的动力系统提供电能；范德瓦尔斯利，包括进气口和出气口，所述出气口与所述燃料电池堆连通，用于将空气净化，并将净化后的空气输送给燃料电池堆；空气压缩机，与所述进气口连通，用于将外部空气送入范德瓦尔斯利；第一传感器，用于检测所述进气口处的空气流量；第二传感器，用于检测所述出气口处的空气流量；控制器，分别与所述空气压缩机、第一传感器和第二传感器通信连接，用于根据第一传感器和第二传感器的检测信号控制空气压缩机工作。本发明提供的燃料电池系统可实现燃料电池堆的氧气量和氢气量均衡，保证燃料电池堆在不同环境下都能正常工作。电池堆在不同环境下都能正常工作。电池堆在不同环境下都能正常工作。


技术研发人员：童萌萌 童燕平
受保护的技术使用者：上海福唯力丁新能源科技有限公司
技术研发日：2021.12.21
技术公布日：2023/6/27