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CN114497642B - 一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法 - Google Patents

一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法 Download PDF

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CN114497642B CN202210396222.4A CN202210396222A CN114497642B CN 114497642 B CN114497642 B CN 114497642B CN 202210396222 A CN202210396222 A CN 202210396222A CN 114497642 B CN114497642 B CN 114497642B
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Abstract

本发明公开了一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法，包括：实时计算阳极侧渗透水流量；实时计算气液分离器的分离效率；通过所述阳极侧渗透水流量和所述气液分离器的分离效率计算得到所述气液分离器中的蓄水量；判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量；当所述蓄水量达到所述目标蓄水量时，则产生排水阀开启信号。本发明通过阳极侧渗透水流量和气液分离器的分离效率计算出气液分离器的蓄水量，避免了车辆颠簸造成的气液分离器中的水发生晃动，导致液位传感器出现误差触发排水信号，造成氢气的浪费，提高了系统的稳定性，降低了系统发生故障的风险。

Description

一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池回氢技术领域，特别是涉及一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法。
背景技术
燃料电池发动机是一种通过氢气与氧气反应产生电能的装置，在燃料电池发动机运行过程中，需要为发动机供应过量的氢气以保证发动机的性能，因此会产生氢气的浪费；为了避免氢气的浪费，过量的氢气经过气液分离器分离出液态水后通过氢气循环装置抽回到燃料电池发动机的氢气入口处，进行回收利用；气液分离器分离出的液态水在累积到一定程度后通过排水阀开启排出气液分离器腔体内。
目前，专利CN113559620A公布了自动排水排气的燃料电池氢能汽车气液分离器，分离出的液态水积累在气液分离器的底部，通过设置的液位传感器监测腔体内的液位，按照相应的控制要求进行排水排气。专利CN112331886A公布了一种燃料电池回氢装置，分离出的液态水储存在蓄水腔体内，蓄水腔体的上方设置有液位传感器，识别腔体内的液位，通过两个排水阀的控制实现气液分离腔体内水的排出，保证氢气压力的稳定。
燃料电池发动机气液分离器内布置有高低液位传感器，通过液位传感器来判断气液分离器内积累的水是否需要排出，一般的排水方法为：当高液位传感器检测到燃料电池气液分离器腔体内液位达到高液位时，开启排水阀，当低液位传感器检测到腔体内液位低时，关闭排水阀。
通过这种方法排水必须要通过液位传感器识别燃料电池气液分离器腔体内的液位，增加了整个系统的成本以及传感器失灵的风险，同时，当燃料电池发动机应用于整车场景的时候，由于车辆的颠簸很容易造成气液分离器腔体积累的液体发生摇晃，从而导致液位传感器检测出现偏差误测，进行提前排水，造成氢气浪费，导致故障发生。
综上所述可以看出，如何提高系统的稳定性，避免出现检测偏差是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法，避免了现有技术中车辆颠簸液位传感器出现偏差误测，进行提前排水，造成了氢气浪费。
为解决上述技术问题，本发明提供一种气液分离器的排水控制系统，包括：电流采集器，位于燃料电池发动机的电路中，用于实时采集电堆电流；
温度传感器，位于气液分离器外侧，用于实时采集环境温度；
气体流量检测器，位于所述气液分离器腔体内，用于实时检测气体流量；
上位机，用于将所述电堆电流和预设阳极水渗透参数输入阳极产水量模型计算阳极侧渗透的水流量；将所述环境温度和所述气体流量输入气液分离器效率模型计算气液分离器的分离效率，根据所述阳极侧渗透的水流量和所述气液分离器的分离效率，计算气液分离器的蓄水量，并判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量，产生排水阀开启信号。
优选地，还包括：
第一压力传感器，位于所述气液分离器外侧，用于实时检测环境压力；
第二压力传感器，位于所述气液分离器腔内，用于实时检测气液分离器腔体内的压力。
优选地，所述上位机还用于将所述环境压力和所述气液分离器腔内的压力输入排水流量模型计算排水阀排水流量。
优选地，所述上位机还用于将所述排水阀排水流量、目标排水量和最低排水量输入排水时长模型，计算排水阀开启时长。
本发明还提供了一种气液分离器的排水控制方法，包括：
实时计算阳极侧渗透水流量；
实时计算气液分离器的分离效率；
通过所述阳极侧渗透水流量和所述气液分离器的分离效率计算得到所述气液分离器中的蓄水量；
判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量；
当所述蓄水量达到所述目标蓄水量时，则产生排水阀开启信号。
优选地，所述实时计算阳极侧渗透水流量包括：
利用电流采集器实时采集电堆电流，根据所述电堆电流和预设阳极渗透参数计算得到所述阳极侧渗透水流量。
优选地，所述实时计算气液分离器的分离效率包括：
利用温度传感器实时检测环境温度，利用气体流量检测器实时检测气体流量，根据所述环境温度和所述气体流量计算所述气液分离器的分离效率。
优选地，所述蓄水量的计算公式为：
Figure 138732DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 589567DEST_PATH_IMAGE002
为蓄水量，
Figure 708833DEST_PATH_IMAGE003
为气液分离器的分离效率，
Figure 554298DEST_PATH_IMAGE004
为阳极侧渗透水流量。
优选地，还包括：
利用压力传感器实时采集气液分离器腔体内压力和大气压，根据所述气液分离器腔体内压力和所述大气压计算所述排水阀排水流量。
优选地，还包括：
根据所述预设蓄水量、最低蓄水量以及排水阀排水流量计算得到排水阀开启时长；
根据所述排水阀开启信号和所述排水阀开启时长控制排水阀进行排水。
本发明所提供的一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法，利用电流采集器实时采集电堆电流上传上位机，利用温度传感器采集环境温度上传至上位机，利用气体流量检测器实时检测气液分离器腔体内的气体流量上传至上位机，上位机用于将电堆电流和预设阳极水渗透参数输入阳极产水量模型计算阳极侧渗透的水流量，将所述环境温度和所述气体流量输入气液分离器效率模型计算气液分离器的分离效率，根据所述阳极侧渗透的水流量和所述气液分离器的分离效率，计算气液分离器的蓄水量，取代了液位传感器检测水位的高低，通过计算得到气液分离器的蓄水量，避免了车辆颠簸造成的气液分离器中的水发生晃动，导致液位传感器出现误差触发排水信号，造成氢气的浪费；然后上位机判断蓄水量是否大于预设蓄水量，是否触发排水信号，进行排水。本发明采用系统模型计算气液分离器中的蓄水量，避免了现有技术在采用液位传感器在车辆颠簸时检测出现偏差进行排水，造成氢气浪费，导致故障发生的缺陷，还可以省去使用安装在气液分离器上的液位传感器，本发明不会出现在振动过程中检测失真的情况，提高了氢气利用率，降低了系统发生故障的风险。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的气液分离器的排水控制系统结构示意图；
图2为本发明所提供的气液分离器的排水控制方法的第一种具体实施例的流程图；
图3为本发明所提供的气液分离器的排水控制方法的第二种具体实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种气液分离器的排水控制系统以及控制方法，采用计算的方式得到气液分离器中的蓄水量，避免采用液位传感器检测蓄水量振动情况下出现失真的情况，提高了氢气利用率，降低了系统成本以及系统发生故障的风险。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的气液分离器的排水控制系统结构示意图，具体详情如下：
电流采集器，位于燃料电池发动机的电路中，用于实时采集电堆电流；
温度传感器，位于气液分离器外侧，用于实时采集环境温度；
气体流量检测器，位于所述气液分离器腔体内，用于实时检测气体流量；
上位机，用于将所述电堆电流和预设阳极水渗透参数输入阳极产水量模型计算阳极侧渗透的水流量；将所述环境温度和所述气体流量输入气液分离器效率模型计算气液分离器的分离效率，根据所述阳极侧渗透的水流量和所述气液分离器的分离效率，计算气液分离器的蓄水量，并判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量，产生排水阀开启信号。
通过采集的数据计算阳极侧渗透的水流量和气液分离器的分离效率，上位机计算得到气液分离器的蓄水量，取代了传统的系统采用液位传感器采集的气液分离器内的蓄水量，本发明所采用的计算方法得到的蓄水量更加精准，避免了在振动情况下液位传感器失真的情况；
电流采集器位于燃料电池发动机的电路中实时采集电堆中的电流，通过阳极侧水渗透模块计算出阳极侧渗透的水流量，计算原理为：阳极侧水渗透流量为=电堆水生成流量×阳极水渗透系数，电堆水生成流量正比于工作电流，阳极水渗透系数通过试验测得。
温度传感器位于气液分离器外侧，用于实时采集环境温度上传至系统，也可以使用其他装置采集温度；气体流量检测器位于气液分离器腔内，用于实时检测气液分离器内的气体流量，也可以使用其他装置采集气体流量；通过环境温度和气体流量便可计算得到实时的气液分离器的分离效率；精准的采集与计算便可以计算得到气液分离器的蓄水量了。
通过排水流量模块中的压力传感器监测环境压力和气液分离器腔体内的压力，计算出排水阀排水流量，采集压力不仅仅包括压力传感器，其他采集压力的装置均可以。
最后将数据都上传至上位机（中央处理器），上位机实现精准的控制排水和排水时长。
本发明所提供的系统，通过精准的计算气液分离器内的蓄水量，取代了利用液位传感器检测蓄水量，避免了在振动情况下液位传感器失真造成浪费，本系统均是通过系统控制，精度更高，提高了氢气的利用率，同时降低了系统发生故障的风险，稳定性高。
请参考图2，图2为本发明所提供的气液分离器的排水控制方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S201：实时计算阳极侧渗透水流量；
步骤S202：实时计算气液分离器的分离效率；
步骤S203：通过所述阳极侧渗透水流量和所述气液分离器的分离效率计算得到所述气液分离器中的蓄水量；
步骤S204：判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量；
步骤S205：当所述蓄水量达到所述目标蓄水量时，则产生排水阀开启信号。
在本实施例中，首先实时计算阳极侧渗透水流量和气液分离器的分离效率；根据阳极侧渗透水流量和气液分离器的分离效率计算得到气液分离器中的蓄水量；避免了传统的气液分离器在振动的情况下，导致液位传感器检测失真，进行排水，导致氢气浪费，本发明并且不需要在气液分离器底部安装液位传感器，蓄水量是通过计算得到的，提高的检测水位的准确性；判断蓄水量是否达到预设蓄水量，达到排水量之后进行排水，从而实现精准控制提高了系统的稳定性。
基于上述实施例，本实施例对气液分离器排水控制方法进行更加详细的说明，请参考图3，图3为本发明所提供的气液分离器的排水控制方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S301：实时采集电堆电流结合阳极渗透参数计算阳极侧渗透水流量；
燃料电池发动机在运行过程中水在阴极侧生产，由于阴阳极侧的水浓度差，水会渗透到阳极侧，首先计算发动机运行时阴极侧水的生成量，水生成量正比于电流，其渗透到阳极侧的水为生成的水流量与水渗透系数的乘积。
燃料电池中电流的生成基于
Figure 250859DEST_PATH_IMAGE005
化学反应，单位时间内反应参与的物质越多，产生的电流越大，即氢气流量与工作电流成正相关关系。由上述化学反应方程式可知，氢气反应量与生成水量成正相关关系。因而电堆水生成流量正比于工作电流，计算公式如下：
Figure 489073DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 947999DEST_PATH_IMAGE007
为电堆水生成流量，单位为kg/s；
Figure 105311DEST_PATH_IMAGE008
为水的摩尔质量，为0.018kg/mol，
Figure 164533DEST_PATH_IMAGE009
为生成单位摩尔量的水转移的电荷摩尔数，此处
Figure 721286DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 815144DEST_PATH_IMAGE011
为法拉第常数，为96485C/mol。
燃料电池中的水在阴极侧产生，由于浓差原因向阳极侧渗透，从而使得未参与反应的氢气携带水共同流出电堆。因而在获得电堆生成水流量的基础上，需通过实验标定阳极水渗透系数，从而获得阳极侧水量。
阳极侧水渗透系数可以通过电堆测试台架测试得到，测试方法如下：
将电堆测试台架阳极尾排接入一个大容腔内，由于容腔足够大，尾排混合气流速降低，液态水通过重力作用聚集在腔体底部，从而收集得到液态水，混合气中的气态水含量通过湿度传感器测试得到。
阳极侧水渗透量为气态水量与液态水量之和，水渗透系数=(液态水量+气态水量)/水生成量。
阳极侧水渗透流量为：电堆水生成流量×阳极水渗透系数，电堆水生成流量正比于工作电流，阳极水渗透系数通过试验测得。
步骤S302：实时采集环境温度与气体流量，计算气液分离器的分离效率；
气液分离器效率模型：模型用于计算气液分离器的分离效率，气液分离器的分离效率与气体流量、环境温度相关。
气液分离器分离效率效率指携水氢气通过气液分离器后的分离出的水与分离前携带水含量的比值，通过实验测试获得。
具体实验手段如下：气液分离器前端喷水雾，保证气液分离器前端为氢气携带的水量为定值，并在气液分离器尾端收集水，气液分离器尾端收集水量与前端湿氢气含水量的比值，即为气液分离器分离效率。通过对不同温湿度条件下的工况点进行实验以获得气液分离器分离效率MAP图。
步骤S303：通过阳极侧渗透水流量和气液分离器的分离效率计算得到气液分离器中的蓄水量；
气液分离器内液态水含量计算方法为：电堆阳极渗透水流量×气液分离器分离效率，对其进行积分；计算公式为：
Figure 453278DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 858851DEST_PATH_IMAGE002
为蓄水量，
Figure 953715DEST_PATH_IMAGE012
为气液分离器的分离效率，
Figure 636501DEST_PATH_IMAGE004
为阳极侧渗透水流量。
步骤S304：判断蓄水量是否达到目标排水量；
步骤S305：当蓄水量达到目标排水量时，则产生排水阀开启动作信号；
当通过模型计算得到的气液分离器内蓄水量未达到目标排水量时，保持排水阀关闭，当模型计算得到的气液分离器内蓄水量达到目标蓄水量时，产生排水阀的开启动作信号，进行排水。
步骤S306：实时采集气液分离器的压力和大气压，计算排水阀的排水流量，并结合目标蓄水量和最低蓄水量计算排水阀开启时长；
由于要保持阳极侧的压力稳定，气液分离器内需保存一定的水量，控制时设置有低蓄水量，其值小于目标蓄水量，目标蓄水量-低蓄水量即为需要排出的水量，需要排出的水量÷排水阀排水流量便为阀体的开启时长。
其中，排水量排水流量通过伯努利方程计算得到，伯努利方程具体表述如下：
Figure 27293DEST_PATH_IMAGE013
根据伯努利方程可得：
Figure 654583DEST_PATH_IMAGE014
由于排水阀喉口截面积远小于蓄水腔体截面，排水阀喉口位置的流速远大于腔体内水的流速，即认为
Figure 303870DEST_PATH_IMAGE015
；忽略重力势能的变化，将伯努利方程简化为：
Figure 90430DEST_PATH_IMAGE016
则排水阀喉口处的流速
Figure 760445DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 15977DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 688529DEST_PATH_IMAGE019
为水的密度，为1000kg/m3，则排水流量
Figure 345907DEST_PATH_IMAGE020
为：
Figure 186824DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 178920DEST_PATH_IMAGE022
为排水阀喉口面积，
Figure 904430DEST_PATH_IMAGE023
为黏性损失系数，为阀体本身固有特性，出厂时由厂家提供。
排水时长为目标排水量÷排水速率，排水速率根据气液分离器腔体内压力与大气压的差值决定，计算方法为k*(气液分离器腔体内压力-大气压)，k由阀体的型号决定。
步骤S307：根据排水阀开启动作与排水阀开启时长进行排水。
在本实施例中，利用系统实时采集各种变量，计算得到渗水流量和气液分离器的分离效率，然后计算得到气液分离器内的蓄水量，避免了传统的气液分离器在振动的情况下，导致液位传感器检测失真，造成氢气浪费，导致故障发生的缺陷。当蓄水量达到目标蓄水量时，系统产生排水阀开启信号，计算需要排水的量以及排水效率，确定排水阀开启时长；根据排水阀开启信号和排水阀开启时长进行控制排水。本发明采用系统计算出蓄水量，取代了传统的液位传感器检测水位，同时也避免在振动时容易造成检测失真，导致氢气浪费的现象，提高了氢气的利用率以及系统的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的气液分离器的排水控制系统以及控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种燃料电池发动机气液分离器的排水控制系统，其特征在于，包括：
电流采集器，位于燃料电池发动机的电路中，用于实时采集燃料电池发动机的电堆电流；
温度传感器，位于气液分离器外侧，用于实时采集环境温度；
气体流量检测器，位于所述气液分离器腔体内，用于实时检测氢气的气体流量；
上位机，用于将所述电堆电流和预设阳极水渗透参数输入阳极产水量模型计算燃料电池发动机的阳极侧渗透的水流量；将所述环境温度和所述气体流量输入气液分离器效率模型计算气液分离器的分离效率，根据所述阳极侧渗透的水流量和所述气液分离器的分离效率，计算气液分离器的蓄水量，所述蓄水量的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为蓄水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为气液分离器的分离效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为阳极侧渗透的水流量；并判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量，当所述蓄水量达到所述目标蓄水量时，产生排水阀开启信号。
2.如权利要求1所述的燃料电池发动机气液分离器的排水控制系统，其特征在于，还包括：
第一压力传感器，位于所述气液分离器外侧，用于实时检测环境压力；
第二压力传感器，位于所述气液分离器腔内，用于实时检测气液分离器腔体内的压力。
3.如权利要求2所述的燃料电池发动机气液分离器的排水控制系统，其特征在于，所述上位机还用于将所述环境压力和所述气液分离器腔体内的压力输入排水流量模型计算排水阀排水流量。
4.如权利要求3所述的燃料电池发动机气液分离器的排水控制系统，其特征在于，所述上位机还用于将所述排水阀排水流量、目标排水量和最低排水量输入排水时长模型，计算排水阀开启时长。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的燃料电池发动机气液分离器的排水控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
实时计算阳极侧渗透的水流量；
实时计算气液分离器的分离效率；
通过所述阳极侧渗透的水流量和所述气液分离器的分离效率计算得到所述气液分离器中的蓄水量；
判断所述蓄水量是否达到目标蓄水量；
当所述蓄水量达到所述目标蓄水量时，则产生排水阀开启信号。
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