一种自加热融冰的空压机系统技术方案

本发明专利技术提供了一种自加热融冰的空压机系统，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。该系统包括空压机和控制器。其中，空压机包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机。该壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备。永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机。控制器，用于在空压机启动时，识别空压机内部存在低温结冰现象后，控制电机交轴电流I

【技术实现步骤摘要】
一种自加热融冰的空压机系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种自加热融冰的空压机系统。

技术介绍

[0002]随着在重卡等大型车辆上的应用，燃料电池系统的功率越来越大，导致空压机的功耗也越来越大。大功率燃料电池系统的尾排气体具有较高的能量，包括动能和热能，通过带有膨胀机的空压机回收燃料电池系统的尾排气体的能量可以有效降低空压机的功耗，进而提高燃料电池系统的综合能量利用效率。但是，尾排气体中通常混有较多的液态水和水蒸气，在低温冷启动时空压机膨胀端残留的液态水会结冰，进而导致涡轮与蜗壳卡滞，使得空压机无法正常开机。
[0003]现有技术有两种方法可以解决上述空压机膨胀端的结冰问题。第一种方法是在蜗壳表面增加水套，在冷启动开机之前通过加热水套内的水对涡轮蜗壳进行加热。但由于增加水套后空压机本体结构较为复杂，使得成本升高，同时使燃料电池系统的热管理架构亦变得复杂。第二种方法是在蜗壳外表面或其他位置安装PTC加热带，通过PTC加热带对涡轮蜗壳进行加热。但安装PTC加热带后亦使空压机的本体结构复杂化，且使燃料电池系统的电气架构变得复杂，同时成本升高。

技术实现思路

[0004]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种自加热融冰的空压机系统，用以解决现有测试工装不方便携带、更换、安全性差的问题。
[0005]一方面，本专利技术实施例提供了一种自加热融冰的空压机系统，包括空压机和控制器；其中，空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机；所述壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备；永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机；涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的尾气出口连接；控制器，用于在空压机启动时，识别空压机内部是否存在低温结冰现象；以及，如果存在，控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热，直到识别低温结冰现象已消除，再正常启动空压机。
[0006]上述技术方案的有益效果如下：利用电涡流加热和磁滞损耗加热的方法解决空压机的膨胀端在低温冷启动时的结冰问题。具体地，当空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳采用铁磁材料或在非铁磁材料表面覆盖铁磁材料的涂层时，永磁同步电机产生的交变磁场实现涡流加热的同时会使铁磁材料反复磁化，磁畴相互间不停的摩擦产生热量，即使得空压机的壳体、叶轮、涡轮、蜗壳等零部件温度升高，进而实现融冰功能。
[0007]基于上述系统的进一步改进，所述控制器进一步包括：
数据获取单元，用于实时获取空压机系统所处环境温度，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于在空压机启动时，根据接收到的环境温度判断空压机内部是否存在低温结冰现象；如果是，控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，同时，直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值大小的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热，在加热过程中识别空压机内部的低温结冰现象是否消除，直到消除后，再正常启动空压机。
[0008]进一步，所述数据获取单元进一步包括：环境温度传感器，设于空压机的外部环境中，用于获取布设位置处的环境温度，作为空压机系统所处环境温度；红外温度传感器，设有涡轮膨胀机的进气管道内壁上，用于获取布设位置处的环境温度，作为涡轮膨胀机的内部温度。
[0009]进一步，所述数据处理与控制单元执行如下程序：识别是否接收到燃料电池系统控制器发出的空压机启动信号；如果是，执行下一步；获取当前时刻空压机所处环境温度，判断空压机内部是否存在低温结冰现象；如果是，执行下一步，否则，正常启动空压机；控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，同时，控制直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值大小的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热；根据当前时刻空压机系统所处环境温度和涡轮膨胀机的内部温度得出加热时间t，直到达到加热时间t后判定空压机内部的低温结冰现象已消除，调整永磁同步电机的直轴电流I
d
=0，再正常启动空压机。
[0010]进一步，所述加热时间t通过下面公式确定：t=a（T2‑
T1）3+b（T2‑
T1）2+c（T2‑
T1）+dT2+e式中，T2为空压机系统所处环境温度，T1为涡轮膨胀机的内部温度，a、b、c、d、e为根据实验室内低温结冰现象消除的加热时间标定的系数。
[0011]进一步，该系统还包括流量控制阀；所述压气机的输出口经该流量控制阀接燃料电池电堆的空气入口；并且，所述涡轮膨胀机的涡轮和压气机的叶轮分别安装在永磁同步电机转轴的两端。
[0012]进一步，所述数据获取单元还包括:叶轮转速和扭矩监测子单元，用于监测压气机中叶轮的转速和扭矩，发送至数据处理与控制单元；并且，所述数据处理与控制单元还执行如下程序：启动空压机，获取压气机中叶轮的转速和扭矩；识别是否满足在预设时长内压气机中叶轮的转速持续为零并且压气机的扭矩高于设定扭矩，如果是，判定空压机内部存在低温结冰现象，否则，判定空压机内部不存在低温结冰现象。
[0013]进一步，所述数据获取单元还包括:气体温度
‑
流量一体传感器，设于涡轮膨胀机的进气口处，用于获取布设位置处的气体温度、流量；并且，
所述数据处理与控制单元还执行如下程序：在空压机启动后，根据气体温度
‑
流量一体传感器采集的气体温度、流量，对永磁同步电机的直轴电流I
d
的幅值和频率进行同步调整。
[0014]进一步，所述转轴通过高速滚动轴承或高速滑动轴承支撑在永磁同步电机的两端；并且，在所述涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池的排气口之间设置有流量分配阀。
[0015]进一步，所述加热时间t 为该环境温度下对涡壳进行加热达到消冰效果所需的最短加热时间。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：1、空压机在冷启动时先不进行转动，控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0、直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值的交流电流对空压机进行设定加热时间的电涡流加热，待融冰结束后再正常启动空压机。
[0017]2、通过电涡流加热和磁滞损耗加热两种原理的加热方式对空压机内部气体管路进行融冰，加热效果好，融冰速度快。
[0018]3、避免了采用加热水套和PTC加热带造成空压机结构复杂、成本升高、控制繁琐的问题。
[0019]4、增加了空气过滤网能够提高空压机的使用寿命，增加了流量分配阀，可根据需求对进入涡轮膨胀机内的尾气进行流量调整。
[0020]提供
技术实现思路
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。
技术实现思路
部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自加热融冰的空压机系统，其特征在于，包括空压机和控制器；其中，空压机进一步包括壳体和位于壳体内的永磁同步电机、压气机和涡轮膨胀机；所述壳体、压气机的叶轮、涡轮膨胀机的涡轮和蜗壳均采用铁磁材料或在非铁磁材料的表面覆盖铁磁材料涂层制备；永磁同步电机的转轴一端安装有压气机，另一端安装有涡轮膨胀机；涡轮膨胀机的回收气体入口与燃料电池电堆的尾气出口连接；控制器，用于在空压机启动时，识别空压机内部是否存在低温结冰现象；以及，如果存在，控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热，直到识别低温结冰现象已消除，再正常启动空压机。2.根据权利要求1所述的自加热融冰的空压机系统，其特征在于，所述控制器进一步包括：数据获取单元，用于实时获取空压机系统所处环境温度，发送至数据处理与控制单元；数据处理与控制单元，用于在空压机启动时，根据接收到的环境温度判断空压机内部是否存在低温结冰现象；如果是，控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，同时，直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值大小的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热，在加热过程中识别空压机内部的低温结冰现象是否消除，直到消除后，再正常启动空压机。3.根据权利要求2所述的自加热融冰的空压机系统，其特征在于，所述数据获取单元进一步包括：环境温度传感器，设于空压机的外部环境中，用于获取布设位置处的环境温度，作为空压机系统所处环境温度；红外温度传感器，设有涡轮膨胀机的进气管道内壁上，用于获取布设位置处的环境温度，作为涡轮膨胀机的内部温度。4.根据权利要求3所述的自加热融冰的空压机系统，其特征在于，所述数据处理与控制单元执行如下程序：识别是否接收到燃料电池系统控制器发出的空压机启动信号；如果是，执行下一步；获取当前时刻空压机所处环境温度，判断空压机内部是否存在低温结冰现象；如果是，执行下一步，否则，正常启动空压机；控制永磁同步电机的交轴电流I
q
=0，同时，控制直轴电流I
d
为设定频率和设定幅值大小的交流电流，对空压机进行电涡流加热和磁滞损耗加热；根据当前时刻空压机系统所处环境温...

【专利技术属性】
技术研发人员：方川，李鹏伟，李飞强，高云庆，
申请(专利权)人：北京亿华通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：