如何优化燃料电池汽车停车前的排水策略？

本篇现代汽车专利提出了一种优化燃料电池汽车排水的控制策略。该方案在车辆到达停车位置之前有效地排放燃料电池系统中的水，当燃料电池车接近停车位置时，可以预测排水时间，以确定多余的水是否已经从燃料电池系统中排出。如需本篇专利原文及相关技术解决方案，详见文末！

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种广泛使用的车用燃料电池技术。PEMFC一般包括固体聚合物电解质-质子交换膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括均匀分布的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，支撑在碳颗粒上，并与离子聚合物混合。催化剂混合物沉积在质子交换膜的两侧。阳极催化层、阴极催化层和质子交换膜组成了膜电极组件(MEA)。

通常将几个燃料电池组合在一个燃料电池电堆中以产生所需的功率。一个车用燃料电池电堆一般包括大约300-400片燃料电池。燃料电池电堆又包括一系列位于堆内多个MEA之间的流场或双极板。在双极板的阳极侧设有阳极气体流动通道，允许阳极气体流向MEA的阳极侧。在双极板的阴极侧设有阴极气体流动通道，允许阴极气体流向MEA的阴极侧。双极板之间还包括冷却流体流经的通道。

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存在问题

燃料电池汽车在运行过程中会产生大量水分。当车辆关闭时，这些多余的水分可能滞留在燃料电池系统中。在低温环境下，为防止燃料电池系统和整个系统因结冰而受损，需要将多余的水分从车辆中排出。一些燃料电池汽车选择在停车时自动清除燃料电池系统中的积水。然而，在寒冷的天气条件下，排放的水可能在车辆停放处结冰，这不仅可能导致车辆周围的地面结冰，还可能给操作人员和旁观者带来安全隐患。

在此排水过程中，空压机通常需要以最大速度运行，以有效地排出燃料电池系统中的水分。然而，这种高速运行可能导致空压机产生较大的噪音，不仅给操作人员带来不便，还可能影响到周围居民或路人的安宁。

目前，为了避免结冰问题，车辆操作员需要在到达目的地之前手动按下排水按钮，以排出多余的水分。这一步骤虽然有效，但增加了操作的复杂性和对操作员的依赖。

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专利方案

本专利介绍了一种优化的燃料电池汽车排水控制策略，旨在确保车辆在抵达停车位置前能够高效地排出燃料电池系统中积存的水分。具体实施方案如图1所示，展示了燃料电池汽车接近停车点时，排水时间预测计算的流程图。

该策略的核心在于一个先进的控制器，它能够与一系列传感器和指示器进行通信。这些包括环境温度传感器、全球定位系统（GPS）、导航输入、配置为存储表格的存储器、车辆速度传感器、空压机以及燃料电池状态指示器。控制器实时检测并整合来自这些设备的数据读数，以精确判断最佳的排水时机和排水量。

通过这一创新的排水控制策略，燃料电池汽车能够在寒冷环境中更加安全、可靠地运行，避免了因水分结冰而可能导致的系统损坏和安全隐患。同时，该策略还优化了排水操作的效率，减少了操作人员的手动干预，提升了用户体验。

图1 燃料电池排水时间预测计算的流程图

如图1流程所示：

流程110：控制器根据接收到的环境温度的读数，然后判断环境温度是否满足温度阈值来确定环境温度级别。例如，控制器可以配置为根据温度低于10℃左右和高于- 20℃左右来判断环境温度级别为一级，具体温度级别可以参考表1来制定。

表1 环温温度等级图

流程120：当温度检测低于阈值时，可以通过GPS或导航确定车辆是否正在接近停车位置？例如，控制器可以通过预计在不到三分钟内到达的车辆来确定估计到达时间满足三分钟的时间阈值。阈值可以是车辆与停车位置之间的距离。例如，控制器可以确定车辆距离停止位置不到两英里，满足车辆接近停止位置的两英里阈值。

流程130：控制器根据燃料电池系统功率确定燃料电池系统排放水的预定时间。具体可以参考表2(即发电量-时间表)，发电量可以通过对燃料电池电流随时间的积分来计算。该时间表提供的预定持续时间可以代表空压机以最大空压机速度运行时从燃料电池中清除多余水分所需的最小持续时间。

表2 发电量-时间表

流程140：在车辆行驶过程中，燃料电池组可能处于怠速或停止状态，特别是在车辆行驶或燃料电池组不发电的情况下。为了清除燃料电池系统中的多余水分，空压机可以在燃料电池系统怠速或停止时保持相应的空压机速度。

流程150: 控制器可以配置空压机速度系数。维持的空压机速度可以是最大空压机速度的一个百分比。这个百分比可能是空压机的速度系数。空压机速度因子可以指示与最大空压机速度从燃料电池系统中除去多余水的速度相比所保持的空压机速度除去多余水的速度。例如，空压机转速系数0.30可能对应于空压机最大转速为75000 RPM时，空压机保持的转速为25000 RPM。

流程160: 控制器可以计算水排放时间。控制器根据燃料电池系统怠速或停止以及燃料电池车辆行驶的时间长度、空压机速度系数和维持的空压机速度计算出水时间预测。确定在燃料电池系统怠速或停止且燃料电池车辆行驶时所维持的空压机速度持续的时间长度。

例如，燃料电池车辆以每小时80公里的速度行驶20秒，在此期间，维持的空压机速度为50,000 RPM，当燃料电池系统怠速或在环境温度水平为二级时停止。控制器可以配置为通过空压机速度因子缩放或减少此时间长度(例如，约20秒)。

例如，当燃料电池停止或怠速时，维持空压机速度的20秒可以乘以空压机速度系数0.70。据此，水排放时间预测可约为14秒。可以通过将空压机速度因子乘以燃料电池车辆在怠速状态和停止状态中的至少一种状态下，以车辆速度行驶的时间来计算出水时间。水排放时间预测可以代表空压机以最高速度运行的时间。

流程170:我们根据燃料电池车辆发电量来预测从燃料电池系统中清除多余水所需的最小时间，即所需排放时间。随后，我们将这个时间与预测的水排放时间进行比较，以此来决定是否需要执行低温停机操作。如果预测的水排放时间大于所需排放时间，那么控制器可以判断当前不需要进行低温停机。

在控制排水阀方面，非低温状态时，控制器被设定为当燃料电池排水阀中的水累积至排水阀最大容量的约75%时，自动打开排水阀。排水阀将保持开启状态，直至燃料电池排水阀中的水减少到其最大容量的约15%为止。然而，当环境温度达到或低于预设的温度阈值时，控制器会调整其控制策略，改为在燃料电池排水阀中的水达到其最大容量的约20%时即开启排水阀，并持续排水，直至排水阀中的水几乎排空，即达到其最大容量的约0%。这样的设计旨在确保在不同环境条件下，燃料电池系统都能有效排水，同时避免不必要的低温停机。