CN101051694A - 一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统 - Google Patents

一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，该燃料电池发电系统包括燃料电池、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制系统，控制系统用于根据给定的设定功率对发电系统的空气供给系统、氢气供给系统和冷却系统进行调节，并根据当前燃料电池发电系统的状态计算其最大输出能力，负载设备根据计算结果控制燃料电池堆的功率输出。

Description

一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及燃料电池的功率输出系统控制。
背景技术
燃料电池是一种能量转换装置，它按电化学原理等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，除具有燃料电池的一般特点(如能量转化效率高、环境友好等)外，还具有可在室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此它不仅可以用于建设分散电站，特别适宜用作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军、民通用的一种新型可移动电源。因此，质子交换膜燃料电池在实际使用中，其负载通常是变化的，由于其输出特性受其工作温度、湿度、燃料供给和氧化剂供给等因素影响较大，当在快速加载过程中如果电堆内供气不足会出现输出性能变差，造成燃料电池电压迅速下降甚至为负值，如不及时保护将引起燃料电池的损坏。燃料电池在功率输出过程中，根据负载的需要在空气供给系统中通常采用变速控制，这种控制方案如果控制不当往往会引起质子交换膜两侧压力的频繁波动，容易对质子交换膜产生破坏性的损伤。
目前对燃料电池功率输出的控制方法通常有两种，一种是根据负载的需要先加载，然后根据燃料电池的输出情况对燃料电池发电系统进行调解，如美国专利6881509的“燃料电池系统控制方法和系统”、美国专利6997119的“燃料电池瞬时加载控制方案”以及美国专利6979507的“燃料电池系统控制器”所述的功率输出控制方法，如果燃料电池在加载过程中其输出总电压低于给定值，为了保护燃料电池通常采用增加风机或空压机的转速、增加氢气的供应量或限制负载的输出、通过二次电池或超级电容保持等办法提高燃料电池的输出电压；第二种办法是根据负载需要先调节燃料电池的输出能力同时确定燃料电池的最大输出能力，并根据确定的最大输出进行负载的控制，如美国专利5991670的“车用燃料电池的功率输出控制系统”所述的控制方法，首先根据踏板信号确定燃料电池的输出，然后根据计算得到的给定功率调节空气压缩机的转速，同时实时检测燃料电池的温度、总电压、电流确定其做大输出能力，最后控制器根据给定功率和燃料电池的最大输出能力控制负载。
这些控制方法存在的不足在于：
1)在燃料电池输出控制中仅考虑了电池的整体输出特性，如燃料电池总电压、燃料电池工作温度或者燃料电池的输出性能(电压和电流)等。由于燃料电池在实际使用过程中，气体分配不可能完全均匀，或者可能存在个别单电池排水不畅，造成在快速加载过程中个别单电池供气不足使得其电压过低甚至达到负值，而整体性能又没有发生明显改变，如果这种情况没有得到有效的处理，继续运行会给电池组造成不可恢复的损坏；
2)燃料电池在加载过程中仅考虑了燃料电池当前状态的最大输出能力，而没有考虑对加载速度的控制，实际上如果燃料电池的加载过程中传质速度低于加载的速度，会造成氧气或燃料供应不足，即如果单位时间内电流增加过大，会造成燃料电池堆局部燃料或氧化剂饿死；如果燃料电池的温度过低其响应速度也相应变慢，加载速度也不宜过快；
3)风机或空气压缩机的控制主要采用电流反馈控制或预测和反馈组合的方式，这种控制方案受给定功率和输出电流的影响，在负载变化频繁的环境下风机或空压机将快速频繁的随动变化，引起空气侧压力频繁剧烈波动，长期运行质子交换膜极易产生破裂；控制信号常采用模拟信号控制，这种控制方案抗电磁干扰能力差，易引起控制信号波动造成风机或空气压缩机转速的频繁波动。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述不足，设计一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，以充分发挥燃料电池的输出特性并保护燃料电池，提高其使用寿命。本发明的技术解决方案是：一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，包括可以控制功率消耗的负载系统、燃料电池系统和功率输出控制系统，功率输出控制系统主要包括含有A/D转换、开关输入/数字输出、PWM输出、CAN总线接口、EEPROM、ROM和RAM等功能的中央控制单元、燃料电池单节电池电压巡检仪、空气供给装置控制器、CAN总线、各种传感器及信号传输线、各种电磁阀及驱动电路，控制系统根据负载给定的功率输出信号调节燃料电池发电系统并根据系统的当前状态控制负载的输出，其特征在于所述的中央控制单元是根据给定功率确定燃料电池总的功率输出，根据各传感器实时测量的系统状态数据和CAN总线传输来的电池堆运行状态数据确定系统单位时间的最大功率增加值，根据负载给定的功率输出和当前燃料电池的输出状态调节空气供应量和变化速度。
本发明所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的中央控制单元的控制流程如下：
(1)根据负载给定控制信号线传来的设定功率和燃料电池辅助系统的消耗功率计算出燃料电池需要的功率输出，
(2)根据燃料电池电流传感器测量并传输来的电流信号测量并计算燃料电池的输出电流，
(3)根据燃料电池需要的功率输出确定燃料电池系统的风机/空气压缩机的期望转速N1，
(4)根据燃料电池当前的输出电流确定风机转速的偏移量N2，
(5)根据N1-N2和燃料电池需要的功率输出确定风机/空气压缩机的给定转速和加速/减速时间，并通过CAN总线发送给风机/空气压缩机控制器，
(6)风机/空气压缩机控制器根据给定转速和加速/减速时间控制信号进行风机/空气压缩机的实时控制，
(7)中央控制单元实时监测燃料电池发电系统的运行状态，通过CAN总线实时与燃料电池单节电池电压测量单元通信，获取燃料电池堆的最小单节电池电压，
(8)从燃料电池系统的电池温度传感器、空气入口压力传感器、燃料电池总电压传感器、燃料电池总电流传感器监测的信号经A/D数值转换确定燃料电池工作温度、空气压力、电池电压、电池电流，根据上述信息和燃料电池堆的最小单节电池电压获得系统各传质情况和燃料电池的输出特性，根据传质情况和燃料电池的输出特性确定当前状态下燃料电池发电系统单位时间内的最大功率增量，
(9)中央控制单元将实时计算得到的燃料电池发电系统的最大功率增量传送给负载，负载根据最大增量进行燃料电池发电系统的加载。
本发明所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述功率输出控制系统包括中央控制单元、空气供给控制单元和燃料电池单节电池电压测量单元。
本发明所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的功率输出控制系统的中央控制单元对燃料电池发电系统状态的测量信号，通过CAN总线与风机/空气压缩机控制单元和燃料电池单节电压测量单元进行实时数据通讯，并根据实时采集负载给定的控制信号调节燃料电池发电系统的状态和控制负载的输出。
本发明所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的燃料电池系统中，设有空气入口压力传感器，氢气入口压力传感器，电池温度传感器，电池总电压传感器，电池总电流传感器，各传感器通过信号线与功率输出控制系统的中央控制单元连接。
本发明所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的功率输出控制系统的中央控制单元包括MC9S12DP256单片机和外围电路两部分，单片机具有A/D转换、开关输入/数字输出、PWM输出、CAN总线接口、EEPROM、ROM和RAM模块，外围电路包括电源电压变换、信号变换、输出驱动控制和总线驱动电路。
本发明的燃料电池发电系统的功率输出控制方法和控制系统与现有技术相比具有以下的特点：1、是将燃料电池的功率输出和系统调节作为一个过程量来处理，而不是象现有技术那样作为一个状态量来处理，是将系统的加载和内部供气系统的调节即空气量的控制，根据实际需要控制其变化速度，可尽量减少空气压力波动对燃料电池的质子交换膜造成的损坏；2、是在功率加载控制上最大输出能力用根据当前燃料电池状态和传质情况实时计算并控制燃料电池发电系统单位时间内的最大增量输出，改变了现有技术的根据输出电压、温度或输出性能进行控制；3、是在燃料电池输出限制方面，不但保护燃料电池总的电压输出，而且还对燃料电池电池单节电池电压也作了保护输出。总之，本发明的方法不但可以充分发挥燃料电池的输出特性而且可以充分保护燃料电池，提高其使用寿命。
附图说明
本发明共有附图四幅。
图1为燃料电池发电系统框图，
图2为燃料电池发电系统控制系统结构框图，
图3为燃料电池控制系统20的中央控制单元201的控制流程，
图4为实施例的系统流程图。
附图中：10、燃料电池系统  11、氢气供给系统  12、冷却系统  13、空气供给系统  14、燃料电池堆  15、氢气入口压力传感器  16、电池温度传感器  17、空气入口压力传感器  18、燃料电池总电压传感器  19、燃料电池电流传感器  20、控制系统  21、燃料电池单节电池电压信号线  22、控制风机/空气压缩机信号线  23、控制冷却系统信号线  24、控制氢气供给系统信号线  25、控制负载信号线  26、负载设定功率信号线  30、负载  201、中央控制单元  202、风机/空气压缩机控制单元  203、燃料电池单节电池电压测量单元  401、计算燃料电池需要的功率输出  402计算燃料电池的输出电流  403、给定转速和加速/减速时间  404、电池工作温度  405、空气入口压力  406、电池总电压  407、电池总电流  408、最大功率增量  1101、储氢瓶  1102、稳压阀  1103、氢气进气阀  1104、排气阀  1201、水泵1202、水箱  1203、散热器  1301、鼓风机  1302、消音器  1303、增湿器  3001、负载继电器  3002、直流/直流变换器  3003、电机3004、功率给定信号
具体实施方式
附图4给出的是60节5KW燃料电池发电系统，应用于燃料电池场地车。该燃料电池的氢气供给系统11包括储氢瓶1101、稳压阀1102、氢气进气阀1103和排气阀1104，冷却系统12包括水泵1201、水箱1202和散热器1203，空气供给系统13包括鼓风机1301、消音器1302和增湿器1303，负载30包括负载继电器3001、直流/直流变换器3002、电机3003和功率给定信号3004，燃料电池控制系统20中的中央控制单元201和鼓风机控制单元202、燃料电池单节电压检测单元203通过CAN总线进行实时数据通讯。中央控制单元201的单片机是MC9S12DP256单片机。其控制过程如下：
风机/空气压缩机控制流程为：
中央控制单元201中单片机实时测量负载30给定的功率信号3004(也可以采用总线通讯的方式进行数字量给定)，通过程序计算得到负载的功率需求P1，单片机测量燃料电池发电系统的辅助功耗包括氢气供给系统、冷却系统、空气供给系统和控制系统的功耗，通过程序计算得到当前系统的辅助功耗P2，然后取负载的功率需求P1和发电系统的辅助功耗P2之和为燃料电池需要的功率输出401。
中央控制单元201中单片机根据燃料电池电流传感器19进行A/D转换得到燃料电池的输出电流402，中央控制单元201中单片机根据燃料电池需要的功率输出401，查燃料电池功率—风机/转速表计算得到风机/空气压缩机的期望转速N1，燃料电池功率—风机/空气压缩机转速表为燃料电池在不同功率下所对应的风机/空气压缩机转速，该表格事先存储在单片机的EEPROM中，N1为在燃料电池功率输出401时需要的风机/空气压缩机的转速。
中央控制单元201中单片机根据燃料电池当前的输出电流402和燃料电池需要的功率输出401查燃料电池功率/当前电流—风机/空气压缩机转速偏移表计算得到风机/空气压缩机转速的偏移量N2，该表格同样事先存储在单片机的EEPROM中。
中央控制单元201中单片机根据当前的燃料电池的输出电压和输出电流确定当前燃料电池的功率输出P3，根据P1-P3查燃料电池功率输出增量和风机/空气压缩机加速时间表确定风机/空气压缩机的加速时间AT。
中央控制单元201根据风机/空气压缩机控制转速N1-N2和加速时间AT得到风机/空气压缩机控制单元202的CAN总线控制命令403，202根据CAN总线控制信号403进行风机/空气压缩机13的实时控制。
发电系统加载控制流程为：
中央控制单元201中单片机实时监测燃料电池发电系统的运行状态至少包括燃料电池氢气入口压力15、工作温度16、空气入口压力17、总电压18、总电流19和功率给定信号26，同时通过CAN总线实时与燃料电池单节电池电压测量单元203通信，获取燃料电池堆的最小单节电池电压21。
如果燃料电池的输出总电压低于设定值V1或燃料电池最小电压低于设定值V2，则燃料电池的输出功率增量ΔP＝0；否则中央控制单元201中单片机分别根据工作温度16和总电流19查表计算功率增量—温度系数表和功率增量电流系数表得到当前状态下的功率增量温度系数T1和电流系数I1，通过程序计算功率增量温度系数T1和电流系数I1之积得到功率增量ΔP＝T1*I1。
中央控制单元201中单片机根据氢气入口压力15和空气入口压力17根据氢气压力—最大功率输出表和空气压力—最大功率输出表查表计算得到当前状态下的最大功率输出PH2Lmt和PAirLmt，根据燃料电池的输出电压18和输出电流19计算得到当前的功率输出为P3，如果P3+ΔP小于PH2Lmt和PAirLmt，则当前状态下的最大功率增量ΔP为T1*I1，否则为PH2Lmt和PAirLmt与P3之差的极小值，上述的参数表格事先存储在单片机的EEPROM中。
中央控制单元201根据上述计算得到的ΔP为当前状态下燃料电池发电系统单位时间内的最大功率增量408，中央控制单元201将实时计算得到的燃料电池发电系统的最大功率增量408传送给负载30，负载30根据最大增量408进行燃料电池发电系统的加载。
上述实施例燃料电池发电系统在加载情况下所得的控制数据如下表：
  给定功率(W)  氢气压力(kPa)  空气压力(kPa)   工作温度(℃)   电堆电压(V)   电堆电流(A)   单节最小电压(mV)   计算得到功率(W)   风机给定转速(r/min)   风机加速时间(S)   最大输出增量(W)
  0   30   10   18   52   2   801   200   1000   4   220
  500   30   11   22   51   5   730   530   1200   4   215
  1000   30   12   25   50   10   723   1060   1400   4   206
  1500   30   13   28   49   15   692   1590   1800   4   201
  2000   30   14   32   48   20   685   2130   2400   4   192
  2500   30   15   35   47   30   671   2680   2600   3   185
  3000   30   16   38   46   45   664   3220   2800   3   176
  3500   30   17   42   45   60   656   3760   3000   3   169
  4000   30   18   48   44   70   643   4350   3100   3   162
  4500   30   19   54   43   80   622   4900   3300   3   157
  5000   30   20   60   42   100   603   5500   3500   3   150

Claims (6)

1、一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，包括可以控制功率消耗的负载系统(30)、燃料电池系统(10)和功率输出控制系统(20)，功率输出控制系统(20)主要包括含有A/D转换、开关输入/数字输出、PWM输出、CAN总线接口、EEPROM、ROM和RAM等功能的中央控制单元(201)、燃料电池单节电池电压巡检仪、空气供给装置控制器、CAN总线、各种传感器及信号传输线、各种电磁阀及驱动电路，控制系统(20)根据负载(30)给定的功率输出信号调节燃料电池发电系统并根据系统的当前状态控制负载(30)的输出，其特征在于所述的中央控制单元的控制方式是根据给定功率确定燃料电池总的功率输出，根据各传感器实时测量的系统状态数据和CAN总线传输来的电池堆运行状态数据确定系统单位时间的最大功率增加值，根据负载给定的功率输出和当前燃料电池的输出状态调节空气供应量和变化速度。
2、根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的中央控制单元的控制流程如下：
(1)根据负载给定控制信号线(26)传来的设定功率和燃料电池辅助系统的消耗功率计算出燃料电池需要的功率输出(401)，
(2)根据燃料电池电流传感器(19)测量并传输来的电流信号测量并计算燃料电池的输出电流(402)，
(3)根据燃料电池需要的功率输出(401)确定燃料电池系统的风机/空气压缩机的期望转速N1，
(4)根据燃料电池当前的输出电流(402)确定风机转速的偏移量N2，
(5)根据N1-N2和燃料电池需要的功率输出(401)确定风机/空气压缩机的给定转速和加速/减速时间(403)，并通过CAN总线发送给风机/空气压缩机控制器(202)，
(6)风机/空气压缩机控制器(202)根据给定转速和加速/减速时间控制信号(403)进行风机/空气压缩机(13)的实时控制，
(7)中央控制单元(201)实时监测燃料电池发电系统的运行状态，通过CAN总线实时与燃料电池单节电池电压测量单元(203)通信，获取燃料电池堆的最小单节电池电压(21)，
(8)从燃料电池系统的电池温度传感器(16)、空气入口压力传感器(17)、燃料电池总电压传感器(18)、燃料电池总电流传感器(19)监测的信号经A/D数值转换确定燃料电池工作温度(404)、空气压力(405)、电池电压(406)、电池电流(407)，根据上述信息和燃料电池堆的最小单节电池电压(21)获得系统各传质情况和燃料电池的输出特性，根据传质情况和燃料电池的输出特性确定当前状态下燃料电池发电系统单位时间内的最大功率增量(408)，
(9)中央控制单元(201)将实时计算得到的燃料电池发电系统的最大功率增量(408)传送给负载(30)，负载(30)根据最大增量(408)进行燃料电池发电系统的加载。
3、根据权利要求1或2所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述功率输出控制系统包括中央控制单元(201)、空气供给控制单元(202)和燃料电池单节电池电压测量单元(203)。
4、根据权利要求1或2所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的功率输出控制系统的中央控制单元(201)对燃料电池发电系统状态的测量信号，通过CAN总线与风机/空气压缩机控制单元(202)和燃料电池单节电压测量单元(203)进行实时数据通讯，并根据实时采集负载(30)给定的控制信号调节燃料电池发电系统的状态和控制负载的输出。
5、根据权利要求1或2所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的燃料电池系统中，设有空气入口压力传感器(17)，氢气入口压力传感器(15)，电池温度传感器(16)，电池总电压传感器(18)，电池总电流传感器(19)，各传感器通过信号线与功率输出控制系统的中央控制单元(201)连接。
6、根据权利要求1或2所述的一种燃料电池发电系统功率输出的控制方法和控制系统，其特征在于所述的功率输出控制系统的中央控制单元(201)包括MC9S12DP256单片机和外围电路两部分，单片机具有A/D转换、开关输入/数字输出、PWM输出、CAN总线接口、EEPROM、ROM和RAM模块，外围电路包括电源电压变换、信号变换、输出驱动控制和总线驱动电路。
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