CN102324536A

CN102324536A - 一种车用pemfc压力控制系统

Info

Publication number: CN102324536A
Application number: CN201110210365A
Authority: CN
Inventors: 褚磊民; 李志成; 孙文凯; 李传海; 由毅; 丁勇; 赵福全
Original assignee: Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd; Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Geely Holding Group Co Ltd; Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-26
Also published as: CN102324536B

Abstract

本发明提供了一种车用PEMFC压力控制系统，属于汽车技术领域。它解决了现有技术中电堆两侧压力存在不协调控制的问题。该系统设置于车用PEMFC压力系统上，该压力系统包括燃料电池堆、连接于燃料电池堆氢气进出口的氢气供气装置、连接于燃料电池堆空气进出口的空气供气装置，PEMFC压力控制系统包括氢气压力控制电路和空气压力控制电路，氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，空气压力控制电路包括空气PID控制器和与空气PID控制器输入端连接的中间控制器，氢气压力传感器和空气压力传感器均与中间控制器连接，空气PID控制器与空气供气装置连接。该系统能够实现阳极和阴极两侧压力的协调控制。

Description

一种车用PEMFC压力控制系统

技术领域

本发明属于汽车技术领域，涉及一种车用PEMFC压力控制系统。

背景技术

PEMFC即质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuelcell)的英文缩写。PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修方便，工作时也没有噪音等优点，非常适宜用作车载动力源。

PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制算法：被测参数(模拟量：温度、压力、流量)由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。

阶段国内车用PEMFC压力控制多采用氢气和空气单路独立PID控制，经研究表明：当保持温度和阴极进气压力基本恒定，仅提高阳极氢气的压力时，PEMFC的发电性能并没有明显的变化；当保持温度和阳极进气压力基本恒定，提高阴极压力时，电池的性能明显改善。但是，考虑到质子交换膜的安全，阴极压力只能略高于阳极压力，一般不超过0.02MPa，而且两侧压力控制不论在上升阶段、稳态阶段还是在下降阶段，都要求保持同升和同降。根据PEMFC发电系统压力的这一控制特性，提出一种控制算法实现两侧压力的协调控制是非常重要的，但现有的车载PEMFC压力控制系统普遍存在算法复杂、实时性较差等技术问题。

中国专利文献公开了一种车用燃料电池发动机控制方法及装置[申请号：CN200410061457.X]，其特征在于，其燃料电池发动机控制器是由氢气供给系统，空气供给和加湿系统，冷却水循环系统，安全报警系统，通讯监控系统和控制器等，其中氢气供给系统负责提供一定压力和流量的氢气，氢气进入电堆后将在表面附有催化及的质子交换膜上与交换膜另一侧的氧气发生反应，产生电能，热量和水。控制器根据实时采集的功率为依据，调节氢气入口压力，在保证氢气供应量的同时，防止压力过高，对电堆产生破坏。上述方案在一定程度上提高了车用PEMFC的性能，但是该发明没有解决电堆两侧压力的协调控制的问题。

发明内容

本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种车用PEMFC压力控制系统，该车用PEMFC压力控制系统采用一种变输入PID控制算法，实现阳极和阴极两侧压力的协调控制。

本发明通过下列技术方案来实现：一种车用PEMFC压力控制系统，设置于车用PEMFC压力系统上，车用PEMFC压力系统包括燃料电池堆、连接于燃料电池堆氢气进出口的氢气供气装置、连接于燃料电池堆空气进出口的空气供气装置，所述的PEMFC压力控制系统包括用于控制上述氢气供气装置的氢气压力控制电路和用于控制上述空气供气装置的空气压力控制电路，在所述的氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，所述的空气压力控制电路包括空气PID控制器和与空气PID控制器输入端连接的中间控制器，上述的氢气压力传感器和空气压力传感器均与中间控制器连接，所述空气PID控制器与空气供气装置连接，所述的中间控制器能够对氢气压力传感器和空气压力传感器输送来的压力值进行差值计算并进行分析处理后输出相应的控制信号给空气PID控制器，所述的空气PID控制器能够根据上述的控制信号控制空气供气装置进而控制燃料电池堆空气进出口的流量。

该车用PEMFC压力控制系统中氢气供气装置和空气供气装置能向燃料电池堆不断的供应气体并提供一定的压力，在氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，用于检测氢气和氧气输入燃料电池堆产生的压力，将检测到的气体压力值分别传给中间控制器，该中间控制器对检测到的压力值进行差值计算并进行分析判断其压力差值是否超出设定值，并输出对应的控制信号给空气PID控制器，空气PID控制器则根据中间控制器输出的相应控制信号控制空气供气装置进而控制燃料电池堆空气进口的流量，从而实现两侧气体的协调控制。

在上述的车用PEMFC压力控制系统中，在所述中间控制器判断氢气压力和空气压力的差值在设定范围内时，中间控制器输送给空气PID控制器的输入量为r(kT)＝[R-y(kT)]L+y(kT)，其中y(kT)为空气压力采样值，R为压力控制的最终目标值，L为压力上升速度设定值。其L值越小控制越稳定，可以根据上升速度和控制精度要求适当选择，但当两侧压力差在设定范围内时，系统稳定性相对上升速度更为重要，L值的选取相对来说应小些。

在上述的车用PEMFC压力控制系统中，在所述中间控制器判断氢气压力和空气压力的差值超出设定范围内时，中间控制器输送给空气PID控制器的输入量r(kT)＝[yH(kT)+yO(kT)]/2，其中yH(kT)为氢气压力采样值，yO(kT)为氧气压力采样值。

在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述空气供气装置包括依次连接的空气过滤器、高速风机、加湿器和空气流量控制阀，所述的空气流量控制阀输出端与燃料电池堆空气进口连接，燃料电池堆空气出口与空气尾气处理器连接，所述的空气流量控制阀的输入端与上述的空气PID控制器电连接。该空气供气装置中空气首先通过空气过滤器过滤掉可能含有的杂质，将较为纯净的空气通过高速风机后变成具有一定速度和压力的气体，然后经过加湿器进行加湿，变成较为适合的状态进入燃料电池堆，纯净湿润空气中的氧气在燃料电堆中与氢气发生反应时产生电能，其尾气通过空气尾气处理器处理后排出。其中空气流量控制阀控制燃料电池堆空气进口的空气进气流量，协调两侧压力差并使之保持在一定的范围内，从而提高PEMFC的发电性能。

在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述氢气供气装置包括依次连接的氢气压缩气罐、高压阀、高压减压阀和氢气流量控制阀，氢气流量控制阀的输出端与燃料电池堆氢气进口连接，燃料电池堆氢气出口与氢气尾气处理器连接。氢气供气装置中氢气先储存在氢气压缩气罐中，再通过一个高压阀，输出的高压氢气是不能直接进入燃料电池堆的，因此高压氢气先经过高压减压阀将压力降低到合适的范围，再输入到燃料电池堆，并与燃料电池堆中氧气发生反应。其中氢气流量控制阀是用于控制氢气进入电堆的流量，调整两侧气体的压力差。

在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述氢气压力控制电路包括氢气PID控制器，所述的氢气PID控制器输入端与所述的氢气压力传感器连接，氢气PID控制器输出端与氢气流量控制阀电连接。该氢气压力传感器将检测到的压力信号传送给氢气PID控制器，氢气PID控制器经过分析判断将信号传给氢气流量控制阀，控制氢气流量阀的开度，从而控制输入燃料电池堆的氢气流量。

现有技术相比，本车用PEMFC压力控制系统具有以下优点：

1、本发明是在氢气和空气单路独立PID控制中另加一个中间控制器，将两单路独立PID控制连接起来，通过中间控制器判断两侧的压力差，控制阴极压力略高于阳极压力，采用了两种控制策略的结合，确保了当PEMFC发电系统在功率变化很大时，系统控制不存在超调问题，从而实现了电堆两侧压力的协调控制，进一步改善了电池的性能。

2、本发明采用变输入双路协调控制不仅更好地满足了电堆压力的控制特性，保证电堆运行的高效性和安全性，而且也解决了上升速度和超调量之间的矛盾。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中，1、氢气供气装置；2、空气供气装置；3、氢气压力控制电路；4、空气压力控制电路；5、燃料电池堆；6、氢气尾气处理器；7、空气尾气处理器；8、氢气压力传感器；9、空气压力传感器；10、中间控制器；11、空气PID控制器；12、氢气PID控制器；13、氢气；14、氢气压缩气罐；15、高压阀；16、高压减压阀；17、氢气流量控制阀；18、空气；19、空气过滤器；20、高速风机；21、加湿器；22、空气流量控制阀。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本车用PEMFC压力控制系统，设置于车用PEMFC压力系统上，车用PEMFC压力系统包括燃料电池堆5、连接于燃料电池堆5氢气进出口的氢气供气装置1、连接于燃料电池堆5空气进出口的空气供气装置2，其氢气供气装置1包括依次连接的空气过滤器19、高速风机20、加湿器21和空气流量控制阀22，该空气流量控制阀22输出端与燃料电池堆5空气进口连接，燃料电池堆5空气出口与空气尾气处理器7连接；其氢气供气装置1包括依次连接的氢气压缩气罐14、高压阀15、高压减压阀16和氢气流量控制阀17，氢气流量控制阀17的输出端与燃料电池堆5氢气进口连接，燃料电池堆5氢气出口与氢气尾气处理器6连接。其PEMFC压力控制系统包括用于控制上述氢气供气装置1的氢气压力控制电路3和用于控制上述空气供气装置2的空气压力控制电路4，空气压力控制电路4包括空气PID控制器11和与空气PID控制器11输入端连接的中间控制器10，氢气压力控制电路3包括氢气PID控制器12，在燃料电池堆5的氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器8和空气压力传感器9，其氢气压力传感器8和空气压力传感器9均与中间控制器10连接，与中间控制器10输出端连接的空气PID控制器11与空气供气装置2中的空气流量控制阀22电连接，其氢气PID控制器12输入端与氢气压力传感器8连接，氢气PID控制器12输出端与氢气流量控制阀17电连接。

该车用PEMFC压力控制系统，氢气供气装置1和空气供气装置2能向燃料电池堆5不断的供应气体并提供一定的压力，空气供气装置2中空气18首先通过空气过滤器19过滤掉可能含有的杂质，将较为纯净的空气通过高速风机20后变成具有一定速度和压力的气体，然后经过加湿器21进行加湿，变成较为适合的状态进入燃料电池堆5的空气进口，其空气进口设有的空气压力传感器9检测空气的压力值；氢气供气装置1中氢气13先储存在氢气压缩气罐14中，再通过一个高压阀15，输出的高压氢气是不能直接进入燃料电池堆5的，因此高压氢气先经过高压减压阀16将压力降低到合适的范围，再输入到燃料电池堆5的氢气进口，其氢气进口设有的氢气压力传感器8用于检测氢气的压力值，该氢气压力传感器8将检测到的压力信号传送给氢气PID控制器12，氢气PID控制器12经过分析判断将信号传给氢气流量控制阀17，控制氢气流量阀的开度，从而控制输入燃料电池堆5的氢气流量。氢气压力传感器8和空气压力传感器9分别与中间控制器10连接，该中间控制器10能对检测到的氢气和空气压力值进行差值计算并进行分析判断其压力差值是否超出设定值，若氢气压力和空气压力的差值在设定范围内时，中间控制器10输送给空气PID控制器11的输入量为r(kT)＝[R-y(kT)]L+y(kT)，其中y(kT)为空气压力采样值，R为压力控制的最终目标值，L为压力上升速速设定值，其L值越小控制越稳定，可以根据上升速度和控制精度要求适当选择，但当两侧压力差在设定范围内时，系统稳定性相对上升速度更为重要，L值的选取相对来说应小些；若氢气压力和空气压力的差值超出设定范围内时，中间控制器10输送给空气PID控制器11的输入量r(kT)＝[yH(kT)+yO(kT)]/2，其中yH(kT)为氢气压力采样值，yO(kT)为氧气压力采样值。其中空气PID控制器11控制空气供气装置2中的空气流量控制阀22的开度，从而控制燃料电池阀的空气进气流量，即调节其输入量r(KT)的数值，最后，氢气和纯净湿润空气中的氧气进入燃料电池堆5中并在燃料电池堆5中发生反应产生电能，其尾气分别通过空气尾气处理器7和氢气尾气处理器6处理后排出。传递空气流量控制信号的通讯可以用CAN总线，也可以用其他通讯模式，比如SCI、RS232、RS485等。通过以上两种控制策略的结合，确保了当PEMFC发电系统在功率变化很大时，系统控制不存在超调问题，从而实现两侧气体的协调控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了氢气供气装置1、空气供气装置2、氢气压力控制电路3、空气压力控制电路4、燃料电池堆5、氢气尾气处理器6、空气尾气处理器7、氢气压力传感器8、空气压力传感器9、中间控制器10、空气PID控制器11、氢气PID控制器12、氢气13、氢气压缩气罐14、高压阀15、高压减压阀16、氢气流量控制阀17、空气18、空气过滤器19、高速风机20、加湿器21、空气流量控制阀22等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种车用PEMFC压力控制系统，设置于车用PEMFC压力系统上，车用PEMFC压力系统包括燃料电池堆(5)、连接于燃料电池堆(5)氢气进出口的氢气供气装置(1)、连接于燃料电池堆(5)空气进出口的空气供气装置(2)，所述的PEMFC压力控制系统包括用于控制上述氢气供气装置(1)的氢气压力控制电路(3)和用于控制上述空气供气装置(2)的空气压力控制电路(4)，其特征在于，在所述的氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器(8)和空气压力传感器(9)，所述的空气压力控制电路(4)包括空气PID控制器(11)和与空气PID控制器(11)输入端连接的中间控制器(10)，上述的氢气压力传感器(8)和空气压力传感器(9)均与中间控制器(10)连接，所述空气PID控制器(11)与空气供气装置(2)连接，所述的中间控制器(10)能够对氢气压力传感器(8)和空气压力传感器(9)输送来的压力值进行差值计算并进行分析处理后输出相应的控制信号给空气PID控制器(11)，所述的空气PID控制器(11)能够根据上述的控制信号控制空气供气装置(2)进而控制燃料电池堆(5)空气进出口的流量。

2.根据权利要求1所述的车用PEMFC压力控制系统，其特征在于，在所述中间控制器(10)判断氢气压力和空气压力的差值在设定范围内时，中间控制器(10)输送给空气PID控制器(11)的输入量为r(kT)＝[R-y(kT)]L+y(kT)，其中y(kT)为空气压力采样值，R为压力控制的最终目标值，L为压力上升速度设定值。

3.根据权利要求2所述的车用PEMFC压力控制系统，其特征在于，在所述中间控制器(10)判断氢气压力和空气压力的差值超出设定范围内时，中间控制器(10)输送给空气PID控制器(11)的输入量r(kT)＝[yH(kT)+yO(kT)]/2，其中yH(kT)为氢气压力采样值，yO(kT)为氧气压力采样值。

4.根据权利要求1或2或3所述的车用PEMFC压力控制系统，其特征在于，所述空气供气装置(2)包括依次连接的空气过滤器(19)、高速风机(20)、加湿器(21)和空气流量控制阀(22)，所述的空气流量控制阀(22)输出端与燃料电池堆(5)空气进口连接，燃料电池堆(5)空气出口与空气尾气处理器(7)连接，所述的空气流量控制阀(22)的输入端与上述的空气PID控制器(11)电连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的车用PEMFC压力控制系统，其特征在于，所述氢气供气装置(1)包括依次连接的氢气压缩气罐(14)、高压阀(15)、高压减压阀(16)和氢气流量控制阀(17)，氢气流量控制阀(17)的输出端与燃料电池堆(5)氢气进口连接，燃料电池堆(5)氢气出口与氢气尾气处理器(6)连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的车用PEMFC压力控制系统，其特征在于，所述氢气压力控制电路(3)包括氢气PID控制器(12)，所述的氢气PID控制器(12)输入端与所述的氢气压力传感器(8)连接，氢气PID控制器(12)输出端与氢气流量控制阀(17)电连接。