CN102522581A - 一种车用燃料电池发电系统的加载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于车用燃料电池发电系统的加减载控制方法，该方法包括：加载时设定一个最大功率增量δx，根据整车需求功率P_整车和目前燃料电池的加载功率P的差值ΔP与其进行比较来确定加载量，并计算出燃料电池发电系统准备输出的允许功率P_允许，根据所算出的允许加载功率P_允许，调节对应的燃料电池发电系统参数，当完成后返回完成信号，加载，反复循环加载至P_整车＝P_允许。依此类推，循环加载至整车所需功率；减载时，直接减载，减载完成后然后调节对应的燃料电池发电系统参数，本发明的优点：通过小增量的连续加载，降低由于急速大载荷加载而使传质跟不上导致的欠气、反极等对膜电极损伤，延长燃料电池发电系统使用寿命。

Description

一种车用燃料电池发电系统的加载控制方法

技术领域

本发明涉及专利号H01基本电气元件H01M用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组H01M8/00燃料电池；及其制造H01M8/04辅助装置或方法，例如用于压力控制的，用于流体循环的。

背景技术

车用质子交换膜燃料电池发电系统的加载放电过程是一个化学反应过程，需要一定的物质的量反应来支持输出。电化学反应速度极快，这就要求物质的传递速度要快，跟上其反应速度才能使反应持续进行下去。就目前燃料电池发电系统来说，空气供应系统和氢气供应系统是通过机械的方式来实现的，比如，空气传质采用空压机，氢气采用减压阀来实现传质，以机械传动的传质方式传质速度很慢，缺少反应物质当然就不能发电，这时如果强行加载，因反应物的不足，将使燃料电池发生欠气，欠气将使质子交换膜燃料电池电极催化剂发生聚集，表面活性减小，使燃料电池性能下降、寿命降低，同时有可能发生燃料电池电极极性发生改变而损坏膜电极。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种用于车用燃料电池发电系统的加减载控制方法，是一种小增量的连续的循环加减载过程，分为加载和减载方法，根据整车需求功率与当前燃料电池发电系统输出功率的大小比较，确定是加载还是减载，加载方法如下：

S1.根据燃料电池发电系统的输出能力，把输出功率范围按从小到大的顺序划分为几个或多个区间；每个区间对应一个该区间的加载最大增量；

S2.判断当前燃料电池发电系统输出功率所在的区间，确定该区间的允许的功率最大增量；

S3.通过需要加载功率与当前输出功率所在区间的最大允许增量相比较，取小者为实际允许的功率增加量；

S4.由当前输出功率与实际允许的功率增加量之和，计算出当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率；

S5.根据燃料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量的关系，调节空气流量、氢气流量参数满足当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率需求；

S6.根据燃料电池发电系统各供应装置的机械反应时间，返回完成信号；

S7.整车根据返回的完成信号开始加载到当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率；

S8.判断已完成的加载后的当前功率是否达到整车需求功率，达到则完成加载，没达到，则重复上述步骤S1-S7直到到达为止。

所述减载方法如下：

R1.直接减载至整车需求功率；

R2.整车返回减载完成信号；

R3.燃料电池发电系统根据返回的完成信号开始按照料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量等的关系调节空气流量、氢气流量等参数满足减载后的当前功率的需要；

R4.完成减载。

由于采用了上述技术方案，本发明的目的在于提供一种用于车载燃料电池发电系统的加减载控制方法，小增量的连续加载和快速减载，在不影响燃料电池使用的情况下，有效防止发生欠气和反极现象，从而提高了车载燃料电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的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做一简单地介绍，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为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法示意框图；

图2为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例同一区间加载到8kW方法示意图；

图3为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例跨区间加载到22kW方法示意图；

图4为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例从38kW减载到28kW方法示意图；

图5为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例输出功率随时间变化曲线图；

图6为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例图5输出功率随时间变化曲线中加减载随时间变化放大图；

图7为本发明所涉及的一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法实施例加减载时空气流量随时间变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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它实施例，都属于本发明的保护范围。如图1所示，一种车用燃料电池发电系统的加减载控制方法，把燃料电池功率输出范围划为x个区间，分别为W₁区间，W₂区间，......W_x区间，且W₁＜W₂＜W₃......W_x-1＜W_x，每个区间的功率加载最大增量对应为δ1，δ2，......δx，列出对应表；设定整车需求功率为P_整车，设定当前燃料电池输出功率为P；设定允许燃料电池加载功率为P_允许；设定整车需求功率P_整车与当前燃料电池加载功率P的差值功率即需求增量为ΔP；

根据所述当整车需求功率P_整车＞P，当前燃料电池发电系统输出功率W所在的最小区间为W_x区间，查表，对应的加载最大增量为δx，如果ΔP≥δx时，则P允许＝P+δx，如果ΔP＜δx时，则P_允许＝P+ΔP，根据燃料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量的对应关系曲线调节气量供应，考虑到燃料电池发电系统的供应装置的机械反应时间，待供应的流量和其它参数完成并返回给整车完成信号，再加载到计算得到的P_允许；判断加载完成后新的当前功率值P，如果没有满足整车功率需求，即仍是P_整车＞P，再次判断P经加载后处于哪个区间，取哪个区间对应的最大加载增量δx，重复上述步骤，循环加载至P_允许＝P_整车完成加载。

根据所述当整车需求功率P_整车＜P，即减载时，为防止欠气，应首先把功率降载至P_允许＝P_整车，完成后返回完成信号，再根据当前的输出功率P(＝P_允许＝P_整)，查燃料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量的对应关系曲线调节气量供应，为防止载荷过小，气量过大引起的增湿不足，立即降低到该功率下所需的空气气量和氢气气量，完成减载。

下面根据试验具体说明：

实验室中采用额定40KW燃料电池车用发电系统，通过如下过程实现：整车控制器(1)发出需求功率，燃料电池控制器(2)接收并计算出允许加载功率，调节燃料电池发电系统(3)的气量，完成后，发出加减载信号给整车控制器，整车控制器发出命令，使驱动电机(4)加减载，完成测试，如图2所示。

将额定40kW划分为W₁：0≤15kW、W₂：15≤25kW、W₃：25≤35kW、W₄：35≤40kW四个区间，设定各个区间最大加载增量分别为δ₁：5kW、δ₂：4kW、δ₃：3kW、δ₄：2kW。一般载荷越大，对传质要求越高，所以功率越大加载增量越小。

试验中，燃料电池发电系统启动后，以怠速为起点，当前功率P为0kW，处于W₁区间，最大加载增量为δ₁-5kW。给定需求功率P_整车为8kW，大于当前功率P(0kW)，则需求功率P_整车与当前功率P的差值ΔP为8kW＞δ₁(5kW)，二者比较取小，则计算出这时的允许最大加载功率P_允许＝P+δ₁＝0+5＝5kW，仍处于W₁区间，按此时的P_允许查表查出对应的空气流量为30m³/h，氢气流量为3m³/h，按表调节流量。当流量达到所需流量时，反馈给出可以加载信号，开始加载到P＝P_允许。这时P_整车＞P，需求功率P_整车没有变化仍为8kW，则这时候的当前功率P为5kW，重复上述步骤，计算ΔP＝8-5＝3kW＜δ₁(5kW)，算得P允许＝P+δ₁＝5+3＝8kW，查表后调节完成空气流量50m³/h，氢气流量4m³/h，返回加载信号，加载至8kW，这时P＝P_允许＝P_整车，不再加载，即车辆保持匀速行驶，如图3所示。

随后需求功率P_整车变化到22kW，则当前功率为8kW，按上述步骤经两次循环加载至18kW，第三次循环以当前功率18KW计算，处于W₂区间，取最大加载增量δ₂为4kW，同上述步骤，再经循环加载，包括调节气量大小后，达到整车需求功率，即P＝P_允许＝P_整车＝22kW，如图4所示。

P_整车继续上升到35kW，当前功率P(22kW)处于W₂区间，计算ΔP＝35-22kW＝13kW＞δ₂(4kW)，计算P_允许＝26kW调节气量，加载，重复上述步骤直到P＝P_允许＝P_整车35kW。

P_整车上升至38kW，则ΔP(3kW)≤δ2(3kW)，P_允许＝38kW，调节气量，完成加载。

随后P_整车下降至28kW，则执行减载控制方法，P_允许＝Pset＝28kW，直接减载，完成后给出信号，空气和氢气流量下降至该功率下所需气量，完成减载，如图5所示。

P_整车上升至40kW，重复加载过程方法，直到P＝P_允许＝P_整车＝40kW，完成加载。

运行一段时间，最后降载至怠速，完成实验。

试验结果，如图7所示，以本发明控制方法，连续小增量加载后持续大功率运行正常，其中在加减过程中，可以看到空气流量随载荷以及时间是个连续过程，如图8所示，但空气供应装置或氢气供应装置等的机械反应时间使加载拖后，也就是先加大气量然后再增加载荷，这样就保证了不会在气量不足的情况下加载，有效的防止了欠气的发生，而减载则是迅速降下来，防止增湿不足，如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于车用燃料电池发电系统的加减载控制方法，是一种小增量的连续的循环加减载过程，分为加载和减载方法，根据整车需求功率与当前燃料电池发电系统输出功率的大小比较，确定是加载还是减载燃料电池发电系统输出功率，其特征在于所述加载方法如下：

S1.根据燃料电池发电系统的输出能力，把输出功率范围按从小到大的顺序划分为几个或多个区间；每个区间对应一个该区间的加载最大增量；

S2.判断当前燃料电池发电系统输出功率所在的区间，确定该区间的允许的功率最大增量；

S3.通过需要加载功率与当前输出功率所在区间的最大允许增量相比较，取小者为实际允许的功率增加量；

S4.由当前输出功率与实际允许的功率增加量之和，计算出当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率；

S5.根据燃料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量的关系，调节空气流量、氢气流量参数满足当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率需求；

S6.根据燃料电池发电系统各供应装置的机械反应时间，返回完成信号；

S7.整车根据返回的完成信号开始加载到当前燃料电池发电系统允许的加载输出功率；

S8.判断已完成的加载后的当前功率是否达到整车需求功率，达到则完成加载，没达到，则重复上述步骤S1-S7直到到达为止。

R1.直接减载至整车需求功率；

R2.整车返回减载完成信号；

R3.燃料电池发电系统根据返回的完成信号开始按照料电池发电系统功率与空气流量、氢气流量等的关系调节空气流量、氢气流量等参数满足减载后的当前功率的需要；

R4.完成减载。

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