CN102891329A - 一种燃料电池系统空气端控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统空气端控制方法，当需求电流由I_old增大到I_dem，判断当前的需求电流I_dem是否引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流I_dem降至临界电流值I_crit；反之，则将当前的需求电流I_dem作为电流控制的目标值，直接施加于燃料电池电堆；当需求电流由I_old减小到I_dem，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流I_dem对应的电压值，根据空气流量拉取电流I_st。本发明的控制方法既可以加快响应时间，又可以充分利用空气流量，提高系统效率。

Description

一种燃料电池系统空气端控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及燃料电池系统空气端管理以及电流调节。

背景技术

目前，当燃料电池系统的电流需求(所谓“需求电流”是指动力驱动系统对燃料电池系统的输出电流要求)突然增大时，对系统空气端的管理主要分为两种策略：一种是将电流的变化看作外部扰动，而非输入变量，不对电流进行调节。这种控制策略由于空气端的动态响应速度较慢，提供的空气量小于所需空气量，从而产生“缺氧”现象。另一种是通过负载调节器(Load Governor)对需求电流适当调节，确保燃料电池系统不会出现“缺氧”现象，但是这种调节方式的响应时间较长，系统动态响应较慢。当燃料电池系统的电流需求突然减小时，对系统空气端的管理通常是将空压机控制电压直接降至新的电流需求对应的电压值，从而导致剩余空气未被利用而损失了一部分的可用电能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种燃料电池系统空气端控制方法，在满足需求空气量的同时，提高系统效率、延长使用寿命、改善响应时间以及降低计算负荷。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种燃料电池系统空气端控制方法，

当需求电流由I_old增大到I_dem，判断当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流I_dem降至临界电流值I_crit；反之，则将当前的需求电流I_dem作为电流控制的目标值，直接施加于燃料电池电堆；

当需求电流由I_old减小到I_dem，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流I_dem对应的电压值，根据空气流量拉取电流I_st。

进一步，所述判断当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”，是通过燃料电池系统动态模型预测当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”。

所述需求电流由DC/DC转换器控制，DC/DC转换器作为电流调节装置。

所述临界电流值I_crit由燃料电池系统动态模型确定，

若I_crit≥I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)，则需求电流降至临界电流值I_crit，并保持一段时间，再将电流拉至需求电流值I_dem；

若I_crit＜I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)，则需求电流由I_crit提高到I_tradeoff，同时，空压机和/或背压阀的控制电压相应提高Δu＝(Δu_cp，Δu_bpv)；

其中，I_tradoff为折衷的拉取电流值，常数s为可标定的参数，Δu_cp、Δu_bpv分别表示空压机控制信号增量和背压阀控制信号增量。

所述拉取电流 $I_{\mathrm{st}}=\frac{0.233\×4F}{{\mathrm{\λ}}_{O_2}\·n_{\mathrm{cell}}\·M_{O_2}}\·W_{\mathrm{air}},$ 取 ${\mathrm{\λ}}_{O_2}=2.0$

其中，为过氧比，n_cell为电堆片数，

为氧气摩尔质量，W_air为空气流量，F为法拉第常数。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：该发明设计是基于电流调节的燃料电池空气端管理策略。当需求电流增加时，可以利用事先存储在ROM中的模型的仿真结果得知该需求电流是否会引起“缺氧”。如果无“缺氧”，则DC/DC直接拉取该电流值，从而使得燃料电池系统对需求电流的响应大大加快。当需求电流减少时，DC/DC根据当前电堆内多余的空气量和最优过氧比拉取电流并存储备用，从而提高系统效率。

附图说明

图1为燃料电池系统控制框图。

1-整车需求电流I_dem；

2-需求空气流量

3-需要DC/DC拉取的电流I_crit或I_tradeoff；

4-空压机控制器信号u₁；

5-DC/DC控制器信号u₂；

6-实际空气流量W_cp。

图2为本发明燃料电池系统空气端控制策略流程图。

图3为电流需求突然增大时的控制策略图，

其中，(a)表示I_crit≥I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)的情况，

(b)表示I_crit＜I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)的情况。

图4为电流需求突然减小时的控制策略图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

燃料电池系统主要由燃料电池电堆、供氢系统、供氧系统、增湿系统和冷却系统组成，将DC/DC转换器作为电流调节装置。

当电流需求由I_old增大到I_dem时，也就是当主控制器(如整车控制器)产生较大的需求电流信号后，保持系统的其他输入不变，根据现有技术设计的燃料电池系统动态模型预测当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”。如果通过燃料电池系统动态模型预测不会产生“缺氧”现象，则DC/DC转换器将需求电流作为电流控制目标值，直接施加于燃料电池电堆，其中燃料电池电堆电气输出是DC/DC转换器的输入，DC/DC转换器的电流控制通过PWM技术实现。此时无电流调节。若需求的电流值会产生“缺氧”现象，首先由燃料电池系统动态模型计算出某一临界电流值I_crit，这一临界值为不会产生“缺氧”现象的最大电流值。如果由燃料电池系统动态模型得出的I_crit满足以下关系式：

I_crit≥I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)                      (1)

其中，I_tradeoff为折衷的拉取电流值，常数s为可标定的参数，其大小在0至1变化，具体数值应根据实际系统而定，本例中取为0.5。此时，DC/DC转换器须将需求电流降至临界电流值I_crit，DC/DC转换器所产生的这一电流临界值保持一段时间后，进一步将电流拉至需求电流值I_dem。该保持时间由燃料电池空气管理系统的动态特性(如进入电堆的空气流量动态)决定。由于该电流值可以通过模型离线仿真获得并可以以表格的形式存储在微控制器的ROM中，因此，这种控制方案对于实时控制系统具有很大的实用性。同时，保持其他控制信号不变，从而简化控制器的设计(图3(a))。如果临界电流值过小，即由燃料电池系统动态模型得出的I_crit满足以下关系式：

I_crit＜I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)                     (2)

此时表明系统动态响应过慢。因此，将DC/DC所拉电流值I_crit提高到I_tradeoff，同时，空压机和/或背压阀的控制电压相应提高Δu＝(Δu_cp，Δu_bpv)，其中，Δu_cp、Δu_bpv分别表示空压机控制信号增量和背压阀控制信号增量，最优的Δu由燃料电池系统动态模型决定(图3(b))，从而提高空气流量和压力。

当电流需求由I_old减小到I_dem时，因实际空气流量高于所需空气流量，不再会有“缺氧”现象出现，但是电流需求的突然减小，加之管路的动态特性，将会导致进入燃料电池的空气量不可能同需求电流一样快速减小，其瞬态过程(图4)中的额外空气量可资利用。在此过程中，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流I_dem对应的电压值，控制DC/DC调节器根据空气流量拉取适量电流I_st，

从而有效利用系统中多余的空气量，将系统产生的这部分额外能量存储到能量缓冲器中(图2)。拉取电流I_st与现有流量的关系为：

$I_{\mathrm{st}}=\frac{0.233\×4F}{{\mathrm{\λ}}_{O_2}\·n_{\mathrm{cell}}\·M_{O_2}}\·W_{\mathrm{air}},$ 取 ${\mathrm{\λ}}_{O_2}=2.0$

其中，

为过氧比，n_cell为电堆片数，

为氧气摩尔质量，W_air为空气流量，F为法拉第常数。

本发明中所使用的燃料电池系统动态模型主要包括：空压机动态模型、燃料电池电堆阴极动态模型、气体管路动态模型、燃料电池电堆阳极动态模型、质子交换膜动态模型、电化学反应动力学稳态模型。

空压机动态模型根据力矩平衡方程建立，空压机出口流量由空压机静态特性表确定。气体管路动态模型根据气体质量守恒定律确定。燃料电池电堆阴、阳极动态模型主要考虑反应气体组分平衡，反应气体的消耗速率以及产物生成速率遵循法拉第定理。质子交换膜动态模型考虑膜中水的传递现象。电化学反应动力学稳态模型主要考虑燃料电池开路电压、阴阳极活化过电势以及欧姆损失。

在整个燃料电池模型中，电流信号、空压机控制信号和背压阀开度信号为模型输入量。模型输出为电堆电压和过氧比。燃料电池是否产生“缺氧”现象可通过该模型的过氧比输出最小值是否小于1来判断。

临界电流值为将需求电流值逐渐减小，直到由模型预测出的过氧比最小值不低于1所对应的电流值。这一临界电流值的计算过程是在线完成的，其计算量较非线性在线优化要小。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统空气端控制方法，其特征在于：

当需求电流由I_old增大到I_dem，判断当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流I_dem降至临界电流值I_crit；反之，则将当前的需求电流I_dem作为电流控制的目标值，直接施加于燃料电池电堆；

当需求电流由I_old减小到I_dem，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流I_dem对应的电压值，根据空气流量拉取电流I_st。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统空气端控制方法，其特征在于：所述判断当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”，是通过燃料电池系统动态模型预测当前的需求电流I_dem是否会引起系统“缺氧”。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统空气端控制方法，其特征在于：所述需求电流由DC/DC转换器控制，DC/DC转换器作为电流调节装置。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统空气端控制方法，其特征在于：所述临界电流值I_crit由燃料电池系统动态模型确定，

若I_crit≥I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)，则需求电流降至临界电流值I_crit，并保持一段时间，再将电流拉至需求电流值I_dem；

若I_crit＜I_tradeoff＝I_old+s(I_dem-I_old)，则需求电流由I_crit提高到I_tradeoff，同时，空压机和/或背压阀的控制电压相应提高Δu＝(Δu_cp，Δu_bpv)；

其中，I_tradeoff为折衷的拉取电流值，常数s为可标定的参数，Δu_cp、Δu_bpv分别表示空压机控制信号增量和背压阀控制信号增量。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统空气端控制方法，其特征在于：所述拉取电流 $I_{\mathrm{st}}=\frac{0.233\×4F}{{\mathrm{\λ}}_{O_2}\·n_{\mathrm{cell}}\·M_{O_2}}\·W_{\mathrm{air}},$ 取

其中，

为过氧比，n_cell为电堆片数，

为氧气摩尔质量，W_air为空气流量，F为法拉第常数。

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