CN102931422A - 一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法，包括空气供给控制器、GPS/GIS接口、遥测器、流量计和空气压缩机，所述空气供给控制器通过GPS/GIS接口实时获取汽车行驶路段的路面类型、平均车速、平均坡度等信息，通过车速传感器测量实时采集本车速度，通过遥测器实时采集前车速度，并经加权平均得到本车下一时刻的期望车速，根据期望车速和平均坡度计算出下一时刻的期望功率，据此计算出期望的空气供给量，再通过优化控制使得实际空气流量迅速与期望流量一致，克服空气压缩机本身动态响应时滞的影响，避免氧气饥饿，实现对空气供给的预测控制，提高燃料电池供电效率及寿命。

Description

一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池电动汽车控制方法，特别是一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法。

背景技术

燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要有足够的氢气和氧气，可以长时间连续运行，并且具有比能量高、噪音小、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，可广泛应用于小型电站、通信电源、机器人电源、汽车、电力系统、家庭生活等各领域。燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效发电技术。燃料电池按其电解质的不同，可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池及固体氧化物燃料电池等。近十年来，尤以质子交换膜燃料电池(PEMFC)的发展最快，日益受到各国政府、企业和科研机构的重视。

据国际能源机构（IEA）统计，全球每年能源科技研发公共资金中约12％投入到燃料电池研发。近几年，各国政府及各大公司加大投资力度，成功开发了各种型号的燃料电池，并正在应用到或拟用到人们日常生活的各个方面，如电站、便携式电源、移动机器人电源、各种车辆用动力电源以及家用电源等。目前，全世界每年用于燃料电池研究与开发的经费估计在8亿美元左右，除了美国、加拿大、日本、德国和意大利等工业国家外，许多发展中国家也在进行或着手进行燃料电池的研究与开发。我国政府也非常重视燃料电池发电技术的研究，在国家863计划的支持下，经过“十五”和“十一五”的刻苦攻关，在燃料电池及燃料电池汽车研究研究方面已取得突破性的进展，中科院大连化物所研制出50kW燃料电池发动机，上海神力公司研制出100kW大巴车燃料电池发动机，清华大学、同济大学分别研制出了系列化的燃料电池大巴车和燃料电池轿车，武汉理工大学已研制成功1kW～50kW级系列燃料电池系统以及“楚天1号”燃料电池电动轿车和“楚天2号”燃料电池轻型客车。

车用质子交换膜燃料电池输出电流与参与反应的氢气、氧气流量成正比，车辆启动、加速及高速行驶时所需的功率大，相应的氢气、氧气需求量较大，减速、低速行驶时所需气体流量较小。

车用燃料电池氧气供给一般是利用空气压缩机，将空气以一定的流量及压力输出燃料电池，利用空气中的氧气作为氧化剂，与氢气进行电化学反应。车辆在道路上行驶时速度及加速度波动非常频繁，这就要求空气供给量能快速变化以适应负载的变化。但空气压缩机的动态响应有一定的时滞，其动态响应过程一般需要几秒钟，但氢气与氧气的电化学反应工程是毫秒级，所以空气供给变化速度与实际需求间存在矛盾。如果氧气供给不足，就会产生氧气饥饿，损坏燃料电池；如果一直保持大空气量供给，空气压缩及消耗的功率就很大，降低能源效率。因此，需要一种好的空气供给控制方法来解决这一问题。

发明内容

本发明旨在提供一种高效的车用燃料电池空气供给装置的控制方法，以克服现有方法的不足。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法，所述空气供给装置包括至少一个空气供给控制器、GPS/GIS接口、遥测器、流量计和空气压缩机，其特点是：空气供给控制器输入端与GPS/GIS接口、遥测器、流量计以及车速传感器相连，空气供给控制器输出端与空气压缩机相连，通过控制所述空气压缩机转速来调节空气流量，空气压缩机输出的空气经流量计后进入燃料电池；所述空气供给控制器通过GPS/GIS接口实时获取汽车行驶路段的路面类型、平均车速以及平均坡度等信息；通过车速传感器测量实时采集本车速度；通过遥测器实时采集前车速度；通过流量计实时采集空气压缩机输出的空气流量，所述空气供给控制器根据获取的本路段平均车速、本车速度及前车速度，加权平均得到本车下一时刻的期望车速，根据期望车速和平均坡度计算出下一时刻的燃料电池期望功率，并据此计算出期望的空气压缩机空气供给量，再通过控制使得实际空气流量迅速与期望流量一致，克服空气压缩机本身动态响应时滞的影响，实现对空气供给的预测控制。

本发明与现有技术相比，其优点是对空气供给进行提前预测控制，消除了空气压缩机动态响应时间的影响，可避免氧气饥饿、提高燃料电池供电效率及寿命。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图。

图2为本发明中燃料电池的特性曲线。

图3为本发明的空气供给控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明硬件结构如图1所示，包括一个空气供给控制器、GPS/GIS接口、遥测器、流量计和空气压缩机。空气供给控制器输入端与GPS/GIS接口、车速传感器、遥测器和流量计相连，输出端与空气压缩机相连，通过控制其转速来调节空气流量，空气压缩机输出的空气经流量计后进入燃料电池。上述空气供给控制器通过GPS/GIS接口实时获取汽车行驶路段的路面类型、平均车速、平均坡度等信息；通过车速传感器测量实时采集本车速度；通过遥测器实时采集前车速度；通过流量计实时采集空气压缩机输出的空气流量。

上述空气供给控制器根据获取的本路段平均车速、本车速度及前车速度，加权平均得到本车下一时刻的期望车速：

v_n=av+bv_a+(1-a-b)v_f           (1)

其中，v_n为下一时刻的期望车速，v为本车速度，v_a为该路段平均车速，v_f为前车车速，a, b为加权系数，在0至1间取值，且a+b≤1。

据此计算出期望的燃料电池功率

$P=\frac{1000}{\mathrm{\η}}(\frac{\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}{v}_n}{3600}+\frac{G\sin \mathrm{\α}{v}_n}{3600}+\frac{\mathrm{Gf}{v}_n}{3600}+\frac{C_{D}A{v}_n^3}{76140})---\left(2\right)$

其中P为期望的燃料电池功率，η为传动效率，G为车重，f为滚动阻力系数（由路面类型决定），α为坡道角，C_D为空气阻力系数，A为车辆迎风面积。

计算出期望的燃料电池功率后，根据燃料电池性能曲线（如图2），查出期望的工作电流I，据此计算出期望的空气供给量Q：

$Q=\frac{\mathrm{nI}}{28.68}---\left(3\right)$

其中，n为燃料电池片数，I为燃料电池电流。燃料电池正常工作所需空气流量为实际电化学反应所需流量的2倍时性能最佳，该式也考虑了这个因素，即利用式（3）计算出来的期望流量是实际反应所需流量的2倍。

计算出期望的空气流量Q后，用它减去实时检测到的实际空气流量，形成偏差，通过优化控制，使得偏差尽快趋近于0，即时使实际的空气流量与期望的空气流量一致，如图3所示。

这种方法的优点是将下一时刻的期望流量当作当前时刻的控制目标，对空气流量进行提前预测控制，克服空压机本身动态响应的时间延迟，快速提供车载燃料电池所需空气，又不会使得空气供给量太大而减低效率。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种车用燃料电池空气供给装置的控制方法，所述空气供给装置包括至少一个空气供给控制器、GPS/GIS接口、遥测器、流量计以及空气压缩机，其特征在于：空气供给控制器输入端与GPS/GIS接口、遥测器、流量计以及车速传感器相连，空气供给控制器的输出端与空气压缩机相接，空气供给控制器通过控制所述空气压缩机转速来调节空气流量，空气压缩机输出的空气经流量计后进入燃料电池；所述空气供给控制器通过GPS/GIS接口实时获取汽车行驶路段的路面类型、平均车速以及平均坡度等信息；通过车速传感器测量实时采集本车速度；通过遥测器实时采集前车速度；通过流量计实时采集空气压缩机输出的空气流量，所述空气供给控制器根据获取的本路段平均车速、本车速度及前车速度，加权平均得到本车下一时刻的期望车速，根据期望车速和平均坡度计算出下一时刻的燃料电池期望功率，并据此计算出期望的空气压缩机空气供给量，再通过控制使得实际空气流量迅速与期望流量一致。

2.依据权利要求1所述的车用燃料电池空气供给装置的控制方法，其特征在于：所述空气供给控制器根据获取的本路段平均车速、本车速度及前车速度，加权平均得到本车下一时刻的期望车速v_n：

v_n=av+bv_a+(1-a-b)v_f

式中，v_n为期望车速，v为本车速度，v_a为该路段平均车速，v_f为前车车速，a, b为加权系数，在0至1间取值，且a+b≤1；

所述根据期望车速和平均坡度计算出下一时刻的期望燃料电池功率的具体方法是：

$P=\frac{1000}{\mathrm{\η}}(\frac{\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}{v}_n}{3600}+\frac{G\sin \mathrm{\α}{v}_n}{3600}+\frac{\mathrm{Gf}{v}_n}{3600}+\frac{C_{D}A{v}_n^3}{76140})$

式中：P为期望的燃料电池功率，η 为传动效率，G为车重，f为滚动阻力系数，α为坡道角，C_D为空气阻力系数，A为车辆迎风面积；

计算出期望的燃料电池功率后，根据燃料电池性能曲线，查出期望的燃料电池功率时期望的工作电流I，

所述计算出期望的空气压缩机空气供给量的具体方法是：

$Q=\frac{\mathrm{nI}}{28.68}$

式中，Q为期望的空气压缩机空气供给量，n为燃料电池片数，I为燃料电池电流；

计算出期望的空气流量Q后，用它减去实时检测到的实际空气流量，形成偏差，通过控制，使得偏差尽快趋近于0，即时使实际的空气流量与期望的空气流量一致。

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