CN102945976A - 一种分布式燃料电池控制系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分布式燃料电池控制系统与控制方法，所述控制系统包括状态监测单元、控制器、外部通信接口单元、单电压巡检通信接口和若干单电压检测单元，控制系统具有3层网络结构。所述控制方法是：单电压巡检单元实时检测单片电压，状态监测单元实时检测燃料电池工作状态，控制器对各参量进行实时反馈控制，控制器对燃料电池进堆空气湿度采用了自适应控制策略。本发明与现有技术相比，由于具有分布式特点，各部件间通过CAN网络连接，可靠性高、实时性好，基于燃料电池电流的湿度自适应控制效果好，可避免过加湿导致燃料电池内部积水，提高燃料电池耐久性。

Description

一种分布式燃料电池控制系统与控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池控制技术，特别是一种分布式燃料电池控制系统与控制方法。 
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。 
燃料电池多输入多输出的复杂电化学装置，车用燃料电池一般由数百片单电池串联而成。单片电池电压直接反应电堆工作状态，反应气体的压力、湿度、电堆内部温度等操作条件直接影响电堆的性能和寿命。因此，应用实时性好、可靠性高的控制系统对这些物理量进行监测与控制是保证燃料电池正常工作的关键。 
发明内容
本发明旨在提供一种高效的实时性好、可靠性高的分布式燃料电池控制系统与控制方法，以保证燃料电池高效可靠工作，并提高燃料电池的耐久性。 
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 
一种分布式燃料电池控制系统，包括至少一个状态监测单元、控制器、外部通信接口单元、单电压巡检通信接口以及若干单电压检测单元，其特点是：所述每个单电压检测单元通过底层CAN网络相连 并接入所述单电压巡检通信接口，所述单电压巡检通信接口通过内部USB接口与所述外部通信接口单元相连，并与状态监测单元和控制器通过中层CAN网络相连，由中层CAN网络接入外部通信接口单元，所述外部通信接口单元具有外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口。 
所述分布式燃料电池控制系统的控制方法是：每个单电压检测单元检测30片燃料电池电压，检测结果通过底层CAN网络实时发送到单电压巡检通信接口，单电压巡检通信接口将接收到的所有单电压信息通过内部USB接口发送到外部通信接口单元，同时将平均电压、最低电压、单片电压方差等信息发送到中层CAN网络。状态监测单元实时检测燃料电池工作总体工作电压、电流、氢气压力、空气压力、空气湿度、工作温度等信息，并发送到中层CAN网络。控制器实时接收单电压巡检通信接口和状态监测单元发送到中层CAN网络的信息，并对氢气压力、空气压力、空气湿度、工作温度进行实时反馈控制。外部通信接口单元选择内部USB接口和中层CAN网络上的部分重要信息传送到外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口，便于行车电脑及远程计算机对燃料电池的工作状态进行监测。 
上述分布式燃料电池控制系统控制方法中，燃料电池内部水生成量与其工作电流I成正比，内部水生成量越多，则需要外部加湿的量越小，燃料电池进堆空气湿度采用针对电流的自适应控制策略。 
本发明与现有技术相比，由于具有分布式特点，各部件间通过CAN网络连接，可靠性高、实时性好，基于燃料电池电流的湿度自 适应控制效果好，可避免过加湿导致燃料电池内部积水，提高燃料电池耐久性。 
附图说明
为了进一步理解本发明，作为说明书一部分的附图指示了本发明的实施例，而所作的说明用于解释本发明的原理。 
图1为本发明的整体结构框图。 
图2为本发明应用示意图。 
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。 
为了实现上述目的，本发明包括至少一个状态监测单元、控制器、外部通信接口单元、单电压巡检通信接口和若干单电压检测单元。其特点是：各单电压检测单元通过底层CAN网络相连，接入单电压巡检通信接口，单电压巡检通信接口通过内部USB接口与外部通信接口单元相连，并与状态监测单元和控制器通过中层CAN网络相连，由中层CAN网络接入外部通信接口单元。外部通信接口单元具有外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口。 
上述分布式燃料电池控制系统中，单电压检测单元数量由燃料电池片数决定，每个单电压检测单元可检测30片燃料电池电压。检测结果通过底层CAN网络实时发送到单电压巡检通信接口，单电压巡检通信接口将接收到的所有单电压信息通过内部USB接口发送到外 部通信接口单元，同时将平均电压、最低电压、单片电压方差等信息发送到中层CAN网络。 
如图2所示，状态监测单元实时检测燃料电池工作总体工作电压、电流、氢气压力、空气压力、空气湿度、工作温度等信息，并发送到中层CAN网络。控制器实时接收单电压巡检通信接口和状态监测单元发送到中层CAN网络的信息，并对氢气压力、空气压力、空气湿度、工作温度进行实时反馈控制。外部通信接口单元选择内部USB接口和中层CAN网络上的部分重要信息传送到外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口，便于行车电脑及远程计算机对燃料电池的工作状态进行监测。 
上述分布式燃料电池控制系统中，燃料电池内部水生成量与其工作电流I成正比，内部水生成量越多，则需要外部加湿的量越小，燃料电池进堆空气湿度w的自适应控制策略为 
w=1-αI                          (1) 
式中α为比例系数。 
燃料电池工作电流可能会快速变化，湿度控制速度跟不上电流变化的速度，不能将实际电流用于湿度控制，需要对其进行一阶滤波： 
I=β1I(k)+β2I(k-1)                  (2) 
式中，I(k)为当前时刻的电流，I(k-1)为上一周期的电流，β1、β2为比例系数，β1+β2=1。 
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 (3)

1.一种分布式燃料电池控制系统，包括至少一个状态监测单元、控制器、外部通信接口单元、单电压巡检通信接口以及若干单电压检测单元，其特征在于：所述每个单电压检测单元通过底层CAN网络相连并接入所述单电压巡检通信接口，所述单电压巡检通信接口通过内部USB接口与所述外部通信接口单元相连，并与状态监测单元和控制器通过中层CAN网络相连，由中层CAN网络接入外部通信接口单元，所述外部通信接口单元具有外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口。
2.如权利要求1所述的分布式燃料电池控制系统，其控制方法是：每个单电压检测单元检测30片燃料电池电压，检测结果通过底层CAN网络实时发送到单电压巡检通信接口，单电压巡检通信接口将接收到的所有单电压信息通过内部USB接口发送到外部通信接口单元，同时将平均电压、最低电压以及单片电压方差信息发送到中层CAN网络；状态监测单元实时检测燃料电池工作总体工作电压、电流、氢气压力、空气压力、空气湿度以及工作温度信息，并发送到中层CAN网络；控制器实时接收单电压巡检通信接口和状态监测单元发送到中层CAN网络的信息，并对氢气压力、空气压力、空气湿度、工作温度进行实时反馈控制；外部通信接口单元选择内部USB接口和中层CAN网络上的信息传送到外部CAN接口、USB接口、RS232/485接口和GPRS接口，便于行车电脑及远程计算机对燃料电池的工作状态进行监测。
3.如权利要求2所述的分布式燃料电池控制方法，其特征在于：所述燃料电池内部水生成量与其工作电流I成正比，内部水生成量越多，则需要外部加湿的量越小，燃料电池进堆空气湿度w采用针对电流的自适应控制策略，所述燃料电池进堆空气湿度w的自适应控制策略为：
w=1-αI
式中：α为比例系数；
燃料电池工作电流可能会快速变化，湿度控制速度跟不上电流变化的速度，不能将实际电流用于湿度控制，需要对其进行一阶滤波：
I=β1I(k)+β2I(k-1)                  (2)
式中，I(k)为当前时刻的电流，I(k-1)为上一周期的电流，β1、β2为比例系数，β1+β2=1。
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