CN104409751A

CN104409751A - 一种燃料电池阳极压力控制方法及装置

Info

Publication number: CN104409751A
Application number: CN201410620407.4A
Authority: CN
Inventors: 陈凤祥; 俞阳; 许思传; 刘士广; 倪淮生; 章桐
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2034-11-05

Abstract

本发明涉及一种燃料电池阳极压力控制方法及装置，其中，所述控制方法包括：1)采集燃料电池堆的实时阳极压力；2)根据期望阳极压力采用PID闭环控制获取对应的控制量；3)根据控制量控制喷轨中各喷嘴的开启状态；4)泄压阀判断喷轨输出的氢气压力是否大于设定压力，若是，则开启泄压阀直至氢气压力降到设定压力；5)经压力控制后的氢气输入燃料电池堆。所述装置包括PID控制器、喷轨、泄压阀、燃料电池堆和燃料电池阳极压力传感器。与现有技术相比，本发明能够保证燃料电池阳极压力精准可控，且提高控制的快速性，并通过有效的调度策略，使各喷嘴处于良好的工作情况，增强燃料电池的可靠性。

Description

一种燃料电池阳极压力控制方法及装置

技术领域

本发明涉及燃料电池堆控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池阳极压力控制方法及装置。

背景技术

由于燃料电池本身的特殊性，在电堆阳极不仅需要期望的氢气量，还需要可控的氢气压力，即对燃料电池阳极压力进行严格控制。

现有的对燃料电池阳极压力的控制多采用PWM信号动态调节比例阀，使流入电堆的氢气流量动态变化，从而调节阳极压力。该控制方式控制精度较差，且有一定的延时，导致快速性较差。同时，比例阀在这种工况下也会出现耐久性问题。

现有技术方案对喷轨喷嘴的调度相对简单，如在某个流量下打开固定的喷嘴组合，使得在实际运行中，一些喷嘴有常开现象，而另一些喷嘴却较少开启。常开的喷嘴可能因为长时间工作导致过热而烧毁，或因为频繁开启导致损坏，从而使整个电堆失效。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池阳极压力控制方法及装置，保证燃料电池阳极压力精准可控，且提高控制的快速性，同时，通过行之有效的调度策略，使各喷嘴处于良好的工作情况，增强燃料电池的可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池阳极压力控制方法，包括以下步骤：

1)采集燃料电池堆的实时阳极压力；

2)根据期望阳极压力采用PID闭环控制获取对应的控制量；

3)根据控制量控制喷轨中各喷嘴的开启状态；

4)泄压阀判断喷轨输出的氢气压力是否大于设定压力，若是，则开启泄压阀直至氢气压力降到设定压力；

5)经压力控制后的氢气输入燃料电池堆。

所述的步骤2)中，采用PID闭环控制获取对应的控制量的公式为：

d (t) = k_{p} ΔP + k_{i} {&Integral;}_{0}^{t} ΔPdt + k_{d} \frac{dΔP}{dt}

其中，d为控制量，k_p、k_i、k_d分别为PID闭环控制的比例系数、积分系数和微分系数，ΔP为实时阳极压力与期望阳极压力的偏差信号。

所述的步骤3)具体为：

31)对所述的控制量进行整数化处理，转化为喷轨中喷嘴的开启个数n；

32)对喷轨中所有喷嘴进行编号，根据步骤31)获得的开启个数n按设定调度策略获得需要开启或关闭的喷嘴的编号；

33)控制相应喷嘴开启或关闭。

所述的设定调度策略为采用循环化原则进行各喷嘴的调度，具体为：

在每一控制周期内，记录所有喷嘴开启的总次数，根据取余运算获取开启或关闭的喷嘴编号，即通过循环的编号实现喷嘴的循环调度。

所述的设定调度策略为采用随机分配原则进行喷嘴的调度，具体为：

在每一控制周期内，根据开启个数n随机选取所需数量的喷嘴开启，其余喷嘴关闭，每次选取都在不包含已选编号的剩余编号中随机抽取。

一种燃料电池阳极压力控制装置，包括PID控制器、喷轨、泄压阀、燃料电池堆和燃料电池阳极压力传感器，所述的燃料电池堆、燃料电池阳极压力传感器、PID控制器、喷轨、泄压阀、燃料电池堆依次连接，形成闭环控制结构，所述的喷轨中设有多个喷嘴。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能有效控制燃料电池阳极压力，保证阳极压力较高的控制精度，且控制快速性好，可靠度高，可行性好。

2、本发明采用PID闭环控制，实现对燃料电池阳极压力变化的实时、快速地跟踪响应，提高控制的精度。

3、本发明通过控制喷轨上喷嘴的开闭个数实现喷氢量的控制，实现燃料电池阳极压力快速、可靠调节。

4、本发明运用泄压阀对喷入燃料电池阳极的氢气压力进行调整，实现燃料电池阳极压力安全稳定的调节，且通过调节泄压阀的开闭速度，可以消除氢气压力波动。

5、本发明通过一种实时开启喷嘴编号的调度策略最大限度地平均利用喷轨的各喷嘴，避免单一喷嘴因过度使用或频繁使用而过热烧毁，改善各喷嘴工作情况，延长其使用寿命，从而提高燃料电池阳极压力控制的可靠性。

附图说明

图1为本发明系统控制架构示意图；

图2为本发明控制策略示意图；

图3为采用循环化原则进行喷嘴调度的流程示意图；

图4为采用随机原则进行喷嘴调度的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种燃料电池阳极压力控制装置，如图1所示，包括PID控制器1、喷轨2、泄压阀3、燃料电池堆4(FC Stack)和燃料电池阳极压力传感器(图中未示出)，燃料电池堆4、燃料电池阳极压力传感器、PID控制器1、喷轨2、泄压阀3、燃料电池堆4依次连接，形成闭环控制结构，喷轨2中设有多个喷嘴。燃料电池阳极压力传感器反馈实际的燃料电池阳极压力P_anode(P_anode为进电堆的氢气压力)。当期望的燃料电池阳极压力P_set与反馈回来的当前实际阳极压力P_anode有偏差ΔP时，由PID控制器对偏差信号计算得到控制量d，整数化(四舍五入)后得到控制喷轨喷嘴的开启个数n，进而控制喷轨并经泄压阀调整后得到期望的燃料电池阳极压力。

如图2所示，本实施例还提供一种燃料电池阳极压力控制方法，包括以下步骤：

1)燃料电池阳极压力传感器采集燃料电池堆的实时阳极压力P_anode(P_anode也为进电堆的氢气压力)。

2)PID控制器根据期望阳极压力采用PID闭环控制获取对应的控制量d：

d (t) = k_{p} ΔP + k_{i} {&Integral;}_{0}^{t} ΔPdt + k_{d} \frac{dΔP}{dt}

由PID控制器计算得到的控制量为控制喷轨喷嘴开启个数的量(不一定是整数)。

3)根据控制量控制喷轨中各喷嘴的开启状态，具体为：

31)对所述的控制量d进行整数化(四舍五入，Round())处理，转化为喷轨中喷嘴的开启个数n；

33)控制相应喷嘴开启或关闭。

4)泄压阀判断喷轨输出的氢气压力是否大于设定压力，若是，则开启泄压阀直至氢气压力降到设定压力，保证管道和燃料电池堆内氢气压力在额定范围内，避免管道或设备破坏而发生意外，且氢气压力波动可以经由泄压阀开闭速度的调整来消除，保持安全稳定的燃料电池阳极压力。

5)经压力控制后的氢气输入燃料电池堆。

本实施例中，设定调度策略为采用循环化原则进行各喷嘴的调度，具体为：在每一控制周期内，记录所有喷嘴开启的总次数，根据取余运算获取开启或关闭的喷嘴编号，即通过循环的编号实现喷嘴的循环调度。

如图3所示，设定喷轨有N个口径相同喷嘴，每个喷嘴都有开、关两种状态，依次对每个喷嘴编号为1、2……N-1、0。以4个喷嘴为例，依次对各个喷嘴进行编号，分别为1、2、3、0。

设在一个控制周期内，所有喷嘴开启的总次数为S。初始时，S＝0，并在之后不断被累加，即每当需要有一个新的喷嘴开启时，S＝S+1。设定K为需要开启的喷嘴编号，令K＝S％N，进行取余运算，即若余数为0，即K＝0，则0号喷嘴开启，以此类推，K＝N-1时开启编号为N-1的喷嘴；对非开启编号的喷嘴，则需要关闭。设开启u个喷嘴，则有N-u个喷嘴需要关闭，从编号K+1开始，编号逐个递增，到N-1时又重新循环至编号0，再逐个递增，直至所有需要关闭的N-u个喷嘴全部关闭。与开启喷嘴方法相似的，设G为需要关闭的喷嘴编号，取H＝S，令H＝H+1，G＝H％N，进行取余运算，即若余数为0，即G＝0，则0号喷嘴关闭，G＝N-1时关闭编号为N-1的喷嘴关闭。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中设定调度策略为采用随机分配原则进行喷嘴的调度，具体为：在每一控制周期内，根据开启个数n随机选取所需数量的喷嘴开启，其余喷嘴关闭，每次选取都在不包含已选编号的剩余编号中随机抽取。

如图4所示，设定喷轨有N个口径相同喷嘴，每个喷嘴都有开、关两种状态，依次对每个喷嘴编号为0、1、2……N-1。以4个喷嘴为例，依次对各个喷嘴进行编号，分别为0、1、2、3。

在一个控制周期内，随机选取所需数量的喷嘴编号。第1个编号在0到N-1的范围中选取，第2个在除第1个选中的编号以外的其余编号中取，即每次都在不包含已选编号的剩余编号中随机抽取。若需要开启u个喷嘴，则随机选取u个编号，打开对应选取编号的喷嘴。所述算法下，每个编号被选中的概率相等，都为即每个喷嘴被调用的机会是均等且随机的。通过对喷嘴编号的随机选取实现了喷嘴的平衡调用。

由上可见，本发明中的喷轨的实时开启喷嘴编号的调度策略可使各喷嘴被平衡利用，避免单一喷嘴因过度使用或频繁使用而过热烧毁，改善各喷嘴工作情况，延长其使用寿命，从而提高燃料电池阳极压力控制的可靠性。

在不背离本专利本质的情况下，可将控制系统结构上做相应改动或者根据需要增加相应的传感器，但这些相应的变动都应属于本专利所属的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种燃料电池阳极压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集燃料电池堆的实时阳极压力；

2)根据期望阳极压力采用PID闭环控制获取对应的控制量；

3)根据控制量控制喷轨中各喷嘴的开启状态；

5)经压力控制后的氢气输入燃料电池堆。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极压力控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，采用PID闭环控制获取对应的控制量的公式为：

d (t) = k_{p} ΔP + k_{i} {&Integral;}_{0}^{t} ΔPdt + k_{d} \frac{dΔP}{dt}

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极压力控制方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

33)控制相应喷嘴开启或关闭。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极压力控制方法，其特征在于，所述的设定调度策略为采用循环化原则进行各喷嘴的调度，具体为：

5.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极压力控制方法，其特征在于，所述的设定调度策略为采用随机分配原则进行喷嘴的调度，具体为：

6.一种实施如权利要求1所述的燃料电池阳极压力控制方法的装置，其特征在于，包括PID控制器、喷轨、泄压阀、燃料电池堆和燃料电池阳极压力传感器，所述的燃料电池堆、燃料电池阳极压力传感器、PID控制器、喷轨、泄压阀、燃料电池堆依次连接，形成闭环控制结构，所述的喷轨中设有多个喷嘴。