CN108376790B - 一种燃料电池系统输出电压的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池系统输出电压的控制方法，包括：采集燃料电池系统实时输出电压；将期望电压值与实测电压值输入恒电压控制运算单元，分别获取阴极压力值和过量系数修正值；根据燃料电池系统输入电流采用前馈查表找出对应的过量系数值；将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值加到查出的过量系数上；将修正后的过量系数输入到转换器得到空气质量流量；将空气质量流量和阴极压力两个变量输入到多变量闭环控制运算单元，得到空压机转速和背压阀开度；将空压机转速和背压阀开度作为燃料电池系统的输入参数输入到燃料电池系统中，得到燃料电池输出电压以及空气质量流量和阴极压力；分别将燃料电池输出参数反馈到各自的控制单元形成闭环控制。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，尤其是涉及一种燃料电池系统输出电压的控制方法。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为直流电能的发电装置。其工作原理是通过电化学反应把物质的化学能转化为电能，并且燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断补充的，只要供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。简而言之，燃料电池就是能量转换装置。
燃料电池提供的电压受电堆输入空气过量系数、供气压力、电堆温度、电堆湿度等因素的影响，一般而言，前二者容易调节且过程较快；同时燃料电池的电压也会随着电流负载的变化而显著变化。因此燃料电池动力通常使用DC/DC变换器调节。
DC/DC变换器的使用不仅会增大系统体积与重量，同时还会增加系统成本。因此提出了一种燃料电池与锂电池直接混合的结构，在这种结构中取消DC/DC变换器，这种结构能够提高系统的效率，同时降低了整个系统的成本，系统结构变简单。
对燃料电池采用恒电压控制可以进一步提高电堆寿命。
在燃料电池与锂电池直接混合的结构中，燃料电池与锂电池并联工作在相同的电压下，因此需要保证燃料电池系统的输出电压与锂电池的电压相同。这就需要采用一种燃料电池系统输出电压的控制方法来满足这种结构的需求。
发明内容
本发明的目的是为了在燃料电池与锂电池直接混合系统中提供一种保证燃料电池输出电压与锂电池电压保持一致的控制方法，为燃料电池与锂电池直接混合结构的实现提供可能。通过控制阴极氧气的分压力来改变燃料电池的极化曲线，保证燃料电池输出电压不变的条件下，燃料电池的输出电流可以在一定的范围内发生变化，以此来改变燃料电池堆输出功率，满足负载的各种变化要求。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种燃料电池系统输出电压的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
1）采集燃料电池系统实时输出电压；
2）将期望电压值与实测电压值输入恒电压控制运算单元，分别获取阴极压力值和过量系数修正值；
3）根据燃料电池系统输入电流采用前馈查表找出对应的过量系数值，具体为：
31）测定燃料电池系统的输入电流；
32）设计过量系数前馈表，指定过量系数前馈表中输入电流与过量系数之间的关系；
33）根据实时的燃料电池输入电流找出过量系数的大小；
4）将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值加到查出的过量系数上；
5）将修正后的过量系数输入到转换器得到空气质量流量；
6）将空气质量流量和阴极压力两个变量输入到多变量闭环控制运算单元，得到空压机转速和背压阀开度；
7）将空压机转速和背压阀开度作为燃料电池系统的输入参数输入到燃料电池系统中，得到燃料电池输出电压以及空气质量流量和阴极压力；
8）分别将燃料电池输出参数反馈到各自的控制单元形成闭环控制，具体为：
81）将燃料电池系统输出的空气质量流量反馈到多变量闭环控制器，形成空气质量流量闭环控制；
82）将燃料电池系统输出的阴极压力反馈到多变量闭环控制器，形成阴极压力闭环控制；
83）将燃料电池系统输出电压反馈到恒电压控制器，形成电压闭环控制。
作为上述技术方案的改进，步骤6）和步骤7）中采用同时控制空压机转速和背压阀开度两个参数来调节燃料电池堆输出电压，具体为：
将空压机转速和背压阀开度作为两个输入变量，对这两个变量同时采用闭环控制，两者协同作用控制燃料电池系统的输出电压。
作为上述技术方案的改进，步骤4）中将过量系数和燃料电池阴极压力两者相关联，具体为：
在各自采用不同的控制方法之后将两者联系在一起，将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值作用到设定的过量系数的设定值。
本发明所述的控制方法，在考虑空气质量流量时，采用了前馈控制方法同时引入了过量系数，设计相应的转换器将过量空气系数转换为空气质量流量。
本发明所述的控制方法，考虑到阴极压力和过量系数为影响阴极氧气压力的主要参数，设计多变量闭环控制器，输入变量为空气质量流量和阴极压力，输出参数为空压机转速和背压阀开度。
本发明所述的控制方法，对于整体控制目标燃料电池输出电压采用闭环控制，将燃料电池输出电压反馈到恒电压控制器，形成电压的闭环控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明能够保证燃料电池在与锂电池直接混合系统中将燃料电池的电压精准的控制期望值附近波动；
2.本发明设计了恒电压控制运算单元，实现了对燃料电池工作电压的实时快速地跟踪响应，提高控制精度；
3.本发明通过在电压环与空气质量流量前馈控制之间加入过量系数的修正，精准的保证了二者的协同控制作用，在一定程度上提高了整体的控制精度；
4.本发明通过多变量闭环控制单元，将空气质量流量和阴极压力转换为空压机转速和背压阀开度两个变量，通过这两个变量来直接控制燃料电池系统，保证了对燃料电池系统输出电压的快速精准控制；
5.本发明较大范围的改变燃料电池极化曲线，保证在同一电压下燃料电池的电流具有较大的变化范围，同时也意味着燃料电池的输出功率变化具有较宽的范围，能够满足燃料电池和锂电池直接混合系统对于燃料电池的需求。
附图说明
图1为本发明系统控制策略示意图；
图2为燃料电池与锂电池直接混合结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明进行详细说明。本实施案例以本发明技术方案为前提进行实施，并给出了详细的实施方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种燃料电池系统输出电压的控制方法，如图1所示，其中包括两个控制变量，分别是空气质量流量和阴极入堆空气压力，两个参数分别采用不同的控制方法实现对燃料电池系统输出电压的控制作用，通过控制这两个变量使得燃料电池的输出电压在期望值附近变化。
如图1所示，为本发明系统控制策略示意图；图2为燃料电池与锂电池直接混合结构示意图。本实施例提供了一种燃料电池系统输出电压的控制方法，包括以下步骤：
1）采集燃料电池系统实时的输出电压，该电压在燃料电池与锂电池直接混合结构中亦为锂电池工作电压；
2）将期望电压值与实测电压值输入恒电压控制运算单元，分别获取阴极压力值和过量系数修正值；
3）根据燃料电池系统所需的输入电流找出相应的过量系数，具体为：
31）测定燃料电池系统的输入电流；
32) 设计过量系数前馈表，其中指定燃料电池电流与过量系数之间的关系；
33）根据燃料电池工作电流的大小找到相应的过量系数；
4）将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值加到查出的过量系数上；
5）设计一个转换器将修正后的过量系数转换为空气质量流量，具体为：
51）过量系数指提供给燃料电池阴极的氧气与燃料电池阴极消耗氧气的比值，转换器的作用是将过氧比转化为空气质量流量；
52）由燃料电池系统输入电流与消耗掉氧气的关系计算出消耗掉的氧气，再根据修正后的过量系数计算出提供给燃料电池阴极的氧气量，最后计算出空气的质量流量；
6）将转换器输出的空气质量流量和恒电压控制运算单元输出的阴极压力输入到多变量闭环控制单元，同时设计好的多变量闭环控制单元根据输入变量输出空压机转速和背压阀开度；
7）将多变量闭环控制单元输出的空压机转速和背压阀开度这两个变量输入到燃料电池系统，这时，燃料电池系统会输出实时的空气质量流量和阴极压力；
8）将燃料电池系统输出的信号反馈到各自的控制单元形成闭环控制，具体为：
81）将燃料电池系统输出的空气质量流量反馈到多变量闭环控制器，形成空气质量流量闭环控制；
82）将燃料电池系统输出的阴极压力反馈到多变量闭环控制器，形成阴极压力闭环控制；
83）将燃料电池系统输出电压反馈到恒电压控制器，形成电压闭环控制。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统输出电压的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1）采集燃料电池系统实时输出电压；
2）将期望电压值与实测电压值输入恒电压控制运算单元，分别获取阴极压力值和过量系数修正值；
3）根据燃料电池系统输入电流采用前馈查表找出对应的过量系数值，具体为：
31）测定燃料电池系统的输入电流；
32）设计过量系数前馈表，指定过量系数前馈表中输入电流与过量系数之间的关系；
33）根据实时的燃料电池输入电流找出过量系数的大小；
4）将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值加到查出的过量系数上；
5）将修正后的过量系数输入到转换器得到空气质量流量；
6）将空气质量流量和阴极压力两个变量输入到多变量闭环控制运算单元，得到空压机转速和背压阀开度；
7）将空压机转速和背压阀开度作为燃料电池系统的输入参数输入到燃料电池系统中，得到燃料电池输出电压以及空气质量流量和阴极压力；
8）分别将燃料电池输出参数反馈到各自的控制单元形成闭环控制，具体为：
81）将燃料电池系统输出的空气质量流量反馈到多变量闭环控制器，形成空气质量流量闭环控制；
82）将燃料电池系统输出的阴极压力反馈到多变量闭环控制器，形成阴极压力闭环控制；
83）将燃料电池系统输出电压反馈到恒电压控制器，形成电压闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统输出电压的控制方法，其特征在于，步骤6）和步骤7）中采用同时控制空压机转速和背压阀开度两个参数来调节燃料电池堆输出电压，具体为：
将空压机转速和背压阀开度作为两个输入变量，对这两个变量同时采用闭环控制，两者协同作用控制燃料电池系统的输出电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池系统输出电压的控制方法，其特征在于，步骤4）中将过量系数和燃料电池阴极压力两者相关联，具体为：
在各自采用不同的控制方法之后将两者联系在一起，将恒电压控制运算单元输出的过量系数修正值作用到设定的过量系数的设定值。
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