CN108630961B - 用于燃料电池的空气供给控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池的空气供给控制方法和系统，控制空气压缩机的功耗变得最小时的逆变器的开关频率，包括：计算空气压缩机的电动机的每分钟转数(RPM)；基于计算出的电动机的RPM计算功耗变为最小时的空气压缩机的电动机的逆变器的开关频率；以及利用计算出的开关频率控制逆变器。

Description

用于燃料电池的空气供给控制方法和系统
技术领域
本公开内容涉及用于燃料电池的空气供给控制方法和系统，能够在燃料电池的低输出段中，通过提供(suggest)使与空气压缩机的电动机连接的逆变器的功耗最小化的开关频率来提高燃料电池用的空气供给系统的效率。
背景技术
燃料电池是不是通过燃烧将燃料的化学能转化为热能，而是在燃料电池堆中通过电化学反应将化学能转化为电能的一种发电机，燃料电池可用来为小型的电气/电子产品(特别是便携式装置)供电，以及提供工业用电能、家庭用电能和车辆驱动用的电能。
特别地，已经知道一种技术，其中采用空气压缩机的增压系统被应用于满足燃料电池系统在高温条下的性能。
然而，在燃料电池输出期间，燃料电池的附带设备在燃料电池系统的低功率运行段中消耗相对较多的功率。在这些附带设备中，用于供给空气的空气压缩机的功耗所占比例最大。
已经提供的作为相关技术所描述的内容仅仅用于帮助理解本发明的背景，而不应认为这些内容对应于本领域技术人员所已知的相关技术。
发明内容
本发明的目标在于提供一种用于将向燃料电池提供空气的空气压缩机的功耗控制成尽可能小的方法。
根据本公开的示例性实施方式，提供一种用于燃料电池的空气供给控制方法，包括：计算空气压缩机的电动机的每分钟转数(RPM)；基于所计算的电动机的RPM，计算空气压缩机的电动机的逆变器的使功耗变为最小的开关频率；以及利用所计算的开关频率控制逆变器。
在计算空气压缩机的电动机的RPM的过程中，可利用位置传感器测量电动机的RPM。
空气供给控制方法可进一步包括：在计算逆变器的开关频率之前计算空气供给压力条件，其中，在计算逆变器的开关频率的过程中，可基于空气供给压力条件和电动机的RPM计算功耗变为最小时的逆变器的开关频率。
在计算空气供给压力条件的过程中，可在空气供给压力条件下测量并且使用空气控制阀的开度。
在计算逆变器的开关频率的过程中，可通过三相纹波损耗功率和开关损耗功率确定功耗。
在计算逆变器的开关频率的过程中，可利用输入空气压缩机的电动机的逆变器中的DC电压和DC电流计算功耗。
在计算逆变器的开关频率的过程中，可利用预定数量的测量值的平均值计算功耗。
在计算逆变器的开关频率的过程中，可在逆变器的开关频率改变时，确定功耗变为最小时的开关频率。
根据本公开的另一示例性实施方式，提供一种用于燃料电池的空气供给控制系统，包括：电动机RPM计算器，由第一处理器实施，计算空气压缩机的电动机的RPM；开关频率计算器，由第二处理器实施，基于电动机RPM计算器所计算的电动机的RPM，计算连接于空气压缩机的电动机的逆变器的功耗变为最小时的开关频率；以及逆变器控制器，利用开关频率计算器所计算的开关频率控制逆变器。
电动机RPM计算器可利用电动机的位置传感器测量电动机的RPM。
空气供给控制系统可进一步包括：空气供给压力条件计算器，由第三处理器实施，计算空气供给压力条件，其中，开关频率计算器可基于所计算的电动机的RPM和空气供给压力条件，来计算逆变器的功耗变为最小时的开关频率。
空气供给压力条件计算器可在空气供给压力条件下测量并使用空气控制阀的开度。
开关频率计算器可基于三相纹波损耗功率和开关损耗功率确定逆变器的功耗。
开关频率计算器可利用输入到空气压缩机的电动机的逆变器中的DC电压和DC电流来计算逆变器的功耗。
开关频率计算器可利用预定数量的测量值的平均值计算逆变器的功耗。
开关频率计算器可在逆变器的开关频率改变时确定功耗变为最小时的开关频率。
附图说明
图1为根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制方法的流程图。
图2为根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制系统的配置图。
具体实施方式
下文中，将参考附图描述本公开内容的示例性实施方式。图1为根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制方法的流程图，图2为根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制系统的配置图。
参考图1，根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制方法，包括：计算空气压缩机的电动机的每分钟转数(RPM)(S100)；基于所计算的电动机的RPM，计算功耗变为最小时的空气压缩机的电动机的逆变器的开关频率(S200)；以及通过所计算的开关频率控制逆变器(S300)。
根据用于燃料电池的空气供给控制方法，可以通过根据空气压缩机的电动机的RPM，计算和控制逆变器的功耗最小时的开关频率来提高空气压缩机的效率。
参考图2，根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池10的空气供给控制系统，包括：电动机RPM计算器32，由第一处理器320实现，用于计算空气压缩机30的电动机31的RPM；开关频率计算器42，由第二处理器420实现，用于基于由电动机RPM计算器32所计算的电动机RPM，计算与空气压缩机30的电动机31连接的逆变器40的功耗变为最小时的开关频率；以及逆变器控制器41，用于通过开关频率计算器42所计算的开关频率控制逆变器40。
第一处理器320和第二处理器420分别执行电动机RPM计算器32和开关频率计算器42的各种功能。下面描述的电动机RPM计算器32和开关频率计算器42分别通过在第一处理器320和第二处理器420上运行的软件指令来实现。
图2中的粗线表示空气通道，空气穿过该空气通道被提供给燃料电池10以及从燃料电池10排出。在一个示例性实施方式中，空气控制阀(ACV)50设置在空气导入和排出时所穿过的通道，以控制空气压力。
如图1所示的根据本公开内容的示例性实施方式的用于燃料电池的空气供给控制方法可由图2的用于燃料电池的空气供给控制系统实现。
相应地，参考图1和图2，控制器20基于所需要的输出、电池(battery)的荷电状态(state of charge)等等控制燃料电池10的发电，并且控制空气压缩机30的电动机31的RPM和空气控制阀(ACV)50的开度。
在计算空气压缩机30的电动机31的RPM(S100)的过程中，与空气压缩机30中的电动机31连接的电动机RPM计算器32计算电动机31的RPM。
具体地，在计算空气压缩机30的电动机31的RPM(S100)的过程中，电动机RPM计算器32可通过利用附接在空气压缩机30的电动机31上的位置传感器33测量电动机31的RPM来计算电动机31的RPM。
在基于所计算的电动机31的RPM计算将功耗变为最小时的空气压缩机30的电动机31的逆变器40的开关频率(S200)的过程中，开关频率计算器42计算逆变器40的将与空气压缩机30的电动机31连接的逆变器40的功耗变为最小时的开关频率。
在计算逆变器40的开关频率(S200)之前，在计算空气供给压力条件(S100)的过程中，由第三处理器510实现的空气供给压力条件计算器51可计算向燃料电池10提供的空气的压力条件，以计算空气压缩机30的负载状态(load state，负荷状态)。
第三处理器510执行空气供给压力条件计算器51的各种功能。下面所描述的空气供给压力条件计算器51通过在第三处理器510上运行的软件指令实现。
例如，所测量的连接于燃料电池10的空气控制阀(ACV)50的开度可用于空气供给压力条件。
更具体地，在计算空气压缩机30的电动机31的RPM和空气供给压力条件(S100)的过程中，电动机RPM计算器32计算电动机31的RPM，并且空气供给压力条件计算器51计算空气控制阀(ACV)50的开度(S110)，空气供给控制方法继续确定所计算的电动机31的RPM和ACV50的开度是否为存储器43的表中存储的特定的电动机RPM和ACV 50的开度(S120)，如果确定所计算的电动机31的RPM和ACV 50的开度是特定的电动机RPM和ACV 50的开度，则计算逆变器40的开关频率(S200)。
在计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，开关频率计算器42计算在电动机RPM计算器32所计算的电动机31的RPM条件和空气供给压力条件计算器51所计算的空气供给压力条件下功耗变为最小时的逆变器40的开关频率。
在由开关频率计算器42计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，可通过三相纹波损耗功率和开关损耗功率来确定功耗。当逆变器40的开关频率较低时，由三相纹波电流引起的损耗功率对逆变器效率有显著影响，而当逆变器40的开关频率处于某个水平以上时，开关损耗功率对逆变器效率有显著影响。因此，逆变器40的功耗可由三相纹波损耗功率与根据开关频率变化的开关损耗功率之和来确定。
在由开关频率计算器42计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，可利用输入到空气压缩机30的电动机31的逆变器40中的DC电压和DC电流计算功耗(S210和S220)。具体地，可感测输入空气压缩机30的电动机31的逆变器40中的直流(DC)电压和电流(S210)，并且因此可计算消耗的功率(消耗的功率＝电压×电流)(S220)。
在由开关频率计算器42计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，可利用预定数量的针对功耗的测量值的平均值计算功耗(S230、S240、S250、S260和S270)。因为容易出现噪声和误差，所以可利用多个测量值的平均值计算逆变器40的功耗。此处，例如，预定的数量可设置为10，也可设置为大于或者小于10。
具体地，如果对多个所计算的功耗求和(S230)，所计算的功耗的数量被确定为功耗的平均值计算的计数(S240)，而且计算的功耗的平均值计算的计数多达预定数量(S250)，用功耗的和除以功耗的平均值计算的计数来计算功耗的平均值(S260)。开关频率和因此计算的功耗的平均值存储在连接于开关频率计算器42的存储器43中(S270)。
在计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，当开关频率计算器42计算逆变器40的最小功耗时的开关频率时，在相同的电动机31的RPM和空气供给压力条件下改变开关频率的同时将功耗存储在连接于开关频率计算器42的存储器43中，并且可确定存储器43中存储的功耗变为最小时的开关频率。
在计算逆变器40的开关频率(S200)的过程中，开关频率计算器42计算电动机31的RPM和空气供给压力条件，将所计算的电动机31的RPM设置为RPM条件，并且将所计算的空气供给压力条件设置为压力条件，使得基于逆变器40的开关频率的平均功耗的表可存储在连接于开关频率计算器42的存储器43中。
具体地，将电动机31的RPM设置为有限数量的RPM，将空气控制阀(AVC)50的开度设置为空气供给压力条件下的有限数量的开度，并且在有限数量的RPM和有限数量的开度各自对应的有限数量的点计算最小功耗时的开关频率，从而填满存储器43的表。可以在有限数量的点之间的段中通过线性插值等来计算开关频率。例如，有限数量的RPM可利用其中空气压缩机30的电动机31的最大RPM和最小RPM以5000[rpm]为单位进行分割的表，而有限数量的ACV 50的开度可利用其中ACV 50的最小开度和最大开度以10[deg]为单位进行分割的表。
在通过所计算的开关频率控制逆变器40(S300)的过程中，连接于逆变器40的逆变器控制器41将逆变器40控制成通过所计算的最小功耗的开关频率进行开关。
更具体地，在通过所计算的开关频率控制逆变器40(S300)的过程中，确定连接于开关频率计算器42的存储器43中的存储有电动机31的RPM和空气供给压力条件下的针对逆变器40的每个开关频率的平均功耗的表是否被全部填满(S310)，如果确定该表被完全填满，则通过最小功耗时的开关频率控制电动机31的RPM和空气压力条件(S321)，如果确定取决于逆变器40的开关频率的平均功耗的表未被完全填满，则通过未计算的开关频率控制逆变器40(S322)，从而完成平均功耗的表。
根据本公开内容的控制方法和系统，可以通过仅利用控制技术而不增加单独的部件，使得燃料电池的空气压缩机的功耗最小化来提高燃料电池系统的效率。
尽管已关于具体示例性实施方式示出并且描述了本公开内容，但是对于本领域的技术人员而言很明显，可以在不悖离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明做出各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池的空气供给控制方法，包括以下步骤：
计算空气压缩机的电动机的每分钟转数；
基于计算出的所述电动机的每分钟转数，计算所述空气压缩机的所述电动机的逆变器的使功耗变为最小时的开关频率；
利用计算出的所述开关频率来控制所述逆变器；以及
在所述逆变器的开关频率的计算之前计算空气供给压力条件，
其中，在所述逆变器的开关频率的计算中，基于所述空气供给压力条件和所述电动机的每分钟转数，计算所述逆变器的使所述功耗变为最小时的开关频率。
2.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述空气压缩机的所述电动机的每分钟转数的计算中，利用位置传感器感测所述电动机的每分钟转数。
3.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述空气供给压力条件的计算中，测量空气控制阀的开度并且将所述空气控制阀的开度用于计算所述空气供给压力条件。
4.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述逆变器的开关频率的计算中，所述功耗通过三相纹波损耗功率和开关损耗功率来确定。
5.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述逆变器的开关频率的计算中，利用输入到所述空气压缩机的所述电动机的所述逆变器中的直流电压和直流电流来计算所述功耗。
6.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述逆变器的开关频率的计算中，利用预定数量的测量值的平均值来计算所述功耗，其中，所述测量值在相同的所述电动机的每分钟转数和开关频率下分别被测量几次。
7.根据权利要求1所述的空气供给控制方法，其中，在所述逆变器的开关频率的计算中，在改变所述逆变器的开关频率的同时来确定使所述功耗变为最小时的开关频率。
8.一种用于燃料电池的空气供给控制系统，包括：
电动机每分钟转数计算器，由第一处理器实施、计算空气压缩机的电动机的每分钟转数；
开关频率计算器，由第二处理器实施、基于由所述电动机每分钟转数计算器计算出的所述电动机的每分钟转数来计算使与所述空气压缩机的所述电动机连接的逆变器的功耗变为最小时的开关频率；
逆变器控制器，利用由所述开关频率计算器计算出的开关频率来控制所述逆变器；以及
空气供给压力条件计算器，由第三处理器实施、计算空气供给压力条件，
其中，所述开关频率计算器基于计算出的所述电动机的每分钟转数和所述空气供给压力条件来计算使所述逆变器的功耗变为最小时的开关频率。
9.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述电动机每分钟转数计算器使用所述电动机的位置传感器测量所述电动机的每分钟转数。
10.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述空气供给压力条件计算器测量并使用空气控制阀的开度来计算空气供给压力条件。
11.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述开关频率计算器基于三相纹波损耗功率和开关损耗功率来确定所述逆变器的功耗。
12.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述开关频率计算器利用输入到所述空气压缩机的所述电动机的所述逆变器中的直流电压和直流电流来计算所述逆变器的功耗。
13.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述开关频率计算器利用预定数量的测量值的平均值来计算所述逆变器的功耗，其中，所述测量值在相同的所述电动机的每分钟转数和开关频率下分别被测量几次。
14.根据权利要求8所述的空气供给控制系统，其中，所述开关频率计算器在所述逆变器的开关频率被改变的同时，确定使所述功耗变为最小时的开关频率。
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