CN109273743B - 用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法 - Google Patents

用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电气工程技术研究领域，尤其涉及一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法，包括一端端部连接电机驱动器的混合动力系统高压直流母线、安装在混合动力系统高压直流母线上且具有单向电流调节功能的第一电流调节器和具有双向电流调节功能的第二电流调节器、与第一电流调节器相连的氢燃料电池堆、与氢燃料电池堆相连的具有读取氢燃料电池堆中每一个膜电极单膜电压数据功能的单膜电压检测单元、与第二电流调节器相连的锂电池模组；本申请能够使氢燃料电池堆膜电极单体工作电压平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆膜电极性能衰减，提升氢燃料电池堆工作寿命。

Description

用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法
技术领域
本发明属于电气设备及电气工程技术研究领域，尤其涉及一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法。
背景技术
质子交换膜氢燃料电池发动机以其特有的燃料效率高、环境适用好、可靠性高、噪声低、零排放等优点而备受关注。与内燃机汽车相比，质子交换膜氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99％，二氧化碳的生成量减少75％，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。
质子交换膜氢燃料电池堆膜电极单体的理想输出电压Uo计算公式为：
上式中分别为氢、氧和水蒸气的压力，Eo为氢燃料电池堆膜电极单体的理想标准电动势，R为通用气体常数，T为氢燃料电池堆工作温度，F为法拉第常数。
由公式(1)可以看出：氢燃料电池堆膜电极单体的输出电压Uo由2部分构成，第1部分为膜电极单体的理想标准电动势Eo，Eo的数据主要由膜电极单体的材料特性决定；第2部分为膜电极单体的环境变量因素，主要由工作温度T、氢气压力氧气压力/>等环境变量的数据决定。
通过质子交换膜氢燃料电池汽车的示范运行，发现车用质子交换膜氢燃料电池堆关键部件膜电极的劣化模式主要为：1)频繁的启动停止引起的质子交换膜电极高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；2)反复加减速引起的质子交换膜电极电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化；
上述缺陷易导致氢燃料电池堆膜电极性能衰减和燃料电池堆工作寿命的缩减的问题。
发明内容
本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法，具体技术方案如下：
一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置：
包括一端端部连接电机驱动器的混合动力系统高压直流母线、安装在混合动力系统高压直流母线上且具有单向电流调节功能的第一电流调节器和具有双向电流调节功能的第二电流调节器、与第一电流调节器相连的氢燃料电池堆、与氢燃料电池堆相连的具有读取氢燃料电池堆中每一个膜电极的单膜电压数据功能的单膜电压检测单元、与第二电流调节器相连的锂电池模组、与锂电池模组相连且具有读取锂电池模组电压、电流数据功能的锂电池管理系统；所述第一电流调节器、第二电流调节器、氢燃料电池堆、单膜电压检测单元、锂电池管理系统分别与氢燃料电池主控单元相连；
所述氢燃料电池主控单元具有分析处理氢燃料电池堆中所有膜电极单体工作电压数据、温度和压力信号数据和调控第一电流调节器与第二电流调节器的功能；所述氢燃料电池主控单元与氢燃料电池堆的连接处安装有具有测量温度和压力数据的测量装置。
优选地，所述电机驱动器与所述混合动力系统高压直流母线的连接处安装具有检测电机驱动器输入电流功能的电流传感器，所述电流传感器与氢燃料电池主控单元相连。
优选地，所述锂电池管理系统上设有交直流充电口。
优选地，所述测量装置为温度、压力传感器。
一种根据权利要求1或2或3或4所述的用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆中所有膜电极单体工作电压数据U0～UN(其中N为氢燃料电池堆中所有膜电极单体总数)；
(2)如果膜电极单体工作电压数据U0～UN中有小于膜电极单体最低工作电压ULOW_LIMIT，或U0～UN中有大于膜电极单体最高工作电压UHIGH_LIMIT的异常情况，则主控单元进入停机报警状态；如果没有以上异常情况，则进入步骤(3)
(3)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆的温度、压力传感器信号数据；
(4)如果测得的氢燃料电池堆的温度、压力信号数据无异常，则根据温度、压力数据计算氢燃料电池堆最大允许输出电流IFC_MAX_LIMIT数据和最大允许输出电流IFC_MIN_LIMIT数据，然后转入步骤(5)；如果温度、压力信号数据有异常，则氢燃料电池主控单元进入停机报警状态；
(5)主控单元读取电机驱动器输入电流传感器的信号数据IMOTOR；
(6)如果IMOTOR大于IFC_MAX_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MAX_LIMIT以下，防止膜电极电位过低引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为放电状态，第二电流调节器调节锂电池放电电流IDISCHARGE＝IMOTOR-IFC_MAX_LIMIT；
(7)如果IMOTOR小于IFC_MIN_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MIN_LIMIT以上，防止膜电极电位过高引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为充电状态，第二电流调节器调节锂电池充电电流ICHARGE＝IFC_MIN_LIMIT-IMOTOR；
(8)控制流程重新返回步骤(1)，如此循环反复执行，直至系统停机退出。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1).氢燃料电池主控单元同时协调控制第一和第二电流调节器的运行状态，其中第一电流调节器为单向电流调节器，其电流方向从氢燃料电池堆流向混合动力系统高压直流母线，第二电流调节器为双向电流调节器，其电流方向可以在锂电池模组和混合动力系统高压直流母线之间双向变换。2个电流调节器的协同工作的有益效果在于能够根据电机驱动器输入电流传感器的信号数据实时优化调整氢燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比，与单个电流调节器的装置及其控制方法相比，2个电流调节器协同工作的装置及其控制方法在响应速度、调节范围和克服氢燃料电池堆频繁启停这3个方面均有优势。
2).氢燃料电池主控单元根据氢燃料电池堆温度、压力传感器信号数据，实时计算氢燃料电池堆最大允许输出电流数据和最小允许输出电流数据，其有益效果在于能够根据氢燃料电池堆的实际温度、压力状态数据，实时地将氢燃料电池堆的输出电流限制在要求范围之内。
综上所述，本专利所提出的一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法，能够使氢燃料电池堆膜电极单体工作电压平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆膜电极性能衰减，提升氢燃料电池堆工作寿命。
附图说明
图1为用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法系统框图；
图2为本发明电流调节器电路原理图；
图3为用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置及其控制方法步骤流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置：
包括一端端部连接电机驱动器的混合动力系统高压直流母线、安装在混合动力系统高压直流母线上且具有单向电流调节功能的第一电流调节器和具有双向电流调节功能的第二电流调节器、与第一电流调节器相连的氢燃料电池堆、与氢燃料电池堆相连的具有读取氢燃料电池堆中每一个膜电极单膜电压数据功能的单膜电压检测单元、与第二电流调节器相连的锂电池模组、与锂电池模组相连且具有读取锂电池模组电压、电流数据功能的锂电池管理系统；所述第一电流调节器、第二电流调节器、氢燃料电池堆、单膜电压检测单元、锂电池管理系统分别与氢燃料电池主控单元相连；
所述氢燃料电池主控单元具有分析处理氢燃料电池堆中所有膜电极单体工作电压数据、温度和压力信号数据和调控第一电流调节器与第二电流调节器的功能；所述氢燃料电池主控单元与氢燃料电池堆的连接处安装有具有测量温度和压力数据的测量装置。所述测量装置为温度、压力传感器。
所述电机驱动器与所述混合动力系统高压直流母线的连接处安装具有检测电机驱动器电流功能的电流传感器，所述电流传感器与氢燃料电池主控单元相连。所述锂电池管理系统上设有交直流充电口。
如图1所示，氢燃料电池主控单元作为主控制器(氢燃料电池主控单元用的是PIC30F4011芯片)，其功能1是负责控制氢燃料电池堆、第一电流调节器、第二电流调节器的运行状态，功能2是读取混合动力系统高压直流母线上的电机驱动器输入电流传感器的信号数据，功能3是通过数据总线实现与单膜电压检测单元、锂电池管理系统之间的双向数据通讯功能。单膜电压检测单元负责读取氢燃料电池堆中每一个膜电极的单膜电压数据，并通过数据总线上报给氢燃料电池主控单元。电流调节器1为单向电流调节器，其电流方向只能从氢燃料电池堆流向高压直流母线，电流调节器2为双向电流调节器，其电流方向可以在锂电池模组和高压直流母线之间双向变换。
图2所示的电流调节器可以工作在单向或双向模式，由PIC30F4011芯片控制多相双向电流控制器LM5170-Q1芯片，实现单向或双向电流控制调节功能。PIC30F4011的RB0、RB1、RB2、RB3管脚作为模拟量转换口,其中ADC1、ADC2分别采样LM5170-Q1的2相电流检测IOUT1、IOUT2信号，ADC3、ADC4分别采样高压侧HV和低压侧LV的2路电压值，PIC30F4011的RB4、RB5、RB6、RB7管脚作为数字输出口，分别控制LM5170-Q1的UVLO、EN1、EN2、DIR，PIC30F4011的RE8管脚作为中断输入口，监测LM5170-Q1的故障报警FAULT信号的电平变化，PIC30F4011的RE0管脚作为PWM输出口，通过改变PWM的占空比来调整LM5170-Q1的工作电流设定值ISETD。
如图3所示，本发明的控制方法流程为：
(1)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆中所有膜电极单体工作电压数据U0～UN(其中N为氢燃料电池堆中所有膜电极单体总数)；
(2)如果膜电极单体工作电压数据U0～UN中有小于膜电极单体最低工作电压ULOW_LIMIT，或U0～UN中有大于膜电极单体最高工作电压UHIGH_LIMIT的异常情况，则主控单元进入停机报警状态；如果没有以上异常情况，则进入步骤(3)；
(3)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆的温度、压力传感器信号数据；
(4)如果测得的氢燃料电池堆的温度、压力信号数据无异常，则根据温度、压力数据计算氢燃料电池堆最大允许输出电流IFC_MAX_LIMIT数据和最大允许输出电流IFC_MIN_LIMIT数据，然后转入步骤(5)；如果温度、压力信号数据有异常，则氢燃料电池主控单元进入停机报警状态；
(5)主控单元读取电机驱动器输入电流传感器的信号数据IMOTOR；
(6)如果IMOTOR大于IFC_MAX_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MAX_LIMIT以下，防止膜电极电位过低引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为放电状态，第二电流调节器调节锂电池放电电流IDISCHARGE＝IMOTOR-IFC_MAX_LIMIT；
(7)如果IMOTOR小于IFC_MIN_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MIN_LIMIT以上，防止膜电极电位过高引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为充电状态，第二电流调节器调节锂电池充电电流ICHARGE＝IFC_MIN_LIMIT-IMOTOR；
(8)控制流程重新返回步骤(1)，如此循环反复执行，直至系统停机退出。
所述IFC_MIN_LIMIT、IMOTOR、IFC_MAX_LIMIT的数据是根据电堆的型号和膜电极材质，根据实验得到的数据。
本发明属于电子信息技术领域下的电气设备及电气工程(子技术领域)，具体地说是根据电机驱动器的输入电流和质子交换膜氢燃料电池堆温度、压力传感器信号，计算氢燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流数据，通过在氢燃料电池堆与电机驱动器直流母线之间、动力电池组与电机驱动器直流母线之间分别加入电流调节器，以达到在车用工况条件下，实时优化调整氢燃料电池堆输出电流和动力电池组充放电电流的配比，使氢燃料电池堆膜电极单体工作电压平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆膜电极性能衰减，提升氢燃料电池堆工作寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置 ,其特征在于：
包括一端端部连接电机驱动器的混合动力系统高压直流母线、安装在混合动力系统高压直流母线上且具有单向电流调节功能的第一电流调节器和具有双向电流调节功能的第二电流调节器、与第一电流调节器相连的氢燃料电池堆、与所述氢燃料电池堆相连的具有读取氢燃料电池堆中每一个膜电极单膜电压数据功能的单膜电压检测单元、与第二电流调节器相连的锂电池模组、与锂电池模组相连且具有读取锂电池模组电压、电流数据功能的锂电池管理系统；所述第一电流调节器、第二电流调节器、氢燃料电池堆、单膜电压检测单元、锂电池管理系统分别与氢燃料电池主控单元相连；所述氢燃料电池主控单元与氢燃料电池堆的连接处安装有具有测量温度和压力数据的测量装置；
用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆中所有膜电极单体工作电压数据U0～UN，其中N为氢燃料电池堆中所有膜电极单体总数；
(2)如果膜电极单体工作电压数据U0～UN中有小于膜电极单体最低工作电压ULOW_LIMIT，或U0～UN中有大于膜电极单体最高工作电压UHIGH_LIMIT的异常情况，则主控单元进入停机报警状态；如果没有以上异常情况，则进入步骤(3) ；
(3)氢燃料电池主控单元读取氢燃料电池堆的温度、压力传感器信号数据；
(4)如果测得的氢燃料电池堆的温度、压力信号数据无异常，则根据温度、压力数据计算氢燃料电池堆最大允许输出电流IFC_MAX_LIMIT数据和最小允许输出电流IFC_MIN_LIMIT数据，然后转入步骤(5)；如果温度、压力信号数据有异常，则氢燃料电池主控单元进入停机报警状态；
(5)氢燃料电池主控单元读取电机驱动器输入电流传感器的信号数据IMOTOR；
(6)如果IMOTOR大于IFC_MAX_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MAX_LIMIT以下，防止膜电极电位过低引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为放电状态，第二电流调节器调节锂电池放电电流IDISCHARGE＝IMOTOR-IFC_MAX_LIMIT；
(7)如果IMOTOR小于IFC_MIN_LIMIT，则氢燃料电池主控单元控制第一电流调节器，将氢燃料电池堆的输出电流限制在IFC_MIN_LIMIT以上，防止膜电极电位过高引起电位循环发生，同时氢燃料电池主控单元控制第二电流调节器，将第二电流调节器设定为充电状态，第二电流调节器调节锂电池充电电流ICHARGE＝IFC_MIN_LIMIT-IMOTOR；
(8)控制流程重新返回步骤(1)，如此循环反复执行，直至系统停机退出。
2.根据权利要求1所述的用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置，其特征在于，所述电机驱动器与混合动力系统高压直流母线的连接处安装具有检测电机驱动器输入电流功能的电流传感器，所述电流传感器与氢燃料电池主控单元相连。
3.根据权利要求1所述的用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置，其特征在于，所述锂电池管理系统上设有交直流充电口。
4.根据权利要求1所述的用于质子交换膜氢燃料电池堆的电流调节装置，其特征在于，所述测量装置为温度、压力传感器。
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