CN109888337B - 燃料电池自增湿控制方法及自增湿控制系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种燃料电池自增湿控制方法及自增湿控制系统，根据所述输出负载电流、湿度偏差量、压力偏差量获取目标阳极循环泵转速、目标阴极循环泵转速、目标阳极尾排阀开度以及目标阴极尾排阀开度。将目标阳极循环泵转速、目标阴极循环泵转速、目标阳极尾排阀开度以及目标阴极尾排阀开度输入给燃料电池系统。从而，通过燃料电池自增湿控制方法可以在无外部增湿器的情况下，实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应。同时，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以使得燃料电池系统结构简单化，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池自增湿控制方法及自增湿控制系统。
背景技术
燃料电池发电系统是一种电化学装置，将化学能直接转换为电能，其能量转换过程不受卡诺循环限制，理论效率较高。其消耗的燃料为氢气，反应产物是水，有害排放物为零，是最清洁的能源之一。因此燃料电池发电系统可以用在备用电站、电动汽车和移动电源等领域。传统的燃料电池发电系统主要包括燃料电池电堆、氢气系统、空气系统、增湿系统、冷却系统、功率输出系统和控制系统等。
其中，增湿系统是为了保证进入电堆的空气的湿度在一定范围，过干和过湿对质子交换膜和电堆都有不利的影响，因此需要对进入电堆的空气进行湿度控制。空气系统能够通过空压机、流量控制阀的协调控制来控制进入电堆的空气流量和空气压力，能够通过散热器调整进气温度，通过增湿器控制进气湿度。但是，传统的燃料电池发电系统结构复杂，不能满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整，无法实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应。
发明内容
基于此，有必要针对传统的燃料电池发电系统结构复杂，无法实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应的问题，提供一种可以实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应的燃料电池自增湿控制方法及自增湿控制系统。
本申请提供一种燃料电池自增湿控制方法，应用于燃料电池自增湿控制系统，包括：
S10，获取输出负载电流、目标湿度以及目标压力；
S20，根据所述输出负载电流，获得阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量、阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量；
S30，获取所述燃料电池双循环系统的实际湿度与实际压力，并将所述目标湿度与所述实际湿度进行运算获得湿度偏差量，将所述目标压力与所述实际压力进行运算获得压力偏差量；
S40，根据所述湿度偏差量与所述压力偏差量，获得阳极循环泵转速增减量、阴极循环泵转速增减量、阳极尾排阀开度增减量以及阴极尾排阀开度增减量；
S50，将所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加，获得目标阳极循环泵转速；将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加，获得目标阴极循环泵转速；将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阳极尾排阀开度；将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阴极尾排阀开度；
S60，将所述目标阳极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阴极尾排阀实现相应的开度。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阳极入口湿度，所述目标压力为目标阳极入口压力，所述实际湿度为实际阳极入口湿度，所述实际压力为实际阳极入口压力，所述湿度偏差量为阳极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极入口压力偏差量。
在一个实施例中，在所述步骤S40中，根据所述阳极入口湿度偏差量通过比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阴极入口湿度，所述目标压力为目标阴极入口压力，所述实际湿度为实际阴极入口湿度，所述实际压力为实际阴极入口压力，所述湿度偏差量为阴极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极入口压力偏差量。
在一个实施例中，在所述步骤S40中，根据所述阴极入口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阳极出口湿度，所述目标压力为目标阳极出口压力，所述实际湿度为实际阳极出口湿度，所述实际压力为实际阳极出口压力，所述湿度偏差量为阳极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极出口压力偏差量。
在一个实施例中，在所述步骤S40中，根据所述阳极出口湿度偏差量通过比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阴极出口湿度，所述目标压力为目标阴极出口压力，所述实际湿度为实际阴极出口湿度，所述实际压力为实际阴极出口压力，所述湿度偏差量为阴极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极出口压力偏差量。
在一个实施例中，在所述步骤S40中，根据所述阴极出口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
在一个实施例中，一种燃料电池自增湿控制系统包括第一前馈模块、第二前馈模块、第一运算模块、第二运算模块、燃料电池双循环系统、第一反馈模块、第二反馈模块、第三运算模块、第四运算模块、第一比例-积分-微分控制器以及第二比例-积分-微分控制器。所述第一前馈模块用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量。所述第二前馈模块用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量。
所述第一运算模块的输入端与所述第一前馈模块的输出端连接。所述第二运算模块的输入端与所述第二前馈模块的输出端连接。所述燃料电池双循环系统与所述第一运算模块的输出端连接，用于获取目标阳极循环泵转速、目标阴极循环泵转速，且所述燃料电池双循环系统与所述第二运算模块的输出端连接，用于获取、目标阳极尾排阀开度以及目标阴极尾排阀开度。所述第一反馈模块的输入端与所述燃料电池双循环系统连接，用于获取所述燃料电池双循环系统的实际湿度。所述第二反馈模块的输入端与所述燃料电池双循环系统连接，用于获取所述燃料电池双循环系统的实际压力。所述第三运算模块的输入端与所述第一反馈模块的输出端连接，用于将目标湿度与所述实际湿度进行运算，并获得湿度偏差量。所述第四运算模块的输入端与所述第二反馈模块的输出端连接，用于将目标压力与所述实际压力进行运算，并获得压力偏差量。所述第一比例-积分-微分控制器的输入端与所述第三运算模块的输出端连接，用于将所述湿度偏差量转换为阳极循环泵转速增减量与阴极循环泵转速增减量。所述第二比例-积分-微分控制器的输入端与所述第四运算模块的输出端连接，用于将所述压力偏差量转换为阳极尾排阀开度增减量与阴极尾排阀开度增减量。
所述第一比例-积分-微分控制器的输出端与所述第一运算模块的输入端连接，用于将所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极循环泵转速增减量以及所述阴极循环泵转速增减量进行运算，获得所述目标阳极循环泵转速与所述目标阴极循环泵转速。所述第二比例-积分-微分控制器的输出端与所述第二运算模块的输入端连接，用于将所述阳极尾排阀开度基础量、所述阴极尾排阀开度基础量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量进行运算，获得所述目标阳极尾排阀开度与所述目标阴极尾排阀开度。
本申请提供一种上述燃料电池自增湿控制方法及自增湿控制系统，根据所述输出负载电流获取所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极尾排阀开度基础量以及所述阴极尾排阀开度基础量。同时，根据所述湿度偏差量与所述压力偏差量，获取所述阳极循环泵转速增减量、所述阴极循环泵转速增减量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量。并所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加获取所述目标阳极循环泵转速，将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加获取所述目标阴极循环泵转速，将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加获取所述目标阳极尾排阀开度，将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加获取所述目标阴极尾排阀开度。
并且，将所述目标阳极循环泵转速输入给所述阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述阴极尾排阀实现相应的开度。从而，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以在无外部增湿器的情况下，实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应。同时，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以使得燃料电池发电系统结构简单化，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
附图说明
图1为本申请提供的燃料电池自增湿控制方法的流程示意图；
图2为本申请提供的比例-积分-微分控制器的工作原理图；
图3为本申请提供的燃料电池自增湿控制系统的原理结构示意图；
图4为本申请提供的一个实施例中燃料电池自增湿控制系统的燃料电池双循环系统的结构示意图；
图5为本申请提供的测试用的质子交换膜燃料电池运行工作情况；
图6为本申请提供的进气湿度和压力的准确控制与迅速响应示意图。
附图标记说明
前馈模块10、第一运算模块20、燃料电池双循环系统30、反馈模块40、第二运算模块50以及比例-积分-微分控制器60。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1，本申请提供一种燃料电池自增湿控制方法，应用于燃料电池自增湿控制系统100，包括：
S10，获取输出负载电流、目标湿度以及目标压力；
S20，根据所述输出负载电流，获取阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量、阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量；
S30，获取所述燃料电池双循环系统的实际湿度与实际压力，并将所述目标湿度与所述实际湿度进行运算获得湿度偏差量，将所述目标压力与所述实际压力进行运算获得压力偏差量；
S40，根据所述湿度偏差量与所述压力偏差量，获取阳极循环泵转速增减量、阴极循环泵转速增减量、阳极尾排阀开度增减量以及阴极尾排阀开度增减量；
S50，将所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加，获取目标阳极循环泵转速，将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加，获取目标阴极循环泵转速，将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加，获取目标阳极尾排阀开度，将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加，获取目标阴极尾排阀开度；
S60，将所述目标阳极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阴极尾排阀实现相应的开度。
在所述步骤S10中，所述输出负载电流为燃料电池连接负载的电流，所述目标湿度与所述目标压力为设定值。
在所述步骤S20中，根据所述输出负载电流获取所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极尾排阀开度基础量以及所述阴极尾排阀开度基础量时，采用特定数学模型获取。
所述阳极循环泵转速基础量为氢气再循环系统的循环泵转速基础量，由所述输出负载电流决定。所述阳极尾排阀开度基础量为氢气再循环系统中的的氢气尾排电磁阀开度基础量，由所述输出负载电流决定。所述阴极循环泵转速基础量为空气再循环系统的循环泵转速基础量，由所述输出负载电流决定。所述阴极尾排阀开度基础量为空气再循环系统中的空气尾排电磁阀开度基础量，由所述输出负载电流决定。
在阳极端(氢气再循环系统)中，阳极出口尾排阀氢气的质量流量Wrm,out,an为
其中，Aan为阳极出口尾排阀横截面积乘以尾排阀开度，Patm为阳极尾排阀下游压力(大气压，已知量)，Prm,an为阳极尾排阀上游压力，R为气体常数、Tan为阳极尾排阀处温度、MH2为氢气分子摩尔质量，CD_p、R、Tan均为已知量，Aan与π为未知量，可以构建关于Aan与π的函数f(Aan，π)，其中π为
阳极循环泵质量流量Wpump,an＝f(ωan,πcp,an) (2)
其中部分数据可以根据电机MAP图查询得到。ωan为阳极循环泵转速，Pan为阳极目标压力(预设值，已知量)，Prm,an为阳极尾排阀上游压力，其他都是常数。其中，阳极空压机参数πcp,an为Pan/Prm,an。
阳极入口质量流量Win,an＝f(I)，I为所述输出负载电流。
Win,an＝I×MH2×λan/(2F) (3)
其中λ为阳极质子交换膜离聚物中水含量。
Wpump,H2O,an为流经阳极循环泵的水蒸气质量流量，Wpump,H2为流经阳极循环泵的干氢气质量流量。则Wpump,an＝Wpump,H2O,an+Wpump,H2 (4)
WH2O,an由于电化学反应，反应生成水，出现在阳极侧的由电化学反应生成的水的质量流量。
WH2O,an＝f(I,τan,τca) (5)
其中部分数据可以根据电机MAP图查询得到。
τan＝(0.5WH2O,an+Wpump,H2O,an)/(Win,an×(λan-1)/λan+Wpump,H2) (6)
同理可以获得τca，考虑稳态响应，则有
WH2O,an/[Win,an×(λan-1)/λan]＝Wpump,H2O,an/Wpump,H2 (7)
阳极入口目标相对湿度RHan(预设值，已知量)，则
RHan＝Pan[(Wpump,H2O,an/MH2O)/(Wpump,H2O,an/MH2O+Wpump,H2/MH2+Win,an/MH2)]/Psat(T)(8)
其中，MH2O为水分子摩尔质量。
考虑质量守恒定律，
Wrm,out,an＝WH2O,an+Win,an (9)
考虑经过燃料电池电堆损失的压差：
Win,an+Wpump,an＝f(Pan-Prm,an) (10)
在阴极端(空气再循环系统)中，阴极出口尾排阀氢气的质量流量Wrm,out,ca为
其中，Mair为空气分子摩尔质量，At为阴极出口尾排阀横截面积乘以尾排阀开度，Patm为阴极尾排阀下游压力(大气压，已知量)，Prm,ca为阳极尾排阀上游压力，R为气体常数，Trm阴极尾排阀处温度，Mair关于At与πt的函数f(At,πt)，其中π为
阴极循环泵质量流量Wpump,ca＝f(ωca,πcp,ca) (12)
其中部分数据可以根据电机MAP图查询得到。ωca为阴极循环泵转速，Pca为阴极目标压力(预设值，已知量)，Prm,ca为阴极尾排阀上游压力，其他都是常数。其中，阳极空压机参数πcp,ca为Pca/Prm,ca
阴极入口干空气质量流量Win,ca＝f(I)，I为所述输出负载电流，其他都是常数。
Win,ca＝I×Mair×λca/(4F×0.21) (13)
其中λca为阴极质子交换膜离聚物中水含量。
Wpump,H2O,ca为流经阴极循环泵的水蒸气质量流量，Wpump,air为流经阴极循环泵的干空气质量流量。则Wpump,ca＝Wpump,H2O,ca+Wpump,air (14)
WH2O,ca由于电化学反应(氢气与氧气反应生成水)，出现在阴极侧的由电化学反应生成的水的质量流量。
WH2O,ca＝f(I,τan,τca) (15)
其中部分数据可以根据电机MAP图查询得到。
τca＝(0.5Wair,ca+Wpump,H2O,ca)/(Win,ca[Win,ca×(λca/0.21-1)×0.21/λca]+Wpump,air)(16)
同理可以获得τan，考虑稳态响应，则有
WH2O,ca/[Win,ca×(λca/0.21-1)×0.21/λca]＝Wpump,H2O,ca/Wpump,air (17)
阴极入口目标相对湿度RHca(预设值，已知量)，则
RHca＝pca[(Wpump,H2O,ca/MH2O)/(Wpump,H2O,ca/MH2O+Wpump,air/Mair+Win,ca/Mair)]/psat(T)(18)
考虑质量守恒定律，
Wrm,out,ca＝WH2O,ca+Win,ca (19)
考虑经过燃料电池电堆损失的压差：
Win,ca+Wpump,ca＝f(pca-prm,ca) (20)
将方程(1)～(20)联立，可获得Aan阳极出口尾排阀横截面积乘以尾排阀开度、At阴极出口尾排阀横截面积乘以尾排阀开度、阳极循环泵转速ωan以及阴极循环泵转速ωca。
因此，根据所述输出负载电流，并通过特定数学模型(方程(1)～(20)联立)，可以获取所述阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量、阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量，且此处由输出负载决定。
在所述步骤S30中，在所述燃料电池双循环系统中可以在燃料电池电堆本体的阳极入口(氢气再循环系统中氢气进入燃料电池电堆本体的入口处)、阳极出口(氢气再循环系统中氢气排出燃料电池电堆本体的出口处，且此处设置有氢气尾排电磁阀，亦即阳极尾排电磁阀)、阴极入口(空气再循环系统中空气进入燃料电池电堆本体的入口处)以及阴极出口(空气再循环系统中空气排出燃料电池电堆本体的出口处，且此处设置有空气尾排电磁阀，亦即阴极尾排电磁阀)处分别设置温度传感器、压力传感器以及湿度传感器。通过压力传感器与湿度传感器用以检测所述燃料电池双循环系统的实际阳极入口湿度、实际阳极入口压力、实际阴极入口湿度、实际阴极出口湿度、实际阳极出口湿度、实际阳极出口压力、实际阴极出口湿度以及实际阴极出口压力。
当所述目标湿度为目标阳极入口湿度，所述目标压力为目标阳极入口压力，所述实际湿度为实际阳极入口湿度，所述实际压力为实际阳极入口压力时，所述湿度偏差量为阳极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极入口压力偏差量。同时，根据所述阳极入口湿度偏差量通过比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
当所述压力偏差量与所述湿度偏差量都为零时，此时所述阳极循环泵转速增减量、所述阴极循环泵转速增减量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量均为零。此时所述目标阳极循环泵转速为所述阳极循环泵转速基础量，所述目标阴极循环泵转速为所述阴极循环泵转速基础量，所述目标阳极尾排阀开度为所述阳极尾排阀开度基础量，所述目标阴极尾排阀开度为所述阴极尾排阀开度基础量。
所述比例-积分-微分控制器(Proportion Integration Differentiation，PID)根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。通过PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，通过比例单元P的参数Kp、积分单元I的参数Ki和微分单元D参数Kd的设定，适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
请参见图2，所述阳极入口湿度偏差量eRH等于所述目标阳极入口湿度减去所述实际阳极入口湿度，所述阳极入口压力偏差量ep等于所述目标阳极入口压力减去所述实际阳极入口压力。此时，通过所述比例-积分-微分控制器，所述阳极循环泵转速增减量Xan等于所述阳极入口湿度偏差量eRH乘以所述比例-积分-微分控制器的系数KRH，所述阳极尾排阀开度增减量dth,an等于所述阳极入口压力偏差量ep乘以所述比例-积分-微分控制器的系数Kp。
此时，所述目标阳极循环泵转速等于所述阳极循环泵转速增减量加所述阳极循环泵转速基础量，所述目标阳极尾排阀开度等于所述阳极尾排阀开度增减量加所述阳极尾排阀开度基础量。同理，可以通过所述比例-积分-微分控制器的运算获取所述目标阴极循环泵转速与所述目标阴极尾排阀开度，并将所述目标阳极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阴极尾排阀实现相应的开度。
根据所述输出负载电流获取所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极尾排阀开度基础量以及所述阴极尾排阀开度基础量。同时，根据所述湿度偏差量与所述压力偏差量，获取所述阳极循环泵转速增减量、所述阴极循环泵转速增减量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量。并所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加获取所述目标阳极循环泵转速，将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加获取所述目标阴极循环泵转速，将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加获取所述目标阳极尾排阀开度，将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加获取所述目标阴极尾排阀开度。
并且，将所述目标阳极循环泵转速输入给所述阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述阴极尾排阀实现相应的开度。从而，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以在无外部增湿器的情况下，实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应。同时，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以使得燃料电池发电系统结构简单化，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阴极入口湿度，所述目标压力为目标阴极入口压力，所述实际湿度为实际阴极入口湿度，所述实际压力为实际阴极入口压力，所述湿度偏差量为阴极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极入口压力偏差量。同理，在所述步骤S40中，根据所述阴极入口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
在一个实施例中，所述目标湿度为目标阳极出口湿度，所述目标压力为目标阳极出口压力，所述实际湿度为实际阳极出口湿度，所述实际压力为实际阳极出口压力，所述湿度偏差量为阳极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极出口压力偏差量，在所述步骤S40中，根据所述阳极出口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
所述目标湿度为目标阴极出口湿度，所述目标压力为目标阴极出口压力，所述实际湿度为实际阴极出口湿度，所述实际压力为实际阴极出口压力，所述湿度偏差量为阴极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极出口压力偏差量，在所述步骤S40中，根据所述阴极出口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
调整所述比例-积分-微分控制器的参数，对所述阳极出口湿度偏差量、所述阳极出口压力偏差量、所述阴极出口压力偏差量以及所述阴极出口湿度偏差量进行处理和运算，获取所述阳极循环泵转速增减量、所述阳极尾排阀开度增减量、所述阴极循环泵转速增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量。从而，可以从多个不同的角度来实现对燃料电池系统的控制，通过所述燃料电池自增湿控制方法可以在无外部增湿器的情况下，实现对质子交换膜燃料电池湿度和压力的准确控制与快速响应，并使得燃料电池系统结构简单化，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
请参见图3，在一个实施例中，一种燃料电池自增湿控制系统100包括第一前馈模块110、第二前馈模块120、第一运算模块210、第二运算模块220、燃料电池双循环系统30、第一反馈模块410、第二反馈模块420、第三运算模块510、第四运算模块520、第一比例-积分-微分控制器610以及第二比例-积分-微分控制器620。所述第一前馈模块110用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量。所述第二前馈模块120用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量。所述第一运算模块210的输入端与所述第一前馈模块110的输出端连接。所述第二运算模块220的输入端与所述第二前馈模块120的输出端连接。
所述燃料电池双循环系统30与所述第一运算模块210的输出端连接，用于获取目标阳极循环泵转速、目标阴极循环泵转速，且所述燃料电池双循环系统30与所述第二运算模块220的输出端连接，用于获取、目标阳极尾排阀开度以及目标阴极尾排阀开度。所述第一反馈模块410的输入端与所述燃料电池双循环系统30连接，用于获取所述燃料电池双循环系统30的实际湿度。所述第二反馈模块420的输入端与所述燃料电池双循环系统30连接，用于获取所述燃料电池双循环系统30的实际压力。所述第三运算模块510的输入端与所述第一反馈模块410的输出端连接，用于将目标湿度与所述实际湿度进行运算，并获得湿度偏差量。所述第四运算模块520的输入端与所述第二反馈模块420的输出端连接，用于将目标压力与所述实际压力进行运算，并获得压力偏差量。
所述第一比例-积分-微分控制器610的输入端与所述第三运算模块510的输出端连接，用于将所述湿度偏差量转换为阳极循环泵转速增减量与阴极循环泵转速增减量。所述第二比例-积分-微分控制器620的输入端与所述第四运算模块520的输出端连接，用于将所述压力偏差量转换为阳极尾排阀开度增减量与阴极尾排阀开度增减量。所述第一比例-积分-微分控制器610的输出端与所述第一运算模块210的输入端连接，用于将所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极循环泵转速增减量以及所述阴极循环泵转速增减量进行运算，获得所述目标阳极循环泵转速与所述目标阴极循环泵转速。所述第二比例-积分-微分控制器620的输出端与所述第二运算模块220的输入端连接，用于将所述阳极尾排阀开度基础量、所述阴极尾排阀开度基础量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量进行运算，获得所述目标阳极尾排阀开度与所述目标阴极尾排阀开度。将所述目标阳极尾排阀开度、所述目标阴极尾排阀开度、所述目标阳极循环泵转速以及所述目标阴极循环泵转速传输给所述燃料电池双循环系统30的阳极循环泵、阴极循环泵、阳极尾排阀以及阴极尾排阀。
所述第一前馈模块110与所述第二前馈模块120为特定数学模型运算模块，即方程(1)～(20)联立，用以获取所述阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量、阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量，且此处由输出负载决定。所述第一运算模块210、所述第二运算模块220、所述第三运算模块510以及所述第四运算模块520用于进行加减运算。其中，所述第一运算模块210用于将所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加，获得所述目标阳极循环泵转速，用于将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加，获得所述目标阴极循环泵转速。所述第二运算模块220用于将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阳极尾排阀开度，用于将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阴极尾排阀开度。所述第三运算模块510用于将所述目标湿度与所述实际湿度进行运算获得所述湿度偏差量。所述第四运算模块520用于将所述目标压力与所述实际压力进行运算获得所述压力偏差量。所述第一比例-积分-微分控制器610用于根据所述湿度偏差获得所述阳极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速增减量。所述第二比例-积分-微分控制器620用于根据压力偏差量获得所述阳极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度增减量。
请参见图4，所述燃料电池双循环系统30如图4所示，所述燃料电池双循环系统30包括燃料电池电堆本体、氢气再循环装置、氢气尾排电磁阀、冷却装置、空气再循环装置、空气尾排电磁阀、T温度传感器、P压力传感器以及H湿度传感器。所述氢气再循环装置包括阳极循环泵，所述空气再循环装置包括阴极循环泵，所述氢气尾排电磁阀为阳极尾排阀，所述空气尾排电磁阀为阴极尾排阀。所述第一反馈模块410与所述第二反馈模块420通过P压力传感器与H湿度传感器获取所述燃料电池双循环系统30中的所述实际压力与所述实际湿度，用以实现对所述燃料电池双循环系统30进行实时检测。并且，所述燃料电池自增湿控制系统100可以不需要外部增湿器，使得燃料电池发电系统结构简单化，实现对质子交换膜燃料电池的湿度和压力的准确控制与快速响应，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
请参见图5-6，对所述燃料电池自增湿控制方法及所述燃料电池自增湿控制系统进行仿真验证，从图中可以看出目标压力与实际压力几乎相同，并且目标湿度与实际湿度也几乎相同，从而所述燃料电池自增湿控制方法及所述燃料电池自增湿控制系统可以实现对湿度和压力的准确控制与迅速响应，满足燃料电池在不同工作条件下湿度和压力的灵活调整。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，应用于燃料电池自增湿控制系统，包括：
S10，获取输出负载电流、目标湿度以及目标压力；
S20，根据所述输出负载电流以及特定数学模型，获得阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量、阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量；
S30，获取所述燃料电池双循环系统的实际湿度与实际压力，并将所述目标湿度与所述实际湿度进行运算获得湿度偏差量，将所述目标压力与所述实际压力进行运算获得压力偏差量；
S40，提供比例-积分-微分控制器，根据所述湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得阳极循环泵转速增减量与阴极循环泵转速增减量；
根据所述压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得阳极尾排阀开度增减量以及阴极尾排阀开度增减量；
S50，将所述阳极循环泵转速增减量与所述阳极循环泵转速基础量叠加，获得目标阳极循环泵转速；将所述阴极循环泵转速增减量与所述阴极循环泵转速基础量叠加，获得目标阴极循环泵转速；将所述阳极尾排阀开度增减量与所述阳极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阳极尾排阀开度；将所述阴极尾排阀开度增减量与所述阴极尾排阀开度基础量叠加，获得目标阴极尾排阀开度；
S60，将所述目标阳极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阳极循环泵实现相应的转速，将所述目标阴极循环泵转速输入给所述燃料电池双循环系统的阴极循环泵实现相应的转速，将所述目标阳极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阳极尾排阀实现相应的开度，将所述目标阴极尾排阀开度输入给所述燃料电池双循环系统的阴极尾排阀实现相应的开度。
2.如权利要求1所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，所述目标湿度为目标阳极入口湿度，所述目标压力为目标阳极入口压力，所述实际湿度为实际阳极入口湿度，所述实际压力为实际阳极入口压力，所述湿度偏差量为阳极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极入口压力偏差量。
3.如权利要求2所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，在所述步骤S40中，根据所述阳极入口湿度偏差量通过比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
4.如权利要求3所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，所述目标湿度为目标阴极入口湿度，所述目标压力为目标阴极入口压力，所述实际湿度为实际阴极入口湿度，所述实际压力为实际阴极入口压力，所述湿度偏差量为阴极入口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极入口压力偏差量。
5.如权利要求4所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，在所述步骤S40中，根据所述阴极入口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极入口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
6.如权利要求1所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，所述目标湿度为目标阳极出口湿度，所述目标压力为目标阳极出口压力，所述实际湿度为实际阳极出口湿度，所述实际压力为实际阳极出口压力，所述湿度偏差量为阳极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阳极出口压力偏差量。
7.如权利要求6所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，在所述步骤S40中，根据所述阳极出口湿度偏差量通过比例-积分-微分控制器获得所述阳极循环泵转速增减量，根据所述阳极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阳极尾排阀开度增减量。
8.如权利要求7所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，所述目标湿度为目标阴极出口湿度，所述目标压力为目标阴极出口压力，所述实际湿度为实际阴极出口湿度，所述实际压力为实际阴极出口压力，所述湿度偏差量为阴极出口湿度偏差量，所述压力偏差量为阴极出口压力偏差量。
9.如权利要求8所述的燃料电池自增湿控制方法，其特征在于，在所述步骤S40中，根据所述阴极出口湿度偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极循环泵转速增减量，根据所述阴极出口压力偏差量通过所述比例-积分-微分控制器获得所述阴极尾排阀开度增减量。
10.一种燃料电池自增湿控制系统，其特征在于，包括：
第一前馈模块(110)，用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极循环泵转速基础量、阴极循环泵转速基础量；
第二前馈模块(120)，用于获取输出负载的电流，并将输出负载电流转换为阳极尾排阀开度基础量以及阴极尾排阀开度基础量；
第一运算模块(210)，所述第一运算模块(210)的输入端与所述第一前馈模块(110)的输出端连接；
第二运算模块(220)，所述第二运算模块(220)的输入端与所述第二前馈模块(120)的输出端连接；
燃料电池双循环系统(30)，与所述第一运算模块(210)的输出端连接，用于获取目标阳极循环泵转速、目标阴极循环泵转速，且所述燃料电池双循环系统(30)与所述第二运算模块(220)的输出端连接，用于获取、目标阳极尾排阀开度以及目标阴极尾排阀开度；
第一反馈模块(410)，所述第一反馈模块(410)的输入端与所述燃料电池双循环系统(30)连接，用于获取所述燃料电池双循环系统(30)的实际湿度；
第二反馈模块(420)，所述第二反馈模块(420)的输入端与所述燃料电池双循环系统(30)连接，用于获取所述燃料电池双循环系统(30)的实际压力；
第三运算模块(510)，所述第三运算模块(510)的输入端与所述第一反馈模块(410)的输出端连接，用于将目标湿度与所述实际湿度进行运算，并获得湿度偏差量；
第四运算模块(520)，所述第四运算模块(520)的输入端与所述第二反馈模块(420)的输出端连接，用于将目标压力与所述实际压力进行运算，并获得压力偏差量；
第一比例-积分-微分控制器(610)，所述第一比例-积分-微分控制器(610)的输入端与所述第三运算模块(510)的输出端连接，用于将所述湿度偏差量转换为阳极循环泵转速增减量与阴极循环泵转速增减量；
第二比例-积分-微分控制器(620)，所述第二比例-积分-微分控制器(620)的输入端与所述第四运算模块(520)的输出端连接，用于将所述压力偏差量转换为阳极尾排阀开度增减量与阴极尾排阀开度增减量；
所述第一比例-积分-微分控制器(610)的输出端与所述第一运算模块(210)的输入端连接，用于将所述阳极循环泵转速基础量、所述阴极循环泵转速基础量、所述阳极循环泵转速增减量以及所述阴极循环泵转速增减量进行运算，获得所述目标阳极循环泵转速与所述目标阴极循环泵转速；
所述第二比例-积分-微分控制器(620)的输出端与所述第二运算模块(220)的输入端连接，用于将所述阳极尾排阀开度基础量、所述阴极尾排阀开度基础量、所述阳极尾排阀开度增减量以及所述阴极尾排阀开度增减量进行运算，获得所述目标阳极尾排阀开度与所述目标阴极尾排阀开度。
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