CN109950580B - 低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统，属于燃料电池堆技术领域。该系统包括储氢罐、一级减压阀、二级低压减压阀、二级高压减压阀、电磁阀、气体缓冲器、压力传感器和燃料电池堆。提升燃料电池堆在高负载工况下的氢气供给响应速度和燃料电池堆的动态性能，避免因快速加载而导致氢气供给不足，从而影响燃料电池堆的动态性能、电压波动和工作效率。本发明主要采用减压阀、电磁阀和气体缓冲器来实现。相比线性比例调压阀调节氢气压力的方法，本发明成本更低、压力调节速度更快。

Description

低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统

技术领域

本发明属于燃料电池堆技术领域，涉及低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统。

背景技术

燃料电池堆工作时，提高氢气压力可增加燃料电池堆可逆电动势，改善燃料电池堆性能(如提高交换电流密度，降低活化过电位)，另外增加反应气体压力意味着催化层内反应物的浓度增大，这有利于电极物质传输。因而快速提高氢气压力可提高燃料电池堆的动态响应能力，同时避免氢气供给不足现象。模糊PID控制是PID算法与模糊控制理论相结合的一种控制理论。

在现阶段常见的燃料电池堆系统中，氢气供给系统通常工作在恒压模式，但由于减压阀在大流量的工作情况下，输出端氢气压力会降低，而燃料电池堆在快速加载过程中会消耗大量氢气，从而引起部分单体或单体某些区域的氢气供应不足现象，严重影响燃料电池堆的动态性能，甚至其寿命。为增强燃料电池堆的动态响应，可在燃料电池堆快速功率加载前适当提高工作压力，且此压力也并不需要控制地非常准确。采用电控式线性比例调压阀调节氢气压力，硬件成本较高，调节速度较慢。

本发明设计的快速氢气压力调节系统，通过控制电磁阀来实现燃料电池堆氢气入口压力的调节，并利用气体缓冲器来减小氢气压力突变对燃料电池堆的不利影响。本发明通过适当提升燃料电池堆氢气入口压力，从而提高燃料电池堆瞬态响应性能，还能使燃料电池堆获得更好的工作效率。此系统成本低、调节速度快，很好地实现了燃料电池堆阳极(氢气)压力快速调节。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统。该系统通过气体缓冲器和电磁阀的组合来快速调节氢气进入燃料电池堆的压力，补偿快速消耗的氢气，从而减小因燃料不足引起的燃料电池堆工作电压波动。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统，该系统包括储氢罐、一级减压阀、二级低压减压阀、二级高压减压阀、电磁阀、气体缓冲器、压力传感器和燃料电池堆；

所述储氢罐与一级减压阀的一端连接；

所述一级减压阀的另一端分别与二级低压减压阀和二级高压减压阀的一端连接；

所述二级低压减压阀和二级高压减压阀输出压力值不同；

所述二级高压减压阀的另一端依次与电磁阀、气体缓冲器、压力传感器和燃料电池堆连接；

所述二级低压减压阀的另一端连接在电磁阀和气体缓冲器之间；

所述电磁阀与压力传感器之间还通过模糊PID进行控制。

进一步，所述系统通过控制所述电磁阀的开闭，实现以下三种工作模式：

(1)正常低压工作模式：燃料电池堆正常工作时，由二级低压减压阀所在管路来供给氢气，二级高压减压阀管路上的电磁阀保持关闭；

(2)升压调节工作模式：开启二级高压减压阀管路上的电磁阀，向气体缓冲器内通入高压氢气；通过气体缓冲器，实现燃料电池堆中的压力在可控范围内快速上升；待燃料电池堆氢气入口压力上升至设定压力值后关闭二级高压减压阀管路，之后通过不断地快速开闭电磁阀来保持压力稳定；

(3)降压调节工作模式：关闭二级高压减压阀管路上的电磁阀，此时无高压氢气通入，待燃料电池堆内氢气消耗使氢气入口压力逐渐降低至压力设定值后，再次打开二级高压减压阀管路，之后通过控制电磁阀快速开闭来维持此时的设定压力稳定；若燃料电池堆需要回到正常低压工作模式，则只需关闭高压阀管路上的电磁阀。

进一步，所述三种工作模式切换控制标准为：

(1)通过采集进入燃料电池堆的氢气压力、氢气压力变化率以及氢气压力参考值并反馈回控制器，然后由控制器来控制二级高压减压阀所在管路的电磁阀打开间隔和打开时间，从而提前调节进入燃料电池堆的氢气压力，以在负载快速加载时实现：

①更充足的氢气供应；

②燃料电池堆更好的性能；

(2)基于环境感知和车辆功率预测功能，通过CAN总线及相关传感器获取驾驶员操作信息、道路信息和车辆状态信息，利用模糊PID控制算法来调节电磁阀门开闭次数和开通时间，从而实现氢气压力的调节，获得快速响应的燃料电池堆动态性能。

进一步，所述驾驶员操作信息包括加速踏板开度和制动踏板开度。

进一步，所述道路信息包括坡度和交通信号。

进一步，所述车辆状态信息包括速度和加速度。

本发明的有益效果在于：

(1)快速提高氢气压力，补偿因负载快速加载消耗的大量氢气，从而获得更好的燃料电池堆动态性能；

(2)通过在线调节氢气输入压力，减小氢气工作压力波动对燃料电池堆性能的影响；

(3)该发明利用电磁阀和气体缓冲器的组合代替昂贵的电控式线性比例调压阀，极大地降低了氢气压力调节成本，进而有助于降低燃料电池堆系统成本。

(4)该系统使用的模糊PID控制可有效降低干扰和参数变化对系统稳定性的影响，且具有较强的鲁棒性和跟踪性能、超调量小，对系统结构和其他特性的变化敏感，尤其适合于这种非线性、时变系统的控制。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为系统组成原理图；

图2为系统正常低压工作模式图；

图3为系统调压(升压/降压)工作模式图；

图4为本发明的模糊PID控制框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明主要由一级减压阀、二级减压阀(两个，分别控制不同输出压力值)、电磁阀和气体缓冲器构成，并按照图3进行管路连接。通过控制电磁阀开闭，实现以下三种模式：

(a)正常低压工作模式：燃料电池堆正常工作时由二级低压减压阀所在管路来供给氢气，二级高压减压阀管路上的电磁阀保持关闭；

(b)升压调节模式：开启二级高压减压阀管路上的电磁阀，向气体缓冲器内通入高压氢气。通过适当的气体缓冲器，可实现燃料电池堆中的压力在可控范围内快速上升。待燃料电池堆氢气入口压力上升至设定压力值后关闭二级高压减压阀管路，之后通过不断地快速开闭电磁阀来保持压力稳定；

(c)降压调节模式：关闭二级高压减压阀管路上的电磁阀，此时无高压氢气通入，待燃料电池堆内氢气消耗使氢气入口压力逐渐降低至压力设定值后，二级低压解压阀将会在压力平衡的作用下自动打开。

为实现以上压力调节效果，本发明的工作模式切换控制标准如下：

(a)此经济型燃料电池堆氢气压力调节系统，通过采集进入燃料电池堆的氢气压力、氢气压力变化率以及氢气压力参考值并反馈回控制器，然后由控制器来控制二级高压减压阀所在管路的电磁阀打开间隔和打开时间，从而提前调节进入燃料电池堆的氢气压力，以在负载快速加载时实现(1)更充足的氢气供应(表现在单体电压的均匀性)；(2)燃料电池堆更好的性能(表现在输出电压更高、电压稳定性更好)；

(b)该氢气压力快速调节系统的控制方法是基于环境感知和车辆功率预测功能，通过CAN总线及相关传感器获取驾驶员操作(加速踏板开度、制动踏板开度)、道路(坡度、交通信号)和车辆状态(速度、加速度)等相关信息，利用设计的控制算法来调节电磁阀门开闭次数和开通时间，从而实现氢气压力的调节，获得理想的燃料电池堆动态性能。

本发明可用于燃料电池堆新能源汽车的能量管理策略中，减少氢气消耗。汽车行驶时，可通过CAN总线及相关传感器获取驾驶员操作(加速踏板开度、制动踏板开度)、道路(坡度、交通信号)和车辆状态(速度、加速度)等相关信息，利用智能算法预测未来一段时间内汽车行驶的需求功率，再通过前向能量管理策略计算燃料电池堆未来一段时间的最佳工作点，实现最低的氢气消耗。但由于燃料电池堆动态响应较慢，在调整输入参数后，燃料电池堆至多需要秒级的时间才能达到目标工作点，所以需要对燃料电池堆输入进行预先的调整。该发明有效地解决了这一问题，通过该快速调节系统，可提前将氢气输入压力调整到由前向能量管理策略计算得出的最佳值，及时响应燃料电池堆的快速加载需求，使燃料电池堆始终工作在最佳工作点，实现最低氢气消耗。

具体操作步骤：如图1～图4所示，搭建此经济型燃料电池堆氢气压力调节系统：

1、正常低压工作模式：二级高压减压阀管路上的电磁阀关闭，通入燃料电池堆的氢气压力为二级低压减压阀的输出压力，此时燃料电池堆工作在正常低压模式；

2、调压工作模式：(1)升压时，打开二级高压减压阀管路上的电磁阀，燃料电池堆氢气入口压力逐渐升高至设定值，关闭电磁阀，随后氢气压力开始下降，再次打开电磁阀，氢气压力恢复上升，以此类推从而维持氢气压力稳定在设定压力值；(2)降压时，关闭电磁阀，燃料电池堆持续消耗氢气，燃料电池堆氢气入口压力逐渐降低，待下降到设定压力值后，二级低压解压阀将会在压力平衡的作用下自动打开。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统，其特征在于：该系统包括储氢罐、一级减压阀、二级低压减压阀、二级高压减压阀、电磁阀、气体缓冲器、压力传感器和燃料电池堆；

所述储氢罐与一级减压阀的一端连接；

所述一级减压阀的另一端分别与二级低压减压阀和二级高压减压阀的一端连接；

所述二级低压减压阀和二级高压减压阀输出压力值不同；

所述二级高压减压阀的另一端依次与电磁阀、气体缓冲器、压力传感器和燃料电池堆连接；

所述二级低压减压阀的另一端连接在电磁阀和气体缓冲器之间；

所述电磁阀与压力传感器之间还通过模糊PID进行控制；

所述系统通过控制所述电磁阀的开闭，实现以下三种工作模式：

(1)正常低压工作模式：燃料电池堆正常工作时，由二级低压减压阀所在管路来供给氢气，二级高压减压阀管路上的电磁阀保持关闭；

(2)升压调节工作模式：开启二级高压减压阀管路上的电磁阀，向气体缓冲器内通入高压氢气；通过气体缓冲器，实现燃料电池堆中的压力在可控范围内快速上升；待燃料电池堆氢气入口压力上升至设定压力值后关闭二级高压减压阀管路，之后通过不断地快速开闭电磁阀来保持压力稳定；

(3)降压调节工作模式：关闭二级高压减压阀管路上的电磁阀，此时无高压氢气通入，待燃料电池堆内氢气消耗使氢气入口压力逐渐降低至压力设定值后，再次打开二级高压减压阀管路，之后通过控制电磁阀快速开闭来维持此时的设定压力稳定；若燃料电池堆需要回到正常低压工作模式，则只需关闭高压阀管路上的电磁阀；

所述三种工作模式切换控制标准为：

(1)通过采集进入燃料电池堆的氢气压力、氢气压力变化率以及氢气压力参考值并反馈回控制器，然后由控制器来控制二级高压减压阀所在管路的电磁阀打开间隔和打开时间，从而提前调节进入燃料电池堆的氢气压力，以在负载快速加载时实现：

①更充足的氢气供应；

②燃料电池堆更好的性能；

(2)基于环境感知和车辆功率预测功能，通过CAN总线及相关传感器获取驾驶员操作信息、道路信息和车辆状态信息，利用模糊PID控制算法来调节电磁阀门开闭次数和开通时间，从而实现氢气压力的调节，获得快速理想的燃料电池堆动态性能；

所述驾驶员操作信息包括加速踏板开度和制动踏板开度。

2.根据权利要求1所述的低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统，其特征在于：所述道路信息包括坡度和交通信号。

3.根据权利要求1所述的低成本燃料电池堆阳极工作压力快速调节系统，其特征在于：所述车辆状态信息包括速度和加速度。

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