CN110783609A - 一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法 - Google Patents

一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法，所述装置包括：顺序连接的化学空气过滤器、电动空压机、消声器、中冷器、增湿器、电子节气门。所述方法包括如下步骤：基于模型控制模块根据设定新鲜空气量和I积分模块的质量修正系数，向压气机控制器发送设定转速信号；压气机控制器根据所述设定转速信号发送压气机转速信号给进气系统；进气系统根据所述压气机转速信号工作，并测量进气系统的实际进气量；I积分模块根据所述设定新鲜空气量和实际进气量更新所述质量修正系数。本发明的优点在于：能够有效抵消多输入多输出系统的耦合影响，提高空气流量控制的响应性、稳定性，进而增加燃料电池电力输出响应性和使用寿命，提高控制鲁棒性。

Description

一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置及方法。
背景技术
现有燃料电池产品化控制技术都处于探索阶段，空气流量控制通常采用的传统的PID控制，或者是以PID控制为主再结合基于工况的查表前馈控制，这两种控制通常都会用于单一输入输出控制系统。
现有的流量控制方案不能有效实施在多输入多输出系统中，特别是在需要压力和流量联合调节的情况下，耦合控制会导致流量和压力控制很难达到稳定状态，因此多输入多输出系统在控制时就很难采用普通的PID方法进行有效稳定控制。
现有流量控制方案在控制多输入多输出系统时主要缺点具体包括：
1、多输入多输出系统中PID控制经常出现耦合情况，将PID控制实施在空气系统的流量控制和压力控制时容易出现耦合控制情况，因此在耦合控制工况下，流量和压力就会出现控制波动，很难达到稳定。
2、基础工况查表前馈和PID控制结合，受边界条件和物理特性影响较大，基础工况查表前馈控制和PID控制结合方法有时响应时间较长。
3、为了有效消除耦合和满足各种条件工况下的稳定控制，普通PID控制必须要设计多组P和I参数来满足多条件多工况的控制，这样标定工作量较大。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明针对这些缺陷提出一种新的解决方案，采用基于压气机物理模型设计前馈联合I积分微调修正控制方法，将有效提高压力控制的响应性和稳定性，消除多输入多输出系统存在控制耦合影响。
根据本发明的第一个方面，提供了一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，包括：顺序连接的化学空气过滤器、电动空压机、消声器、中冷器、增湿器、电子节气门。
进一步地，所述增湿器的第一输入端与中冷器连接，第一输出端与电子节气门连接，第二输出端连接氢燃料电池的电堆的输入端，而第二输入端连接所述电堆的输出端。
进一步地，在所述化学空气过滤器和电动空压机之间的管路上连接有质量流量计。
进一步地，所述电动空压机与电机控制器连接。
进一步地，在所述电堆的入口处连接有温压湿一体传感器，在电堆的出口处连接有温压传感器和氢气浓度传感器。
根据本发明的第二方面，还提供了一种使用上述装置的氢燃料电池空气路空气流量控制方法，包括如下步骤：基于模型控制模块根据设定新鲜空气量和I积分模块的质量修正系数，向压气机控制器发送设定转速信号；压气机控制器根据所述设定转速信号发送压气机转速信号给进气系统；进气系统根据所述压气机转速信号工作，并测量进气系统的实际进气量；I积分模块根据所述设定新鲜空气量和实际进气量更新所述质量修正系数。
进一步地，所述基于模型控制模块中的物理模型为压气机无量纲模型公式：
Figure BDA0002221613650000021
其中，
Figure BDA0002221613650000022
为气体流量，T01为压气机进口温度，P01为压气机进口压力，P02为压气机出口压力，η为压气机效率，N为压气机转速。
进一步地，所述公式为根据压气机的试验特性绘制的通用特性曲线图，所述通用特性曲线为标准状态下压气机的压比、流量和转速的关系图。
进一步地，所述压气机通用特性曲线标定到压气机性能参数MAP中，该MAP的输入为压气机出口和入口的压比和标准状态下的进气流量，该MAP的输出是标准状态下的设定转速；根据压气机的入口压力和标准压力进行计算得到压力修正系数，根据压气机的入口温度和标准温度进行计算得到温度修正系数，然后用非标准状态下设定的进气量除以两个修正系数得到标准状态下的设定进气量。
进一步地，使用I积分流量修正系数对所述标准状态下的设定进气量进行修正；使用所述温度修正系数修正所述标准状态下的设定转速。
本发明的优点在于：能够有效抵消多输入多输出系统的耦合影响，提高空气流量控制的响应性、稳定性，进而增加燃料电池电力输出响应性和使用寿命，提高控制鲁棒性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的氢燃料电池空气路空气流量控制装置结构图；
附图2示出了根据本发明实施方式的入堆压力控制策略总体框图；
附图3示出了根据本发明实施方式的压气机通用特性曲线；
附图4示出了根据本发明实施方式的基于模型控制模块设计图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1空气路结构图所示，本发明的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，包括：顺序连接的化学空气过滤器、电动空压机、消声器、中冷器、增湿器、电子节气门。其中增湿器的第一输入端与中冷器连接，第一输出端与电子节气门连接，第二输出端连接氢燃料电池的电堆的输入端，而第二输入端连接电堆的输出端。进一步地，在化学空气过滤器和电动空压机之间的管路上连接有质量流量计。电动空压机与电机控制器连接。在电堆的入口处连接有温压湿一体传感器，在电堆的出口处连接有温压传感器和氢气浓度传感器。
燃料电池发电需要电堆入口具有足够的空气流量和特定的入堆空气压力要求，其中流量控制通过燃料电池控制器(Fuel-cell Control Unit，FCU)和电机控制器通讯来控制电动空压机进行闭环调节。而压力控制则是FCU直接驱动电子节气门控制增湿器后气体流量流通面积来调节空气入堆压力。
基于上述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，本发明的氢燃料电池空气路空气流量控制方法主要是针对空气路进气量进行闭环控制，即采用基于压气机气体流动模型，通过压气机前馈控制和I积分修正设定流量的联合方法，进而提高控制响应性，同时能有效避免流量控制对其进行的耦合干扰。由于压气机模型数据由供应商提供，这样采用压气机物理模型的控制就可以在不进行台架试验就进行数据初步标定，降低标定工作消耗，同时I积分模块直接修正设定进气量，消除产品一致性的差异，提高鲁棒性。总体控制结构图如图2所示，包括如下步骤：
S1、基于模型控制模块根据设定新鲜空气量和I积分模块的质量修正系数，向压气机控制器发送设定转速信号；
S2、压气机控制器根据所述设定转速信号发送压气机转速信号给进气系统；
S3、进气系统根据所述压气机转速信号工作，并测量进气系统的实际进气量；
S4、I积分模块根据设定新鲜空气量和实际进气量更新所述质量修正系数。
其中基于模型控制模块中的物理模型基本原理为压气机无量纲模型公式，具体见下列公式：
Figure BDA0002221613650000041
其中，
Figure BDA0002221613650000042
为气体流量，T01为压气机进口温度，P01为压气机进口压力，P02为压气机出口压力，η为压气机效率，N为压气机转速。
通常条件下，上述公式一般会由供应压气机厂家针对该款压气机的试验特性绘制通用特性曲线图，具体见图3。通用特性曲线即为标准状态下压气机的压比、流量和转速的关系图。
根据上述公式进行优化设计后的控制策略如下图4，压气机通用特性曲线可以标定到压气机性能参数MAP中，该MAP的输入为压气机出口和入口的压比和标准状态下的进气流量，输出则是标准状态下的设定转速。由于实际进气量的标定是在非标准状态下完成，因此需要将实际进气量转换成为标准状态下的进气量，由压气机无量纲公式可知，需要根据压气机的入口压力和标准压力进行计算得到压力修正系数，入口温度和标准温度进行计算得到温度修正系数，然后用非标准状态下设定的进气量除以两个修正系数得到标准状态下的设定进气量。由于产品的一致性偏差会导致压气机模型开环控制存在一定的偏差，因此需要通过I积分流量修正系数对标准状态下的设定进气量进行修正以满足控制目标，提高控制鲁棒性。与此同时，查MAP出来的转速为标准条件下的压气机转速，在进行压气机控制时，需要通过温度修正系数将该转速也转换成实际状态下的压气机转速。
本发明采用基于压气机模型设计的前馈控制，控制稳定性高，响应快，消除了多输入多输出系统耦合影响。本发明使用I积分控制进行输入微调修正，提高基于物理模型控制的控制精度和压气机控制鲁棒性，消除压气机一致性偏差，降低控制偏差，并避免控制超调情况。本发明标定简单，压气机压力模型MAP由厂家进行压气机试验台架试验测得，基础标定数据跟压气机相匹配，不用根据应用情景进行多次重复标定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，其特征在于，包括：
顺序连接的化学空气过滤器、电动空压机、消声器、中冷器、增湿器、电子节气门。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，其特征在于，
所述增湿器的第一输入端与中冷器连接，第一输出端与电子节气门连接，第二输出端连接氢燃料电池的电堆的输入端，而第二输入端连接所述电堆的输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，其特征在于，
在所述化学空气过滤器和电动空压机之间的管路上连接有质量流量计。
4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，其特征在于，
所述电动空压机与电机控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制装置，其特征在于，
在所述电堆的入口处连接有温压湿一体传感器，在电堆的出口处连接有温压传感器和氢气浓度传感器。
6.一种使用权利要求1-5任意一项所述装置的氢燃料电池空气路空气流量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于模型控制模块根据设定新鲜空气量和I积分模块的质量修正系数，向压气机控制器发送设定转速信号；
压气机控制器根据所述设定转速信号发送压气机转速信号给进气系统；
进气系统根据所述压气机转速信号工作，并测量进气系统的实际进气量；
I积分模块根据所述设定新鲜空气量和实际进气量更新所述质量修正系数。
7.根据权利要求6所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制方法，其特征在于，
所述基于模型控制模块中的物理模型为压气机无量纲模型公式：
Figure FDA0002221613640000021
其中，
Figure FDA0002221613640000022
为气体流量，T01为压气机进口温度，P01为压气机进口压力，P02为压气机出口压力，η为压气机效率，N为压气机转速。
8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制方法，其特征在于，
所述公式为根据压气机的试验特性绘制的通用特性曲线图，所述通用特性曲线为标准状态下压气机的压比、流量和转速的关系图。
9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制方法，其特征在于，
所述压气机通用特性曲线标定到压气机性能参数MAP中，该MAP的输入为压气机出口和入口的压比和标准状态下的进气流量，该MAP的输出是标准状态下的设定转速；根据压气机的入口压力和标准压力进行计算得到压力修正系数，根据压气机的入口温度和标准温度进行计算得到温度修正系数，然后用非标准状态下设定的进气量除以两个修正系数得到标准状态下的设定进气量。
10.根据权利要求9所述的一种氢燃料电池空气路空气流量控制方法，其特征在于，
使用I积分流量修正系数对所述标准状态下的设定进气量进行修正；使用所述温度修正系数修正所述标准状态下的设定转速。
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