CN110797558A - 一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法，采取一段延时后的梯形曲线模拟氢气喷射阀前馈补偿流量，可提高对尾喷阀氢气泄漏量的模拟精确度，从而可快速抑制氢气供气系统压力波动，提高系统稳定性。

Description

一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池主要部件包括氢气供气系统、阳极、质子交换膜堆体、阴极、空气供气系统、水循环系统等主要部分。其中，氢气供气系统向阳极提供氢气，空气供气系统向阴极提供空气，两者在质子交换膜堆体内发生反应。为提高反应效率及保证系统寿命，阳极及阴极的供气都需保持一定的供气压力。对于采用氢气的阳极，氢气由储氢罐供应，经过氢气供气系统逐级减压，最后降低到适当的压力供燃料电池使用。由于适应燃料电池不同工况的最佳氢气供气压力是变换的，所以氢气供气系统需要一个可调节流量的执行器，用其调整氢气供气流量以调节供氢压力。由于开关喷射阀具有响应快速、流量稳定等优点，因此常被用做供氢系统的压力调节部件。
燃料电池供氢系统末端常设有一尾喷阀，可间断性打开，用于排出反应产生的水。当尾喷阀关闭时，氢气仅由燃料电池内部反应消耗，可通过调整氢气供气流量使供氢系统压力处于稳态。而当尾喷阀打开时，由于供氢系统压力较大气压力高，氢气通过尾喷阀快速排出，所以供氢系统压力会快速下降，如氢气供气系统没有及时快速补偿尾喷阀泄漏流量，则可能引起氢气供气系统压力剧烈波动。之后，通过尾喷阀泄漏的氢气流量逐渐稳定，控制系统也逐渐调整氢气供气量，使整个供氢系统内的压力趋于稳定。但当尾喷阀关闭时，供氢系统快速排出的通道关闭，同样如氢气供气系统没有及时快速调整喷气流量，那么供氢系统压力也可能会剧烈波动。
针对上述尾喷阀开启及关闭引起的压力波动，常采用前馈加反馈的算法调整氢气喷射流量以抑制压力波动。算法中认为前馈补偿流量等于尾喷阀开启及关闭过程中的泄漏流量，通过在喷射流量中直接施加这一前馈补偿流量，即可补偿尾喷阀开启及关闭过程中的流量变化，从而保证压力稳定。
现有实际产品应用中，反馈算法常采用PID算法。而前馈算法常采用根据尾喷阀状态施加固定补偿流量的算法。即当尾喷阀关闭时，前馈补偿流量为0；而当尾喷阀开启时，前馈补偿流量为一固定值。
这种简单的前馈控制方法并未考虑尾喷阀开启及关闭过程中泄漏流量的变化过程，而是统一采用了尾喷阀稳定后的稳态泄漏流量作为唯一的前馈补偿流量。并简单的将流量变化过程归纳为两个状态，即关闭时的0补偿，开启时的固定流量补偿。所以通常只能在尾喷阀泄漏流量处于稳态时取得较好的补偿效果，使氢气供气系统压力较为稳定；而在尾喷阀开启及关闭的过程中，由于泄漏流量本身就处于快速变化之中，所以采用稳定的补偿流量，并不能完全补偿变化的泄漏流量，从而必然引起供气系统的压力波动。
为进一步改善前馈算法的补偿效果，本发明根据尾喷阀动作时氢气泄露流量的变化规律提出一种的瞬态前馈控制方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法解决了现有技术中在尾喷阀开启及关闭的过程中，由于泄漏流量本身就处于快速变化之中，采用稳定的补偿流量，并不能完全补偿变化的泄漏流量，从而必然引起供气系统的压力波动的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统，包括：燃料电池堆系统和处理器；
所述燃料电池堆系统包括：传感器和执行器；
所述处理器包括：氢气系统控制模块、前馈补偿流量模块和驱动模块；
所述处理器分别与传感器和执行器通信连接；
所述传感器的输出信号为燃料电池堆的传感器信号；
所述执行器的输入信号包括：驱动信号，所述驱动信号包括：氢气喷射阀驱动信号和尾喷阀驱动信号；
所述氢气系统控制模块的输入信号包括：传感器信号、状态信号和前馈补偿流量信号，其输出信号包括：氢气喷射量信号和尾喷阀状态信号；
所述前馈补偿流量模块的输出信号为前馈补偿流量信号，其输入信号为尾喷阀状态信号；
所述驱动模块的输入信号包括：氢气喷射量信号和尾喷阀状态信号，其输出信号为驱动信号。
一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器信号、状态信号和前馈补偿流量信号，计算得到尾喷阀状态；
S2、采用PID算法计算得到氢气喷射阀反馈控制流量；
S3、根据尾喷阀状态，计算前馈补偿流量；
S4、将前馈补偿流量和反馈控制流量相加，得到氢气喷射量；
S5、根据尾喷阀状态和氢气喷射量控制驱动模块27，驱动执行器12。
进一步地：步骤S3包括以下步骤：
S31、在前馈补偿流量模块预设：第一延时计时器、第二延时计时器、第一过渡计时器、第二过渡计时器、延时时间TD、过渡时间TR和稳态补偿流量VOLS；
S32、判断尾喷阀的状态，若开启，则跳转至S33，若否，则跳转至步骤S36；
S33、当尾喷阀开启时，将第二延时计时器和第二过渡计时器置0；
S34、判断第一延时计时器的计时是否小于延时时间TD，若是，则令第一延时计时器计时，前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S35；
S35、判断第一过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第一过渡计时器计时，增加前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；
S36、当尾喷阀关闭时，将第一延时计时器和第一过渡计时器置0；
S37、判断第二延时计时器计时是否小于延时时间TD，若是，则令第二延时计时器计时，令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S38；
S38、判断第二过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第二过渡计时器计时，减少前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法，采取一段延时后的梯形曲线模拟氢气喷射阀前馈补偿流量，可提高对尾喷阀氢气泄漏量的模拟精确度，从而可快速抑制氢气供气系统压力波动，提高系统稳定性。
附图说明
图1为燃料电池系统的示意图；
图2为一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统结构示意图；
图3为一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法流程图；
图4为计算前馈补偿流量的流程图；
图5为燃料电池系统的尾喷阀开启及关闭过程中泄漏流量示意图；
图6为燃料电池系统的尾喷阀开启及关闭过程中的时序图；
其中：10、燃料电池堆系统；11、传感器；12、执行器；20、处理器；22、氢气系统控制模块；25、前馈补偿流量模块；27、驱动模块；13、传感器信号；14、驱动信号；21、状态信号；23、氢气喷射量信号；24、尾喷阀状态信号；26、前馈补偿流量信号。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，燃料电池系统包括：燃料电池堆、氢气供气系统、空气供气系统、冷却系统和DC/DC主要部件。其中氢气供气系统包括氢气瓶、减压阀、喷射系统、循环泵和尾喷阀主要部件。当尾喷阀关闭时，氢气供气系统与燃料电池堆组成一个封闭系统，内部压力相对稳定。尾喷阀开启时，氢气供气系统与大气联通，喷射系统不及时补偿尾喷阀的泄漏流量，氢气供气系统内的压力极易波动。
如图2示，一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统，包括：燃料电池堆系统10和处理器20；
所述燃料电池堆系统10包括：传感器11和执行器12；
所述处理器20包括：氢气系统控制模块22、前馈补偿流量模块25和驱动模块27；
所述处理器20分别与传感器11和执行器12通信连接；
所述传感器11的输出信号为燃料电池堆的传感器信号13；
所述执行器12的输入信号包括：驱动信号14，所述驱动信号14包括：氢气喷射阀驱动信号和尾喷阀驱动信号；
所述氢气系统控制模块22的输入信号包括：传感器信号13、状态信号21和前馈补偿流量信号26，其输出信号包括：氢气喷射量信号23和尾喷阀状态信号24；
所述前馈补偿流量模块25的输出信号为前馈补偿流量信号26，其输入信号为尾喷阀状态信号24；
所述驱动模块27的输入信号包括：氢气喷射量信号23和尾喷阀状态信号24，其输出信号为驱动信号14。
如图3所示，一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器信号13、状态信号21和前馈补偿流量信号26，计算得到尾喷阀状态；
S2、采用PID算法计算得到氢气喷射阀反馈控制流量，采用PID算法计算得到氢气喷射阀反馈控制流量为现有技术；
S3、根据尾喷阀状态，计算前馈补偿流量；
如图4所示，步骤S3包括以下步骤：
S31、在前馈补偿流量模块25预设：第一延时计时器、第二延时计时器、第一过渡计时器、第二过渡计时器、延时时间TD、过渡时间TR和稳态补偿流量VOLS；
S32、判断尾喷阀的状态，若开启，则跳转至S33，若否，则跳转至步骤S36；
S33、当尾喷阀开启时，将第二延时计时器和第二过渡计时器置0；
S34、判断第一延时计时器的计时是否小于延时时间TD，若是，则令第一延时计时器计时，前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S35；
S35、判断第一过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第一过渡计时器计时，增加前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；
S36、当尾喷阀关闭时，将第一延时计时器和第一过渡计时器置0；
S37、判断第二延时计时器计时是否小于延时时间TD，若是，则令第二延时计时器计时，令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S38；
S38、判断第二过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第二过渡计时器计时，减少前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程。
S4、将前馈补偿流量和反馈控制流量相加，得到氢气喷射量；
S5、根据尾喷阀状态和氢气喷射量控制驱动模块27，驱动执行器12。
如图5所示，A时刻，尾喷阀控制信号变化为开启，阀杆动作需要经过延迟时间TD，尾喷阀泄露氢气流量才有明显改变。延迟时间TD内尾喷阀泄露氢气流量视为0，相应的前馈补偿流量也为0；
B时刻，尾喷阀开启，尾喷阀氢气泄露流量稳定增长，并经过过渡时间TR后达到稳态补偿流量VOLS，此时供氢系统达到新稳态，即氢气喷嘴供气流量和尾喷阀泄露流量重新达到平衡；
C时刻，氢气供气系统进入稳态，一直采用稳态补偿流量VOLS补偿尾喷阀泄露流量，前馈补偿流量为VOLS；
D时刻，尾喷阀控制信号变化为关闭，阀杆动作需要经过延迟时间TD尾喷阀泄露流量才明显减小，所以在延时时间TD内尾喷阀泄露氢气流量都视为稳态补偿流量VOLS，前馈补偿流量也仍为VOLS。
E时刻，当尾喷阀关闭后，尾喷阀氢气泄露流量从稳态补偿流量VOLS减小，并经过过渡时间TR后变为0。
如图6所示，A时刻，尾喷阀状态信号为开启，将第二延时计时器和第二过渡计时器置0；第一延时计时器的计时满足小于延时时间TD，第一延时计时器计时，前馈补偿流量置0；
B时刻，第一延时计时器的计时等于延时时间TD，满足第一过渡计时器小于过渡时间TR，第一过渡计时器开始计时，前馈补偿流量开始增加；
C时刻，第一过渡计时器等于过渡时间TR，前馈补偿流量同步增长到稳态补偿流量VOLS；
D时刻，尾喷阀状态信号为关闭，第一延时计时器和第一过渡计时器置0；满足第二延时计时器计时小于延时时间TD，则第二延时计时器计时，前馈补偿流量保持在稳态补偿流量VOLS；
E时刻，第二延时计时器计时等于延时时间TD，满足第二过渡计时器小于过渡时间TR，则第二过渡计时器计时，减少前馈补偿流量；
F时刻，第二过渡计时器等于过渡时间TR，前馈补偿流量减少到0；
本发明的有益效果为：本发明提出了一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统及方法，采取一段延时后的梯形曲线模拟氢气喷射阀前馈补偿流量，可提高对尾喷阀氢气泄漏量的模拟精确度，从而可快速抑制氢气供气系统压力波动，提高系统稳定性。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统，其特征在于，包括：燃料电池堆系统(10)和处理器(20)；
所述燃料电池堆系统(10)包括：传感器(11)和执行器(12)；
所述处理器(20)包括：氢气系统控制模块(22)、前馈补偿流量模块(25)和驱动模块(27)；
所述处理器(20)分别与传感器(11)和执行器(12)通信连接；
所述传感器(11)的输出信号为燃料电池堆的传感器信号(13)；
所述执行器(12)的输入信号包括：驱动信号(14)；
所述氢气系统控制模块(22)的输入信号包括：传感器信号(13)、状态信号(21)和前馈补偿流量信号(26)，其输出信号包括：氢气喷射量信号(23)和尾喷阀状态信号(24)；
所述前馈补偿流量模块(25)的输出信号为前馈补偿流量信号(26)，其输入信号为尾喷阀状态信号(24)；
所述驱动模块(27)的输入信号包括：氢气喷射量信号(23)和尾喷阀状态信号(24)，其输出信号为驱动信号(14)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制系统，其特征在于，所述驱动信号(14)包括：氢气喷射阀驱动信号和尾喷阀驱动信号。
3.一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据传感器信号(13)、状态信号(21)和前馈补偿流量信号(26)，计算得到尾喷阀状态；
S2、采用PID算法计算得到氢气喷射阀反馈控制流量；
S3、根据尾喷阀状态，计算前馈补偿流量；
S4、将前馈补偿流量和反馈控制流量相加，得到氢气喷射量；
S5、根据尾喷阀状态和氢气喷射量控制驱动模块(27)，驱动执行器(12)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31、在前馈补偿流量模块(25)预设：第一延时计时器、第二延时计时器、第一过渡计时器、第二过渡计时器、延时时间TD、过渡时间TR和稳态补偿流量VOLS；
S32、判断尾喷阀的状态，若开启，则跳转至S33，若否，则跳转至步骤S36；
S33、当尾喷阀开启时，将第二延时计时器和第二过渡计时器置0；
S34、判断第一延时计时器的计时是否小于延时时间TD，若是，则令第一延时计时器计时，前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S35；
S35、判断第一过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第一过渡计时器计时，增加前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；
S36、当尾喷阀关闭时，将第一延时计时器和第一过渡计时器置0；
S37、判断第二延时计时器计时是否小于延时时间TD，若是，则令第二延时计时器计时，令前馈补偿流量为稳态补偿流量VOLS，结束计算前馈补偿流量流程；若否，则跳转至步骤S38；
S38、判断第二过渡计时器是否小于过渡时间TR，若是，则令第二过渡计时器计时，减少前馈补偿流量，结束计算前馈补偿流量流程，若否，则前馈补偿流量置0，结束计算前馈补偿流量流程。
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