CN110854412A - 氢燃料电池空气压缩机控制方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢燃料电池空气压缩机控制方法，该氢燃料电池空气压缩机控制方法包括：获取燃料电池的功率需求；根据所述燃料电池的功率需求，计算待进入所述燃料电池的空气的目标压力值；根据所述目标压力值的精度等级，选择所述空气压缩机的控制模式，所述控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法可实现对空气压缩机的精确控制，从而达到提高燃料电池效率、延长燃料电池使用寿命及提高燃料电池性能的目的。此外，本发明还公开一种氢燃料电池空气压缩机控制装置及系统。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池空气压缩机控制方法、装置及系统。
背景技术
氢燃料电池指的是质子交换膜燃料电池(PEMFC，proton exchange membranefuel cell)，质子交换膜的阴极处的氧气供应量及压力，会对燃料电池电堆的效率及使用寿命产生较大的影响。
为保证氢燃料电池高效运行，通常需要对待进入电堆内的空气进行压缩，以使得该空气压强符合电堆的要求。待空气压缩后，经加湿器加湿，再通过燃料电池控制器控制进气流量，以使得电堆产生外部需求的电流。在电堆的反应过程中，将电堆阴极处生成的水通过吹扫带出，以保证电堆的反应效率及电堆内水、温度、压的平衡，从而达到提高电堆效率及延长电堆使用寿命的目的。
然而，对于氢燃料电池的空气压缩机的控制，目前大多采用线控PWM或电压模拟量的控制方式。此两种方式存在如下缺陷：1、容易造成电磁干扰或传导干扰控制信号；2、空气压缩机的流量是通过电机转速控制的，其进气压力和温度无法得到反馈，容易降低电堆的反应效率低，缩短电堆的使用寿命；3、动态响应、控制信息及故障信息需求无法满足使用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种氢燃料电池空气压缩机控制方法，以解决现有的空气压缩机控制方法存在的燃料电池效率低、使用寿命短的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种氢燃料电池空气压缩机控制方法，该氢燃料电池空气压缩机控制方法包括：获取燃料电池的功率需求；根据所述燃料电池的功率需求，计算待进入所述燃料电池的空气的目标压力值；根据所述目标压力值的精度等级，选择所述空气压缩机的控制模式，所述控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
优选地，所述根据所述目标压力值，选择所述空气压缩机的控制模式包括：获取所述目标压力值的精度等级；若所述精度等级大于等于预设精度等级，则选择频率控制模式；若所述精度等级小于预设精度等级，则选择转速控制模式。
优选地，所述按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值包括：当所述空气压缩机处于频率控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标频率值；获取所述空气压缩机的实际频率值，并判断所述实际频率值与目标频率值是否相等；若不相等，则根据所述实际频率值与目标频率值计算频率PID值；按照所述频率PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
优选地，所述按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值包括：当所述空气压缩机处于转速控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标转速值；获取所述空气压缩机的实际转速值，并判断所述实际转速值与目标转速值是否相等；若不相等，则根据所述实际转速值与目标转速值计算转速PID值；按照所述转速PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
优选地，所述氢燃料电池空气压缩机控制方法还包括：获取所述空气压缩机的工作参数，所述工作参数包括电流、电压、温度、频率、转速；根据所述工作参数调整所述空气压缩机的工作状态。
本发明还提出一种氢燃料电池空气压缩机控制装置，该氢燃料电池空气压缩机控制装置包括功率需求获取模块，用于获取燃料电池的功率需求；目标压力计算模块，用于根据所述燃料电池的功率需求，计算待进入所述燃料电池的空气的目标压力值；控制模式选择模块，用于根据所述目标压力值的精度等级，选择所述空气压缩机的控制模式，所述控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；实际压力调节模块，用于按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
优选地，所述控制模式选择模块包括：精度等级获取单元，用于获取所述目标压力值的精度等级；控制模式选择单元，用于当所述精度等级大于等于预设精度等级时，选择频率控制模式，当所述精度等级小于预设精度等级时，选择转速控制模式。
优选地，所述实际压力调节模块包括：目标频率获取单元，用于当处于频率控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标频率值；实际频率获取单元，用于获取所述空气压缩机的实际频率值，并判断所述实际频率值与目标频率值是否相等；频率PID计算单元，用于当所述空气压缩机的实际频率值与目标频率值不相等时，计算所述频率PID值；第一实际压力调节单元，用于按照所述频率PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
优选地，所述实际压力调节模块包括：目标转速获取单元，用于当所述空气压缩机处于转速控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标转速值；实际转速获取单元，用于获取所述空气压缩机的实际转速值，并判断所述实际转速值与目标转速值是否相等；转速PID计算单元，用于当所述空气压缩机的实际转速值与目标转速值不相等时，计算所述转速PID值；第二实际压力调节单元，用于按照所述转速PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
本发明进一步提出一种氢燃料电池空气压缩机控制系统，该氢燃料电池空气压缩机控制系统包括燃料电池、燃料电池控制器、空气压缩机、空气压缩机控制器及PID调节器，所述燃料电池控制器与所述空气压缩机控制器通过CAN总线连接，所述空气压缩机控制器用于监测所述空气压缩机的工作参数，所述燃料电池控制器用于根据所述工作参数调整所述空气压缩机的工作状态。
本发明实施例的有益效果在于：利用CAN网络将燃料电池控制器与空气压缩机控制器连接，空气压缩机控制器实时反馈自身的各项工作参数给燃料电池控制器，燃料电池控制器则根据目标压力值及空气压缩机控制器反馈的参数，并按照设定的频率控制模式或转速控制模式，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值，以使得该实际压力值与目标压力值相等或尽可能接近，从而实现对空气压缩机的精确控制，达到提高燃料电池效率、延长燃料电池使用寿命及提高燃料电池性能的目的。
附图说明
图1为本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法第一实施例的流程图；
图2为本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法第二实施例的流程图；
图3为本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法第三实施例的流程图；
图4为本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法第四实施例的流程图；
图5为本发明氢燃料电池空气压缩机控制方法第五实施例的流程图；
图6为本发明氢燃料电池空气压缩机控制装置的功能模块图；
图7为本发明氢燃料电池空气压缩机控制系统的网络拓扑图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决上述技术问题，本发明提出一种氢燃料电池空气压缩机控制方法，参见图1，该氢燃料电池空气压缩机控制方法包括：
步骤S10，获取燃料电池的功率需求；
本发明所涉及的氢燃料电池适用于汽车、船等用电设备，以氢燃料电池应用于汽车为例，仅为示例性的，而非限制性的。具体的，汽车在行驶过程中，需要燃料电池提供电能给驱动电机和汽车负载，以驱动汽车前进及汽车负载的正常运行，汽车负载包括空调、仪表盘及照明灯等。为此，在燃料电池提供电能之前，需要首先计算汽车对于燃料电池的功率需求，以使得燃料电池输出的功率能够满足汽车的使用需求。如此，可减少燃料电池的氢气流量，以避免进入燃料电池的氢气不能够被有效地利用而造成浪费，进而提高氢气利用率。
步骤S20，根据燃料电池的功率需求，计算待进入燃料电池的空气的目标压力值；
在获得汽车对于燃料电池的功率需求后，通过预先设定的计算机程序，将燃料电池的功率需求，转换成与其相对应的待进入燃料电池的空气的目标压力值。需要说明的是，在获得燃料电池的功率需求后，可采用现有的计算机程序计算得到待进入空气的目标压力值。
步骤S30，根据目标压力值的精度等级，选择空气压缩机的控制模式，控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；
根据燃料电池的工作特性，以及空气压缩机的工作特点，对于空气压缩机的控制，具体提出了频率控制和转速控制两种控制模式。
第一种频率控制模式，根据燃料电池工作状态以及需求计算，实时调整空气压缩机的频率，满足燃料电池的压力需求和空气供气以及吹扫需求，可有效的保证燃料电池的最佳工作状态。
第二种转速控制模式，根据燃料电池工作状态以及需求计算，实时调整空气压缩机的转速，满足燃料电池的压力需求和空气供气以及吹扫需求，可有效的保证燃料电池的较佳工作状态。该控制模式相较于频率控制模式，其精度较低，对于待进入燃料电池的空气的压力调节存在不足。
因此，对于空气压缩机的控制模式的选择，具体可参考目标压力值的精度等级，参见图2，上述步骤S30包括：
步骤S31，获取目标压力值的精度等级；
步骤S32，若精度等级大于等于预设精度等级，则选择频率控制模式；
步骤S32，若精度等级小于预设精度等级，则选择转速控制模式。
本实施例中，目标压力值的精度等级为目标压力值的小数点后保留的位数。预设精度等级可以为目标压力值的小数点后保留的三位。在燃料电池的测试阶段，需要准确计算进入燃料电池的空气的压力与燃料电池的输出功率的对应关系，因此要求进入燃料电池的空气的压力值具有较高的精度等级，即要求目标压力值具有较高的精度等级，较高的精度等级可以为目标压力值的小数点后保留的四位或五位。在这种情况下，可以将燃料电池切换至频率控制模式。在无需目标压力值具有较高的精度等级，例如目标压力值的精度确定至小数点后保留的一位或两位，可以将燃料电池切换至转速控制模式。
步骤S40，按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
空气压缩机控制的操作模式有以下几种：当空气压缩机控制器上电(低压以及高压)后，自检系统状态，当系统状态为“Standby”(待命状态)代表上电、自检成功，说明系统已经可以接受FCU的指令；当系统状态为“Shutdown”(关机状态，该状态切断高压)，说明系统处于关机或正在关机状态，且要切断高压的状态，此时不接受任何FCU的指令，关机成功进入关机休眠；当系统状态为“ReSet”(复位状态)说明系统处于需要被复位或者正在复位过程中的状态。当系统状态为“Drive Control”(驱动控制)，说明系统正接受FCU指令，并控制电机处于驱动的状态；当系统状态为“Braking Control”(制动状态)，说明系统处于制动回馈状态。
空气压缩机控制的旋转方向有以下两种：“Foreward Control”(正向控制)表示空压机处于正向旋转的状态；“Reversal Control”(反向控制)表示空压机处于反向旋转的状态。
空压机控制的控制模式有以下两种：“Frequency Control”(频率控制，默认控制)表示空压机电机处于频率控制状态，“Speed Control”(转速控制)表示空压机电机处于速度控制状态。
当控制模式为“Frequency Control”(频率控制指令，默认控制)，并且“ForewardControl”(正向旋转控制指令)，且“Drive Control”(驱动控制指令)同时满足时，说明当前接受频率控制，正向驱动。FCU根据电堆需求，发送频率PID(Proportion IntegrationDifferentiation比例积分微分)值给空压机控制器，调节无限接近满足燃料电池空气供给以及压力平衡的目标值。空气压缩机控制器以及其他辅助传感器，实时将运行数据反馈给FCU，实时调整控制，最终实现供空系统的自主闭环控制，从而保证电堆各项指标工作在最佳工作点。
在一较佳实施例中，参见图3，上述步骤S40包括：
步骤S41，当空气压缩机处于频率控制模式时，根据目标压力值，计算空气压缩机的目标频率值；
在频率控制模式下，根据待进入燃料电池的空气的目标压力值，利用预先设定好的计算程序或算法，得到空气压缩机的目标频率值，以供执行后序方法步骤使用。
步骤S42，获取空气压缩机的实际频率值，并判断实际频率值与目标频率值是否相等；
通过第一传感器监测空气压缩机的实际频率，并将其监测到的频率实时反馈给空气压缩机控制器，再由空气压缩机控制器将检测到的实际频率发送给燃料电池控制器，最后，由燃料电池控制器判断空气压缩机的实际频率值与目标频率值是否相等。
步骤S43，若不相等，则根据实际频率值与目标频率值计算频率PID值；
步骤S44，按照频率PID值，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
本实施例中，在执行上述步骤S42后，得到判断结果，当判断结果为空气压缩机的实际频率值与目标频率值不相等时，则根据两者的差值计算频率PID值，按照PID差值对氢燃料电池空气压缩机控制系统进行PID调节，以使得空气压缩机的实际频率值与目标频率值相一致。
在另一较佳实施例中，参见图4，上述步骤S40还包括：
步骤S45，当空气压缩机处于转速控制模式时，根据目标压力值，计算空气压缩机的目标转速值；
在转速控制模式下，根据待进入燃料电池的空气的目标压力值，利用预先设定好的计算程序或算法，得到空气压缩机的目标转速值，以供执行后序方法步骤使用。
步骤S46，获取空气压缩机的实际转速值，并判断实际转速值与目标转速值是否相等；
通过第一传感器监测空气压缩机的实际转速，并将其监测到的转速实时反馈给空气压缩机控制器，再由空气压缩机控制器将检测到的实际转速发送给燃料电池控制器，最后，由燃料电池控制器判断空气压缩机的实际转速值与目标转速值是否相等。
步骤S47，若不相等，则根据实际转速值与目标转速值计算转速PID值；
步骤S48，按照转速PID值，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
本实施例中，在执行上述步骤S42后，得到判断结果，当判断结果为空气压缩机的实际转速值与目标转速值不相等时，则根据两者的差值计算转速PID值，按照PID差值对氢燃料电池空气压缩机控制系统进行PID调节，以使得空气压缩机的实际转速值与目标转速值相一致。
在又一较佳实施例中，参见图5，本发明所涉及的氢燃料电池空气压缩机控制方法，还包括：
步骤S50，获取空气压缩机的工作参数，所述工作参数包括电流、电压、温度、频率、转速；
步骤S60，据工作参数调整空气压缩机的工作状态。
当空压机控制器接受燃料电池控制器控制时，空气压缩机将进入工作模式，同时会将实时的质量流量、实时的转速、频率、转矩、实时的电压、电流、温度、故障状态等信息发送给FCU，以调节实际输出的需求限制。
基于上述提出的氢燃料电池空气压缩机控制方法，本发明还提出一种氢燃料电池空气压缩机控制装置，参见图6，该氢燃料电池空气压缩机控制装置包括：
功率需求获取模块，用于获取燃料电池的功率需求；
目标压力计算模块，用于根据燃料电池的功率需求，计算待进入燃料电池的空气的目标压力值；
控制模式选择模块，用于根据目标压力值的精度等级，选择空气压缩机的控制模式，控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；
实际压力调节模块，用于按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
在一较佳实施例中，控制模式选择模块包括：
精度等级获取单元，用于获取目标压力值的精度等级；
控制模式选择单元，用于当精度等级大于等于预设精度等级时，选择频率控制模式，当精度等级小于预设精度等级时，选择转速控制模式。
在另一较佳实施例中，实际压力调节模块包括：
目标频率获取单元，用于当处于频率控制模式时，根据目标压力值，计算空气压缩机的目标频率值；
实际频率获取单元，用于获取空气压缩机的实际频率值，并判断实际频率值与目标频率值是否相等；
频率PID计算单元，用于当空气压缩机的实际频率值与目标频率值不相等时，计算频率PID值；
第一实际压力调节单元，用于按照频率PID值，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
在又一较佳实施例中，实际压力调节模块还包括：
目标转速获取单元，用于当空气压缩机处于转速控制模式时，根据目标压力值，计算空气压缩机的目标转速值；
实际转速获取单元，用于获取空气压缩机的实际转速值，并判断实际转速值与目标转速值是否相等；
转速PID计算单元，用于当空气压缩机的实际转速值与目标转速值不相等时，计算转速PID值；
第二实际压力调节单元，用于按照转速PID值，调节待进入燃料电池的空气的实际压力值。
上述记载的氢燃料电池空气压缩机控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于计算机设备中，也可以以软件形式存储于存储器中，以便于计算机设备调用并执行以上各个模块对应的功能。上述各功能模块的工作原理及其所起作用可参见图1至图4中所示的氢燃料电池空气压缩机控制方法的实现过程，在此不再赘述。
基于上述提出的氢燃料电池空气压缩机控制方法，本发明进一步提出一种氢燃料电池空气压缩机控制系统，参见图7，该氢燃料电池空气压缩机控制系统包括燃料电池、燃料电池控制器、空气压缩机、空气压缩机控制器及PID调节器，燃料电池控制器与空气压缩机控制器通过CAN总线连接，空气压缩机控制器用于监测空气压缩机的工作参数，燃料电池控制器用于根据工作参数调整空气压缩机的工作状态。
在本发明所涉及的氢燃料电池空气压缩机控制系统中，FCU根据供空系统总成反馈的实时质量流量、压力、电流、转速、频率、当前状态、故障，综合分析并计算。设定目前FCU控制空气压缩机控制器的工作状态，默认分配为频率控制模式，并根据当前外部功率需求计算出需求的功率以及需要质量流量以及燃料电池阳极压力以及进、出压力差等关键数据，分别计算出各自的PID调节器的PID值，在保证无限接近目标功率的情况下，输出实时的压力、频率和质量流量控制量以及计量比要求，以达到最终控制的压力、质量流量、燃料电池反应过程中产生的水量，并通过控制吹扫过程，达到供空管路、燃料电池流道中的空气氧气含量和水平衡以及相对压力的需求。同时，保证氢气供应实时跟随燃料电池的功率需求而变化，并保证空气利用率最大化，从而提高燃料电池的额定输出功率，保证燃料电池中流道水平衡和空气管路中压力的相对平衡。
以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
Claims (10)
1.一种氢燃料电池空气压缩机控制方法，其特征在于，包括：
获取燃料电池的功率需求；
根据所述燃料电池的功率需求，计算待进入所述燃料电池的空气的目标压力值；
根据所述目标压力值的精度等级，选择所述空气压缩机的控制模式，所述控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；
按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气压缩机控制方法，其特征在于，所述根据所述目标压力值，选择所述空气压缩机的控制模式包括：
获取所述目标压力值的精度等级；
若所述精度等级大于等于预设精度等级，则选择频率控制模式；
若所述精度等级小于预设精度等级，则选择转速控制模式。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气压缩机控制方法，其特征在于，所述按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值包括：
当所述空气压缩机处于频率控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标频率值；
获取所述空气压缩机的实际频率值，并判断所述实际频率值与目标频率值是否相等；
若不相等，则根据所述实际频率值与目标频率值计算频率PID值；
按照所述频率PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气压缩机控制方法，其特征在于，所述按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值包括：
当所述空气压缩机处于转速控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标转速值；
获取所述空气压缩机的实际转速值，并判断所述实际转速值与目标转速值是否相等；
若不相等，则根据所述实际转速值与目标转速值计算转速PID值；
按照所述转速PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气压缩机控制方法，其特征在于，还包括：
获取所述空气压缩机的工作参数，所述工作参数包括电流、电压、温度、频率、转速；
根据所述工作参数调整所述空气压缩机的工作状态。
6.一种氢燃料电池空气压缩机控制装置，其特征在于，包括：
功率需求获取模块，用于获取燃料电池的功率需求；
目标压力计算模块，用于根据所述燃料电池的功率需求，计算待进入所述燃料电池的空气的目标压力值；
控制模式选择模块，用于根据所述目标压力值的精度等级，选择所述空气压缩机的控制模式，所述控制模式包括频率控制模式和转速控制模式；
实际压力调节模块，用于按照设定的频率控制模式或转速模式，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
7.根据权利要求6所述的氢燃料电池空气压缩机控制装置，其特征在于，所述控制模式选择模块包括：
精度等级获取单元，用于获取所述目标压力值的精度等级；
控制模式选择单元，用于当所述精度等级大于等于预设精度等级时，选择频率控制模式，当所述精度等级小于预设精度等级时，选择转速控制模式。
8.根据权利要求6所述的氢燃料电池空气压缩机控制装置，其特征在于，所述实际压力调节模块包括：
目标频率获取单元，用于当处于频率控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标频率值；
实际频率获取单元，用于获取所述空气压缩机的实际频率值，并判断所述实际频率值与目标频率值是否相等；
频率PID计算单元，用于当所述空气压缩机的实际频率值与目标频率值不相等时，计算所述频率PID值；
第一实际压力调节单元，用于按照所述频率PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
9.根据权利要求6所述的氢燃料电池空气压缩机控制装置，其特征在于，所述实际压力调节模块还包括：
目标转速获取单元，用于当所述空气压缩机处于转速控制模式时，根据所述目标压力值，计算所述空气压缩机的目标转速值；
实际转速获取单元，用于获取所述空气压缩机的实际转速值，并判断所述实际转速值与目标转速值是否相等；
转速PID计算单元，用于当所述空气压缩机的实际转速值与目标转速值不相等时，计算所述转速PID值；
第二实际压力调节单元，用于按照所述转速PID值，调节待进入所述燃料电池的空气的实际压力值。
10.一种氢燃料电池空气压缩机控制系统，其特征在于，包括燃料电池、燃料电池控制器、空气压缩机、空气压缩机控制器及PID调节器，所述燃料电池控制器与所述空气压缩机控制器通过CAN总线连接，所述空气压缩机控制器用于监测所述空气压缩机的工作参数，所述燃料电池控制器用于根据所述工作参数调整所述空气压缩机的工作状态。
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