CN110865252B - 一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置及其控制方法，所述模拟装置包括：交流电压电流传感器、PWM整流模块、直流母线电压电流传感器、DC/DC变换模块、输出电压电流传感器、控制模块、人机界面和通信模块。本发明能够模拟燃料电池输出电特性的装置来代替实际的燃料电池，无需提供燃料电池正常工作所需要的复杂条件，从而降低成本和风险、缩短开发周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置及其控制方法，属于质子交换膜燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池是高效、环保、可再生的新能源技术，广泛应用于多种领域。质子交换膜燃料电池(PEMFC)适用于可移动电源、电动汽车、备用电源、分散电站等场景。以燃料电池作为电源的应用中，需要带燃料电池进行联调联试。燃料电池正常工作时需要提供氢气、压缩空气、冷却水等工作条件，且需要对气体压力、流量、温度、湿度等一系列指标进行控制，同时还涉及氢气存储和涉氢实验室建设等一系列问题，且燃料电池的采购成本与维护成本均较高。但在许多燃料电池应用的研究场合中，并不关心其气体控制、热管理等方面的问题，而只关心燃料电池输出电压、电流、功率等电特性，如燃料电池专用DC/DC变换器、负载、燃料电池汽车动力系统的联合调试等。而燃料电池的输出电特性比较特殊，无法用现有的常规电源进行模拟。本发明基于电力电子技术，在大量实验数据基础上提取出典型燃料电池输出电特性曲线，能够模拟真实燃料电池输出电特性，可在特定研究场合代替实际的燃料电池，无需为燃料电池提供复杂的工作条件，从而降低成本和风险、缩短开发周期。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池电特性模拟装置及其控制方法，构造一个能够模拟燃料电池输出电特性的装置来代替实际的燃料电池，无需提供燃料电池正常工作所需要的复杂条件，从而降低成本和风险、缩短开发周期。
为解决上述技术问题，本发明可通过以下技术方案来实现：
本发明的一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，包括交流电压电流传感器、PWM整流模块、直流母线电压电流传感器、DC/DC变换模块、输出电压电流传感器、控制模块、人机界面和通信模块。
所述交流电压电流传感器由交流电压传感器、交流电流传感器及辅助电路组成，包括交流输入端、交流输出端和信号输出端，其交流输入端与三相交流电网连接，交流输出端与所述PWM整流模块连接，信号输出端与控制模块连接，其作用是采集输入到所述PWM整流模块中的交流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述PWM整流模块由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，包括交流输入端、直流输出端和信号输入端，其交流输入端与交流电压电流传感器连接，直流输出端与直流母线电压电流传感器连接，信号输入端与控制模块连接；其作用是将输入的三相交流电压转换为直流电压，并能够控制直流电压的大小。
所述直流母线电压电流传感器由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，其直流输入端与所述PWM整流模块连接，直流输出端与所述DC/DC变换模块连接，信号输出端与控制模块连接，其作用是采集输入到所述DC/DC变换模块中的直流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述DC/DC变换模块由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，包括直流输入端、直流输出端和信号输入端，其直流输入端与所述直流电压电流传感器连接，直流输出端与所述输出电压电流传感器连接，信号输入端与控制模块连接；其作用是将由所述PWM整流模块输出的直流电压转换为与质子交换膜燃料电池电特性高度相似的电压电流。所述DC/DC变换模块是一种宽范围电压变换器，能够满足燃料电池宽电压范围的模拟控制。
所述输出电压电流传感器由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，其直流输入端与所述DC/DC变换模块连接，直流输出端输出与质子交换膜燃料电池电特性高度相似的电压电流，信号输出端与控制模块连接，其作用是采集装置输出端的直流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述控制模块中设置有核心计算和处理单元，核心计算和处理单元为高速数字微处理器，其中写入燃料电池模拟装置的控制程序。
所述人机界面包括信息显示单元和输入单元，信息显示单元可以是触摸屏、液晶显示器、数码管等形式，信息输入单元可以是触摸屏、键盘、旋钮等形式；人机界面与所述控制模块连接，进行数据的双向传输。
所述通信模块与控制模块连接，可以与其他设备进行数据交换，通信方式包括但不限于RS232、RS485、USB、以太网、CAN等。
所述质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置的控制程序，实现方案如下：
程序内置质子交换膜燃料电池的输出电压-电流关系曲线的计算方法，计算方法依据以下公式实现：
式中：U—输出电压，单位：V
T—工作温度，单位：K
n—单电池数量
i—电流密度，单位：A/cm2
iL—极限电流密度，单位：A/cm2
Ri—单电池欧姆电阻，单位：Ω·cm2
式(1)中T、iL和Ri是用户给定参数，n和i的计算方法如下：
n＝Uoc/1.19 式(2)
式中：UOC—开路电压，单位：V
式中：ir—额定电流密度，单位：A/cm2
Ir—额定电流，单位：A
I—输出电流，单位：A
式(2)中UOC为用户给定参数。
用户给定额定输出电压Ur，将Ur和ir代入式(1)中，可以得到对应的ir值，将ir值、式(2)、式(3)代入式(1)，即可得出燃料电池输出电压U与输出电流I之间的关系曲线。
该曲线是在大量的实验数据中拟合出的关系式；所述控制方法是用户通过设置燃料电池开路电压、额定电压、额定电流(额定功率)、极限电流密度、工作温度、单电池欧姆电阻等参数，以外部负载的需求电流或功率值为反馈量，根据公式(1)计算出在该电流或功率下所对应的电压值，并控制装置输出电压为该电压值。
本发明的一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟控制方法，包括以下步骤：
(a)连接负载，设置燃料电池工作参数，所述参数包括开路电压、额定电压、额定功率、工作温度、极限电流密度、单电池欧姆电阻；
(b)发送启动指令，直流输出端开始输出电压和电流；
(c)输出电压电流传感器实时采集输出电流值和输出电压值；
(d)根据燃料电池电压-电流关系曲线，基于负载所需电流计算相应的电压值，所述电压值作为输出电压的给定值；
所述负载所需电流即输出电流；
(e)控制PWM整流模块及DC/DC变换模块协同工作，使得所述输出电压值稳定在所述输出电压的给定值附近预设的范围内；(该预设范围可自行设定，根据负载不同范围有所不同)；
(f)判断相邻两次采集的输出电流差值是否超出预设阈值，如超出阈值，重复步骤(d)～(e)；如未超出阈值，重复步骤(f)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的输出特性曲线是在大量实验基础上提取的典型燃料电池输出电特性曲线，能够在燃料电池专用DC/DC变换器测试、负载测试等场合中模拟燃料电池输出电特性，从而代替实际的燃料电池，无需提供燃料电池正常工作所需要的复杂条件，从而降低成本和风险、缩短开发周期。
附图说明
图1为本发明的组成方框图；
图2为本发明控制模块控制流程图。
图中：交流电压电流传感器1、PWM整流模块2、直流母线电压电流传感器3、DC/DC变换模块4、输出电压电流传感器5、控制模块6、人机界面7、通信模块8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。
本发明中的质子交换膜燃料电池的极化曲线，该曲线是质子交换膜燃料电池单电池输出电压-电流密度、输出功率密度-电流密度之间的关系曲线，是在大量的实验数据中提取的。用户通过设置燃料电池开路电压、额定电压、额定电流或额定功率的极限电流密度、工作温度、单电池欧姆电阻参数，以外部负载的需求电流或功率值为反馈量，根据公式(1)计算出在该电流或功率下所对应的电压值，并控制装置输出电压为该电压值。
实施例一
如图1所示，本发明的一种燃料电池输出电特性模拟装置，包括交流电压电流传感器1、PWM整流模块2、直流母线电压电流传感器3、DC/DC变换模块4、输出电压电流传感器5、控制模块6、人机界面7和通信模块8。所述交流电压电流传感器1包括交流输入端、交流输出端和信号输出端，其交流输入端与三相交流电网连接，交流输出端与所述PWM整流模块2连接，信号输出端与控制模块6连接；所述PWM整流模块2包括交流输入端、直流输出端和信号输入端，其交流输入端与交流电压电流传感器1连接，直流输出端与直流母线电压电流传感器3连接，信号输入端与控制模块6连接；所述直流母线电压电流传感器3包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，其直流输入端与所述PWM整流模块2连接，直流输出端与所述DC/DC变换模块4连接，信号输出端与控制模块6连接；所述DC/DC变换模块4包括直流输入端、直流输出端和信号输入端，其直流输入端与所述直流电压电流传感器3连接，直流输出端与所述输出电压电流传感器5连接，信号输入端与控制模块6连接；所述输出电压电流传感器5包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，其直流输入端与所述DC/DC变换模块4连接，信号输出端与控制模块6连接；所述人机界面7与所述控制模块6连接；所述通信模块8与控制模块6连接。
所述交流电压电流传感器1由交流电压传感器、交流电流传感器及辅助电路组成，其作用是采集输入到所述PWM整流模块中的交流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述PWM整流模块2由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，其作用是将输入的三相交流电压转换为直流电压，并能够控制直流电压的大小。
所述直流母线电压电流传感器3由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，其作用是采集输入到所述DC/DC变换模块中的直流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述DC/DC变换模块4由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，其作用是将由所述PWM整流模块输出的直流电压转换为与质子交换膜燃料电池电特性高度相似的电压电流。
所述输出电压电流传感器5由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，其作用是采集装置输出端的直流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块。
所述控制模块6中设置有核心计算和处理单元，核心计算和处理单元为高速数字微处理器，高速数字微处理器为可编程处理器，其中写入燃料电池模拟装置的控制程序，能够通过接收人机界面7和通信模块8的输入信息和采集交流电压电流传感器1、直流母线电压电流传感器3、输出电压电流传感器5的反馈信号，输出控制PWM整流模块2和DC/DC变换模块4的信号，从而产生相应的燃料电池电压、电流、功率等电特性模拟曲线，并将装置运行状态和参数反馈至人机界面7及通过通信模块8发送至其他与装置建立通信的设备。
所述人机界面7包括信息显示单元和输入单元，信息显示单元可以是触摸屏、液晶显示器、数码管等形式，信息输入单元可以是触摸屏、键盘、旋钮等形式；人机界面与所述控制模块进行数据的双向传输。在人机界面7上可设置参数包括但不限于以下内容：燃料电池工作温度、燃料电池额定电压、电流、功率、开路电压、极限电流密度、单电池欧姆电阻等。在人机界面7上可显示但不限于以下内容：燃料电池工作温度、反应气体压力、燃料电池额定功率、燃料电池额定电压、燃料电池开路电压、电流密度、燃料电池实时电压、燃料电池实时电流、燃料电池实时功率等。
所述通信模块8作用是使控制模块6与其他设备建立通信连接，进行数据交换，数据交换内容与人机界面7中设置和显示的内容相同。通信方式包括但不限于RS232、RS485、USB、以太网、CAN等。
本发明能够在燃料电池专用DC/DC变换器测试、负载测试等场合中模拟燃料电池输出电特性，从而代替实际的燃料电池，无需提供燃料电池正常工作所需要的复杂条件，从而降低成本和风险、缩短开发周期。
实施例二
本发明提供一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟控制方法，用户通过设置燃料电池开路电压、额定电压、额定电流或额定功率的极限电流密度、工作温度、单电池欧姆电阻参数，以外部负载的需求电流或功率值为反馈量，根据公式(1)计算出在该电流或功率下所对应的电压值，并控制装置输出电压为该电压值。
参考图1和图2，本发明具体包括以下步骤：
(a)参考图1，电流接入端1接通三相电源，该电源电压包括110V，220V，380V，以及其它任意可选的电压范围。电压电流输出端5连接负载，设置燃料电池工作参数，所述参数包括“开路电压”、“额定电压”、“额定功率”、“工作温度”、“极限电流密度”、“单电池欧姆电阻”；
(b)发送启动指令，直流输出端3开始输出电压和电流；
(c)输出电压电流传感器5实时采集输出电流值和输出电压值；
(d)根据燃料电池电压-电流关系曲线，基于负载所需电流计算相应的电压值，所述电压值作为输出电压的给定值；
燃料电池电压-电流关系曲线的计算方法依据以下公式实现：
式中：U—输出电压
T—工作温度
n—单电池数量
i—电流密度
iL—极限电流密度
Ri—内电阻
式(1)中T、iL和Ri是用户给定参数，n和i的计算方法如下：
n＝Uoc/1.19 式(2)
式中：UOC—开路电压
式中：ir—额定电流密度
Ir—额定电流
I—输出电流
式(2)中UOC为用户给定参数；
用户给定额定输出电压Ur，将Ur和ir代入式(1)中，得到对应的ir值，将ir值、式(2)、式(3)代入式(1)，即可得出燃料电池输出电压u与输出电流I之间的关系曲线。
所述负载所需电流即输出电流；
(e)控制PWM整流模块及DC/DC变换模块协同工作，使得所述输出电压值稳定在所述输出电压的给定值附近预设的范围内；该预设范围可自行设定，根据负载不同范围有所不同；
(f)判断相邻两次采集的输出电流差值是否超出预设阈值，如超出阈值，重复步骤(d)～(e)；如未超出阈值，重复步骤(f)。相邻两次输出电流的差值，即当前采集的输出电流与上一次采集的输出电流之间的差值，该预设阈值可自行设定，根据负载不同阈值有所不同。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于，包括：交流电压电流传感器、PWM整流模块、直流母线电压电流传感器、DC/DC变换模块、输出电压电流传感器、控制模块、人机界面和通信模块；
所述交流电压电流传感器采集输入到所述PWM整流模块中的交流电压电流信息，转换为控制模块能够接收的信号并传输至控制模块；交流电压电流传感器包括交流输入端、交流输出端和信号输出端，交流输入端与三相交流电网连接，交流输出端与所述PWM整流模块连接，信号输出端与控制模块连接；
所述直流母线电压电流传感器，采集输入到所述DC/DC变换模块中的直流电压电流信息，转换为控制模块能够接收的信号并传输至控制模块；直流母线电压电流传感器包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，直流输入端与所述PWM整流模块连接，直流输出端与所述DC/DC变换模块连接，信号输出端与控制模块连接；
所述PWM整流模块，将输入的三相交流电压转换为直流电压，能够控制直流电压的大小；PWM整流模块包括交流输入端、直流输出端和信号输入端，交流输入端与交流电压电流传感器连接，直流输出端与直流母线电压电流传感器连接，信号输入端与控制模块连接；
所述DC/DC变换模块，将由所述PWM整流模块输出的直流电压转换为与质子交换膜燃料电池电特性高度相似的电压电流；DC/DC变换模块包括直流输入端、直流输出端和信号输入端，直流输入端与所述直流电压电流传感器连接，直流输出端与所述输出电压电流传感器连接，信号输入端与控制模块连接；
输出电压电流传感器，采集装置输出端的直流电压电流信息，转换为控制模块可接收的信号并传输至控制模块；输出电压电流传感器包括直流输入端、直流输出端和信号输出端，直流输入端与所述DC/DC变换模块连接，直流输出端输出与质子交换膜燃料电池电特性高度相似的电压电流，信号输出端与控制模块连接；
控制模块，设置有核心计算和处理单元，内部包含控制程序软件，能够通过接收人机界面和通信模块的输入信息和采集交流电压电流传感器、直流母线电压电流传感器、输出电压电流传感器的反馈信号，输出控制PWM整流模块和DC/DC变换模块的信号，从而产生相应的燃料电池电压、电流、功率的电特性模拟曲线，并将运行状态和参数反馈至人机界面及通过通信模块发送至建立通信的外部设备；
人机界面，与所述控制模块连接，进行数据的双向传输；
所述通信模块，与控制模块连接，与外部设备进行数据交换；
所述控制模块中的控制程序内包含质子交换膜燃料电池的输出电压-电流关系曲线的计算方法，计算方法依据以下公式实现：
式中：U—输出电压
T—工作温度
n—单电池数量
i—电流密度
iL—极限电流密度
Ri—内电阻
式(1)中T、iL和Ri是用户给定参数，n和i的计算方法如下：
n＝Uoc/1.19 式(2)
式中：UOC—开路电压
式中：ir—额定电流密度
Ir—额定电流
I—输出电流
式(2)中UOC为用户给定参数；
用户给定额定输出电压Ur，将Ur和ir代入式(1)中，得到对应的ir值，将ir值、式(2)、式(3)代入式(1)，即可得出燃料电池输出电压u与输出电流I之间的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述PWM整流模块由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，PWM整流模块将输入的交流电变换为直流电，电力电子开关管组成桥式整流电路。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述直流母线电压电流传感器由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，直流电压传感器采集输出直流电的电压值，直流电流传感器的功能是采集输出直流电的电流值；直流电压传感器并联在直流输出端，直流电流传感器串联在直流输出端，辅助电路连接在直流电压传感器和直流电流传感器的输出端。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述DC/DC变换模块由电力电子开关管、电感、电容及相应的辅助电路组成，其功能是根据电压曲线对直流电压进行升降，控制输出电压值。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述输出电压电流传感器由直流电压传感器、直流电流传感器及辅助电路组成，直流电压传感器采集输出直流电的电压值，直流电流传感器的功能是采集输出直流电的电流值，直流电压传感器并联在直流输出端，直流电流传感器串联在直流输出端，辅助电路连接在直流电压传感器和直流电流传感器的输出端。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述人机界面包括信息显示单元和输入单元，信息显示单元是触摸屏、液晶显示器或数码管形式，信息输入单元是触摸屏、键盘或旋钮形式。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置，其特征在于：所述通信模块的通信方式包括RS232、RS485、USB、以太网或CAN。
8.一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)设置燃料电池工作参数，所述参数包括开路电压、额定电压、额定功率、工作温度、极限电流密度、单电池欧姆电阻；
(b)发送启动指令，直流输出端开始输出电压和电流；
(c)输出电压电流传感器实时采集输出电流值和输出电压值；
(d)根据燃料电池电压-电流关系曲线，基于负载所需电流计算相应的电压值，所述电压值作为输出电压的给定值；
所述负载所需电流即输出电流；
(e)控制PWM整流模块及DC/DC变换模块协同工作，使得所述输出电压值稳定在所述输出电压的给定值附近预设的范围内；
(f)判断相邻两次采集的输出电流差值是否超出预设阈值，如超出阈值，重复步骤(d)～(e)；如未超出阈值，重复步骤(f)；
所述燃料电池电压-电流关系曲线的计算方法依据以下公式实现：
式中：U—输出电压
T—工作温度
n—单电池数量
i—电流密度
iL—极限电流密度
Ri—内电阻
式(1)中T、iL和Ri是用户给定参数，n和i的计算方法如下：
n＝Uoc/1.19 式(2)
式中：UOC—开路电压
式中：ir—额定电流密度
Ir—额定电流
I—输出电流
式(2)中UOC为用户给定参数；
用户给定额定输出电压Ur，将Ur和ir代入式(1)中，得到对应的ir值，将ir值、式(2)、式(3)代入式(1)，即可得出燃料电池输出电压u与输出电流I之间的关系曲线。
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