CN110911721B - 一种燃料电池控制方法及燃料电池控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池控制方法及燃料电池控制装置。获取燃料电池需求输出功率；根据所述燃料电池需求输出功率计算目标进出口压力差值；实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；调节空压机工作参数以及背压阀工作参数，使计算出的进出口压力差值与目标进出口压力差值相等。根据燃料电池电堆阴极进口压力及达到所述需求的燃料电池输出功率时，质子交换膜阴极侧需要维持的压力对背压阀进行控制，以使燃料电池电堆阴极压力满足所述燃料电池质子交换膜的压力平衡需求，最终实现燃料电池工作在较佳状态的目的。

Description

一种燃料电池控制方法及燃料电池控制装置
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池控制方法及燃料电池控制装置。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为反应原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声，排放出的有害气体污染极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是一种很有发展前途的发电技术。
在众多种类的燃料电池当中，质子交换膜燃料电池采用能传导质子的固态高分子薄膜材料作为电解质。这种电解质具有高功率-质量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。
质子交换膜燃料电池因其能量转化效率高、工作温度低、响应迅速，以及零排放等优点，被视作具备良好发展前景的汽车动力源。在本说明书的后续内容中，如无特别说明，所提及的燃料电池均为质子交换膜燃料电池。
燃料电池发动机在运行时，通过向燃料电池堆源源不断供入燃料和空气产出电能，驱动负载做功。应考虑燃料电池质子交换膜两边的压力平衡，如果质子交换膜两侧的压力差过大容易损坏质子交换膜。因此，如何有效控制燃料电池的压力是提升燃料电池系统效率和可靠性的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种能有效控制燃料电池空气流量及压力的燃料电池控制方法及燃料电池控制装置。
本发明一种燃料电池控制方法，其技术方案为：
获取燃料电池需求输出功率；
根据所述燃料电池需求输出功率计算目标进出口压力差值；
实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；
调节空压机工作参数以及背压阀工作参数，使计算出的进出口压力差值与目标进出口压力差值相等。
较为优选的，所述调节空压机工作参数包括调节空压机的转速。
较为优选的，所述调节背压阀工作参数包括调节背压阀的开度和开度时长。
较为优选的，还包括空气流量调节，所述空气流量调节包括：
根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量；
调节空压机转速，使其满足目标空气流量。
本方案一种燃料电池控制装置，其技术方案为，包括：
输出功率获取模块，用于获取燃料电池需求输出功率；
阴极进出口压力差值获取模块，用于实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；
空气流量及目标压差计算模块，用于根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量和目标进出口压力差值；
空压机控制模块，用于调节空压机工作参数，使燃料电池电堆阴极进口压力值改变；
电堆阴极出口压力控制模块，用于调节背压阀工作参数，使燃料电池电堆阴极出口压力值改变。
较为优选的，所述空压机控制模块包括转速控制子模块，所述转速控制子模块用于调节空压机转速。
较为优选的，所述电堆阴极出口压力控制模块包括背压阀开度控制子模块和背压阀开度时长控制子模块，所述背压阀开度控制子模块用于调节背压阀开度，所述背压阀开度时长控制子模块用于调节背压阀开启时长。
本发明的有益效果为：通过获取燃料电池需求输出功率和电堆阴极进出口压力差值，根据需求输出功率以及所述需求输出功率与空压机工作参数的对应值对空压机进行控制，以使空气供给量匹配所述需求输出功率；并根据燃料电池电堆阴极进口压力及达到所述需求的燃料电池输出功率时，质子交换膜阴极侧需要维持的压力对背压阀进行控制，以使燃料电池电堆阴极压力满足所述燃料电池质子交换膜的压力平衡需求，最终实现燃料电池工作在较佳状态的目的。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池控制方法的流程示意图；
图2为本发明一种燃料电池控制装置的模块连接示意图；
图3为本发明空压机map图；
图中：1-输出功率获取模块，2-阴极进出口压力差值获取模块，3-空气流量及目标压差计算模块，4-空压机控制模块，401-转速控制子模块，5-电堆阴极出口压力控制模块，501-背压阀开度控制子模块，502-背压阀开度时长控制子模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，一种燃料电池控制方法的流程如下：
步骤一：获取燃料电池需求输出功率。可以通过CAN通讯方式获取负载需求的燃料电池输出功率，该功率即燃料电池需求输出功率。
步骤二：根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量和目标进出口压力差值。该过程为常规技术手段。其中，目标进出口压力差值即目标质子交换膜阴极侧压力。
步骤三：实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值。直接通过传感器监测燃料电池电堆阴极进出口的压力，并用进口的压力减去出口的压力得到压力差值。
步骤四：调节空压机工作参数以及背压阀工作参数，使空压机的空气流量与目标空气流量相等，使计算出的进出口压力差值与目标进出口压力差值相等。调节空压机工作参数包括调节空压机的转速。调节背压阀工作参数包括调节背压阀的开度和开度时长。
如图3所示空压机的map图，横坐标是空气流量，纵坐标是空压机的压缩比，图中每一条曲线对应不同空压机转速下，空气流量和压缩比的变化关系。通过该图可以看出，空压机的空气流量、转速、压缩比存在特定的对应关系。压缩比为电堆阴极进口处气压和环境气压的比值，环境气压为固定值。即空气流量、转速、电堆阴极进口处气压之间存在特定关系。通过调节空气流量，既能实现阴极进口压力改变，通过调节背压阀，能实现阴极出口压力的改变。即，同时调节空压机和背压阀的相关参数，可以达到调节进出口压力差值的目的，使计算出的进出口压力差值满足目标进出口压力差值。
由于空气供给量缺乏时，不能满足需燃料电池输出功率的需求，则燃料电池出于“饥饿”状态，负载能力降低，甚至可能损坏燃料电池。而当空气供给过量时，空压机的寄生功耗增加，同时空气也会带走燃料电池的过多热量而使燃料电池内部温度降低，进而使运行效率降低。因此，在保证进出口压力差值满足条件的情况下，还要同时满足空压机的空气流量达标。即，首先调节空压机转速，使空压机的空气流量等于目标空气流量，由于空气流量与电堆阴极进口压力存在特定关系，此时电堆阴极进口压力维持在一个特定值，为了满足目标进出口压力差值，再对应调节背压阀的开度大小以及开度时长。背压阀的控制过程可以采用PID控制。
如图2所示，一种燃料电池控制装置包括：
输出功率获取模块1，用于获取燃料电池需求输出功率；
阴极进出口压力差值获取模块2，用于实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；
空气流量及目标压差计算模块3，用于根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量和目标进出口压力差值；
空压机控制模块4，其包括转速控制子模块401，用于调节空压机转速，从而调节空压机空气流量，使燃料电池电堆阴极进口压力值改变；
电堆阴极出口压力控制模块5，包括背压阀开度控制子模块501和背压阀开度时长控制子模块502，所述背压阀开度控制子模块501用于调节背压阀开度，所述背压阀开度时长控制子模块502用于调节背压阀开启时长。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种燃料电池控制方法，其特征在于：
获取燃料电池需求输出功率；
根据所述燃料电池需求输出功率计算目标进出口压力差值，所述目标进出口压力差值为目标质子交换膜阴极侧压力；
实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；
调节空压机工作参数以及背压阀工作参数，使计算出的进出口压力差值与目标进出口压力差值相等。
2.根据权利要求1所述的燃料电池控制方法，其特征在于：所述调节空压机工作参数包括调节空压机的转速。
3.根据权利要求1所述的燃料电池控制方法，其特征在于：调节背压阀工作参数包括调节背压阀的开度和开度时长。
4.根据权利要求2所述的燃料电池控制方法，其特征在于，还包括空气流量调节，所述空气流量调节包括：
根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量；
调节空压机转速，使其满足目标空气流量。
5.一种燃料电池控制装置，其特征在于，包括
输出功率获取模块(1)，用于获取燃料电池需求输出功率；
阴极进出口压力差值获取模块(2)，用于实时监测燃料电池电堆阴极进出口压力，并计算进出口压力差值；
空气流量及目标压差计算模块(3)，用于根据所述燃料电池需求输出功率计算目标空气流量和目标进出口压力差值，所述目标进出口压力差值为目标质子交换膜阴极侧压力；
空压机控制模块(4)，用于调节空压机工作参数，使燃料电池电堆阴极进口压力值改变；
电堆阴极出口压力控制模块(5)，用于调节背压阀工作参数，使燃料电池电堆阴极出口压力值改变。
6.如权利要求5所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述空压机控制模块(4)包括转速控制子模块(401)，所述转速控制子模块(401)用于调节空压机转速。
7.如权利要求5所述的燃料电池控制装置，其特征在于，所述电堆阴极出口压力控制模块(5)包括背压阀开度控制子模块(501)和背压阀开度时长控制子模块(502)，所述背压阀开度控制子模块(501)用于调节背压阀开度，所述背压阀开度时长控制子模块(502)用于调节背压阀开启时长。
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