CN110957505A - 一种多模式燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

一种多模式燃料电池系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多模式燃料电池系统的控制方法。所述控制方法通过改变燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，使得所述燃料电池系统具有经济模式、正常模式和运动模式。所述控制方法，基于整车动力性与经济性需求，从本质上提升燃料电池系统性能，使其动态响应能力和恢复能力增强。在经济模式下，燃料电池系统综合效率最高，附件能耗最低，动态响应能力受限；在正常模式下，燃料电池系统综合效率略有下降，动力响应能力增强；在运动模式下，燃料电池系统综合效率明显下降，附件能耗较高，动态响应能力最强，完全可以满足驾驶员的实际驾车体验。

Description

一种多模式燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体涉及一种多模式燃料电池系统的控制方法。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。燃料电池汽车是最广为人知的氢能产业应用之一，因燃料电池汽车具有零排放、加注快、长续航等优点，被誉为新能源汽车未来的重要发展方向。
目前，燃料电池系统的运行主要受燃料电池电堆和空压机性能的影响，在实际道路行驶过程中，会经历频繁的启动、加载、减载、停车过程，这就需要燃料电池在这些动态过程中的瞬态响应能力，特别是全功率燃料电池动力系统架构中，燃料电池的输出功率实时跟随动力电机的需求功率变化。在燃料电池将化学能转化为电能的过程中，因气体传输、分配速率远小于电化学反应速率，导致其功率输出特性无法像动力电池一样快速响应，且不当的变载也会对燃料电池本身的寿命衰减有影响。
通常，燃料电池系统通过标定运行参数进行工作点控制，目前已可查询的专利通常应用额外增加储气装置、限定燃料电池工作区域、调整空压机等附件响应等方式提前供气，缩短燃料电池的下一时刻的瞬态响应时间，但本质上没有改变燃料电池动态响应能力。
CN1764002A公开了一种在输出功率突然增加的情况下可快速响应的燃料电池，包括燃料电池电堆、储氢装置、氢减压阀、氢气增湿装置、空气过滤装置、空气压缩供应装置、空气补给装置、空气增湿装置、氢气水-汽分离器、氢循环泵、空气水-汽分离器、水箱、冷却流体循环泵、散热器，所述的空气补给装置包括常闭电磁阀、压缩空气储罐，所述的常闭电磁阀的一端与空气压缩供应装置的出口端连通，所述的常闭电磁阀的另一端与压缩空气储罐连通。与现有技术相比，本发明在输出功率突然增加的情况下，自动打开常闭电磁阀，原先储存在压缩空气储存罐中的空气会快速、及时地补给给燃料电池电堆，可以弥补空压机电机调速的时间滞后效应，增加燃料电池可快速响应的能力，此外，本发明空气补给装置还可用作车辆上气动刹车装置、气动开关门装置以及其它气动元件的气源。但是该发明公开的系统，需要通过增加额外的附件来实现单次功率响应的能力提升，无法满足实际工况下连续变化的燃料电池的动态特性。
CN107180981A公开了一种燃料电池系统和用于控制这种燃料电池系统(100)的方法，该燃料电池系统具有：燃料电池电堆(10)，用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组(24、26、33、34、38)，用于以电功率消耗Paux来运行燃料电池电堆(10)；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器(44、51)；和控制单元(60)，用于提出功率要求。规定：控制单元(60)被设立用于：使燃料电池系统(100)可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，其中燃料电池电堆(10)根据运行模式在低于燃料电池系统(100)的效率最优的工作点P(ηmax)或者燃料电池电堆(10)的最低工作点Pmin时被切断。尤其，在第一运行模式下，在低于效率最优的工作点P(ηmax)时也切断至少一个辅助机组(24、26、33、34、38)。但是该发明公开的方法，限制了燃料电池工作区域，无法改变实际燃料电池的动态响应。
CN107437627A公开了一种带有多个可选的运行模式的燃料电池车辆，其中在电机需求功率缓慢上升的情况下，应用第一运行模式工作，在此工作模式下，燃料电池输出功率与附件总成需求功率变化缓慢，且辅助总成最大需求功率低于预期的最大功率消耗；在电机需求功率较快上升的情况下，应用第二运行模式工作，在此工作模式下，燃料电池输出功率与附件总成需求功率正常变化，且辅助总成最大需求功率等于预期的最大功率消耗；在电机需求功率以最快速度上升的情况下，应用第三运行模式工作，在此工作模式下，燃料电池输出功率与附件总成需求功率变化迅速，且辅助总成最大需求功率大于预期的最大功率消耗。该发明公开的系统中介绍了燃料电池系统运行模式的选择，根据工作模式的不同，让附件功率错后或提前响应，虽然提升了燃料电池变载能力，但对加快电压恢复平稳益处不大，且其中没有提及在各个模式下燃料电池系统工作点的具体控制方法。
因此，如何基于整车动力性与经济性需求，从本质上改变燃料电池性能表现，调整动态响应与恢复能力，同时提供各模式下燃料电池系统的控制方法，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种多模式燃料电池系统的控制方法，所述方法通过改变燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，形成经济模式、正常模式和运动模式，从本质上改变燃料电池电堆性能表现，调整动态响应与恢复能力，解决了实际工况下，燃料电池系统无法满足连续变化的动态需求的问题，以满足动力性使用需求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种多模式燃料电池系统的控制方法，所述方法通过改变燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，使得所述燃料电池系统具有经济模式、正常模式和运动模式。
本发明提供的控制方法，基于整车动力性与经济性需求，通过调整燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，改变燃料电池系统输出性能与工作效率，形成经济模式、正常模式和运动模式，从本质上改变燃料电池系统性能表现，调整动态响应与恢复能力。在经济模式下，燃料电池系统综合效率最高，附件能耗最低，动态响应能力受限；在正常模式下，燃料电池系统综合效率略有下降，动力响应能力增强；在运动模式下，燃料电池系统综合效率明显下降，附件能耗较高，动态响应能力最强，满足驾驶员实际驾车体验。
优选地，通过提高阴极空气的计量比与阳极氢气的循环比，在低电流区间增加质子交换膜的含水量，解决了阳极的水携带质子不断向阴极传递，导致阳极边干，电阻增大，性能降低的问题；在高电流区间提高排水能力，解决了阴极通过化学反应产生的水量，导致水淹，阻碍气体传递，性能降低的问题。再结合提高阴阳极供气压力，可以提高反应物的浓度，从而增加反应气体的扩散速度，提升化学反应速率，进而提升燃料电池系统的动态响应能力。当燃料电池动态响应性能提高时，可使相同变载速率的燃料电池电压下冲幅度降低，并缩短其电压恢复稳定时间，即单位时间内的变载幅度上限得以提升。
本发明中，所述空气计量比为空气供给量与空气消耗量的比值。
优选地，所述空气计量比通过空气压缩机转速与背压阀开度控制。
优选地，所述氢气循环比通过供氢回氢总成控制，所述供氢回氢总成内部主要为供氢与回氢两部分部件，供气一般为比例阀或喷射装置；回氢一般为引射器或氢气循环泵。
本发明中，对供氢回氢总成不做具体限定，只要是本领域技术人员常用的，均适用于本发明。
优选地，所述供气压力为空气供气压力和氢气供气压力之和。
优选地，所述空气供气压力通过空气压缩机转速与背压阀开度控制。
优选地，所述氢气供气压力随空气供气压力自动协调控制。
本发明中，对实现所述控制方法使用的燃料电池系统，不做具体的限定，只要是本领域技术人员公知的燃料电池系统，均适用于本发明。
示例性地，本发明采用的燃料电池系统如图1所示。图中，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、空气滤清器、空气压缩机、中冷器、空气增湿器、供氢回氢总成、分水器、排氢排水阀和背压阀，所述空气滤清器的出口与空气压缩机的入口相连，所述空气压缩机的出口与中冷器的入口相连，所述中冷器的出口与空气增湿器的入口相连，所述空气增湿器的出口与燃料电池电堆的空气入口相连，所述燃料电池电堆的氢气出口与分水器的入口相连，所述分水器上设置有排氢排水阀，所述分水器的出口与供氢回氢总成的第一入口相连，所述供氢回氢总成的出口与燃料电池电堆的氢气入口相连，所述燃料电池电堆的空气出口与背压阀的入口相连。
所述采用的燃料电池系统在运行过程中，空气依次经过空气滤清器、空气压缩机、中冷器和空气增湿器，再经燃料电池电堆的空气入口进入阴极室；氢气通过供氢回氢总成的第二入口，再经燃料电池电堆的氢气入口进入阳极室，然后在燃料电池电堆中与空气发生反应，未反应的空气经燃料电池电堆的空气出口，通过背压阀排出；未反应的氢气经燃料电池电堆的氢气出口通过分水器进入供氢回氢总成，反应产生的水经排氢排水阀排出。
本发明中，通过调整空气压缩机的转速和背压阀的开度，来控制空气计量比和空气供气压力；通过调整供氢回氢总成来控制氢气的循环比，氢气供气压力随空气供气压力自动调整。
优选地，控制所述空气计量比与氢气循环比按照所述燃料电池电堆标定的需求下限执行，供气压力按照所述燃料电池系统匹配的最佳经济曲线执行，形成经济模式。
本发明中，所述燃料电池电堆标定的需求下限为实测燃料电池电堆正常工作的最低要求，例如，空气计量比低于1.5时，所述燃料电池电堆会出现局部欠气的状态，表现为燃料电池电堆电压一致性变差，如大于等于20mV，就把空气计量比1.5作为下限值。
所述燃料电池系统匹配的最佳经济曲线为：所述燃料电池系统性能最优的工作压力的集合。通过试验数据标定仿真模型，然后用脚本批量运算每一种操作条件组合，从中选择出所述燃料电池系统性能最优的工作压力，所述工作压力的集合即为所述燃料电池系统匹配的最佳经济曲线。
优选地，控制所述空气计量比与氢气循环比按照所述燃料电池电堆实测敏感区域上限执行，供气压力按照燃料电池电堆上限工作压力执行，形成运动模式。
本发明中，所述燃料电池电堆实测敏感区域为：测定不同电流下的多种操作条件的组合，例如，在200A下的空气计量比敏感性测试为：确定空气供气压力、氢气供气压力、空气供气湿度、氢气供气湿度、氢气循环比、燃料电池电堆温度、燃料电池电堆出入口温差等条件，测量1.5/1.7/1.9/2.1/2.3/2.5计量比为此条件下的敏感区域。
优选地，所述燃料电池电堆实测敏感区域上限为系统敏感性测试得出的上限造作条件，例如空气计量比高于2.0时，空气流量增加情况下，电堆性能不会明显提高，反而促使空气压缩机的能耗升高，进而降低燃料电池系统的整体性能，就把空气计量比2.0作为上限。
所述燃料电池电堆上限工作压力按所述燃料电池电堆操作手册执行，若供气压力超过所述上限工作压力，会导致其内部密封失效，进而造成电堆损坏。
优选地，控制所述空气计量比与氢气循环比取经济模式与运动模式的中间值，供气压力取经济模式与运动模式工作压力的中间值，形成正常模式。
所述中间值为：同一电流条件下，正常模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力大于经济模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力，小于运动模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力。
优选地，所述经济模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内变载幅度受限。
优选地，所述正常模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内的变载幅度增加。
优选地，所述运动模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内的变载幅度最大。
本发明中，所述周期为自定义控制周期，可以是0.1s、0.5s或1s等，提前一个周期调整至目标值，是为了保证电堆内部提前具备反应条件，避免因欠气造成的反极等问题。
本发明中，所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，可以保证燃料电池不欠气，有利于提升所述燃料电池系统的响应能力和恢复能力，满足实际工况下的需求。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的控制方法，在不增加额外附件的前提下，通过调整燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，改变燃料电池系统输出性能与工作效率，形成经济模式、正常模式和运动模式，从而本质上改变燃料电池系统性能表现，调整动态响应与恢复能力，满足驾驶员实际驾车体验；
(2)本发明提供的控制方法，基于整车动力性与经济性需求，在经济模式下，燃料电池系统综合效率最高，附件能耗最低，动态响应能力受限；在正常模式下，燃料电池系统综合效率略有下降，动力响应能力增强；在运动模式下，燃料电池系统综合效率明显下降，附件能耗较高，动态响应能力最强。
附图说明
图1是本发明采用的燃料电池系统示意图。
图2是实施例在三种工作模式下控制的电流与空气计量比的关系曲线。
图3是实施例在三种工作模式下控制的电流与氢气循环比的关系曲线。
图4是实施例在三种工作模式下控制的电流与供气压力的关系曲线。
图5是实施例在三种工作模式下燃料电池电堆的电流动态响应曲线。
图6是实施例在三种工作模式下燃料电池电堆的电压动态响应曲线。
图7是实施例在三种工作模式下燃料电池电堆的功率动态响应曲线。
图1中，10-燃料电池电堆，11-空气滤清器，12-空气压缩机，13-中冷器，14-空气增湿器，15-背压阀，21-供氢回氢总成，22-分水器，23-排氢排水阀。
图2-图7的三种工作模式分别为经济模式、正常模式和运动模式。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明，本发明为达成预定的技术效果所采取的技术手段，对本发明的具体实施方式、结构详细说明如下。
示例性地，本发明采用的燃料电池系统如图1所示，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆10、空气滤清器11、空气压缩机12、中冷器13、空气增湿器14、供氢回氢总成21、分水器22、排氢排水阀23和背压阀15，所述燃料电池电堆包括阴极室和阳极室；所述空气滤清器11的出口与空气压缩机12的入口相连，所述空气压缩机12的出口与中冷器13的入口相连，所述中冷器13的出口与空气增湿器14的入口相连，所述空气增湿器14的出口与燃料电池电堆10的阴极室相连，所述燃料电池电堆10的氢气出口与分水器22的入口相连，所述分水器22上设置有排氢排水阀23，所述分水器22的排氢出口与供氢回氢总成21的第一入口相连，所述供氢回氢总成21的出口与燃料电池电堆10的阳极室相连，所述燃料电池电堆10的阴极室与背压阀15的入口相连。
所述燃料电池系统在运行过程中，空气依次经过空气滤清器11、空气压缩机12、中冷器13和空气增湿器14，进入燃料电池电堆10的阴极室；氢气通过供氢回氢总成21的第二入口进入燃料电池电堆10的阳极室，然后在燃料电池电堆10中与空气发生反应，未反应的空气经燃料电池电堆10的阴极室通过背压阀15排出；未反应的氢气经燃料电池电堆10的阳极室通过分水器22的排氢出口进入供氢回氢总成21，反应产生的水经排氢排水阀23排出。
实施例
本实施例提供了一种多模式燃料电池系统的控制方法，所述方法通过调整空气压缩机转速与背压阀开度，控制空气计量比与电流的关系如图2所示；调节供氢回氢总成，控制氢气循环比与电流的关系如图3所示；控制空气压缩机转速、背压阀开度和供氢回氢总成，控制供气压力与电流的关系如图4所示，图中的下边界是指维持所述燃料电池系统正常运行，控制供气压力的最小值，若供气压力小于下边界，则燃料电池电堆无法正常工作。
将燃料电池电堆以30A为变载的起始点，具体的动态响应曲线如图5-图7所示。图5为燃料电池系统电流的动态响应曲线，在经济模式下，设定燃料电池最大电流加载速率为30A/s；在正常模式下，设定燃料电池最大电流加载速率为50A/s；在运动模式下，设定燃料电池最大电流加载速率为65A/s。
图6为燃料电池系统电压的动态响应曲线，在经济模式下，电压下冲幅度为2.2％；在正常模式下，电压下冲幅度为2.7％；在运动模式下，电压下冲幅度为4.4％。
图7为燃料电池系统功率的动态响应曲线，在经济模式下，燃料电池功率平均加载速率为8.0kW/s；在正常模式下，燃料电池功率平均加载速率为12.8kW/s；在运动模式下，燃料电池功率平均加载速率为16.0kW/s。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种多模式燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述方法通过改变燃料电池电堆空气计量比、氢气循环比和供气压力，使得所述燃料电池系统具有经济模式、正常模式和运动模式。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述空气计量比通过空气压缩机转速与背压阀开度控制；
优选地，所述氢气循环比通过供氢回氢总成控制。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，所述供气压力为空气供气压力和氢气供气压力之和；
优选地，所述空气供气压力通过空气压缩机转速与背压阀开度控制；
优选地，所述氢气供气压力随空气供气压力自动协调控制。
4.根据权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，控制所述空气计量比与氢气循环比按照所述燃料电池电堆标定的需求下限执行，供气压力按照所述燃料电池系统匹配的最佳经济曲线执行，形成经济模式。
5.根据权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，控制所述空气计量比与氢气循环比按照所述燃料电池电堆实测敏感区域上限执行，供气压力按照燃料电池电堆上限工作压力执行，形成运动模式。
6.根据权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，控制所述空气计量比与氢气循环比取经济模式与运动模式的中间值，供气压力取经济模式与运动模式工作压力的中间值，形成正常模式；
所述中间值为：同一电流条件下，正常模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力大于经济模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力，小于运动模式的空气计量比、氢气循环比和供气压力。
7.根据权利要求4-6任一项所述的控制方法，其特征在于，所述燃料电池电堆标定的需求下限为所述燃料电池电堆正常工作的最低要求；
优选地，所述燃料电池系统匹配的最佳经济曲线为：所述燃料电池系统性能最优的工作压力的集合；
优选地，所述燃料电池电堆实测敏感区域上限为系统敏感性测试得出的上限造作条件；
优选地，所述燃料电池电堆上限工作压力按电堆操作手册执行。
8.根据权利要求1-7任一项所述的控制方法，其特征在于，所述经济模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内变载幅度受限。
9.根据权利要求1-7任一项所述的控制方法，其特征在于，所述运动模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内的变载幅度最大。
10.根据权利要求1-7任一项所述的控制方法，其特征在于，所述正常模式在变载过程中，控制空气计量比与氢气循环比，使得所述燃料电池系统功率拉载提前一个周期调整至目标值，所述燃料电池电堆单位时间内的变载幅度增加。
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