CN110957508A - 一种燃料电池供氢控制系统及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池供氢控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，公开一种燃料电池供氢控制系统及控制方法。所述燃料电池供氢控制系统包括依次串联设置的氢气源、喷氢电磁阀组、入堆氢压测量模块、燃料电池堆和排氢阀，喷氢电磁阀组包括并联设置的补偿阀和N个喷氢阀，N为整数，且N≥2，N个喷氢阀以等周期T依次循环开启，补偿阀用于抑制由于排氢阀开启导致的燃料电池堆内压力骤降现象。本发明通过对喷氢阀的控制，实现对供氢压力的精确控制，解决大功率需求时喷氢阀长时间开启带来的寿命问题和短时间关闭带来的压力波动大的问题，另外，通过对补偿阀的控制，有效抑制由于排氢阀开启导致的燃料电池堆内压力骤降现象。

Description

一种燃料电池供氢控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池供氢控制系统及控制方法。
背景技术
燃料电池作为一种高效、零污染车用电源，是汽车动力电气化的理想选择。燃料电池发动机作为一种新型的绿色动力源，由于其高效率和低排放等众多优点，逐渐成为了车载发动机的研究重点。供氢控制是燃料电池发动机系统的控制核心之一，在燃料电池系统工作时阳极氢气压力波动会造成燃料电池系统性能下降，甚至影响燃料电池的寿命。
现有燃料电池系统一般是通过控制单一喷氢阀驱动周期的占空比来调节阀的开度，进而控制氢气压力满足系统功率需求。但是当功率需求较大时，会出现单一喷氢阀开启时间过长，阀体过热影响使用寿命等问题。另外，针对供氢过程中产生的压力波动，现有燃料电池系统仅仅通过优化阀的驱动周期占空比来进行改善，无法有效地减小电磁阀开启和关闭时产生的压力波动，也无法有效抑制排氢阀开启带来的压力骤降问题。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池供氢控制系统及控制方法，解决大功率需求时喷氢阀长时间开启带来的寿命问题和短时间关闭带来的压力波动大的问题。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池供氢控制系统，包括依次串联设置的氢气源、喷氢电磁阀组、入堆氢压测量模块、燃料电池堆和排氢阀，所述喷氢电磁阀组包括并联设置的补偿阀和N个喷氢阀，N为整数，且N≥2，N个所述喷氢阀以等周期T依次循环开启，所述补偿阀用于抑制由于所述排氢阀开启导致的所述燃料电池堆内压力骤降现象。
作为本发明的燃料电池供氢控制系统的优选方案，每个所述喷氢阀的开启时间均为Ton，相邻两个所述喷氢阀的开启时间间隔为T/N。
作为本发明的燃料电池供氢控制系统的优选方案，当燃料电池系统的需求功率值小于预设功率值时，设定Ton＜T/N。
作为本发明的燃料电池供氢控制系统的优选方案，当燃料电池系统的需求功率值大于等于预设功率值时，设定Ton≥T/N。
一种燃料电池供氢控制方法，用于控制如上所述的燃料电池供氢控制系统，包括喷氢阀控制方法，所述喷氢阀控制方法包括以下步骤：
S1、判断当前入堆氢压值是否小于目标氢压值，若是，则保持喷氢阀的开启时间不变，并跳转至步骤S2，若否，则保持喷氢阀的工作周期不变，并跳转至步骤S3；
S2、判断当前工作周期是否大于工作周期的预设最小值，若是，则减小工作周期，以升高当前入堆氢压值；
S3、判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若是，则减小开启时间，以降低当前入堆氢压值。
作为本发明的燃料电池供氢控制方法的优选方案，在步骤S2中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持工作周期不变，增加开启时间，以升高当前入堆氢压值。
作为本发明的燃料电池供氢控制方法的优选方案，在步骤S3中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持开启时间不变，增加工作周期，以降低当前入堆氢压值。
作为本发明的燃料电池供氢控制方法的优选方案，喷氢阀的工作周期的预设最小值和开启时间的预设最小值根据喷氢阀的固有机械特性预先设定。
作为本发明的燃料电池供氢控制方法的优选方案，当前入堆氢压值由入堆氢压测量模块测量得到。
作为本发明的燃料电池供氢控制方法的优选方案，还包括补偿阀控制方法，所述补偿阀控制方法包括以下步骤：
S100、判断排氢阀是否开启，若是，则跳转至步骤S200，若否，则重复步骤S100；
S200、根据排氢阀的驱动周期及占空比计算得到补偿阀的工作周期及开启时间，并执行补偿阀工作；
S300、判断排氢阀是否关闭，若是，则停止补偿阀工作，若否，则返回至步骤S200。
本发明的有益效果为：
本发明提供的燃料电池供氢控制系统，包括依次串联设置的氢气源、喷氢电磁阀组、入堆氢压测量模块、燃料电池堆和排氢阀，喷氢电磁阀组包括并联设置的补偿阀和N个喷氢阀，N为整数，且N≥2，N个喷氢阀以等周期T依次循环开启，补偿阀用于抑制由于排氢阀开启导致的燃料电池堆内压力骤降现象。本发明提供的燃料电池供氢控制系统，通过对N个喷氢阀的循环开启控制以及补偿阀的控制，能够有效削弱非排氢状态下大功率需求时由于喷氢阀开启和关闭产生的压力波动，避免单一喷氢阀开启时间过长导致阀体过热而影响使用寿命，同时有效抑制排氢状态下产生的燃料电池堆压力骤降现象，实现最大程度地维持系统内氢气压力的稳定，噪声规律，可以很好地延长系统使用寿命。
本发明提供的燃料电池供氢控制方法，包括喷氢阀控制方法，即判断当前入堆氢压值是否小于目标氢压值：若是，则保持喷氢阀的开启时间不变，并判断当前工作周期是否大于工作周期的预设最小值，若是，则减小工作周期，以升高当前入堆氢压值；若否，则保持喷氢阀的工作周期不变，并判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若是，则减小开启时间，以降低当前入堆氢压值。本发明提供的燃料电池供氢控制方法，通过对喷氢阀的控制，实现对供氢压力的精确控制，解决大功率需求时喷氢阀长时间开启带来的寿命问题和短时间关闭带来的压力波动大的问题，另外，通过对补偿阀的控制，有效抑制由于排氢阀开启导致的燃料电池堆内压力骤降现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的燃料电池供氢控制系统的原理示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的喷氢阀在燃料电池系统的需求功率值小于预设功率值时的开关指令信号时序图；
图3是本发明具体实施方式提供的喷氢阀在燃料电池系统的需求功率值大于等于预设功率值时的开关指令信号时序图；
图4是本发明具体实施方式提供的入堆氢压测量模块在燃料电池系统的需求功率值大于等于预设功率值时的压力值示意图；
图5是本发明具体实施方式提供的燃料电池供氢控制方法中喷氢阀控制方法的流程图；
图6是本发明具体实施方式提供的燃料电池供氢控制方法中补偿阀控制方法的流程图；
图7是本发明具体实施方式提供的入堆氢压测量模块在排氢状态下的压力值示意图。
图中：
1-氢气源；2-喷氢电磁阀组；21-补偿阀；22-喷氢阀；3-入堆氢压测量模块；
4-燃料电池堆；5-排氢阀；6-入阀氢压测量模块。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供一种燃料电池供氢控制系统，如图1所示，该燃料电池供氢控制系统包括依次串联设置的氢气源1、喷氢电磁阀组2、入堆氢压测量模块3、燃料电池堆4和排氢阀5，喷氢电磁阀组2包括并联设置的补偿阀21和N个喷氢阀22，N为整数，且N≥2，N个喷氢阀22以等周期T依次循环开启，补偿阀21用于抑制由于排氢阀5开启导致的燃料电池堆4内压力骤降现象。补偿阀21与喷氢阀22均为能够通氢气的电磁阀，补偿阀21作为平衡氢压的辅助手段，喷氢阀22作为主要喷氢的电磁阀。氢气源1和喷氢电磁阀组2之间设置有入阀氢压测量模块6，入堆氢压测量模块3和入阀氢压测量模块6可以为现有技术中测量氢气常用的压力传感器。在本实施例中，为方便理解，以补偿阀21设置一个、喷氢阀22设置三个为例进行说明。
为了使供氢时系统压力平稳，噪声规律，可选地，每个喷氢阀22的开启时间均为Ton，相邻两个喷氢阀22的开启时间间隔为T/N。其中，喷氢阀22的工作周期T及开启时间Ton均可控,最小工作周期及最小开启时间根据喷氢阀22固有机械特性设定，最大开启时间要充分考虑喷氢阀22工作特性，防止长时间开启产生阀体过热等现象。
可选地，当燃料电池系统的需求功率值小于预设功率值时，设定Ton＜T/N。如图2所示，在本实施例中，喷氢阀22的开启时间Ton＜T/3，此时不会出现任意两个喷氢阀22同时处于开启状态，三个喷氢阀22依次开启，每个喷氢阀22的开启时间相当于单个电磁阀系统阀开启时间三分之一，可以很好地延长系统使用寿命。
可选地，当燃料电池系统的需求功率值大于等于预设功率值时，设定Ton≥T/N。如图3和图4所示，在本实施例中，喷氢阀22的开启时间Ton≥T/3,此时可能出现两个或三个喷氢阀22同时处于开启状态。此时会出现四种状态：三个喷氢阀22同时开启(t1)；两个喷氢阀22同时开启(t2)；只有一个喷氢阀22开启(t3)；三个喷氢阀22均不开启(t4)。并且这四种状态依次循环出现，这样可以避免出现压力跳跃式变化，相比单一喷氢阀22可以有效地减小供氢时系统内氢气压力波动。
本实施例提供的燃料电池供氢控制系统，通过对N个喷氢阀22的循环开启控制以及补偿阀21的控制，能够有效削弱非排氢状态下大功率需求时由于喷氢阀22开启和关闭产生的压力波动，避免单一喷氢阀22开启时间过长导致阀体过热而影响使用寿命，同时有效抑制排氢状态下产生的燃料电池堆4压力骤降现象，实现最大程度地维持系统内氢气压力的稳定，噪声规律，可以很好地延长系统使用寿命。
本实施例还提供一种燃料电池供氢控制方法，用于控制上述的燃料电池供氢控制系统，该燃料电池供氢控制方法包括喷氢阀控制方法，如图5所示，喷氢阀控制方法包括以下步骤：
S1、判断当前入堆氢压值是否小于目标氢压值，若是，则保持喷氢阀22的开启时间不变，并跳转至步骤S2，若否，则保持喷氢阀22的工作周期不变，并跳转至步骤S3；
S2、判断当前工作周期是否大于工作周期的预设最小值，若是，则减小工作周期，以升高当前入堆氢压值；
S3、判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若是，则减小开启时间，以降低当前入堆氢压值。
可选地，在步骤S2中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持工作周期不变，增加开启时间，以升高当前入堆氢压值。如果判断工作周期已经为最小，喷氢阀22将维持该工作周期并延长开启时间进行工作，提高氢压满足氢耗量需求。
可选地，在步骤S3中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持开启时间不变，增加工作周期，以降低当前入堆氢压值。如果判断开启时间已经为最短，将保持开启时间不变，延长工作周期来调节系统氢压满足需求。
可选地，喷氢阀22的工作周期的预设最小值和开启时间的预设最小值根据喷氢阀22的固有机械特性预先设定。当然，在其他实施例中，喷氢阀22的工作周期的预设最小值和开启时间的预设最小值也可以通过试验标定得到。为方便测得当前入堆氢压值，可选地，当前入堆氢压值由入堆氢压测量模块3测量得到，入堆氢压测量模块3可以为现有技术中测量氢气常用的压力传感器。
可选地，该燃料电池供氢控制方法还包括补偿阀控制方法，如图6所示，补偿阀控制方法包括以下步骤：
S100、判断排氢阀5是否开启，若是，则跳转至步骤S200，若否，则重复步骤S100；
S200、根据排氢阀5的驱动周期及占空比计算得到补偿阀21的工作周期及开启时间，并执行补偿阀21工作；
S300、判断排氢阀5是否关闭，若是，则停止补偿阀21工作，若否，则返回至步骤S200。
如图7所示，当排氢阀5开启补偿阀21未开启时，会出现压力骤降导致的明显压力波动，而当控制补偿阀21跟随排氢阀5开启时，可以有效抑制可能产生的压力波动，使压力变化更平稳。
本实施例提供的燃料电池供氢控制方法，通过对喷氢阀22的控制，实现对供氢压力的精确控制，解决大功率需求时喷氢阀22长时间开启带来的寿命问题和短时间关闭带来的压力波动大的问题，另外，通过对补偿阀21的控制，有效抑制由于排氢阀5开启导致的燃料电池堆4内压力骤降现象。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池供氢控制系统，其特征在于，包括依次串联设置的氢气源(1)、喷氢电磁阀组(2)、入堆氢压测量模块(3)、燃料电池堆(4)和排氢阀(5)，所述喷氢电磁阀组(2)包括并联设置的补偿阀(21)和N个喷氢阀(22)，N为整数，且N≥2，N个所述喷氢阀(22)以等周期T依次循环开启，所述补偿阀(21)用于抑制由于所述排氢阀(5)开启导致的所述燃料电池堆(4)内压力骤降现象。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢控制系统，其特征在于，每个所述喷氢阀(22)的开启时间均为Ton，相邻两个所述喷氢阀(22)的开启时间间隔为T/N。
3.根据权利要求2所述的燃料电池供氢控制系统，其特征在于，当燃料电池系统的需求功率值小于预设功率值时，设定Ton＜T/N。
4.根据权利要求2所述的燃料电池供氢控制系统，其特征在于，当燃料电池系统的需求功率值大于等于预设功率值时，设定Ton≥T/N。
5.一种燃料电池供氢控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-4所述的燃料电池供氢控制系统，包括喷氢阀控制方法，所述喷氢阀控制方法包括以下步骤：
S1、判断当前入堆氢压值是否小于目标氢压值，若是，则保持喷氢阀(22)的开启时间不变，并跳转至步骤S2，若否，则保持喷氢阀(22)的工作周期不变，并跳转至步骤S3；
S2、判断当前工作周期是否大于工作周期的预设最小值，若是，则减小工作周期，以升高当前入堆氢压值；
S3、判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若是，则减小开启时间，以降低当前入堆氢压值。
6.根据权利要求5所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，在步骤S2中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持工作周期不变，增加开启时间，以升高当前入堆氢压值。
7.根据权利要求5所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，在步骤S3中，判断当前开启时间是否大于开启时间的预设最小值，若否，则保持开启时间不变，增加工作周期，以降低当前入堆氢压值。
8.根据权利要求5所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，喷氢阀(22)的工作周期的预设最小值和开启时间的预设最小值根据喷氢阀(22)的固有机械特性预先设定。
9.根据权利要求5所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，当前入堆氢压值由入堆氢压测量模块(3)测量得到。
10.根据权利要求5所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，还包括补偿阀控制方法，所述补偿阀控制方法包括以下步骤：
S100、判断排氢阀(5)是否开启，若是，则跳转至步骤S200，若否，则重复步骤S100；
S200、根据排氢阀(5)的驱动周期及占空比计算得到补偿阀(21)的工作周期及开启时间，并执行补偿阀(21)工作；
S300、判断排氢阀(5)是否关闭，若是，则停止补偿阀(21)工作，若否，则返回至步骤S200。
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