CN111025157B - 一种燃料电池电堆物理特性模拟装置与方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆物理特性模拟装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆物理特性模拟装置，包括人机交互系统、采样控制系统、阴极输入接口、第一压阻调节装置、阴极输出接口、阳极输入接口、第二压阻调节装置、阳极输出接口等，所述人机交互系统和采样控制系统电性相连，所述采样控制系统分别与第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置及发热调节装置电性连接；本发明还涉及一种燃料电池电堆物理特性模拟方法。本发明通过人机交互系统输入压阻指令，第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置能够对燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟，同时输入发热量指令，发热调节装置实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟。

Description

一种燃料电池电堆物理特性模拟装置与方法
技术领域
本发明涉及新能源燃料电池测试，尤其涉及一种燃料电池电堆物理特性模拟装置与方法。
背景技术
燃料电池就是能源转换装置，和内燃机相似，把一种能源转化成另外一种能量。燃料电池是电化学的转换装置，可将化学能量转化为电能。它具有高效清洁、功率较高(可达到每升3.1KW的功率密度)、没有噪音、充气迅速(三分钟充气可以让汽车行驶500－700km)等优点，是十分理想的能量转化装置。当前燃料电池技术包括峰值效率、系统能量密度、低温启动等性能已基本达到商业化标准。但燃料电池的寿命和价格目前距离当前预期仍有一定差距，而且燃料电池电堆的价格非常昂贵。
目前的燃料电池电堆又快速向大功率方向发展，相关的测试装备也在努力发展以适应燃料电池行业发展，但还没完全成熟，实际应用过程中，为避免开始调试造成对电堆的损坏，需要一个燃料电池电堆的物理特性模拟系统来验证测试装置的性能。目前市场上缺少具有广泛适应性的燃料电池电堆物理特性模拟装置。
申请号为“CN201710730851.5”的发明专利公开了一种应用于并网大规模电池储能系统的电力电子化通用电池特性模拟方法，包括的步骤有：设置电池模拟器的初始状态和参数；设定电池模拟器有功功率参考值、电池模拟器无功功率参考值；电池模拟器输出有功功率、电池模拟器输出无功功率为反馈量对模拟器进行双闭环反馈控制；电池模拟器输出有功功率等于电池模拟器有功功率参考值，电池模拟器输出无功功率等于电池模拟器无功功率参考值；测量电池模拟器直流侧当前的输出直流电压和输出直流电流，依据输出直流电流、输出直流电压、电池容量和上一个模拟周期的SOC更新当前的SOC；得到当前直流侧虚拟电压、直流侧虚拟电流；重复步骤直到模拟结束，但是该专利方案适用范围很小，仅具有对电压、电流的模拟测试功能，并不适用于燃料电池电堆的模拟测试。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种燃料电池电堆物理特性模拟装置与方法，以解决现有验证测试装置的燃料电池电堆物理特性模拟系统不具有广泛适应性的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种燃料电池电堆物理特性模拟装置，包括人机交互系统、采样控制系统、阴极输入接口、第一压阻调节装置、阴极输出接口、阳极输入接口、第二压阻调节装置、阳极输出接口、水路输入接口、第三压阻调节装置、水路输出接口、发热调节装置，其中，
所述人机交互系统和采样控制系统电性相连，所述采样控制系统分别与第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置及发热调节装置电性连接，所述阴极输入接口与采样控制系统相连；
所述阴极输入接口、第一压阻调节装置、阴极输出接口依次相连；
所述阳极输入接口、第二压阻调节装置、阳极输出接口依次相连，
所述水路输入接口、第三压阻调节装置、水路输出接口依次相连，所述发热调节装置的一端与水路输入接口相连，所述发热调节装置的另一端与水路输出接口相连。
通过人机交互系统输入压阻指令，第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置能够对燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟，同时输入发热量指令，发热调节装置实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟。
作为本发明进一步的方案：所述人机交互系统采用工控机或触摸屏结合专业软件实现控制指令的人机交互以及控制效果的实时显示。
作为本发明进一步的方案：所述采样控制系统采用PLC或嵌入式控制系统负责整个系统的压阻及发热调节单元状态信号的采集运算及控制调节信号的发出。
作为本发明进一步的方案：所述第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置结构相同。
作为本发明进一步的方案：所述第一压阻调节装置包括第一压力传感器、调节阀、第二压力传感器，其中，所述第一压力传感器固定设置于阴极输入接口处，如通过螺栓进行固定设置，第一压力传感器用于检测进口的压力，所述第二压力传感器固定设置于阴极输出接口处，如通过螺栓进行固定设置；第二压力传感器用于检测出口的压力，若干个调节阀分别设置于第一压力传感器、第二压力传感器之间的管道上。
通过人机交互系统输入压阻指令，同时第一压力传感器、第二压力传感器分别检测出入口和出口的压力，得到当前压阻，根据压阻指令、当前压阻能够得到压阻调节的控制量，由每个调节阀的开度范围按照调节幅度最优原则分别给每个调节阀调节量，实现对不同燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟。
作为本发明进一步的方案：所述调节阀的数量为三个。
作为本发明进一步的方案：所述发热调节装置包括管道换热器、电压传感器、电流传感器、电力调节器，其中，所述管道换热器设置于水路输入接口与第三压阻调节装置之间，所述管道换热器的一端与电压传感器电性连接，所述管道换热器的另一端与电流传感器的一端电性连接，所述电压传感器的还与电力调节器电性连接，所述电力调节器的另一端与电流传感器电性连接，从而形成一个闭合回路，同时所述电力调节器还与电网电性连接。
管道换热器用来实现热量模拟；电力调节器用来通过控制输出功率，从而调节管道换热器的热量，通过人机交互系统输入发热量指令，电压传感器、电流传感器分别检测出电力调节器的电压和电流，即可得到电力调节器的输出功率，根据发热量指令、输出功率以及管道换热器的换热效率计算调节控制量，由调节控制量对电力调节器的输出功率进行调节，实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟。
一种基于燃料电池电堆物理特性模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
S1、利用人机交互系统输入当前指令，输入当前指令为压阻指令时，则执行步骤S2，如果是发热量指令，则执行步骤S3；
S2、检测压阻并利用PID进行控制计算，对调节阀进行调节量分配，从而控制每个调节阀的调节量；
S3、检测输出电压、输出电流并利用PID控制计算，调解电力调节器的输出功率。
利用第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置检测各个通路的当前压阻，并配合采样控制系统实现对各个调节阀的控制，能够更好地实现对电池电堆的模拟测试，同时还能够检测电力调节器的功率，结合了管道换热效率进行PID控制计算，实现对电力调节器输出功率的控制，更好地实现对管道发热量的调节控制。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S2包括：
S21、第一压阻调节装置中的压力传感器检测阴极输入接口、阴极输出接口处的压力值；第二压阻调节装置中的压力传感器检测阳极输入接口、阳极输出接口处的压力值；第三压阻调节装置中的压力传感器检测水路输入接口、水路输出接口的压力值，同时将压力值并转化为相应的电信号，从而得到相应的当前压阻；
S22、采样控制系统根据压阻指令以及当前压阻值进行计算处理，得到压阻调节量；
S23、利用采样控制系统中的PID根据压阻调节控制量进行控制计算，得到最优分配原则，从而控制各个调节阀的开度。
其中最优分配原则是指按照每个调节阀开度范围最优原则，将压阻调节量分配给各个调节阀，从而控制调节阀的开度。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S3包括：
S31、发热调节装置能够检测电力调节器的输出电压、输出电流，并根据P＝I*U计算出当前功率值；
S32、采样控制系统根据发热量指令、当前功率值、管道换热效率计算处理得到调节控制量；
S33、利用采样系统中的PID进行控制计算，得到电力调节器输功率需要调解值，反馈至电力调节器中，实现对电力调节器功率的自动调整。
本发明的优点在于：
1、本发明能够实现实现对不同燃料电池电堆的压阻及发热量物理特性的灵活自动调节模拟，方便燃料电池电堆的研发测试；通过人机交互系统输入压阻指令，第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置能够对燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟，同时输入发热量指令，发热调节装置实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟，并不限定模拟特定型号或范围的燃料电池电堆的压阻及发热量；从而增大了燃料电池电堆的物理特性模拟系统的适应性。
2、本发明中，通过人机交互系统输入压阻指令，同时第一压力传感器、第二压力传感器分别检测出入口和出口的压力，得到当前压阻，采样系统根据压阻指令、当前压阻能够得到压阻调节的控制量，再进行PID控制计算，由每个调节阀的开度范围按照调节幅度最优原则分别给每个调节阀调节量，实现对不同燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟；
通过人机交互系统输入发热量指令，电压传感器、电流传感器分别检测出电力调节器的电压和电流，即可得到电力调节器的输出功率，根据发热量指令、输出功率以及管道换热器的换热效率计算调节控制量，由调节控制量对电力调节器的输出功率进行调节，实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟。
3、本发明中的压阻、发热量调节方便，是具有普遍适应灵活调节的燃料电池电堆物理特性模拟系统。
附图说明
图1为本发明中系统的结构示意图。
图2为本发明中第一压阻调节装置的结构示意图。
图3为本发明中发热调节装置的结构示意图。
图4为本发明中压阻调节程序方框图。
图5为本发明中发热量调解程序方框图。
图中，1-人机交互系统，2-采样控制系统，3-阴极输入接口，4-第一压阻调节装置，401-第一压力传感器，402-调节阀，403-第二压力传感器，5-阴极输出接口，6-阳极输入接口，7-第二压阻调节装置，8-阳极输出接口，9-水路输入接口，10-第三压阻调节装置，11-水路输出接口，12-发热调节装置，1201-管道换热器，1202-电压传感器，1203-电流传感器，1204-电力调节器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例1
如图1，一种燃料电池电堆物理特性模拟装置，包括人机交互系统1、采样控制系统2、阴极输入接口3、第一压阻调节装置4、阴极输出接口5、阳极输入接口6、第二压阻调节装置7、阳极输出接口8、水路输入接口9、第三压阻调节装置10、水路输出接口11、发热调节装置12，其中，
所述人机交互系统1和采样控制系统2电性相连，所述采样控制系统2分别与第一压阻调节装置4、第二压阻调节装置7、第三压阻调节装置10及发热调节装置12电性连接，所述阴极输入接口3与采样控制系统2相连；
所述阴极输入接口3、第一压阻调节装置4、阴极输出接口5依次相连；
所述阳极输入接口6、第二压阻调节装置7、阳极输出接口8依次相连；
所述水路输入接口9、第三压阻调节装置10、水路输出接口11依次相连，所述发热调节装置12的一端与水路输入接口9相连，所述发热调节装置12的另一端与水路输出接口11相连。
本实施例中，人机交互系统1采用工控机或触摸屏结合专业软件实现控制指令的人机交互以及控制效果的实时显示；采样控制系统2采用PLC或嵌入式控制系统负责整个系统的压阻及发热调节单元状态信号的采集运算及控制调节信号的发出；且采样控制系统2内含有PID控制器，阴极输入接口3、阳极输入接口6、水路输入接口9分别模拟燃料电池单堆的阴极输入，阳极输入及水路输入接口；，阴极输出接口5、阳极输出接口8、水路输出接口11分别模拟燃料电池单堆的阴极输出，阳极输出及水路输出接口；第一压阻调节装置4、第二压阻调节装置7、第三压阻调节装置10根据人机交互系统发送的控制信号分别自动动态模拟阴极，阳极及水路回路的压阻；发热调节装置12根据控制信号自动动态模拟燃料电池电堆的发热量；
进一步的，所述第一压阻调节装置4、第二压阻调节装置7、第三压阻调节装置10结构相同，本实施例中，以第一压阻调节装置4为例进行详细的描述。如图2所示，所述第一压阻调节装置4包括第一压力传感器401、调节阀402、第二压力传感器403，其中，所述第一压力传感器401固定设置于阴极输入接口处，如通过螺栓进行固定设置，第一压力传感器401用于检测进口的压力，所述第二压力传感器403固定设置于阴极输出接口处，如通过螺栓进行固定设置；第二压力传感器403用于检测出口的压力，若干个调节阀402分别设置于第一压力传感器401、第二压力传感器403之间的管道上，通过调节调节阀402的开度，实现对压阻的控制，本实施例中，调节阀402的数量为三个。
通过人机交互系统1输入压阻指令，同时第一压力传感器401、第二压力传感器403分别检测出入口和出口的压力，得到当前压阻，根据压阻指令、当前压阻能够得到压阻调节的控制量，由每个调节阀402的开度范围按照调节幅度最优原则分别给每个调节阀402调节量，实现对不同燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟。
如图3所示，所述发热调节装置12包括管道换热器1201、电压传感器1202、电流传感器1203、电力调节器1204，其中，所述管道换热器1201设置于水路输入接口9与第三压阻调节装置10之间，所述管道换热器1201的一端与电压传感器1202电性连接，所述管道换热器1201的另一端与电流传感器1203的一端电性连接，所述电压传感器1202的还与电力调节器1204电性连接，所述电力调节器1204的另一端与电流传感器1203电性连接，从而形成一个闭合回路，同时所述电力调节器1204还与电网电性连接。
其中，管道换热器1201用来实现热量模拟；电力调节器1204用来通过控制输出功率，从而调节管道换热器1201的热量，通过人机交互系统1输入发热量指令，电压传感器1202、电流传感器1203分别检测出电力调节器1204的电压和电流，即可得到电力调节器1204的输出功率，根据发热量指令、输出功率以及管道换热器1201的换热效率计算调节控制量，由调节控制量对电力调节器1204的输出功率进行调节，实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟。
工作原理：本发明中，通过人机交互系统1输入压阻指令，同时第一压力传感器401、第二压力传感器403分别检测出入口和出口的压力，得到当前压阻，根据压阻指令、当前压阻能够得到压阻调节的控制量，由每个调节阀402的开度范围按照调节幅度最优原则分别给每个调节阀402调节量，实现对不同燃料电池电堆的压阻灵活自动调节模拟；
管道换热器1201用来实现热量模拟；电力调节器1204用来通过控制输出功率，从而调节管道换热器1201的热量，通过人机交互系统1输入发热量指令，电压传感器1202、电流传感器1203分别检测出电力调节器1204的电压和电流，即可得到电力调节器1204的输出功率，根据发热量指令、输出功率以及管道换热器1201的换热效率计算调节控制量，由调节控制量对电力调节器1204的输出功率进行调节，实现不同燃料电池电堆发热量物理特性的灵活自动调节模拟；并不限定模拟特定型号或范围的燃料电池电堆的压阻及发热量；从而增大了燃料电池电堆的物理特性模拟系统的适应性。
实施例2
图4为本发明中压阻调节程序方框图；图5为本发明中发热量调解程序方框图；如图4及图5，一种基于燃料电池电堆物理特性模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
S1、利用人机交互系统1输入当前指令，输入当前指令为压阻指令时，则执行步骤S2，如果是发热量指令，则执行步骤S3；
S2、检测压阻并利用PID进行控制计算，对调节阀402进行调节量分配，从而控制每个调节阀402的调节量；具体包括以下内容；
S21、第一压阻调节装置4中的压力传感器检测阴极输入接口、阴极输出接口处的压力值；第二压阻调节装置7中的压力传感器检测阳极输入接口、阳极输出接口处的压力值；第三压阻调节装置10中的压力传感器检测水路输入接口、水路输出接口的压力值，同时将压力值并转化为相应的电信号，从而得到相应的当前压阻；
S22、采样控制系统2根据压阻指令以及当前压阻值进行计算处理，得到压阻调节量；
S23、利用采样控制系统2中的PID根据压阻调节控制量进行控制计算，得到最优分配原则，从而控制各个调节阀402的开度。
其中最优分配原则是指按照每个调节阀开度范围最优原则，将压阻调节量分配给各个调节阀402，从而控制调节阀的开度。
S3、检测输出电压、输出电流并利用PID控制计算，调节电力调节器1203的输出功率；具体为：
S31、发热调节装置12中具有电压传感器1202、电流传感器1203，能够检测电力调节器的输出电压、输出电流，并根据P＝I*U计算出当前功率值；
S32、采样控制系统根据发热量指令、当前功率值、管道换热效率计算处理得到调节控制量；
其中，管道换热效率已知的。
S33、利用采样系统中的PID进行控制计算，得到需要的电力调节器输功率，并反馈至电力调节器中，实现对电力调节器功率的自动调整，进而调节发热量。
本实施例中，利用采样控制系统进行计算处理、利用PID进行控制计算，均为现有技术，不在本发明的保护范围内。
工作原理：利用第一压阻调节装置、第二压阻调节装置、第三压阻调节装置检测各个通路的当前压阻，并配合采样控制系统实现对各个调节阀的控制，能够更好地实现对电池电堆的模拟测试，同时还能够检测电力调节器的功率，结合了管道换热效率进行PID控制计算，实现对电力调节器输出功率的控制，更好地实现对管道发热量的调节控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种燃料电池电堆物理特性模拟装置的实现方法，其特征在于，包括人机交互系统(1)、采样控制系统(2)、阴极输入接口(3)、第一压阻调节装置(4)、阴极输出接口(5)、阳极输入接口(6)、第二压阻调节装置(7)、阳极输出接口(8)、水路输入接口(9)、第三压阻调节装置(10)、水路输出接口(11)、发热调节装置(12)，其中，
所述人机交互系统(1)和采样控制系统(2)电性相连，所述采样控制系统(2)分别与第一压阻调节装置(4)、第二压阻调节装置(7)、第三压阻调节装置(10)及发热调节装置(12)电性连接，所述阴极输入接口(3)与采样控制系统(2)相连；
所述阴极输入接口(3)、第一压阻调节装置(4)、阴极输出接口(5)依次相连；
所述阳极输入接口(6)、第二压阻调节装置(7)、阳极输出接口(8)依次相连；
所述水路输入接口(9)、第三压阻调节装置(10)、水路输出接口(11)依次相连，所述发热调节装置(12)的一端与水路输入接口(9)相连，所述发热调节装置(12)的另一端与水路输出接口(11)相连；
所述发热调节装置(12)包括管道换热器(1201)、电压传感器(1202)、电流传感器(1203)、电力调节器(1204)，其中，所述管道换热器(1201)设置于水路输入接口(9)与水路输出接口(11)之间，所述管道换热器(1201)的一端与电压传感器(1202)电性连接，所述管道换热器(1201)的另一端与电流传感器(1203)的一端电性连接，所述电压传感器(1202)的另一端还与电力调节器(1204)电性连接，所述电力调节器(1204)的另一端与电流传感器(1203)电性连接，同时所述电力调节器(1204)还与电网电性连接；
所述第一压阻调节装置(4)包括第一压力传感器(401)、调节阀(403)、第二压力传感器(402)，其中，所述第一压力传感器(401)固定设置于阴极输入接口处，所述第二压力传感器(402)固定设置于阴极输出接口处，若干个调节阀(403)分别设置于第一压力传感器(401)、第二压力传感器(402)之间的管道上；
实现方法包括以下步骤：
S1、利用人机交互系统（1）输入当前指令，输入当前指令为压阻指令时，则执行步骤S2，如果是发热量指令，则执行步骤S3；
S2、检测压阻并利用采样控制系统（2）中的PID进行控制计算，对第一压阻调节装置（4）、第二压阻调节装置（7）、第三压阻调节装置（10）进行调节量分配；
其中，所述步骤S2包括：
S21、第一压阻调节装置（4）检测阴极输入接口、阴极输出接口处的压力值；第二压阻调节装置（7）检测阳极输入接口、阳极输出接口处的压力值；第三压阻调节装置（10）检测水路输入接口、水路输出接口的压力值，同时将压力值并转化为相应的电信号，得到相应的当前压阻；
S22、采样控制系统（2）根据压阻指令以及当前压阻值进行计算处理，得到压阻调节量；
S23、利用采样控制系统（2）中的PID根据压阻调节控制量进行控制计算，得到最优分配原则，根据最优分配原则分别控制各个调节阀（403）的开度；
其中，所述最优分配原则是指按照每个调节阀（403）开度范围最优原则，将压阻调节量分配给各个调节阀（403）；
S3、检测输出电压、输出电流并利用采样控制系统（2）中的PID控制计算，调节电力调节器（1204）的输出功率；其中所述步骤S3包括：
S31、发热调节装置（12）检测电力调节器的输出电压、输出电流，并根据P=I*U计算出当前功率值；
S32、采样控制系统（2）根据发热量指令、当前功率值、管道换热效率计算处理得到调节控制量；
S33、利用采样控制系统（2）中的PID进行控制计算，得到需要的电力调节器（1204）输出功率，反馈并控制电力调节器的输出功率，调节发热量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆物理特性模拟装置的实现方法，其特征在于，所述人机交互系统(1)为工控机或具有人工交互功能的触摸屏。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆物理特性模拟装置的实现方法，其特征在于，所述采样控制系统(2)为PLC或嵌入式控制系统。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆物理特性模拟装置的实现方法，其特征在于，所述第一压阻调节装置(4)、第二压阻调节装置(7)、第三压阻调节装置(10)结构相同。
5.根据权利要求1所述的燃料电池电堆物理特性模拟装置的实现方法，其特征在于，所述调节阀(403)数量为三个。
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