CN111509264A - 一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法 - Google Patents

一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，通过恒功率加载的方式，测试空冷型燃料电池最佳工作点；具体讲，根据每个加载功率点空冷型燃料电池随反应温度变化，记录电流最小值和对应的反应温度，并作为该功率点的最佳工作状态；通过恒功率加载对每个功率点的逐一测试，得到整个工作区间内空冷型燃料电池最佳工作点，进而实现外部控制到达最佳工作点。

Description

一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，更为具体地讲，涉及一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法。
背景技术
近年来，随着新能源技术的发展，质子交换膜燃料电池发电技术由于其能量密度高、零排放、可再生等优点备受瞩目。质子交换膜燃料电池分为水循环冷却型和空气冷却型两种，其中，空冷型燃料电池由于其结构简单，重量轻等优点，在无人机电源系统，小型备用电源系统等领域应用前景广阔。
为保证空冷型燃料电池在实际运行过程中保持较高的工作效率，通常在投入使用前对其进行测试，以尝试寻求其输出性能的最佳工作点，以保证空冷型燃料电池发电效率最高。
现有技术中，关于空冷型燃料电池最佳工作点的测试方法大多采用恒电流加载的方式，即在空冷型燃料电池固定的电流输出点，通过改变外部控制条件来检索电压最高，功率最大的工作点，从而得到电流与外部控制条件之间的对应关系，但是这些测试方法只考虑了空冷型燃料电池工作在恒电流模式的工况下寻求其最佳工作点的控制方式，而忽略了在普遍情况下，负载要求电源系统工作在恒功率输出模式。因此寻求一种恒功率加载的空冷型燃料电池最佳工作点的测试方法，获得燃料电池输出功率与外部控制条件之间的对应关系，更有利于控制燃料电池运行时工作在最优输出状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，通过恒功率加载的方式测试空冷型燃料电池最佳工作点，根据每个加载功率点的输出电压电流特性，获取最佳工作点及对应的工作温度，从而得到每个功率点的外部控制条件。
为实现上述发明目的，本发明一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、控制器初始化
通过控制器设置固定风扇转速Nmin，为空冷型燃料电池反应供给所需的最小空气流量；设定空冷型燃料电池的反应温度上限值Tmax；设置防过载保护时，空冷型燃料电池的最大输出电流值Imax；
(2)、给定不同加载功率点
设置可编程电子负载在恒功率模式下，根据燃料电池功率等级，给定初始加载功率Pmin，加载步长dP，从而生成加载序列为：
P(k)＝P(k-1)+dP P(k-1)≥P(min)
其中，P(k)表示当前加载功率点，P(k-1)表示前一次加载功率点；
(3)、设定当前加载功率点的最小风量限幅值Nk-Q；
Nk-Q＝αnP(k)
其中，αn为当前加载功率点P(k)对应的空气过量系数；
(4)、计算当前加载功率点P(k)的风扇转速值N；
Figure BDA0002459814730000021
其中，Nk_T为当前加载功率点P(k)维持空冷型燃料电池最高反应温度所需风量的风扇转速；
(5)、在当前加载功率点改变风扇转速
在当前加载功率点P(k)，从初始值N开始，按照步长ΔN由低往高调节风扇转速，风扇转速的上限值不超过风扇最大转速Nmax，即
N(k+1)＝N(k)+ΔN Nk≤Nmax
其中，N(k)为在当前加载功率点的整个测试区间内，风扇转速当前值，N(k+1)为下一个风扇转速目标值；
(6)、记录空冷型燃料电池的反应温度、输出电流和电压
当风扇转速每改变一次，就利用电池温度采集模块采集空冷型燃料电池的反应温度，同时记录下对应的输出电流和电压；
(7)、判断是否出现电流过载
在恒功率模式下，如果出现空冷型燃料电池的输出电流Istack≥Imax，则设置可编程电子负载进入保护模式，结束测试，并且将前一个加载功率点P(k-1)作为空冷型燃料电池能够达到的最大功率点Pmax；
Pmax＝P(k-1)，Istack≥Imax
如果未出现电流过载，即空冷型燃料电池的输出电流Istack＜Imax，则进入步骤(8)；
(8)、判断风扇转速是否达到最大转速Nmax，如果未到达，则返回步骤(5)继续改变风扇转速，如果达到，则直接进入步骤(9)；
(9)、获取当前加载功率点下的最佳工作点
在当前加载功率点下，读取风扇转速变化的整个过程中所有记录的反应温度和输出电流，然后寻找出最小的输出电流，并作为当前加载功率点P(k)的空冷型燃料电池最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)；
(10)、判断当前加载功率点是否到达最大输出功率Pmax，如果达到，则测试结束；如果未到达，则返回步骤(2)，并按照加载步长dP在当前加载功率点P(k)上继续加载功率，直到完成加载功率从初始加载功率Pmin到最大输出功率Pmax的所有加载序列测试，从而得到每个加载功率点的最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，通过恒功率加载的方式，测试空冷型燃料电池最佳工作点；具体讲，根据每个加载功率点空冷型燃料电池随反应温度变化，记录电流最小值和对应的反应温度，并作为该功率点的最佳工作状态；通过恒功率加载对每个功率点的逐一测试，得到整个工作区间内空冷型燃料电池最佳工作点，进而实现外部控制到达最佳工作点。同时，本发明一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法还具有以下有益效果：
(1)、改进了传统的恒电流模式下最佳工作点的测试方法，得到了输出功率和外部控制条件的对应关系，更有利于控制燃料电池运行在最佳工作状态。
(2)、燃料电池更经常运行在恒功率模式，因此本发明提出的一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法有利于实现以输出功率为参考设计燃料电池最优输出控制策略。
(3)、本发明提出的测试方法操作简单，便于实现，不需要额外的辅助设备完成测试，只需基本的燃料电池测试仪器。
(4)、本发明提出的测试方法有利于在工程应用方向的实现，以输出功率和外部运行条件的对应关系为根据的控制方法更简单。
(5)、本发明提出的控制方法可编程实现全自动测试，实施过程高效简单。
附图说明
图1是空冷燃料电池测试系统框图；
图2是本发明一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法流程图；
图3是恒功率点风扇转速及温度变化曲线图；
图4是恒功率点燃料电池工作特性示意图；
图5是空冷燃料电池恒功率测试最佳工作曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为方便描述，本实例以图1所示的空冷型燃料电池测试系统为例，其中，测试系统包括燃料电池控制器、空冷型燃料电池堆、具有控制和反馈功能的散热风扇、恒功率模式的可编程电子负载、环境温度采集模块和燃料电池反应温度采集模块、进气压力检测装置和排气周期控制模块。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，包括以下步骤：
S1、控制器初始化
通过控制器设置固定风扇转速Nmin，风扇占空比取5000转/分钟，为空冷型燃料电池反应供给所需的最小空气流量；为保证燃料电池工作过程中不会因为温度过高而受损，设定空冷型燃料电池的反应温度上限值Tmax，取55℃；设置防过载保护时，空冷型燃料电池的最大输出电流值Imax，取70A；
S2、给定不同加载功率点
设置可编程电子负载在恒功率模式下，根据燃料电池功率等级，给定初始加载功率Pmin，设置为100W，加载步长dP，设置为100W，从而生成加载序列为：
P(k)＝P(k-1)+dP P(k-1)≥P(min)
其中，P(k)表示当前加载功率点，P(k-1)表示前一次加载功率点；
S3、设定当前加载功率点的最小风量限幅值Nk-Q；
Nk-Q＝αnP(k)
其中，αn为当前加载功率点P(k)对应的空气过量系数：
这样根据加载功率点，通过控制器调节风扇使其转速不低于Nk_Q，满足加载功率点的最小风量需求。
S4、计算当前加载功率点P(k)的风扇转速值N
给定当前加载功率P(k)后，将该功率点过量系数为αn时所需风量的风扇转速Nk-Q与维持空冷型燃料电池最大反应温度所需风量的风扇转速Nk_T取大作为当前加载功率点P(k)的风扇转速值N；
Figure BDA0002459814730000051
其中，Nk_T为当前加载功率点P(k)维持空冷型燃料电池最高反应温度所需风量的风扇转速；
S5、在当前加载功率点下改变风扇转速
在当前加载功率点P(k)，从初始值N开始，按照步长ΔN由低往高调节风扇转速，ΔN取750转/分钟，风扇转速的上限值不超过风扇最大转速Nmax，即风扇达到满转13000转/分钟，即
N(k+1)＝N(k)+ΔN Nk≤Nmax
其中，N(k)为在当前加载功率点的整个测试区间内，风扇转速当前值，N(k+1)为下一个风扇转速目标值；
S6、记录空冷型燃料电池的反应温度、输出电流和电压
当风扇转速每改变一次，就利用电池温度采集模块采集空冷型燃料电池的反应温度，同时记录下对应的输出电流和电压；
在本实施例中，如图3所示，为当前加载功率点反应温度随风扇转速改变的变化曲线，同时记录下对应的输出电压和输出电流；
S7、判断是否出现电流过载
在恒功率模式下，如果出现空冷型燃料电池的输出电流Istack≥Imax，则设置可编程电子负载进入保护模式，结束测试，并且将前一个加载功率点P(k-1)作为空冷型燃料电池能够达到的最大功率点Pmax，本实例中为2600W；
Pmax＝P(k-1)，Istack≥Imax
如果未出现电流过载，即空冷型燃料电池的输出电流Istack＜Imax，则进入步骤S8；
S8、判断风扇转速是否达到最大转速Nmax，如果未到达，则返回步骤S5继续改变风扇转速，如果达到，则直接进入步骤S9；
S9、获取当前加载功率点下的最佳工作点
在当前加载功率点下，读取风扇转速变化的整个过程中所有记录的反应温度和输出电流，如图4所示，在所记录的所有反应温度和输出电流对应曲线中，然后寻找出最小的输出电流，并作为当前加载功率点P(k)的空冷型燃料电池最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)；
在本实施例中，空冷型燃料电池的反应温度Tstack满足：
Figure BDA0002459814730000061
其中，Tstack1和Tstack2分别空冷型燃料电池的空气进风口温度和出风口温度；
S10、判断当前加载功率点是否到达最大输出功率Pmax，如果达到，则测试结束；如果未到达，则返回步骤S2，并按照加载步长dP在当前加载功率点P(k)上继续加载功率，直到完成加载功率从初始加载功率Pmin到最大输出功率Pmax的所有加载序列测试，从而得到每个加载功率点的最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)。
最后，如图5所示，我们可以拟合出空冷型燃料电池最佳工作曲线P～I和对应的反应温度调节曲线P～T，得到的测试结果。
上述步骤中其他系数取值如表1所示：
P<sub>(k)</sub> α<sub>n</sub> N<sub>kT</sub>
100W 20r/W 3000r/min
200W 18r/W 3200r/min
300W 16r/W 3400r/min
400W 14r/W 3600r/min
500W 12r/W 3800r/min
600W 10r/W 4000r/min
700W 8r/W 4200r/min
800W 6.5r/W 4400r/min
900W 5.5r/W 4600r/min
1000W 5r/W 4800r/min
1100W 4.8r/W 5000r/min
1200W 4.6r/W 5200r/min
1300W 4.4r/W 5400r/min
1400W 4.3r/W 5600r/min
1500W 4.2r/W 5800r/min
1600W 4.1r/W 6000r/min
1700W 4.0r/W 6200r/min
1800W 3.9r/W 6400r/min
1900W 3.8r/W 6600r/min
2000W 3.7r/W 6800r/min
2100W 3.6r/W 7000r/min
2200W 3.5r/W 7200r/min
2300W 3.4r/W 7500r/min
2400W 3.3r/W 7700r/min
2500W 3.2r/W 7900r/min
2600W 3.1r/W 8100r/min
表1
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、控制器初始化
通过控制器设置固定风扇转速Nmin，为空冷型燃料电池反应供给所需的最小空气流量；设定空冷型燃料电池的反应温度上限值Tmax；设置防过载保护时，空冷型燃料电池的最大输出电流值Imax；
(2)、给定不同加载功率点
设置可编程电子负载在恒功率模式下，根据燃料电池功率等级，给定初始加载功率Pmin，加载步长dP，从而生成加载序列为：
P(k)＝P(k-1)+dP P(k-1)≥P(min)
其中，P(k)表示当前加载功率点，P(k-1)表示前一次加载功率点；
(3)、设定当前加载功率点的最小风量限幅值Nk-Q；
Nk-Q＝αnP(k)
其中，αn为当前加载功率点P(k)对应的空气过量系数；
(4)、计算当前加载功率点P(k)的风扇转速值N；
Figure FDA0002459814720000011
其中，Nk_T为当前加载功率点P(k)维持空冷型燃料电池最高反应温度所需风量的风扇转速；
(5)、在当前加载功率点下改变风扇扇转速
在当前加载功率点P(k)，从初始值N开始，按照步长ΔN由低往高调节风扇转速，风扇转速的上限值不超过风扇最大转速Nmax，即
N(k+1)＝N(k)+ΔN Nk≤Nmax
其中，N(k)为在当前加载功率点的整个测试区间内，风扇转速当前值，N(k+1)为下一个风扇转速目标值；
(6)、记录空冷型燃料电池的反应温度、输出电流和电压
当风扇转速每改变一次，就利用电池温度采集模块采集空冷型燃料电池的反应温度，同时记录下对应的输出电流和电压；
(7)、判断是否出现电流过载
在恒功率模式下，如果出现空冷型燃料电池的输出电流Istack≥Imax，则设置可编程电子负载进入保护模式，结束测试，并且将前一个加载功率点P(k-1)作为空冷型燃料电池能够达到的最大功率点Pmax；
Pmax＝P(k-1)，Istack≥Imax
如果未出现电流过载，即空冷型燃料电池的输出电流Istack＜Imax，则进入步骤(8)；
(8)、判断风扇转速是否达到最大转速Nmax，如果未到达，则返回步骤(5)继续改变风扇转速，如果达到，则直接进入步骤(8)；
(9)、获取当前加载功率点下的最佳工作点
在当前加载功率点下，读取风扇转速变化的整个过程中所有记录的反应温度和输出电流，然后寻找出最小的输出电流，并作为当前加载功率点P(k)的空冷型燃料电池最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)；
(10)、判断当前加载功率点是否到达最大输出功率Pmax，如果达到，则测试结束；如果未到达，则返回步骤(2)，并按照加载步长dP在当前加载功率点P(k)上继续加载功率，直到完成加载功率从初始加载功率Pmin到最大输出功率Pmax的所有加载序列测试，从而得到每个加载功率点的最佳工作点的输出电流I(k)和对应的反应温度T(k)。
2.根据权利要求1所述的一种空冷型燃料电池最佳工作点的恒功率测试方法，其特征在于，所述空冷型燃料电池的反应温度Tstack满足：
Figure FDA0002459814720000021
其中，Tstack1和Tstack2分别空冷型燃料电池的空气进风口温度和出风口温度。
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