CN111769313A - 一种燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的控制方法。所述方法通过检测燃料电池单体电压，计算电压偏离值V1，与第一预定电压值δ1、第二预定电压值δ2进行比较，监控燃料电池的运行状态、判断是否需要排水及设定相应的排水和调湿策略，进一步比较倒数第二低的单体组电压均值与最低的单体电压组均值的差值与第三预定电压值δ3的关系，设定相应的排水和调湿策略。本发明创新性地提出了基于少量运算即可实现的个别单体电压差异的燃料电池水淹诊断方法，提出了多级氢气路控制策略，对燃料电池系统中的空压机、减湿阀和氢气路排水阀进行联合控制。解决了基于燃料电池单体电压的运行状态监控，以及依据诊断解决进行相应的排水操作的问题。

Description

一种燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池系统的控制方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池由正负两个电极以及电解质组成，负极为燃料电极，正极为氧化剂电极。燃料电池中的水管理问题是燃料电池的核心问题和基本问题，在燃料电池使用过程中需防止出现两种故障状态：过干或水淹。在实际使用过程中，由于膜干会造成严重地不可恢复损伤，因此在系统方案及电堆内部结构设计时，均会尽量确保燃料电池不会过干，更多的情况下需考虑水淹情况的处理。
现有基于燃料电池单体电压的诊断及处理方法，或判断过于简单，或计算过于复杂(计算傅里叶或方差)，未考虑实际车用过程中既需要在车载控制器上实现，又需要快速判断的要求。
CN 110165259A公开了一种燃料电池运行状态监测的方法，目的是进行燃料电池水淹与过干状态的在线诊断与自我修复。其工作流程为检测电池的所有单节电压值，依据单节电压值确定单节电压值中偏离单节电压平均值的最大值与单节电压方差，其中单节电压偏离值与单节电压方差输入至预设分类器模型进行预测，得到电池的实际运行状态为正常(偏离小、方差小)、过干(偏离小、方差大)、水淹(偏离大、方差小)或严重故障(偏离大、方差大)。但是，该方法需对监测的单体电压进行方差运算，会随着单体数量的增多运算量增大，且过干和严重故障的区分不明显，容易造成误判。
CN 105226313B公开了一种用于诊断燃料电池堆的状态的系统和方法。主要特点是向电堆输入不同频率的电流，然后计算电堆输出电流和电压的傅里叶变换，得到高频阻抗的实部和低频阻抗的虚部，基于模糊控制方式诊断出燃料电池堆的状态，之后控制氢气流量、氢气压力、氢气排放、空气流量及压力。但是，该方法需额外增加设备对电堆输入电流，且需进行傅里叶变换需要较大的运算量。
CN 103597642B公开了一种燃料电池系统及燃料电池系统控制方法，目的是提高燃料电池系统在冰点以下启动时的排水性。在冰点以下温度启动后，监测燃料电池输出电压，当输出电压低于预定值是，对空气侧压力进行脉动控制，从而排出燃料电池堆内的水，进而提高燃料电池的发电效率。但是，该方法仅考虑电堆的输出特性，未考虑单体电压变化，且仅控制空气路排水，未考虑氢气路水过多的情况。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的控制方法。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括空压机、加湿单元和燃料电池堆，所述空压机的出口与加湿单元的入口相连，所述加湿单元的出口与燃料电池堆的入口相连，所述燃料电池堆上连接有单体电压监控单元；所述燃料电池堆的出口分别连接有空气路和氢气路，所述空气路上设置有背压阀，所述氢气路上设置有排水阀；
所述控制方法包括：
(1)检测燃料电池单体单压，计算电压偏离值V1，具体为：除最低的单体组电压均值和倒数第二低的单体组电压均值以外的单体组电压均值，与最低的单体组电压均值的差值，所述单体组包括至少一片电池；
将V1与第一预定电压值δ1进行比较，若V1大于δ1，则进行步骤(2)的判断，否则状态正常，无需进行后续步骤；
(2)将V1与第二预定电压值δ2进行比较，若V1大于δ2，则进行步骤(3)的判断，否则开启排水阀进行排水，然后调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x1倍；
(3)记倒数第二低的单体组电压均值与最低的单体组电压均值的差值为V2，若V2不小于第三预定电压值δ3，则认为仅1组电池单体电压较低，开启排水阀进行排水，并调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x2倍；若V2小于第三预定电压值δ3，则认为2组电池单体电压均较低，开启排水阀进行排水，并调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x3倍；
其中，δ2>δ1，1>x1>x2>x3，例如x1为0.9，x2为0.8，x3为0.7，又如x1为0.8，x2为0.7，x3为0.6。
本发明的方法是一种燃料电池多级状态监测方法以及多级排水控制方法，基于少量运算即可实现个别单体电压差异的燃料电池水淹诊断，本发明提出了多级氢气路控制策略，对燃料电池系统中的空压机、减湿阀和氢气路排水阀进行联合控制。可以在实际车用过程中的车载控制器上实现，而且判断迅速，解决了基于燃料电池单体电压的运行状态监控，以及依据诊断解决进行相应的排水操作的问题。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
本发明对δ1和δ2的具体数值不作具体限定，本领域技术人员可根据燃料电池堆生产商的操作条件或使用建议进行设定，需满足燃料电池堆单体一致性的要求。
优选地，所述δ1为0.04V-0.05V，例如0.04V、0.045V或0.05V等；所述δ2为0.06V-0.07V，例如0.06V、0.065V或0.07V等。
优选地，所述δ3为0.02V-0.05V，例如0.02V、0.03V、0.04V或0.05V等。
优选地，0.9≥x1>x2>x3≥0.6。
优选地，步骤(2)排水过程中，控制排水周期T1短于预设的排水周期，和/或控制排水时长t1长于预设的排水时长；
优选地，步骤(3)中，在V2不小于δ3的条件下，排水过程中，控制排水周期T2短于T1，和/或控制排水时长t2长于t1；
优选地，步骤(3)中，在V2小于δ3的条件下，排水过程中，控制排水周期T3短于T2，和/或控制排水时长t3长于t2。
本发明的方法中，氢气路上还可以设置分水器，分水器出口分别连接出水管路和排气管路，排气管路用于排出氢气，出水管路上设有排水阀，通过增加氢压，也可以达到辅助排水的效果。
作为本发明所述方法的优选技术方案，步骤(3)中，在V2小于δ3的条件下，还进行下述步骤：
将空压机的转速提高，背压阀的开度增加，使空气流量增大，而空气压力基本不变或更低。所述“基本不变”指空气压力前后差值的绝对值小于0.3bar。此优选技术方案提出了多级氢气路和空气路联合控制策略，对燃料电池系统中的空压机、减湿阀、背压阀和氢气路排水阀进行联合控制。这种联合控制策略相比于仅控制多级氢气路具有效率更高、排水效果更好、避免氢气路频繁排水导致氢利用率下降的优点。
优选地，所述加湿单元包括湿气发生装置和分流器，所述分流器的入口与空压机连接，所述分流器的第一出口与湿气发生装置连接，所述分流器的第二出口和湿气发生装置的出口均与燃料电池堆的入口连接；所述分流器的开度可调，用于调整空压机出口气体的加湿比例。
本发明对分流器的具体形式不作限定，只要能达到分流的目的即可，例如可以是三通阀。所述湿气发生装置例如可以是加湿器。
优选地，所述开度越小，空压机出口气体流过湿气发生装置的比例越大，所述开度大于等于10％小于40％，例如10％、15％、20％、25％、30％或35％等，优选为10％-30％。
作为本发明所述方法的进一步优选技术方案，燃料电池系统的结构示意图如图1，包括空压机、减湿三通阀、加湿器和燃料电池堆，所述空压机的出口与减湿三通阀的入口相连，所述减湿三通阀的第一出口与加湿器相连，所述减湿三通阀的第二出口和加湿器的出口均与燃料电池堆的入口相连，所述燃料电池堆上连接有单体电压监控单元；所述燃料电池堆的出口分别连接有空气路和氢气路，所述空气路上设置有背压阀，所述氢气路上设置有排水阀。本发明燃料电池系统中，减湿三通阀的开度可调，开度越小，空压机出口气体流过加湿器的比例越大。所述控制方法包括以下步骤：
(1)检测燃料电池单体电压，用除了最低两片单体电压(也即最低的单体电压和倒数第二低的单体电压)外的所有单体电压的平均值，减去最低单体电压，得到电压差值V1，将其与预定值δ1进行比较，δ1常用值可以为0.04V，如果V1大于δ1则进行下一步判断，否则状态正常，无需进行特殊操作；
(2)将电压差值V1与预定值δ2进行比较，δ2常用值可以为0.06V，如果V1大于δ2则进行下一步判断，否则立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T1，T1应短于预设的排水周期，之后再将减湿三通阀的开度设置为K1(例如10％)，K1应使空压机出口气体流过加湿器的比例减小；
(3)用倒数第二低的单体电压，减去最低单体电压，得到差值V2，如果V2不小于预定值δ3，则认为仅1片单体电压较低，其中δ3常用值可以为0.03V，V2小于δ3则认为2片单体电压均较低；
当V2不小于δ3时，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T2，T2应短于T1，之后再将减湿三通阀的开度设置为K2(例如20％)，K2应使空压机出口气体流过加湿器的比例比K1更小；当V2小于δ3时，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T3，T3应短于T2，之后再将减湿三通阀的开度设置为K3(例如30％)，K3应使空压机出口气体流过加湿器的比例比K2更小，最后再将空压机转速提升x转，背压阀开度增加a，以使得空气流量增大，但空气压力基本不变或更低。
而本专利结合车用燃料电池系统的实际使用需求，在系统方案及电堆内部结构等确保燃料电池不会过干的基础上，提出了便于实现的燃料电池系统单体状态监测及空气路和氢气路联合排水控制方法，并重点发明了基于单体电压监测的多级状态诊断方法，同时在空气路调节减湿三通阀、背压阀开度和空压机转速，氢气路调节排水阀开启周期，进而实现多级联合排水控制。可以在实际车用过程中的车载控制器上实现，而且判断迅速，实际应用效果好。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明创新性地提出了基于少量运算即可实现的个别单体电压差异的燃料电池水淹诊断方法，提出了多级氢气路控制策略，对燃料电池系统中的空压机、减湿阀和氢气路排水阀进行联合控制。解决了基于燃料电池单体电压的运行状态监控，以及依据诊断解决进行相应的排水操作的问题。
本发明的优选技术方案提出了多级氢气路和空气路联合控制策略，对燃料电池系统中的空压机、减湿阀、背压阀和氢气路排水阀进行联合控制。这种联合控制策略相比于仅控制多级氢气路具有效率更高、排水效果更好、避免氢气路频繁排水导致氢利用率下降的优点。
附图说明
图1为燃料电池系统局部原理图，图中仅画出了与本发明相关的部件。
图2为本发明单体电压监控及部件控制流程。
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的技术方案。
本发明实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，其可对燃料电池系统运行状态进行监控并控制排水。
燃料电池系统的结构示意图如图1，包括空压机1、减湿三通阀2、加湿器3和燃料电池堆4，所述空压机1的出口与减湿三通阀2的入口相连，所述减湿三通阀2的第一出口与加湿器3相连，所述减湿三通阀2的第二出口和加湿器3的出口均与燃料电池堆4的入口相连，所述燃料电池堆4上连接有单体电压监控单元5；所述燃料电池堆4的出口分别连接有空气路6和氢气路7，所述空气路6上设置有背压阀8，所述氢气路7上设置有排水阀9。本发明燃料电池系统中，减湿三通阀的开度可调，开度越小，空压机出口气体流过加湿器的比例越大。
空气路部件包括空压机，减湿三通阀，加湿器和空气路背压阀，其中空压机转速可调节，背压阀开度可调节，减湿三通阀可调节并实现空压机出口的空气全部经过加湿器或部分经过加湿器。氢气路部件仅画出了氢气路排水阀，可在开启状态下将氢气路多于的水分排出燃料电池堆。单体电压监控单元可实时监测燃料电池堆得各单体电压，并能够计算出最低单体电压，仅次于最低单体电压的第二低单体电压，除最低两片单体外其余所有单体的平均电压。
所述控制方法包括以下步骤：
(1)检测燃料电池单体电压，用除了最低两片单体电压(也即最低的单体电压和倒数第二低的单体电压)外的所有单体电压的平均值，减去最低单体电压，得到电压差值V1，将其与预定值δ1进行比较，如果V1大于δ1则进行下一步判断，否则状态正常，无需进行特殊操作；
(2)将电压差值V1与预定值δ2进行比较，如果V1大于δ2则进行下一步判断，否则立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T1，T1应短于预设的排水周期，之后再将减湿三通阀的开度设置为K1，K1应使空压机出口气体流过加湿器的比例减小；
(3)用倒数第二低的单体电压，减去最低单体电压，得到差值V2，如果V2不小于预定值δ3，则认为仅1片单体电压较低，V2小于δ3则认为2片单体电压均较低；
当V2不小于δ3时，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T2，T2应短于T1，之后再将减湿三通阀的开度设置为K2，K2应使空压机出口气体流过加湿器的比例比K1更小；当V2小于δ3时，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T3，T3应短于T2，之后再将减湿三通阀的开度设置为K3，K3应使空压机出口气体流过加湿器的比例比K2更小，最后再将空压机转速提升x转，背压阀开度增加a，以使得空气流量增大，但空气压力基本不变或更低。
本发明单体电压监控及部件控制流程参见图2。
实施例1
本发明实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，其可对燃料电池系统运行状态进行监控并控制排水。
燃料电池系统的结构示意图如图1，包括空压机1、减湿三通阀2、加湿器3和燃料电池堆4，所述空压机1的出口与减湿三通阀2的入口相连，所述减湿三通阀2的第一出口与加湿器3相连，所述减湿三通阀2的第二出口和加湿器3的出口均与燃料电池堆4的入口相连，所述燃料电池堆4上连接有单体电压监控单元5；所述燃料电池堆4的出口分别连接有空气路6和氢气路7，所述空气路6上设置有背压阀8，所述氢气路7上设置有排水阀9。本发明燃料电池系统中，减湿三通阀的开度可调，开度越小，空压机出口气体流过加湿器的比例越大。所述控制方法包括以下步骤：
(1)检测燃料电池单体电压，用除了最低两片单体电压(也即最低的单体电压和倒数第二低的单体电压)外的所有单体电压的平均值，减去最低单体电压，得到电压差值V1＝0.08V，将其与预定值δ1进行比较，δ1为0.04V，V1大于δ1，进行下一步判断；
(2)将电压差值V1与预定值δ2进行比较，δ2为0.06V，V1大于δ2，进行下一步判断；
(3)用倒数第二低的单体电压，减去最低单体电压，得到差值V2＝0.03V，V2不小于预定值δ3(具体为0.03V)，则认为仅1片单体电压较低，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T2＝7s，之后再将减湿三通阀的开度设置为K2＝20％。
实施例2
本发明实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，其可对燃料电池系统运行状态进行监控并控制排水。
燃料电池系统的结构示意图如图1，所述控制方法包括如下步骤：
(1)检测燃料电池单体电压，用除了最低两片单体电压(也即最低的单体电压和倒数第二低的单体电压)外的所有单体电压的平均值，减去最低单体电压，得到电压差值V1＝0.05V，将其与预定值δ1进行比较，δ1为0.04V，V1大于δ1，进行下一步判断；
(2)将电压差值V1与预定值δ2进行比较，δ2为0.06V，V1小于δ2，并将排水阀的开启周期设置为T1＝9s，K1＝10％。
实施例3
本发明实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，其可对燃料电池系统运行状态进行监控并控制排水。
燃料电池系统的结构示意图如图1，所述控制方法包括如下步骤：
(1)检测燃料电池单体电压，用除了最低两片单体电压(也即最低的单体电压和倒数第二低的单体电压)外的所有单体电压的平均值，减去最低单体电压，得到电压差值V1＝0.07V，将其与预定值δ1进行比较，δ1为0.04V，V1大于δ1，进行下一步判断；
(2)将电压差值V1与预定值δ2进行比较，δ2为0.06V，V1大于δ2，进行下一步判断；
(3)用倒数第二低的单体电压，减去最低单体电压，得到差值V2＝0.02V，V2小于预定值δ3(具体为0.03V)，则认为2片单体电压较低，立即开启一次排水阀，并将排水阀的开启周期设置为T3＝5s，之后再将减湿三通阀的开度设置为K3＝30％，最后再将空压机转速提升x转，背压阀开度增加a，以使得空气流量增大，但空气压力不变。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、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)

1.一种燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括空压机、加湿单元和燃料电池堆，所述空压机的出口与加湿单元的入口相连，所述加湿单元的出口与燃料电池堆的入口相连，所述燃料电池堆上连接有单体电压监控单元；所述燃料电池堆的出口分别连接有空气路和氢气路，所述空气路上设置有背压阀，所述氢气路上设置有排水阀；
所述控制方法包括以下步骤：
(1)检测燃料电池单体单压，计算电压偏离值V1，具体为：除最低的单体组电压均值和倒数第二低的单体组电压均值以外的单体组电压均值，与最低的单体组电压均值的差值，所述单体组包括至少一片电池；
将V1与第一预定电压值δ1进行比较，若V1大于δ1，则进行步骤(2)的判断，否则状态正常，无需进行后续步骤；
(2)将V1与第二预定电压值δ2进行比较，若V1大于δ2，则进行步骤(3)的判断，否则开启排水阀进行排水，然后调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x1倍；
(3)记倒数第二低的单体组电压均值与最低的单体组电压均值的差值为V2，若V2不小于第三预定电压值δ3，则认为仅1组电池单体电压较低，开启排水阀进行排水，并调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x2倍；若V2小于第三预定电压值δ3，则认为2组电池单体电压均较低，开启排水阀进行排水，并调整加湿单元的控制部件使空压机出口气体的加湿比例减小至原加湿比例的x3倍；
其中，δ2>δ1，1>x1>x2>x3。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述电池组中电池片的片数为1片～10片，优选为1片～5片，进一步优选为1片～2片。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述δ1为0.04V-0.05V，所述δ2为0.06V-0.07V；
优选地，所述δ3为0.02V-0.05V。
4.根据权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，0.9≥x1>x2>x3≥0.6。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，步骤(2)排水过程中，控制排水周期T1短于预设的排水周期，和/或控制排水时长t1长于预设的排水时长；
优选地，步骤(3)中，在V2不小于δ3的条件下，排水过程中，控制排水周期T2短于T1，和/或控制排水时长t2长于t1；
优选地，步骤(3)中，在V2小于δ3的条件下，排水过程中，控制排水周期T3短于T2，和/或控制排水时长t3长于t2。
6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，步骤(3)中，在V2小于δ3的条件下，还进行下述步骤：
将空压机的转速提高，背压阀的开度增加，使空气流量增大，而空气压力基本不变或更低。
7.根据权利要求1-6任一项所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述加湿单元包括湿气发生装置和分流器，所述分流器的入口与空压机连接，所述分流器的第一出口与湿气发生装置连接，所述分流器的第二出口和湿气发生装置的出口均与燃料电池堆的入口连接；所述分流器的开度可调，用于调整空压机出口气体的加湿比例。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述分流器为三通阀。
9.根据权利要求7或8所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述开度越小，空压机出口气体流过湿气发生装置的比例越大，所述开度大于等于10％小于40％。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统的控制方法，其特征在于，所述开度为10％-30％。
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