CN112259761B - 一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统；所述气体流量控制系统分为数据采集、数据处理、机械控制三大部分；所述数据采集部分由转速传感器、电流传感器和电压传感器组成，用于采集轮毂电机的转速、电流以及燃料电池的电压；所述数据处理部分为PLC控制器，用于数据处理与控制，将采集信号进行数值分析并将控制信号送入电动控制部件；所述电气控制部分包括第一调节器、第二调节器，用于根据控制指令控制燃料电池的气体流量，从而实现燃料电池气体流量控制；该系统能够根据燃料电池汽车动力输出需要及时调整燃料电池输出功率，大大提高了气流流量控制精度和响应速度，降低了动力电池的功率调节需求，延长了燃料电池的使用寿命。

Description

一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于自动控制领域，具体涉及一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统及控制方法。
背景技术
氢燃料电池汽车利用氢气和氧气的电化学反应产生电能，从而驱动电机转动，使电动汽车获得运动动能。以质子交换膜燃料电池为例，将固体聚合物作为电解质膜，空气作为氧化剂，氢气作为燃料气体，双极板采用气体流动通道的石墨或进行表面改性的金属板。在阳极，氢气在催化剂的作用下失去电子生成氢正离子(也叫做质子)，燃料电池的质子交换膜促进氢正离子从阳极转移到阴极；在阴极，空气中的氧气在催化剂表面获得电子，形成负离子，并与从阳极转移到阴极的氢正离子发生化学反应，生成水，水通过气体扩散层与残余未发生反应的尾气一并排出。因此，氢燃料电池在工作的时候，需要实时的按比例向燃料电池输送氢气和空气(氧气)，与此同时，排出反应生成的水，并根据燃料电池电能输出需要进行燃料气体和氧化剂气体的输送量调整，以提高燃料电池使用效率。
氢燃料电池控制系统需要阴极含氧量和阳极氢气量精准配合。当整车需求功率跟随外部环境变化时，氢燃料电池系统中燃料电池需求的空燃比也会发生跟随性变化。氢气供给系统中的电控调节阀控制进入燃料电池内的氢气流量，若氢气流量的控制精度差，燃料电池输出功率将产生波动。如何及时调整送入燃料电池的氢气、氧气流量，实现燃料电池功率输出的快速动态响应，根据氢燃料电池汽车的动力需求实施高效控制，是目前氢燃料电池汽车研究领域的一大热点，对于氢能汽车的推广应用具有重要意义。此外，高效可靠的燃料电池能够减少动力电池功率补偿需求，降低动力电池容量需求，减轻氢燃料电池汽车整备质量，对于氢能汽车的推广应用具有重要意义。
发明内容
为了实现氢燃料电池汽车气体流量的高效控制，解决现有技术的不足之处，本发明提供了一种新型的基于电流检测的燃料电池汽车气体流量控制系统及控制方法，以满足氢燃料电池汽车发展趋势。
本发明的技术方案如下：
一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统；所述气体流量控制系统包括轮毂电机Ⅰ、电机控制器Ⅰ、轮毂电机Ⅱ、电机控制器Ⅱ、转速传感器、电流传感器、电压传感器、PLC控制器、第一调节器、第二调节器、空压机、氢压机、燃料电池和动力电池；所述电流传感器与所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ均进行电气连接，用于采集其电流信号；所述转速传感器与所述轮毂电机Ⅰ进行电气连接，用于采集转速信号；所述电压传感器与所述燃料电池进行电气连接，用于采集其电压信号；所述PLC控制器与所述转速传感器、电流传感器、电压传感器均进行电气连接，用于进行数据处理和控制；所述第一调节器、第二调节器的一端与所述PLC控制器进行电气连接，另一端与所述燃料电池连接，用于根据控制器指令控制所述燃料电池的气体流量；所述空压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的空气；所述氢压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的氢能；所述燃料电池与所述动力电池并联连接，并分别通过所述电机控制器Ⅰ、电机控制器Ⅱ为所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ提供动力。
工作原理：所述燃料电池汽车气体流量控制系统主要分为数据采集、数据处理和电气控制三部分。所述数据采集部分由转速传感器、电流传感器以及电压传感器组成，用于采集轮毂电机的转速、电流数据以及燃料电池的输出电压；所述数据处理部分为所述PLC控制器，用于数据处理和控制，将数据采集信号进行数值分析并将控制信号传送给电气控制部件；所述电气控制部分包括第一调节器、第二调节器，所述第一调节器的气阀连接燃料气体进气口，所述第二调节器的气阀连接氧化剂气体进气口，用于根据控制器指令控制调节燃料电池的气体流量，从而实现燃料电池气体流量自动控制。
优选的，所述电流传感器为霍尔电流传感器，用于检测轮毂电机的三相电流瞬时值。
优选的，所述电压传感器为滑动电阻或变阻箱，用于检测燃料电池输出电压。
优选的，所述第一调节器、第二调节器分为驱动电路和电动阀两部分；所述驱动电路用于接收PLC控制器的控制信号，并将控制信号输出给所述的电动阀；所述电动阀根据控制信号进行相关的动作，从而控制阀的开度。
一种基于所述气体流量控制系统的控制方法，所述工作方法包括以下步骤：
1)利用转速传感器实时采集燃料电池汽车轮毂电机的当前转速r；
2)利用预先配置的映射关系表IM＝f(N，r)获得所述给定转矩N命令对应的命令电流值IM；
3)利用霍尔电流传感器获取燃料电池汽车轮毂电机的当前三相电流瞬时值IT；
4)计算所述命令电流值IM与所述当前三相电流瞬时值IT的差值，判断所述差值是否大于预设阈值IB，当所述差值小于预设阈值时，根据命令电流值IM计算燃料电池输出响应电压UG；对当所述差值大于或等于预设阈值时，对所述电机执行限功率操作，基于预设的计算规则计算得到执行限功率操作后的给定转矩命令对应的修正电流值IS，根据修正电流值计算燃料电池输出响应电压UG；
5)利用电压传感器获取燃料电池正负极输出电压瞬时值UT；
6)利用PLC控制器根据燃料电池输出响应电压UG及燃料电池正负极输出电压瞬时值UT计算燃料气体和氧化剂气体响应流量△Q1、△Q2，并向第一、第二调节器发送响应控制信号；
7)第一调节器根据响应控制信号调节燃料气体气阀调节开度L1，第二调节器根据响应控制信号调节氧化剂气体气阀调节开度L2，从而实现燃料电池气体流量的自动控制。
优选的，基于电流检测的燃料电池气体流量控制系统预设的计算规则为：
△Q1＝C1(UG-UT),△Q2＝C2(UG-UT) (2)
其中，UG表示所述响应电压，IT表示所述瞬时电流，IM表示所述命令电流，IB表示所述预设电流阈值，IS表示所述修正电流，R表示等效电阻，△Q1表示所述燃料气体响应流量，△Q2表示所述氧化剂气体响应流量，Qmax表示气体最大流量，C1表示燃料气体流量系数，C2表示氧化剂气体流量系数，L1表示所述燃料气体气阀调节开度，L2表示所述氧化剂气体气阀调节开度。
优选的，所述控制方法的系统同步由轴编码器进行控制完成，保证系统工作的一致性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用霍尔电流传感器进行燃料电池汽车轮毂电机三相电流检测，具有对动力输出的实时检测准确度高，故障率低等优点。
(2)本发明将电气检测控制部件和机械控制部件相结合，当燃料电池汽车出现功率调整时，可以实现燃料气体、氧化剂气体的自动控制，自动化程度高，控制精确。
(3)本发明大大提高了燃料电池气体流量控制精度，实现燃料电池对功率需求的实时响应，智能控制，减少动力电池功率补偿需求，降低动力电池容量需求，减轻燃料电池汽车的整备质量。
附图说明
图1为本发明的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统的结构示意图；
图2为本发明的第一调节器和第二调机器的结构示意图；
图3为本发明的一种基于电流检测的燃料电池汽车气体流量控制系统的工作流程图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例的附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
首先，如图1所示，为本发明的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统的结构示意图。所述气体流量控制系统包括数据采集、数据处理、电气控制三大部分；所述数据采集部分由转速传感器、电流传感器以及电压传感器组成，用于转速、电流、电压信号的采集；所述数据处理部分为PLC控制器，用于数据处理与控制；电气控制部分位于第一调节器和第二调节器中，用于根据PLC控制器的输出指令控制调节燃料电池的气体流量，从而实现燃料电池气体流量的自动控制。
所述数据采集部分包括转速传感器、电流传感器以及电压传感器；所述数据采集部分的转速传感器获取燃料电池汽车轮毂电机的当前转速；所述数据采集部分的电流传感器为霍尔电流传感器，用于检测轮毂电机的三相电流瞬时值并送入PLC控制器；所述数据采集部分的电压传感器为滑动电阻或变阻箱，跨接燃料电池的正极和负极，用于检测燃料电池的输出电压。
所述数据处理部分为基于PLC技术的气体流量控制器，输入端分别接入数据采集部分的转速、电流以及电压信号。
所述第一调节器的气阀连接燃料气体进气口，所述第二调节器的气阀连接氧化剂气体进气口，第一调节器的气阀和第二调节器的气阀用于根据控制器的指令控制调节燃料电池的气体流量，从而实现所述燃料电池的气体流量的自动控制。
见图1，所述燃料电池汽车的气体流量控制系统包括轮毂电机Ⅰ、电机控制器Ⅰ、轮毂电机Ⅱ、电机控制器Ⅱ、转速传感器、电流传感器、电压传感器、PLC控制器、第一调节器、第二调节器、空压机、氢压机、燃料电池和动力电池；所述电流传感器与所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ均进行电气连接，用于采集其电流信号；所述转速传感器与所述轮毂电机Ⅰ进行电气连接，用于采集转速信号；所述电压传感器与所述燃料电池进行电气连接，用于采集其电压信号；所述PLC控制器与所述转速传感器、电流传感器、电压传感器均进行电气连接，用于进行数据处理和控制；所述第一调节器、第二调节器的一端与所述PLC控制器进行电气连接，另一端与所述燃料电池连接，用于根据控制器指令控制所述燃料电池的气体流量；所述空压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的空气；所述氢压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的氢能；所述燃料电池与所述动力电池并联连接，并分别通过所述电机控制器Ⅰ、电机控制器Ⅱ为所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ提供动力。所述的所述电机控制器Ⅰ、电机控制器Ⅱ为V6一H一2D30G，深圳蓝海华腾公司生产。
工作原理：所述燃料电池汽车气体流量控制系统主要分为数据采集、数据处理和电气控制三部分。所述数据采集部分由转速传感器、电流传感器以及电压传感器组成，用于采集轮毂电机的转速、电流数据以及燃料电池的输出电压；所述数据处理部分为所述PLC控制器，用于数据处理和控制，将数据采集信号进行数值分析并将控制信号传送给电气控制部件；所述电气控制部分包括第一调节器、第二调节器，所述第一调节器的气阀连接燃料气体进气口，所述第二调节器的气阀连接氧化剂气体进气口，用于根据控制器指令控制调节燃料电池的气体流量，从而实现燃料电池气体流量自动控制。
优选的，所述电流传感器为霍尔电流传感器，用于检测轮毂电机的三相电流瞬时值。
优选的，所述电压传感器为滑动电阻或变阻箱，用于检测燃料电池输出电压。
优选的，所述第一调节器、第二调节器分为驱动电路和电动阀两部分；所述驱动电路用于接收PLC控制器的控制信号，并将控制信号输出给所述的电动阀；所述电动阀根据控制信号进行相关的动作，从而控制阀的开度。
如图2所示，为本发明的第一调节器和第二调节器的结构示意图。所述第一调节器和第二调节器分别包括驱动电路和电动阀。其中，所述驱动电路用于接收PLC控制器的控制信号，并将控制信号传送给电动阀；所述电动阀根据控制信号进行相关机械动作，控制气阀的开度。
如图3所示，为本发明的气体流量控制系统的工作方法流程图。所述工作方法主要包括以下步骤：
1)利用转速传感器获取燃料电池汽车轮毂电机的当前转速r；
2)根据用户输入的给定转矩命令和所述电机的当前转速r，查找预先配置的映射关系表获得所述给定转矩命令对应的命令电流值IM；
3)利用霍尔电流传感器获取燃料电池汽车轮毂电机的当前三相电流瞬时值IT；
4)计算所述命令电流值IM与所述当前三相电流瞬时值IT的差值，判断所述差值是否大于预设阈值IB，当所述差值小于预设阈值时，根据命令电流值计算燃料电池输出响应电压UG；对当所述差值大于或等于预设阈值时，对所述电机执行限功率操作，基于预设的计算规则计算得到执行限功率操作后的给定转矩命令对应的修正电流值IS，根据修正电流值计算燃料电池输出响应电压UG；
5)利用电压传感器获取燃料电池正负极输出电压瞬时值UT；
6)利用基于PLC技术的气体流量控制器根据燃料电池输出响应电压及燃料电池正负极输出电压瞬时值计算燃料气体和氧化剂气体响应流量△Q1、△Q2，并向第一、第二调节器发送响应控制信号；
7)第一调节器根据响应控制信号调节燃料气体气阀调节开度L1，第二调节器根据响应控制信号调节氧化剂气体气阀调节开度L2，从而实现燃料电池气体流量的自动控制。
另外，所述工作方法中的预设计算规则主要包括：
△Q1＝C1(UG-UT),△Q2＝C2(UG-UT) (2)
其中，UG表示所述响应电压，IT表示所述瞬时电流，IM表示所述命令电流，IB表示所述预设电流阈值，IS表示所述修正电流，R表示等效电阻，Q1表示所述燃料气体响应流量，Q2表示所述氧化剂气体响应流量，Qmax表示气体最大流量，C1表示燃料气体流量系数，C2表示氧化剂气体流量系数，L1表示所述燃料气体气阀调节开度，L2表示所述氧化剂气体气阀调节开度。
最后，本发明的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统及工作方法，其具体的技术特点如下：
(1)本发明利用霍尔电流传感器进行燃料电池汽车轮毂电机三相电流检测，具有对动力输出实时检测准确度高，故障率低等优点。
(2)本发明将电气检测控制部件和机械控制部件相结合，当燃料电池汽车出现功率调整时，可以实现燃料气体、氧化剂气体的自动控制，自动化程度高，控制精确。
(3)本发明大大提高了燃料电池气体流量控制精度，实现燃料电池对功率需求的实时响应，智能控制，减少动力电池功率补偿需求，降低动力电池容量需求，减轻氢燃料电池汽车整备质量。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统，其特征在于，采用新型燃料电池汽车的气体流量控制系统的控制方法；所述控制方法包括以下步骤：
1)利用转速传感器实时采集燃料电池汽车轮毂电机的当前转速r；
2)根据用户输入的给定转矩命令，利用预先配置的映射关系表IM＝f(N，r)获得所述给定转矩N命令对应的命令电流值IM；
3)利用霍尔电流传感器获取燃料电池汽车轮毂电机的当前三相电流瞬时值IT；
4)计算所述命令电流值IM与所述当前三相电流瞬时值IT的差值，判断所述差值是否大于预设阈值IB，当所述差值小于预设阈值时，根据命令电流值IM计算燃料电池输出响应电压UG；当所述差值大于或等于预设阈值时，对所述电机执行限功率操作，基于预设的计算规则计算得到执行限功率操作后的给定转矩命令对应的修正电流值IS，根据修正电流值计算燃料电池输出响应电压UG；
5)利用电压传感器获取燃料电池正负极输出电压瞬时值UT；
6)利用PLC控制器根据燃料电池输出响应电压UG及燃料电池正负极输出电压瞬时值UT计算燃料气体和氧化剂气体响应流量△Q1、△Q2，并向第一、第二调节器发送响应控制信号；
7)第一调节器根据响应控制信号调节燃料气体气阀调节开度L1，第二调节器根据响应控制信号调节氧化剂气体气阀调节开度L2，从而实现燃料电池气体流量的自动控制；
基于电流检测的燃料电池气体流量控制系统预设的计算规则为：
ΔQ1＝C1(UG-UT), ΔQ2＝C2(UG-UT) (2)
其中，UG表示所述响应电压，IT表示所述当前三相电流瞬时值，IM表示所述命令电流，IB表示所述预设阈值，IS表示所述修正电流，R表示等效电阻，△Q1表示所述燃料气体响应流量，△Q2表示所述氧化剂气体响应流量，Qmax表示气体最大流量，C1表示燃料气体流量系数，C2表示氧化剂气体流量系数，L1表示所述燃料气体气阀调节开度，L2表示所述氧化剂气体气阀调节开度；
所述气体流量控制系统包括轮毂电机Ⅰ、电机控制器Ⅰ、轮毂电机Ⅱ、电机控制器Ⅱ、转速传感器、电流传感器、电压传感器、PLC控制器、第一调节器、第二调节器、空压机、氢压机、燃料电池和动力电池；所述电流传感器与所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ均进行电气连接，用于采集其电流信号；所述转速传感器与所述轮毂电机Ⅰ进行电气连接，用于采集转速信号；所述电压传感器与所述燃料电池进行电气连接，用于采集其电压信号；所述PLC控制器与所述转速传感器、电流传感器、电压传感器均进行电气连接，用于进行数据处理和控制；所述第一调节器、第二调节器的一端与所述PLC控制器进行电气连接，另一端与所述燃料电池连接，用于根据控制器指令控制所述燃料电池的气体流量；所述空压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的空气；所述氢压机与所述燃料电池连接，用于提供发电所需的氢能；所述燃料电池与所述动力电池并联连接，并分别通过所述电机控制器Ⅰ、电机控制器Ⅱ为所述轮毂电机Ⅰ、轮毂电机Ⅱ提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统，其特征在于，所述电流传感器为霍尔电流传感器，用于检测轮毂电机的三相电流瞬时值。
3.根据权利要求1所述的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统，其特征在于，所述电压传感器为滑动电阻或变阻箱，用于检测燃料电池输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统，其特征在于，所述第一调节器、第二调节器分为驱动电路和电动阀两部分；所述驱动电路用于接收PLC控制器的控制信号，并将控制信号输出给所述的电动阀；所述电动阀根据控制信号进行相关的动作，从而控制阀的开度。
5.根据权利要求1所述的一种新型燃料电池汽车的气体流量控制系统，其特征在于，所述控制方法的系统同步由轴编码器进行控制完成，保证系统工作的一致性。
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