CN112421080B - 一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的功率控制方法，所述功率控制方法包括以下步骤中的一个或几个：根据电堆的校验电堆数据分析得出电堆电压与电流的校验对应关系，在电堆实际运作时，根据实时获取到的实测电堆数据，结合校验对应关系分析得出计算端电压和实测端电压，利用计算端电压和实测端电压间的动态差异性分析得出当前电堆额定功率，并基于其来控制电堆的功率输出，其中，当前电堆额定功率可随电堆实际工况的不同而动态更新，以避免因负载功率不当或参数异常而导致的电堆损伤。

Description

一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池，也称作高分子电解质燃料电池(Polymer Electrol yteFuel Cell，PEMFC)，是最典型的燃料电池之一，仅需要通入氢气和空气即可产生电能，具有工作温度低、启动迅速、过载能力大、能量转化效率高、环境友好、能量密度高、可靠性高等特点，是一种应用前景广阔的新能源发电装置。
但PEMFC是一个多输入、多输出、不确定的非线性时变系统，由于受多参数的影响导致其输出特性很难控制。常规PEMFC的功率控制大多按电堆的设计功率进行，但由于实际参数与设计参数可能不一致，电堆实际的额定输出功率会与设计功率有偏差。正常情形下影响电堆的额定输出功率的主要因素较多，有温度与湿度、堆单片电压、氢气压力、空气流量等。温度太低会影响质子交换膜的反应活性，温度太高会降低堆内部湿度甚至会烧坏电堆，均对电堆输出功率不利。电堆单片电压过低，可能引起局部积水。氢气压力过低或AIR流量过低，会导致燃料供给不足。另外，电堆放置时间过长，可能导致质子交换膜湿度大幅降低，性能也随之下降。针对这一特性，国内外学者进行了大量研究并提出多种控制方法，从不同角度对PEMFC进行控制，以提高净输出功率。
现有技术中如公开号为CN110414157A的专利文献所提出的一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，应用电流变化率作为控制量，实现系统功率跟踪，其综合考虑了燃料电池外界负载、阴极空气流量、阳极氢气流量和电堆工作温度变化对电池输出特性的影响，并设计了一种多目标滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的输出功率、阴极空气流量、阴、阳极压差和电堆温度进行控制，在确保跟踪负载需求功率的同时，最大化系统的输出功率。
然而该技术方案至少存在下述缺陷：该技术方案是基于PEMFC的设计功率来对各参数进行控制，但由于实际参数与设计参数可能不一致，电堆实际的额定输出功率会与设计功率有偏差，极易出现在额定功率需求时电堆因无法输出额定功率而导致电堆端电压突然垮掉或损伤的现象。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对PEMFC受多参数的影响而导致其输出特性很难控制的问题，现有技术中如公开号为CN110414157A的专利文献提出了一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，然而该技术方案至少存在下述缺陷：该技术方案是基于PEMFC的设计功率来对各参数进行控制，但由于实际参数与设计参数可能不一致，电堆实际的额定输出功率会与设计功率有偏差，极易出现在额定功率需求时电堆因无法输出额定功率而导致电堆端电压突然垮掉或损伤的现象。
针对上述现有技术之不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的功率控制方法，所述功率控制方法包括以下步骤中的一个或几个：根据电堆的校验电堆数据分析得出电堆电压与电流的校验对应关系；在电堆实际运作时，根据实时获取到的实测电堆数据，结合校验对应关系分析得出计算端电压和实测端电压；利用计算端电压和实测端电压间的动态差异性分析得出当前电堆额定功率，并基于其来控制电堆的功率输出，其中，当前电堆额定功率可随电堆实际工况的不同而动态更新，以避免因负载功率不当或参数异常而导致的电堆损伤。
本发明基于电堆功率性能的变化最终要反映在端电压上的特性，对现已有的常规质子交换膜燃料电池系统的功率控制方法进行改进，提出了通过电堆电压与电流的实测对应关系，以设计功率时的电堆电压与电流的对应关系作比较，最后确定电堆当前可以输出的额定功率或最大功率的功率控制方法。并且，本申请针对电堆单片电压值过低或电堆温度值过高的情形，采用了特定算法来限制功率输出，从而避免电堆过载导致的电堆端电压突然垮掉或损伤的现象。
本申请所提出的功率控制方法主要通过利用电堆设计数据中的端电压、电流及参考温度、参考最低单片电压、参考氢气压力、参考空气流量的对应关系拟合公式，根据实测的电流值、温度值、最低单片电压值、氢气压力值、空气流量值按照拟合公式计算出理想的端电压值，再与实际的端电压测量值比较，以推算出当前电堆允许输出的额定功率。
根据一种优选实施方式，在检测到电堆温度值过高或电堆最低单片电压值过低时，通过功率控制的方式来使电堆内部温度降至警戒值以下和/或使电堆最低单片电压值升至警戒值以上。
针对现已有的常规PEMFC系统的功率控制方法，其在电堆温度过高超过限定值或堆最低单片电压过低时，会直接报警停机，长期使用将造成PEMFC性能下降及寿命缩短。对此，在本申请所提出的功率控制方法中，当出现电堆温度过高超过限定值或堆最低单片电压过低时，首先控制DCDC输出功率，让电堆功率降额，以降低温度或提高最低单片电压值，避免了不必要的系统停机，有利于PEMFC性能及寿命。
根据一种优选实施方式，所述校验对应关系可以是通过以下步骤中的一个或几个来得到的：预先对电堆的校验电堆数据进行拟合处理，可拟合得出电堆的额定输出功率参考公式，该额定输出功率参考公式用于指示电堆端电压与至少一个电堆相关参数之间的校验对应关系。
根据一种优选实施方式，额定输出功率参考公式可用于指示在电堆设定温度、正常堆单片电压、电堆氢气压力、电堆AIR流量下不同输出电流与端电压间的校验对应关系。
根据一种优选实施方式，所述实测电堆数据可包括在电堆实际运作时通过实测所得到的电堆温度值、电堆端电压值、电堆输出电流值、电堆最低单片电压值、电堆氢气压力值和电堆AIR流量值中的一个或几个。
根据一种优选实施方式，所述当前电堆额定功率可以通过下式计算得出：当前电堆额定功率＝电堆铭牌额定功率*测量端电压/计算端电压。
根据一种优选实施方式，所述计算端电压可以是通过将至少一个实测电堆数据代入用以指示所述校验对应关系的额定输出功率参考公式进行处理计算的方式得到的。
本申请还提出了一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统，其特征是，所述功率控制系统至少包括电堆、DC-DC转换器和控制器中的一个或几个，电堆的输出端与DC-DC转换器的输入端相连，控制器用于控制DC-DC转换器的输出功率，所述控制器被配置为执行上述功率控制方法。
本申请还提出了一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统，其特征是，所述功率控制系统至少包括：数据拟合模块，用于对获取到的校验电堆数据进行拟合处理，并拟合得出电堆端电压与至少一个电堆相关参数之间的校验对应关系；数据计算模块，用于结合所述校验对应关系，对获取到的实测电堆数据进行计算处理，得出可随电堆实际工况的不同而动态更新的当前电堆额定功率；控制器，用于基于由该数据计算模块处理得到的当前电堆额定功率来控制电堆的功率输出，以避免因负载功率不当或参数异常而导致的电堆损伤。
本申请摒弃了现已有的传统PEMFC系统的固定功率控制模式，而提出了根据电堆实时的电压、电流与温度等参数推算电堆实时的额定限制功率的功率控制系统，在该设置下，当电堆因某些原因比如搁置时间较长，而出现电堆内部质子交换膜干燥引起的暂时性能降低等此类情况时，PEMFC仍能够正常运行发电并能够逐渐恢复性能，大大延长了本身价格昂贵的电堆的使用寿命。本申请所提出的功率控制系统有效地保证了电堆的输出功率保持在合理范围内，延长了电堆使用寿命与系统运行时间。
根据一种优选实施方式，在所述控制器检测到电堆温度值过高或电堆最低单片电压值过低时，所述控制器可通过功率控制的方式来使电堆内部温度降至警戒值以下和/或使电堆最低单片电压值升至警戒值以上。
当因散热系统性能降低等原因，而导致电堆内部温度升高或某些原因导致堆单片电压降低时，在本申请所提出的功率控制系统中，控制器将控制DCDC适当降低输出功率，而避免了不必要的停机，从而保证系统的正常持续运行。
附图说明
图1是本发明提供的一种优选实施方式的功率控制系统的简化模块连接关系示意图。
附图标记列表
2：电堆 18：氢气压力传感器
19：AIR流量传感器 25：温度传感器
33：DC-DC转换器 38：电堆端电压传感器
39：电堆电流传感器 40：控制器
41：电堆单片电压采集模块
具体实施方式
如下先就本申请中所涉及到的相关概念及术语进行阐述，以便本领域技术人员进行理解。
PEMFC，proton exchange membrane fuel cell，即质子交换膜燃料电池。PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。电堆2工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两电极的反应分别为：阳极(负极)：2H2-4e＝4H+，阴极(正极)：O2+4e+4H+＝2H2O。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也就是每一PEMFC单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个PEMFC单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的PEMFC电堆2。
电堆2，其由多个PEMFC单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成PEMFC电堆2。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便H2和O2能顺利通达每一单电池。电堆2工作时，H2和O2分别由进口引入，经电堆2气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
DC-DC转换器33，DC(Direct current，直流)，其为可以将一个直流电压值的电能转换成另一个直流电压值的电能的装置，用于将PEMFC电堆2输出的一定范围内的输入电压转换成某一固定的或者可调的稳定直流输出电压。DC-DC转换器33一般由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成。
SOC，State of charge，即荷电状态，用来反映电池中剩余电荷的可用容量，其在数值上被定义为剩余容量(或称剩余电荷容量)Qremain占电池容量(或称标称/额定电荷容量)Qrated的比值，SOC＝Qremain/Qrated×100％。
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提出了一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统，该功率控制系统可主要包括数据采集模块、数据拟合模块、数据计算模块以及控制器40中的一个或几个。数据采集模块分别与数据拟合模块、数据计算模块、控制器40可进行信息交互，控制器40还可分别与数据拟合模块和数据计算模块进行信息交互。本申请中提及的模块/处理器/控制器40等，是指能够执行其相关步骤的硬件、软件或者结合的数据处理器。优选地，如图1所示，该功率控制系统可主要包括控制器40。由控制器40来执行下述数据采集模块、数据拟合模块以及数据计算模块的相关步骤。
该功率控制系统可通过数据采集模块来获取电堆信息，此电堆信息可包括实测电堆数据和/或校验电堆数据。该实测电堆数据可包括上述通过实测得到的电堆温度值、电堆端电压值、电堆输出电流值、电堆最低单片电压值、电堆氢气压力值和电堆AIR流量值中的一个或几个。
如图1所示，该功率控制系统可包括电堆2、温度传感器25、电堆端电压传感器38与电堆电流传感器39、电堆单片电压采集模块41、氢气压力传感器18、AIR流量传感器19中的一个或几个。电堆的输出端与DC-DC转换器33的输入端相连。控制器40可用于控制DC-DC转换器33的输出功率。各传感器及电堆单片电压采集模块41均可与数据采集模块进行信息交互。优选地，各传感器及电堆单片电压采集模块41均可与控制器40进行信息交互。
该温度传感器25可设置在PEMFC电堆冷却液出口处，用于测量电堆内部的温度，其测量值为电堆温度值。该电堆端电压传感器38用于测量电堆输出端的电压，其测量值为电堆端电压值。该电堆电流传感器39用于测量电堆输出端的电流，其测量值为电堆输出电流值。该电堆单片电压采集模块41用于测量电堆中各单片的电压值，并将其测量得到的各单片电压值中的最小值作为电堆最低单片电压值。该氢气压力传感器18用于测量PEMFC电堆氢气入口的氢气压力，其测量值为电堆氢气压力值。该AIR流量传感器19用于测量PEMFC电堆空气入口的AIR流量，其测量值为电堆AIR流量值。
该校验电堆数据可以是指该电堆在正常出厂时的校验数据，可包括在电堆设定温度、正常堆单片电压、电堆氢气压力、电堆AIR流量下不同输出电流与端电压的对应关系，可包括电堆铭牌额定功率。
该功率控制系统可通过数据拟合模块对由数据采集模块所获取到的电堆信息进行拟合处理。该数据拟合模块根据该校验电堆数据，可拟合得出电堆端电压与其余参数之间的函数关系。该数据拟合模块将该函数关系作为电堆在正常出厂时的额定输出功率参考公式。
该功率控制系统可通过数据计算模块计算得出电堆在实际工况运行时的当前电堆额定功率。现有技术中大多数都采用预先设置电堆额定功率的技术方案，然而在此类技术方案下，当电堆实际运行时，不可避免会出现实际参数与预先得到的校验参数不一致或者电堆性能改变的情况，其将导致电堆无法输出额定功率，电堆严重过载，电堆端电压突然垮掉。本申请所提出的功率控制系统是根据实际情况来实时计算当前电堆额定功率，采用当前电堆额定功率对电堆输出进行限制，可避免电堆过载问题。数据采集模块将其采集到的实测电堆数据发送至该数据计算模块，该数据计算模块根据由数据拟合模块所拟合得到的额定输出功率参考公式，对实测电堆数据进行处理计算，其计算结果为计算端电压。数据计算模块根据实测电堆数据中由电堆端电压传感器38所采集到的电堆端电压，确定测量端电压。数据计算模块可根据电堆计算端电压与测量端电压间的差异，推算得出当前电堆工况下所允许的当前电堆额定功率。数据计算模块可以是但不限于通过下式来得出当前电堆额定功率：当前电堆额定功率＝电堆铭牌额定功率*测量端电压/计算端电压。
该控制器40可采用由该数据计算模块处理得到的当前电堆额定功率来限制电堆功率输出。该控制器40将当前电堆额定功率作为输出DC-DC转换器33的控制参数，控制DC-DC转换器33的最大输出功率。从而达到控制电堆输出功率的目的。可避免负载功率超过电堆的实际允许功率或参数异常而导致电堆损伤的问题。
该控制器40在检测到电堆最低单片电压值过低时，可通过功率控制的方式来使该电堆最低单片电压值保持在正常值之上。优选地，若电堆最低单片电压值过低，该控制器40通过增加限制功率的方式来使得该电堆最低单片电压值升至警戒值之上。若电堆最低单片电压值在警戒值以上，该控制器40以正常功率限制电堆输出。
该控制器40在检测到电堆温度值过高时，可通过功率控制的方式来使该电堆温度值保持在正常值之上。以避免温度过高而频繁报警停机或对电堆造成损坏。优选地，若电堆温度值过高，该控制器40通过增加限制功率的方式来保证该电堆温度值降至警戒值之下。若电堆温度值在警戒值以下，该控制器40以正常功率限制电堆输出。增加限制功率，即控制DC-DC转换器33适当降低实际输出功率。
实施例2
本实施例提出了一种质子交换膜燃料电池的功率控制方法，不同于传统PEMFC系统中的固定功率控制模式，本申请所提出的功率控制方法根据电堆实时的电压、电流与温度等参数推算电堆实时的额定限制功率，不仅可以在性能下降的情况下保证电堆的正常运行并逐步主动恢复性能，并且极大地延长了价格昂贵的电堆的使用寿命。该功率控制方法包括以下步骤中的一个或几个：
S1：预先对校验电堆数据进行拟合处理，拟合得出电堆端电压与其余参数之间的函数关系，并将其作为电堆在正常出厂时的额定输出功率参考公式。
S2：将转换器设置为电流控制工作模式。
S3：根据与DC-DC转换器33输出相连的外部蓄电池的SOC或其它途径，来确定电堆的功率需求。
S4：实时获取由温度传感器25、电堆端电压传感器38与电堆电流传感器39、电堆单片电压采集模块41、氢气压力传感器18、AIR流量传感器19中的一个或几个所采集到的实测电堆数据，并将其代入拟合得到的额定输出功率参考公式进行计算，得出电堆的计算端电压值。
S5：根据电堆计算端电压与测量端电压间的差异，推算得出当前电堆工况下所允许的当前电堆额定功率，并将其作为电堆需求功率的限制功率。
S6：在检测到电堆温度值过高时，或在检测到电堆最低单片电压值过低时，增加限制功率，即控制DC-DC转换器33适当降低实际输出功率。从而使电堆内部温度降至警戒值以下和/或使电堆最低单片电压值升至警戒值以上。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程/方法/步骤中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解的是这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，步骤的序号如S1、S2、S3等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的功率控制方法，其特征是，所述功率控制方法包括以下步骤中的一个或几个：
根据质子交换膜燃料电池中电堆的校验电堆数据分析得出电堆电压与电流的校验对应关系；
在电堆实际运作时，根据实时获取到的实测电堆数据，结合校验对应关系分析得出计算端电压和实测端电压；
利用计算端电压和实测端电压间的动态差异性分析得出当前电堆额定功率，并基于其来控制电堆的功率输出，
其中，当前电堆额定功率可随电堆实际工况的不同而动态更新，以避免因负载功率不当或参数异常而导致的电堆损伤。
2.根据权利要求1所述的功率控制方法，其特征是，在检测到电堆温度值过高或电堆最低单片电压值过低时，通过功率控制的方式来使电堆内部温度降至警戒值以下和/或使电堆最低单片电压值升至警戒值以上。
3.根据权利要求2所述的功率控制方法，其特征是，所述校验对应关系可以是通过以下步骤中的一个或几个来得到的：
预先对电堆的校验电堆数据进行拟合处理，可拟合得出电堆的额定输出功率参考公式，该额定输出功率参考公式用于指示电堆端电压与至少一个电堆相关参数之间的所述校验对应关系。
4.根据权利要求3所述的功率控制方法，其特征是，额定输出功率参考公式可用于指示在电堆设定温度、正常堆单片电压、电堆氢气压力、电堆AIR流量下不同输出电流与端电压间的校验对应关系。
5.根据权利要求4所述的功率控制方法，其特征是，所述实测电堆数据可包括在电堆实际运作时通过实测所得到的电堆温度值、电堆端电压值、电堆输出电流值、电堆最低单片电压值、电堆氢气压力值和电堆AIR流量值中的一个或几个。
6.根据权利要求5所述的功率控制方法，其特征是，所述当前电堆额定功率可以通过下式计算得出：当前电堆额定功率=电堆铭牌额定功率*测量端电压/计算端电压。
7.根据权利要求6所述的功率控制方法，其特征是，所述计算端电压可以是通过将至少一个实测电堆数据代入用以指示所述校验对应关系的额定输出功率参考公式进行处理计算的方式得到的。
8.一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统，其特征是，所述功率控制系统至少包括电堆（2）、DC-DC转换器（33）和控制器（40）中的一个或几个，电堆的输出端与DC-DC转换器（33）的输入端相连，控制器（40）用于控制DC-DC转换器（33）的输出功率，所述控制器（40）被配置为执行如权利要求1~7任一项所述的功率控制方法。
9.一种质子交换膜燃料电池的功率控制系统，其特征是，所述功率控制系统至少包括：数据拟合模块，用于对获取到的校验电堆数据进行拟合处理，并拟合得出电堆端电压与至少一个电堆相关参数之间的校验对应关系；
数据计算模块，用于结合所述校验对应关系，对获取到的实测电堆数据进行计算处理，得出可随电堆实际工况的不同而动态更新的当前电堆额定功率；
控制器，用于基于由该数据计算模块处理得到的当前电堆额定功率来控制电堆的功率输出，以避免因负载功率不当或参数异常而导致的电堆损伤。
10.根据权利要求9所述的功率控制系统，其特征是，在所述控制器检测到电堆温度值过高或电堆最低单片电压值过低时，所述控制器可通过功率控制的方式来使电堆内部温度降至警戒值以下和/或使电堆最低单片电压值升至警戒值以上。
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