CN112652791B - 一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法 - Google Patents

一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，该方法由协调控制系统和氢燃料电池系统来实现，协调控制系统包括优化模块，氢燃料电池系统包括电堆和DC/DC变换器；优化模块根据所述混合动力汽车的当前工况确定氢燃料电池系统的目标功率，根据目标功率得到氢气给定信号和空气给定信号，采用氢气回路与空气回路各自的闭环反馈控制自动调节氢气与空气的压力和流量；提出优化策略，当功率偏差量值大于第一偏差阈值时，修正氢气给定信号和空气给定信号，实现氢气和氧气的协调控制，确保氢燃料电池按电堆进气功率曲线运行。可以自动快速调节氢气与空气的流量和压力，保证氢燃料电池系统输出功率稳定、快速达到目标功率输出。

Description

一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法。
背景技术
随着燃料电池技术的不断发展，燃料电池车型已经成为国内发展的主要趋势。氢燃料电池是一种通过与空气的化学反应而产生电能的装置，其副产物只有水，因此氢燃料电池的电堆反应是一个具有巨大滞后、不确定性和非线性等特性的化学过程，其中温度、压力等因素对电堆工作产生重要影响。氢燃料电池在使用过程中会消耗氢气和空气，同时燃料电池发电的产物使水，若燃料电池反应物氢气和空气的无法及时供给，并且氢燃料电池内部的温度和气体压力不能保持最佳范围。那么将影响氢燃料电池的发电效率以及持续发电时间。
中国专利文献“201910250830.2”提出的一种氢燃料电池的电堆装置及其控制方法，改善电堆内部气压不足的现象，做到电堆内部自身耗氢与内部均压的目的。中国发明专利“201910250812.4”提出一种能维持电堆压力平衡的发电系统及发电控制方法，可控制燃料电池排气过程中的最低气压，同时吹扫力度更强，连续发电时间更长。但是，以上专利都不能同时保证氢燃料电池的输出电流和输出电压保持在最佳范围以及氢气进气量和空气进气量的及时调控，造成了氢燃料电池的发电效率低下且持续发电时间较短。
考虑到以上问题，提出一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，提供一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，所述方法可以自动快速调节氢气与空气的流量和压力，保证氢燃料电池系统输出功率稳定、快速达到目标功率输出。
为实现上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
本发明实例提出了一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，该方法由协调控制系统和氢燃料电池系统来实现，协调控制系统包括优化模块、输出功率模块、第一控制器、第二控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一调压阀、第二调压阀和空压机，氢燃料电池系统包括氢燃料电池和DC/DC变换器；
该方法步骤如下：
(1)初始化：协调控制系统进入开机模式时，优化模块根据混合动力汽车的当前工况确定氢燃料电池系统的目标功率P0，依据目标功率P0和电堆进气功率曲线确定氢气初始信号Hs0、空气初始信号Os0和空压机转速给定信号VS0；设定第一控制器的氢气给定信号Hs＝Hs0，第二控制器的空气给定信号Os＝Os0；
(2)第二控制器按空压机转速给定信号VS0启动空压机，所述空压机用于将过滤后的空气通过第二调压阀送入氢燃料电池中；
(3)自动调节：氢气回路中，第一控制器根据氢气给定信号Hs和第一压力传感器检测的氢气进气压力Hp，调节第一调压阀的开合度，自动调节氢气的流量和压力；空气回路中，第二控制器根据空气给定信号Os和第二压力传感器检测的空气进气压力Op，调节第二调压阀的开合度，自动调节空气的流量和压力；
(4)优化模块计算DC/DC变换器输出功率的当前值P(k)与前一时刻值P(k-1)之差，得到功率增量ΔPt(k)，即：ΔPt(k)＝P(k)-P(k-1)，其中k表示当前时刻，k-1表示前一时刻；计算DC/DC变换器当前输出功率P(k)与目标功率P0之差，得到功率偏差ΔP(k)，即：ΔP(k)＝P(k)-P0；
(5)优化判断：设Ft表示变化量阈值，取大于0的常数，由氢燃料电池系统输出功率的控制精度确定，变化量阈值越小，精度越高；当|ΔPt(k)|≤Ft时，转入(6)，否则转入(3)；
(6)优化模块通过优化策略，修正氢气给定信号和空气给定信号，具体如下：
设F1、F2和F3分别为第一偏差阈值、第二偏差阈值和第三偏差阈值，且F2>F1，F3>F1，其值越小表示调节氢气与空气越频繁；设Os(k)和Hs(k)分别表示氢气给定信号Hs和空气给定信号Os的当前时刻值；设正数C1和C3为氢气给定信号的修正量，正数C2和C4为空气给定信号的修正量；
当|ΔP(k)|≤F1，空氢气给定信号和空气给定信号保持不变，即Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，转入(3)；
当ΔP(k)>0，F1<|ΔP(k)|≤F2时，Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，调整DC/DC变换器，使DC/DC的输出功率P(k)降低，直至|ΔP(k)|≤F1为止，转入(3)；
当ΔP(k)>0，|ΔP(k)|>F2时，减少氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)-C1，Os＝Os(k)-C2，转入(3)；
当ΔP(k)<0，|ΔP(k)|>F3时，增加氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)+C3，Os＝Os(k)+C4，转入(3)；
通过上述步骤(1)至(6)，实现氢气和氧气的协调控制，使DC/DC变换器输出功率与目标功率的功率偏差量的绝对值小于等于第一偏差阈值，即：|ΔP(k)|≤F1。
进一步，所述氢气回路：供氢气系统提供的氢气送入第一调压阀的入口，经第一调压阀后送入氢燃料电池系统，第一压力传感器检测第一调压阀输出处的氢气进气压力，第一控制器调整第一调压阀的开合度，所述第一调压阀为比例调节阀。
进一步，所述空气回路：经过滤器过滤过的空气送入空压机，再经第二调压阀后送入氢燃料电池系统，第二压力传感器检测第二调压阀输出处的空气进气压力，第二控制器调整第二调压阀的开合度，所述第二调压阀为比例调节阀。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)第一调压阀与第二调压阀均为比例控制阀，采用氢气回路与空气回路各自的闭环反馈控制自动调节氢气与空气的压力和流量，使氢燃料电池系统输出功率稳定；
(2)提出优化策略，修正氢气给定信号和空气给定信号，实现氢气和氧气的协调控制，以此来确保氢燃料电池按电堆进气功率曲线运行，提高了氢燃料电池系统输出功率效率，节省了能源；
(3)氢燃料电池系统输出功率以调节氢气与空气的流量和压力来实现为主，适当配合DC/DC变换器进行微调，可避免氢燃料电池系统频繁调节氢气与空气的流量和压力，提高氢燃料电池系统的快速性。
附图说明
图1是实施例提供的协调控制系统和氢燃料电池系统的结构图。
附图说明：1.氢燃料电池系统；1-1.氢燃料电池；1-2.DC/DC变换器；2.第一控制器；3.第二控制器；4.第一调压阀；5.第二调压阀；6.第一压力传感器；7.第二压力传感器；8.优化模块；9.输出功率模块；10.供氢气系统；11.过滤器；12.空压机。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供了一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，可以自动快速调节氢气与空气的流量和压力，保证氢燃料电池系统输出功率稳定、快速达到目标功率输出。
本发明提供的一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，可由协调控制系统和氢燃料电池系统1来实现，其结构如图1所示：协调控制系统包括第一控制器2、第二控制器3、第一调压阀4、第二调压阀5、第一压力传感器6、第二压力传感器7、输出功率模块9和空压机12；
氢燃料电池系统1包括氢燃料电池1-1和DC/DC变换器1-2；所述氢燃料电池1-1是指混合动力汽车用的氢燃料电池，氢燃料电池在发电过程中需要及时供给消耗氢气和空气，并且氢燃料电池内部的温度和气体压力保持最佳范围，燃料电池随着输出电流增大，输出电压减小的特性，具有输出特性软的缺点，因此，所述DC/DC变换器1-2是指具有良好的散热，高的动态性能的混合动力汽车用的DC/DC变换器，将氢燃料电池输出调节后再给混合动力汽车的驱动电机供电，所述混合动力汽车是指氢燃料电池-锂电池混合动力汽车。
该方法步骤如下：
(1)初始化：协调控制系统进入开机模式时，优化模块8根据混合动力汽车的当前工况确定氢燃料电池系统1的目标功率P0，依据目标功率P0和电堆进气功率曲线确定氢气初始信号Hs0、空气初始信号Os0和空压机12转速给定信号VS0；设定第一控制器2的氢气给定信号Hs＝Hs0，第二控制器3的空气给定信号Os＝Os0；
所述电堆进气功率曲线指氢燃料电池系统1输出功率与所需氢气量和空气量的关系曲线，可以通过实验测试得到，所述氢燃料电池系统1输出功率就是DC/DC变换器1-2输出功率；
(2)第二控制器3按空压机转速给定信号VS0启动空压机12，所述空压机12用于将过滤后的空气通过第二调压阀送入氢燃料电池中；
(3)自动调节：
氢气回路中，第一控制器2根据氢气给定信号Hs和第一压力传感器6检测的氢气进气压力Hp，计算其差值，再采用常规控制算法(如PID算法或模糊控制算法)，得到出控制信号HO，控制信号HO作用于第一调压阀4，通过自动调节第一调压阀4的开合度，实现自动调节氢气的流量和压力；
空气回路中，第二控制器3根据空气给定信号Os和第二压力传感器7检测的空气进气压力Op，计算其差值，再采用常规控制算法(如PID算法或模糊控制算法)，得到出控制信号OO，控制信号OO作用于第二调压阀5，通过自动调节第二调压阀5的开合度，实现自动调节空气的流量和压力；
(4)优化模块8计算DC/DC变换器1-2输出功率的当前值P(k)与前一时刻值P(k-1)之差，得到功率增量ΔPt(k)，即：ΔPt(k)＝P(k)-P(k-1)；计算DC/DC变换器1-2当前输出功率P(k)与目标功率P0之差，得到功率偏差ΔP(k)，即：ΔP(k)＝P(k)-P0；
(5)优化判断：设Ft表示变化量阈值，取大于0的常数，由氢燃料电池系统1输出功率的控制精度确定，变化量阈值越小，精度越高；当|ΔPt(k)|≤Ft时，转入(6)，否则转入(3)；
(6)优化模块通过优化策略，修正氢气给定信号和空气给定信号，具体如下：
设F1、F2和F3分别为第一偏差阈值、第二偏差阈值和第三偏差阈值，且F2>F1，F3>F1，其值越小表示调节氢气与空气越频繁；设Os(k)和Hs(k)分别表示氢气给定信号Hs和空气给定信号Os的当前时刻值；设正数C1和C3为氢气给定信号的修正量，正数C2和C4为空气给定信号的修正量；
当|ΔP(k)|≤F1，空氢气给定信号和空气给定信号保持不变，即Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，转入(3)；
当ΔP(k)>0，F1<|ΔP(k)|≤F2时，Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，采用常规采用脉宽调制技术，得到占空比可调的PWM波，调整DC/DC变换器1-2，使DC/DC变换器1-2的输出功率P(k)降低，直至|ΔP(k)|≤F1为止，转入(3)；
当ΔP(k)>0，|ΔP(k)|>F2时，减少氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)-C1，Os＝Os(k)-C2，转入(3)；
当ΔP(k)<0，|ΔP(k)|>F3时，增加氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)+C3，Os＝Os(k)+C4，转入(3)；
通过上述步骤(1)至(6)，实现氢气和氧气的协调控制，使DC/DC变换器1-2输出功率与目标功率的功率偏差量的绝对值小于等于第一偏差阈值，即：|ΔP(k)|≤F1。
进一步，氢气回路是指：供氢气系统10提供的氢气送入第一调压阀4的入口，经第一调压阀4后送入燃料电池系统1，第一压力传感器6检测氢气进气压力，第一控制器2调整第一调压阀4的开合度，所述第一调压阀4为比例调节阀。
进一步，空气回路是指是：经过滤器过滤过的空气送入空压机12，再经第二调压阀后5送入氢燃料电池系统1，第二压力传感器7检测空气进气压力，第二控制器3调整第二调压阀5的开合度，所述第二调压阀5为比例调节阀。
以上对本发明所提供的一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法进行了详细介绍，以上实施说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，其特征在于：该方法由协调控制系统和氢燃料电池系统来实现，协调控制系统包括优化模块、输出功率模块、第一控制器、第二控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一调压阀、第二调压阀和空压机，氢燃料电池系统包括氢燃料电池和DC/DC变换器；其中，第一调压阀为比例调节阀，第二调压阀为比例调节阀；
该方法步骤如下：
(1)初始化：协调控制系统进入开机模式时，优化模块根据混合动力汽车的当前工况确定氢燃料电池系统的目标功率P0，依据目标功率P0和电堆进气功率曲线确定氢气初始信号Hs0、空气初始信号Os0和空压机转速给定信号VS0；设定第一控制器的氢气给定信号Hs＝Hs0，第二控制器的空气给定信号Os＝Os0；
(2)第二控制器按空压机转速给定信号VS0启动空压机，所述空压机用于将过滤后的空气通过第二调压阀送入氢燃料电池中；
(3)自动调节：氢气回路中，第一控制器根据氢气给定信号Hs和第一压力传感器检测的氢气进气压力Hp，调节第一调压阀的开合度，自动调节氢气的流量和压力；空气回路中，第二控制器根据空气给定信号Os和第二压力传感器检测的空气进气压力Op，调节第二调压阀的开合度，自动调节空气的流量和压力；
(4)优化模块计算DC/DC变换器输出功率的当前值P(k)与前一时刻值P(k-1)之差，得到功率增量ΔPt(k)，即：ΔPt(k)＝P(k)-P(k-1)，其中k表示当前时刻，k-1表示前一时刻；计算DC/DC变换器当前输出功率P(k)与目标功率P0之差，得到功率偏差ΔP(k)，即：ΔP(k)＝P(k)-P0；
(5)优化判断：设Ft表示变化量阈值，取大于0的常数，由氢燃料电池系统输出功率的控制精度确定，变化量阈值越小，精度越高；当|ΔPt(k)|≤Ft时，转入步骤(6)，否则转入步骤(3)；
(6)优化模块通过优化策略，修正氢气给定信号和空气给定信号，具体如下：
设F1、F2和F3分别为第一偏差阈值、第二偏差阈值和第三偏差阈值，且F2>F1，F3>F1，F1、F2和F3的值越小表示调节氢气与空气越频繁；设Os(k)表示空气给定信号Os的当前时刻值，Hs(k)表示氢气给定信号Hs的当前时刻值；设正数C1和C3为氢气给定信号的修正量，正数C2和C4为空气给定信号的修正量；
当|ΔP(k)|≤F1，氢气给定信号和空气给定信号保持不变，即Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，转入步骤(3)；
当ΔP(k)>0，F1<|ΔP(k)|≤F2时，Os＝Os(k)，Hs＝Hs(k)，调整DC/DC变换器，使DC/DC的输出功率P(k)降低，直至|ΔP(k)|≤F1为止，转入步骤(3)；
当ΔP(k)>0，|ΔP(k)|>F2时，减少氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)-C1，Os＝Os(k)-C2，转入步骤(3)；
当ΔP(k)<0，|ΔP(k)|>F3时，增加氢气给定信号Hs和空气给定信号Os，即：Hs＝Hs(k)+C3，Os＝Os(k)+C4，转入步骤(3)；
通过上述步骤(1)至(6)，实现氢气和氧气的协调控制，使DC/DC变换器当前输出功率与目标功率的功率偏差量的绝对值小于等于第一偏差阈值，即：|ΔP(k)|≤F1。
2.根据权利要求1所述一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，其特征在于：所述氢气回路是指：
供氢气系统提供的氢气送入第一调压阀的入口，经第一调压阀后送入氢燃料电池系统，第一压力传感器检测第一调压阀输出处的氢气进气压力，第一控制器调整第一调压阀的开合度。
3.根据权利要求1所述一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，其特征在于：所述空气回路是指：
经过滤器过滤过的空气送入空压机，再经第二调压阀后送入氢燃料电池系统，第二压力传感器检测第二调压阀输出处的空气进气压力，第二控制器调整第二调压阀的开合度。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种氢燃料电池的氢气空气协调控制方法，其特征在于：可以自动快速调节氢气与空气的流量和压力，保证氢燃料电池系统输出功率稳定、快速达到目标功率输出。
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