CN112820900A - 一种燃料电池増程器供气系统及控制方法 - Google Patents

一种燃料电池増程器供气系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池増程器供气系统及控制方法，包括上位机系统、增程器、供气系统和控制电路，供气系统包括空气供给系统、氢气供给系统、供给控制硬件和供给控制软件，供给控制硬件包括主控制器和副控制器，供给控制软件包括数据采集、数据传输、控制决策、故障自检和测试监控平台；本发明通过空气流量和压力相对控制以及氢气压力跟随控制，提高了燃料电池增程式电动汽车整车动力性能，增加了电池电堆的安全性，通过自带冷却装置的空气压缩机可提高整个系统集成度，同时氢气循环方案使氢气得到循环利用、加湿氢气和防电堆内部堵水，进而延长了尾气阀排气周期，避免由排气造成的电堆两侧压差剧增而缩短质子交换膜使用寿命。

Description

一种燃料电池増程器供气系统及控制方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车领域，尤其涉及一种燃料电池増程器供气系统及控制方法。
背景技术
燃料电池増程器是用于提升纯电动汽车的一次性续驶里程，即在纯电动汽车上增设燃料电池发电系统作为另一个能量源。目前匹配纯电动汽车的燃料电池増程器大多采用的是石墨板燃料电池堆，结合常压(无背压)燃料电池辅件系统作为增压器，且仅作为车载充电器输出恒定功率为动力蓄电池组充电，并未直接作用于动力输出；
常压燃料电池増程器虽控制方式简单，但存在着体积功率密度低、运行温度低、对增湿要求高、以及系统耐久性差等难以克服的困难，因此，本发明提出一种燃料电池増程器供气系统及控制方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种燃料电池増程器供气系统及控制方法，该燃料电池増程器供气系统及控制方法通过以金属双极板燃料电池堆的无外增湿、高温、高压、高功率密度增压器系统的设计方案，实现了空气流量和压力相对控制以及氢气压力跟随控制，提高了燃料电池增程式电动汽车整车动力性能，增加了电池电堆的安全性，通过自带冷却装置的空气压缩机可提高整个系统集成度，同时氢气循环方案使氢气得到循环利用、加湿氢气和防电堆内部堵水，进而延长了尾气阀排气周期，避免由排气造成的电堆两侧压差剧增而缩短质子交换膜使用寿命。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种燃料电池増程器供气系统，包括上位机系统、增程器、供气系统和控制电路，所述供气系统包括空气供给系统、氢气供给系统、供给控制硬件和供给控制软件，所述空气供给系统将滤清空气经空气压缩机加压后输送至燃料电池堆阴极侧，所述氢气供给系统采用氢气循环方案将足量氢气燃料输送至燃料电池堆阳极侧，所述供给控制硬件包括主控制器和副控制器，所述供给控制软件包括数据采集、数据传输、控制决策、故障自检和测试监控平台，所述控制电路包括核心系统、电源模块、数字I/O模块、AD/DA模块、驱动模块和通讯模块。
进一步改进在于：所述空气压缩机内部自带冷却装置，所述氢气循环方案具体循环方法为氢气经压缩存储在车载高压钢罐中，由减压阀将氢气压力减至2-3Bar，以便电动调压阀安全调节入堆氢气压力，氢气循环泵促进电堆内部氢气流动，可带出未反应的氢气及反应所生成的水，包括气态水和液态水，其中液态水由汽水分离器收集，和反应中跨界氮气一并通过尾气阀适时开启排出，而气态水和未反应的氢气将循环至入堆口。
进一步改进在于：所述主控制器根据整车发出的指令，协调控制各部件工作状态，一方面发出控制指令，另一方面采集处理数据，最后将增程器运行状态一同反馈至上位机系统。
进一步改进在于：所述副控制器完成对空气供给系统中的空气压缩机、氢气供给系统中的氢气循环泵和电压巡检的检测与控制，并反馈至上位机系统。
进一步改进在于：所述数据采集包括对传感器和执行机构反馈信息的采集；所述数据传输是控制主控制器与副控制器之间、主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间的数据通讯传输；所述控制决策输出各执行机构的控制量；所述故障自检对系统运行的每一个环节进行自检，对出现的故障进行记录，并进入紧急工作状态；所述测试监控平台是基于LabVIEW上位机开发设计，用于实时、直观的表示系统工作状态，方便增程器工作状态的监视与控制。
进一步改进在于：所述主控制器与副控制器之间财通RS485通讯方式实现通讯，所述主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间均通过CAN总线实现通讯。
一种燃料电池増程器供气系统控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、启动系统等待自检，通过主控制器与副控制器的控制对整车进行控制指令的发出与数据的采集处理；
步骤二、主控制器与副控制器对控制电路与空气供给系统和氢气供给系统进行互联和控制；
步骤三、空气供给系统，利用背压节气门调节入堆空气压力，同时利用解耦控制算法对空气供给系统进行控制，其中以最佳过量系数2.5供应入堆空气流量输入至燃料电池堆阴极侧；
步骤四、氢气供给系统，采用纯氢做燃料，将氢气压力随动系统的参考量设置为推进空气压力，将此压力下的氢气输入燃料电池堆阳极侧，保证阳极与阴极的压力同升降。
本发明的有益效果为：本发明通过以金属双极板燃料电池堆的无外增湿、高温、高压、高功率密度增压器系统的设计方案，实现了空气流量和压力相对控制以及氢气压力跟随控制，提高了燃料电池增程式电动汽车整车动力性能，增加了电池电堆的安全性，通过自带冷却装置的空气压缩机可提高整个系统集成度，同时氢气循环方案使氢气得到循环利用、加湿氢气和防电堆内部堵水，进而延长了尾气阀排气周期，避免由排气造成的电堆两侧压差剧增而缩短质子交换膜使用寿命。
附图说明
图1为本发明空气供给系统结构图。
图2为本发明氢气供给系统结构图。
图3为本发明供给控制硬件结构框图。
图4为本发明供给控制软件结构框图。
图5为本发明控制器主程序流程图。
图6为本发明空气供给系统MPIDNN控制程序流程图。
图7为本发明氢气供给系统模糊PID控制程序流程图。
图8为系统监控平台首页界面。
图9为对气体供给控制试验界面。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-7所示，本实施例提供了一种燃料电池増程器供气系统及控制方法，包括上位机系统、增程器、供气系统和控制电路，所述供气系统包括空气供给系统、氢气供给系统、供给控制硬件和供给控制软件，所述空气供给系统将滤清空气经空气压缩机加压后输送至燃料电池堆阴极侧，所述氢气供给系统采用氢气循环方案将足量氢气燃料输送至燃料电池堆阳极侧，所述供给控制硬件包括主控制器和副控制器，所述供给控制软件包括数据采集、数据传输、控制决策、故障自检和测试监控平台，所述控制电路包括核心系统、电源模块、数字I/O模块、AD/DA模块、驱动模块和通讯模块。
所述空气供给系统是将一定流量与压力的滤清空气输送至燃料电池堆阴极侧，高压燃料电池系统采用空气压缩机提高氧气分压，增大氧气体积浓度，所述空气经过滤网滤除杂质，再由空气压缩机进行加压后输送至电堆阴极侧，维持电堆内部电化学反应，出堆空气经背压节气门排入大气中，当负载功率请求发生变化时，由空气压缩机完成空气流量响应，同时，背压节气门配合动作，维持空气压力稳定，所述经过空气压缩机加压后的空气，温度会明显上升，为避免温度过高的反应气体会将质子交换膜热解，一般都会利用中冷器部件对加压后的空气进行降温，所选空气压缩机自带冷却装置，此处无中冷器部件，可提高整个系统集成度。
所述空气压缩机内部自带冷却装置，所述氢气循环方案具体循环方法为所述氢气经压缩存储在车载高压钢罐HS-1中，由减压阀将氢气压力减至2-3Bar，以便电动调压阀安全调节入堆氢气压力。氢气循环泵促进电堆内部氢气流动，可带出未反应的氢气及反应所生成的水(气态水和液态水)，其中液态水由汽水分离器收集，和反应中跨界氮气一并通过尾气阀V-103适时开启排出，而气态水和未反应的氢气将循环至入堆口，一方面提高氢气利用率，另一方面对入堆氢气进行加湿。所述此循环结构可起到循环利用、加湿氢气和防电堆内部堵水作用，进而延长了尾气阀排气周期，避免由排气造成的电堆两侧压差剧增而缩短质子交换膜使用寿命。考虑到长时间停车时，空气中的氮气会跨界到阳极，因此增加了小型低压氢气罐HS-2，在停车时，由电磁阀V101、V102配合动作，HS-2供气维持阳极压力。
所述主控制器根据整车发出的指令，协调控制各部件工作状态，一方面发出控制指令，包括发送给副控制器的控制命令和各电磁阀、调节阀、背压节气门、电子水泵和散热风扇等相关部件的控制命令；另一方面采集处理数据，包括副控制器上传的空气压缩机、氢气循环泵、电压巡检等反馈信息，以及各温度、压力、流量、电磁阀等状态数据，最后将增程器运行状态一同反馈至上位机系统。
为减少主控制器CAN总线通讯负荷，所述副控制器负责完成对空气供给系统中的空气压缩机、氢气供给系统中的氢气循环泵和电压巡检的检测与控制，首先，接收来自主控制指令，通过CAN总线发送至空气压缩机、氢气循环泵和电压巡检；其次，采集相关部件工作状态信息，并反馈至主控制器，并反馈至上位机系统。
所述数据采集包括对传感器和执行机构反馈信息的采集，所述数据传输是控制主控制器与副控制器之间、主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间的数据通讯传输；
所述控制决策主要包括空气流量-压力控制程序和氢气压力控制程序，此外，还应包括温度控制程序，由各控制决策输出相应执行机构的控制量；
所述故障自检在系统运行的每一个环节应有故障自检程序，对出现的故障进行记录，并进入紧急工作状态，以防发生安全事故；
所述测试监控平台是基于LabVIEW上位机开发设计，用于实时、直观的表示系统工作状态，目的是以图形化界面实现良好的人机交互，方便增程器工作状态的监视与控制。
所述高压燃料电池増程器系统，为避免反应气体压力失衡而损坏质子交换膜，提出供气控制要求：
(1)在负载功率请求发生变化时，即输出电流发生变化时，反应气体流量供给需快速调节，以满足电化学反应需求量。
(2)空气流量调节过程中，其压力应保持稳定，即实现空气供给流量与压力相对独立控制。
(3)任何情况下，都应保持电堆两侧压力同升降，以保护质子交换膜。
(4)为提高氢气循环加湿效果，需保持阴极侧的压力高于阳极侧压力10～30kPa作为约束条件，且为了避免质子交换膜的因压力差损坏，次压力差不得高于30kPa。
所述主控制器与副控制器之间财通RS485通讯方式实现通讯，所述主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间均通过CAN总线实现通讯。
一种燃料电池増程器供气系统控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、启动系统等待自检，通过主控制器与副控制器的控制对整车进行控制指令的发出与数据的采集处理；
步骤二、主控制器与副控制器对控制电路与空气供给系统和氢气供给系统进行互联和控制；
步骤三、空气供给系统，利用背压节气门调节入堆空气压力，同时利用解耦控制算法对空气供给系统进行控制，其中以最佳过量系数2.5供应入堆空气流量输入至燃料电池堆阴极侧；
步骤四、氢气供给系统，采用纯氢做燃料，将氢气压力随动系统的参考量设置为推进空气压力，将此压力下的氢气输入燃料电池堆阳极侧，保证阳极与阴极的压力同升降。
下位机程序开发是在MPLABX环境下利用C语言完成的，主要包括整个系统启停、运行逻辑程序设计，数据采集程序设计，供气控制程序设计，故障自检程序设计以及通讯程序设计等，其中
(1)控制器主程序，流程图如图5所示，控制器在上电开机后，完成对系统初始化任务，如系统时钟和IO口配置，A/D、D/A、PWM、RS485、CAN通讯等外设模块配置；当系统初始化完毕后，需完成系统开机自检，如各传感器初始值、各电磁阀初始动作位置、冷却水液位等自检；随即进入主程序的while死循环，在循环过程中，通过轮询和定时器中断的方式触发待处理任务，调用相关任务处理子程序处理相应任务，在主程序死循环中，首先，由入堆水温度对开机方式进行判断，若低于55℃，则设置电堆输出电流为60A进行怠速暖机，直至入堆水温度≥55℃，进入变载就绪状态；接着，读取相应的设置参数，如电堆温度、输出电流和入堆空气压力等设置参数；然后，由定时器中断触发空气、氢气、温度控制任务，根据采集数据调用相关控制程序输出控制量，并将相应数据发送至上位机和副控制；其次，由故障自检程序判断系统运行中是否存在故障，若存在，则发送故障码并进入故障安全关机流程；最后，读取关机指令判断是否关机，若读取到关机指令，则进入正常关机流程
(2)空气供给控制程序，完成控制需完成空气供给流量与压力的控制，采用MPIDNN实现入堆空气流量-压力相对独立的控制，根据目标函数不断调整网络中各权值，并进行流量与压力的控制以达到广义解耦控制效果。在主程序中将空气控制周期设置为0.1s，有定时器3中断调用该子程序，其流程如图6所示，空气控制的工作内容是将空气流量实际值与其期望值，空气压力实际值与其期望值分别输至各自子网络，通过输入层，隐含层的比例元、积分元、微分元和输出层计算限幅输出空压机和背压节气门的控制量，然后由计算的目标函数对隐含层至输出层的权值和输入层至隐含层的权值进行梯度修正，最后更新网络参数和保存当前时刻变量值，返回主程序；
(3)氢气供给控制程序，氢气压力跟随控制由模糊PID控制实现，利用误差与误差变化率在线修正KP、KI、KD，其控制周期同样设置为0.1s，由定时器4中断调用，氢气压力模糊PID控制程序流程如图7所示，进入氢气压力控制程序后，首先，获取当前入堆氢气压力的实际值与入堆空气压力的实际值，由空氢压差设置为10kPa来计算当前误差值和误差变化率；然后，根据写入控制器的模糊控制规则计算得出ΔKP、ΔKI、ΔKD，对当前KP、KI、KD进行修正；接着，由修正参数后的PID控制器计算输出值，限幅输出调压阀的控制量；最后保存各变量，返回主程序。
在NI公司LabVIEW软件平台上，完成了上位机监控平台的设计，可供试验PC机和车载Wince单板电脑所用。如图8所示为系统监控平台首页界面，利用了大量逼真图形显示系统工艺结构，设计出具有良好的人机交互图形界面
在图8中，包括了系统工艺流程监控、通讯连接、控制方式、电压巡检、工作状态与故障查询等板块。系统启动后，打开通信设备完成与下位机通信连接，接着需选择系统控制方式，当选择手动方式时，所有执行机构的控制量均在监控界面给出，主要是用于系统联调时功能验证所用；当选择自动方式时，只需人为控制辅助电源输出、模拟负载开端和输出电流设定值，其他执行机构的给定设置均为禁用状态。当处于自动控制方式下，工作状态板块会显示系统正处于哪个工作状态(开机自检、暖机怠速、变载就绪、故障关机)；电压巡检板块简洁显示出关键电压信息(单片电压最大、最小值，对应的通道号，以及是否需要片电压保护)；故障状态板块则是显示故障码，以便查找故障原因。
对气体供给控制试验界面，如图9所示，包括了电压巡检单片电池电压显示，气体流量和气体压力的曲线显示界面，其目的是为试验过程中更直观观察控制效果。
程序框图，包括了通讯程序、数据转换处理程序、事件触发程序、数据库创建程序以及个数据保存程序。同时，为提高程序效率和数据保存频率，本设计创建了两个线程并行执行：一个线程为完成数据收发；另一个线程完成数据定时保存。
该燃料电池増程器供气系统及控制方法通过以金属双极板燃料电池堆的无外增湿、高温、高压、高功率密度增压器系统的设计方案，实现了空气流量和压力相对控制以及氢气压力跟随控制，提高了燃料电池增程式电动汽车整车动力性能，增加了电池电堆的安全性，通过自带冷却装置的空气压缩机可提高整个系统集成度，同时氢气循环方案使氢气得到循环利用、加湿氢气和防电堆内部堵水，进而延长了尾气阀排气周期，避免由排气造成的电堆两侧压差剧增而缩短质子交换膜使用寿命。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：包括上位机系统、增程器、供气系统和控制电路，所述供气系统包括空气供给系统、氢气供给系统、供给控制硬件和供给控制软件，所述空气供给系统将滤清空气经空气压缩机加压后输送至燃料电池堆阴极侧，所述氢气供给系统采用氢气循环方案将足量氢气燃料输送至燃料电池堆阳极侧，所述供给控制硬件包括主控制器和副控制器，所述供给控制软件包括数据采集、数据传输、控制决策、故障自检和测试监控平台，所述控制电路包括核心系统、电源模块、数字I/O模块、AD/DA模块、驱动模块和通讯模块。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：所述空气压缩机内部自带冷却装置，所述氢气循环方案具体循环方法为氢气经压缩存储在车载高压钢罐中，由减压阀将氢气压力减至2-3Bar，以便电动调压阀安全调节入堆氢气压力，氢气循环泵促进电堆内部氢气流动，可带出未反应的氢气及反应所生成的水，包括气态水和液态水，其中液态水由汽水分离器收集，和反应中跨界氮气一并通过尾气阀适时开启排出，而气态水和未反应的氢气将循环至入堆口。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：所述主控制器根据整车发出的指令，协调控制各部件工作状态，一方面发出控制指令，另一方面采集处理数据，最后将增程器运行状态一同反馈至上位机系统。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：所述副控制器完成对空气供给系统中的空气压缩机、氢气供给系统中的氢气循环泵和电压巡检的检测与控制，并反馈至上位机系统。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：所述数据采集包括对传感器和执行机构反馈信息的采集；所述数据传输是控制主控制器与副控制器之间、主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间的数据通讯传输；所述控制决策输出各执行机构的控制量；所述故障自检对系统运行的每一个环节进行自检，对出现的故障进行记录，并进入紧急工作状态；所述测试监控平台是基于LabVIEW上位机开发设计，用于实时、直观的表示系统工作状态，方便增程器工作状态的监视与控制。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统，其特征在于：所述主控制器与副控制器之间财通RS485通讯方式实现通讯，所述主控制器与上位机系统之间、副控制器与执行机构之间均通过CAN总线实现通讯。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池増程器供气系统控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、启动系统等待自检，通过主控制器与副控制器的控制对整车进行控制指令的发出与数据的采集处理；
步骤二、主控制器与副控制器对控制电路与空气供给系统和氢气供给系统进行互联和控制；
步骤三、空气供给系统，利用背压节气门调节入堆空气压力，同时利用解耦控制算法对空气供给系统进行控制，其中以最佳过量系数2.5供应入堆空气流量输入至燃料电池堆阴极侧；
步骤四、氢气供给系统，采用纯氢做燃料，将氢气压力随动系统的参考量设置为推进空气压力，将此压力下的氢气输入燃料电池堆阳极侧，保证阳极与阴极的压力同升降。
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