CN113161588B - 一种燃料电池系统的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的控制方法和装置，该方法包括：若距离排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；基于预设目标压力与氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能旁通氢喷向氢气系统腔体供氢；根据排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，第一PWM信号用于使能引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢，从而在燃料电池系统运行过程中，对引射氢喷、旁通氢喷和排气阀进行协调控制，确保了无论排气阀是否打开，实际入堆氢气压力与目标入堆氢气压力的差值均在允许范围内，增强了燃料电池系统的鲁棒性。

Description

一种燃料电池系统的控制方法和装置

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池系统的控制方法和装置。

背景技术

燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。燃料电池系统是由燃料电池堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统和控制系统等组成，各系统协同工作确保燃料电池处于预期工作状态。

燃料电池系统在运行过程中，必须保持氢气系统腔体的入堆氢气压力为目标入堆氢气压力。由于氮气和水蒸气不断从燃料电池系统的空气侧向氢气侧渗透，导致氢气系统腔体的杂质气体浓度不断升高，必须间歇打开排气阀将杂质气体从氢气系统腔体中排出。排气阀打开期间，氢气系统腔体的入堆氢气压力快速降低，当入堆氢气压力过低时，将导致燃料电池系统的性能降低、寿命衰减。

对于引射器式氢气系统来说，取消了氢气循环泵，导致氢气系统腔体内的气体流动速度完全依赖于引射器的工作性能。引射器本身并不能完全补偿排气阀开启期间的入堆氢气压力下降。有方案指出，在引射器与引射氢喷支路的前端、后端并联一个旁通氢喷和旁通管路，但是，现有技术中并没有将引射氢喷、旁通氢喷、排气阀进行协调控制的方案，导致无法在燃料电池系统运行过程中保证氢气系统腔体内稳定的氢气压力。

因此，如何在在燃料电池系统运行过程中实现对引射氢喷、旁通氢喷、排气阀的协调控制，进而提高燃料电池系统的鲁棒性，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出一种燃料电池系统的控制方法，用以解决现有技术中在燃料电池系统运行过程中氢气系统腔体内的氢气压力稳定性差的技术问题。

该方法应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，包括：

若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；

基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；

根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；

其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请一些实施例中，基于预设目标压力与进入所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢，具体为：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请一些实施例中，在基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢之后，所述方法还包括：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀；

其中，所述第二预设时长小于所述预设时间间隔。

在本申请一些实施例中，根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷，具体为：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

在本申请一些实施例中，在关闭所述旁通氢喷之后，所述方法还包括：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

相应的，本发明还提出了一种燃料电池系统的控制装置，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，所述装置包括：

锁定模块，用于若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；

供氢模块，用于基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；

控制模块，用于根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；

其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请一些实施例中，所述供氢模块，具体用于：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请一些实施例中，所述装置还包括排气模块，用于：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀；

其中，所述第二预设时长小于所述预设时间间隔。

在本申请一些实施例中，所述控制模块，具体用于：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

在本申请一些实施例中，所述供氢模块，还用于：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

本发明公开了一种燃料电池系统的控制方法和装置，该方法包括：若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢，从而在燃料电池系统运行过程中，对引射氢喷、旁通氢喷和排气阀进行协调控制，确保了无论排气阀是否打开，实际入堆氢气压力与目标入堆氢气压力的差值均在允许范围内，增强了燃料电池系统的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地 ，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中燃料电池氢气系统原理示意图；

图2示出了本发明实施例提出的一种燃料电池系统的控制方法的流程示意图；

图3示出了本发明另一实施例提出的一种燃料电池系统的控制方法的流程示意图；

图4示出了本发明实施例提出的一种燃料电池系统的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

燃料电池堆是由多片燃料电池单片按照负极-正极-负极-正极重复的方式进行串联而成，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气（空气）供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道。不同介质流道间，用密封材料进行密封。

如图1所示，燃料电池电堆氢气侧包括氢气进气歧管、单片氢气流道、氢气排气歧管，在氢气进气歧管前端配备入堆氢气压力传感器Pin。来自储氢气瓶的高压氢气，可经由旁通氢喷进入氢气进气歧管。来自储氢气瓶的高压氢气可经由引射氢喷进入引射器高压腔，引射器高压腔内气体压力高于入堆氢气压力，在压力差作用下，引射器高压腔形成高速射流的气体，喷射进入氢气进气歧管。高速射流气体外周形成负压腔，由于气液分离器内气体压力高于负压腔内气体压力，在压力差作用下，气液分离器内气体流动到引射器回流口（即为回流气体），并与引射器高压腔高速射流的气体按照相同的流动方向进入氢气进气歧管（即为汇流气体），从而带动氢气系统腔体内的气体循环流动。在气液分离器底部配备有排水阀，用于排出气液分离器内聚集的液态水。在气液分离器侧部配备有排气阀，用于排出氢气系统腔体内的混合气体。

本申请实施例提出一种燃料电池系统的控制方法，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比。

本实施例中，为了在燃料电池运行过程中及时排出杂质气体，排气阀是按照预设时间间隔开启的，例如，每一小时开启一次。第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经引射器向氢气系统腔体供氢，是根据预设目标压力与氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值确定的。其中，当前入堆氢气压力为所述氢气系统腔体的入口处的当前进气压力。

若距离排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比，以使引射氢喷按照恒定占空比的PWM信号进行工作。

其中，根据该第一差值确定第一PWM信号的具体过程对于本领域技术人员是显而易见的，在此不再赘述。

本领域技术人员可根据实际需要灵活设定第一预设时长，这并不影响本申请的保护范围。

为了保证燃料电池的可靠性，在本申请优选的实施例中，在锁定第一PWM信号的占空比之前，所述方法还包括：

根据所述第一差值确定所述第一PWM信号；

基于所述第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

本实施例中，在燃料电池运行过程中，基于预设目标压力作为引射氢喷的闭环控制目标，根据第一差值确定所述第一PWM信号，并基于第一PWM信号使能引射氢喷经引射器向氢气系统腔体供氢。

步骤S102，基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

本实施例中，由于在距离排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长时要开启排气阀，为避免在排气过程中入堆氢气压力过低，此时需要预先开启旁通氢喷，提高入堆氢气压力。基于预设目标压力作为旁通氢喷的闭环控制目标，并使能旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

为了使旁通氢喷可靠工作，在本申请优选的实施例中，基于预设目标压力与进入所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢，具体为：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

其中，根据该第一差值确定第二PWM信号的具体过程对于本领域技术人员是显而易见的，在此不再赘述。

为了可靠的控制排气阀，在本申请一些实施例中，在基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢之后，所述方法还包括：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀。

本实施例中，在达到开启时刻时，为了及时排出杂质气体，开启排气阀进行排气，为了避免排气时间过长造成氢气压力过低，在排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭排气阀。

第一预设时长小于预设时间间隔，本领域技术人员可根据实际需要灵活设定第一预设时长，这并不影响本申请的保护范围。

步骤S103，根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷。

本实施例中，排气阀的状态包括开启状态和关闭状态，根据该排气阀的状态、当前入堆氢气压力和预设目标压力控制旁通氢喷。

为了可靠的对旁通氢喷进行控制，在本申请一些实施例中，根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷，具体为：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

本实施例中，若排气阀在关闭状态且当前入堆氢气压力与预设目标压力的第二差值大于预设阈值，说明当前入堆氢气压力过高，而排气阀也在关闭状态，为避免当前入堆氢气压力继续升高，此时可以关闭旁通氢喷，以阻断从旁通氢喷进入氢气系统内腔的氢气。

需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他根据排气阀的状态、当前入堆氢气压力和预设目标压力控制旁通氢喷的方式均属于本申请的保护范围。

为了保证燃料电池系统的可靠性，在本申请优选的实施例中，在关闭所述旁通氢喷之后，所述方法还包括：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢，从而只通过引射氢喷供氢即可满足氢气系统内腔的入堆氢气压力需求。

通过应用以上技术方案，在包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢，从而在燃料电池系统运行过程中，对引射氢喷、旁通氢喷和排气阀进行协调控制，确保了无论排气阀是否打开，实际入堆氢气压力与目标入堆氢气压力的差值均在允许范围内，增强了燃料电池系统的鲁棒性。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

本申请实施例提供一种燃料电池系统的控制方法，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S201，开始。

步骤S202，引射氢喷采用目标入堆氢气压力为闭环控制目标，根据目标入堆氢气压力与实际入堆氢气压力的差值，确定引射氢喷PWM占空比,并使能引射氢喷动作模式。

本实施例中，引射氢喷PWM占空比即引射氢喷的PWM信号的占空比，实际入堆氢气压力即当前入堆氢气压力。

步骤S203，判断是否再经过ts时间以后要开启排气阀，若是执行步骤S204，否则继续执行步骤S202。

步骤S204，锁定引射氢喷PWM占空比。

步骤S205，旁通氢喷采用目标入堆氢气压力为闭环控制目标，根据目标入堆氢气压力与实际入堆氢气压力差值，确定旁通氢喷PWM占空比,并使能旁通氢喷动作模式。

本实施例中，旁通氢喷PWM占空比即旁通氢喷的PWM信号的占空比。

步骤S206，判断是否排气阀开启持续时间达到了预设时间长度。若是执行步骤S207，否则继续执行步骤S204。

步骤S207，关闭排气阀。

步骤S208，判断是否实际入堆氢气压力与目标入堆氢气压力之差>阈值Pth。若是执行步骤S209，否则继续步骤S208。

步骤S209，关闭旁通氢喷，并执行步骤S202。

与本申请实施例中的一种燃料电池系统的控制方法相对应，本申请实施例还提出了一种燃料电池系统的控制装置，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，如图4所示，所述装置包括：

锁定模块401，用于若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；

供氢模块402，用于基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；

控制模块403，用于根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；

其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请具体的应用场景中，所述供氢模块402，具体用于：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

在本申请具体的应用场景中，所述装置还包括排气模块，用于：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀；

其中，所述第二预设时长小于所述预设时间间隔。

在本申请具体的应用场景中，所述控制模块403，具体用于：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

在本申请具体的应用场景中，所述供氢模块402，还用于：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的控制方法，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，其特征在于，所述方法包括：

若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；

基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；

根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；

其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于预设目标压力与进入所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢，具体为：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢之后，所述方法还包括：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀；

其中，所述第二预设时长小于所述预设时间间隔。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷，具体为：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在关闭所述旁通氢喷之后，所述方法还包括：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

6.一种燃料电池系统的控制装置，应用于包括氢气系统腔体、引射器、引射氢喷、旁通氢喷和排气阀的燃料电池系统中，其特征在于，所述装置包括：

锁定模块，用于若距离所述排气阀下一次的开启时刻的时长不大于第一预设时长，锁定第一PWM信号的占空比；

供氢模块，用于基于预设目标压力与所述氢气系统腔体的当前入堆氢气压力的第一差值使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢；

控制模块，用于根据所述排气阀的状态、所述当前入堆氢气压力和所述预设目标压力控制所述旁通氢喷；

其中，所述排气阀是按照预设时间间隔开启的，所述第一PWM信号是根据所述第一差值确定的，所述第一PWM信号用于使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述供氢模块，具体用于：

根据所述第一差值确定第二PWM信号；

基于所述第二PWM信号使能所述旁通氢喷向所述氢气系统腔体供氢。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括排气模块，用于：

若达到所述开启时刻，开启所述排气阀；

若所述排气阀的开启持续时长达到第二预设时长，关闭所述排气阀；

其中，所述第二预设时长小于所述预设时间间隔。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制模块，具体用于：

若所述排气阀在关闭状态且所述当前入堆氢气压力与所述预设目标压力的第二差值大于预设阈值，关闭所述旁通氢喷。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述供氢模块，还用于：

根据所述第一差值确定新的第一PWM信号，并基于所述新的第一PWM信号使能所述引射氢喷经所述引射器向所述氢气系统腔体供氢。

Images