CN113206274B

CN113206274B - 一种燃料电池系统的水含量的控制方法和装置

Info

Publication number: CN113206274B
Application number: CN202110760239.9A
Authority: CN
Inventors: 方川; 盛有冬; 赵兴旺; 高云庆; 刘然
Original assignee: Beijing Sinohytec Co Ltd
Current assignee: Beijing Sinohytec Co Ltd
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2041-07-06
Also published as: CN113206274A

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统的水含量的控制方法和装置，该方法应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，包括：当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，从而实现了对燃料电池的水含量进行在线闭环控制，进而提高了燃料电池的可靠性。

Description

一种燃料电池系统的水含量的控制方法和装置

技术领域

本发明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水含量的控制方法和装置。

背景技术

随着传统汽车的排放对环境污染问题的影响越来越严重，新能源汽车成了解决汽车尾气排放的重要途径，其中具有能量效率高、充氢时间短、续航里程长、对空气有净化作用等优点的燃料电池汽车越来越受到大家的重视。

车载燃料电池系统主要由燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统和冷却子系统组成。燃料电池的工作原理是氢气和氧气在电堆内部的质子交换膜两侧反应，并在空气侧生成水。生成的水如果不及时排掉，会造成水淹，但是如果排的过干则会造成膜干，水淹和膜干都会影响系统运行。电堆内反应生成的水一般通过两种方式排出，第一种：在空气侧生成的水，直接被空气带走，空气的温度和流量及压力都会影响携水能力；第二种：空气侧生成的水会通过质子交换膜渗透到氢气侧，氢气侧的水需要通过开启尾排阀排到系统外部。燃料电池系统运行时，控制电堆内部水含量的状态达到一个合适的平衡点对提高电堆性能和使用寿命具有重要的作用。

现有技术中，一般通过测量电堆的交流阻抗来识别电堆内部的水含量，根据该水含量进行水含量闭环控制，或者，系统按照标定好的工况参数运行，无水含量闭环调节功能。然而，现有技术中上述控制方式存在以下问题：

1.大部分测量交流阻抗的设备都是离线设备，无法实现在线测量；

2.在线交流阻抗测量的设备都处在摸索阶段，测量精度不够高，只能作为关机阶段的参考；

3.若无水含量闭环控制的系统，会导致系统状态朝着一个方向发展，大大降低系统使用寿命。

因此，如何实现对燃料电池的水含量进行在线闭环控制，进而提高燃料电池的可靠性，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种燃料电池系统的水含量的控制方法，用以解决现有技术中无法实现对燃料电池的水含量进行在线闭环控制，导致燃料电池可靠性低的技术问题。

该方法应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，包括：

当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；

若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；

根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制。

优选的，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量，具体为：

根据预设公式确定所述实时含水量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

其中，w为所述实时水含量，Duty(t)为所述实时氢喷占空比，AvgDuty为所述平均值。

优选的，所述预设运行参数包括尾排阀开启时长、和或氢气循环泵的转速、和或冷却水的水温、和或空气流量。

优选的，根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，具体为：

若所述实时水含量大于所述预设目标水含量，延长所述尾排阀开启时长，和或降低所述氢气循环泵的转速，和或提高所述冷却水的水温，和或提高所述空气流量；

若所述实时水含量小于所述预设目标水含量，缩短所述尾排阀开启时长，和或提高所述氢气循环泵的转速，和或降低所述冷却水的水温，和或降低所述空气流量。

相应的，本发明还提供一种燃料电池系统的水含量的控制装置，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，所述装置包括：

第一确定模块，用于当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；

第二确定模块，用于若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；

控制模块，用于根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制。

优选的，所述第二确定模块，具体用于：

根据预设公式确定所述实时含水量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

优选的，所述控制模块，具体用于：

相应的，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如上所述的燃料电池系统的水含量的控制方法。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

在包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，使用氢喷占空比对水含量进行估计后对水含量进行在线闭环控制，能够在一定程度上缓解水淹程度逐渐增大的趋势，并可以有效地缓解电堆膜干造成的衰减，通过维持燃料电池系统运行时的水含量在合理范围内，有效延长了电堆的使用寿命，进而提高了燃料电池的可靠性。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明实施例中燃料电池系统中氢气子系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中尾排阀开启后的流通截面示意图；

图3示出了本发明实施例一种燃料电池系统的水含量的控制方法的流程示意图；

图4示出了本发明另一实施例一种燃料电池系统的水含量的控制方法的流程示意图；

图5示出了本发明实施例一种燃料电池系统的水含量的控制装置的结构示意图；

图1中，1、电堆；2、氢气喷射器；3、氢气循环泵；4、分水器；5、尾排阀。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如图1所示，氢气喷射器2和尾排阀5属于燃料电池系统中的氢气子系统，在一些实施例中，该氢气子系统还包括电堆1、氢气循环泵3和分水器4。氢气喷射器2用于向电堆1供氢，氢气喷射器2周期内的打开时间是通过调整PWM信号的占空比实现的，例如，PWM信号为高电平(5V)时，控制氢气喷射器2开启喷射驱动，PWM信号为低电平(0V)时，控制氢气喷射器2停止喷射驱动。

在电堆1中氢气与空气进行反应，反应后的阳极出堆混合物从电堆1流出后进入分水器4，并经尾排阀5排出，氢气喷射器2和分水器4之间还连接氢气循环泵3。

根据压降公式dp/dz=KQ/s，压降(dp/dz)与有效流通面的截面积(s)成反比关系，若压降(dp/dz)一定，氢气流量(Q)与截面积(s)正相关，K为特征参数，跟尾排阀的结构有关系，可以根据实验的方式测定出来。打开尾排阀排气分为3个过程，即排水过程，气液混排过程和排气过程，排水过程可以看作气体的流通面积为0，因此此时的氢气流量为0；随着水的排出，尾排阀的有效流通面积逐渐变成图2所示状态，此时氢气的有效流通面积慢慢变大，氢气流量也逐渐变大；当液态水全部排出时，氢气流量达到最大。

本申请实施例提供一种燃料电池系统的水含量的控制方法，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值。

本实施例中，实时监测氢气喷射器的氢喷占空比（也即PWM信号的占空比），当检测到尾排阀开启时，确定在尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比，然后确定各历史氢喷占空比的平均值。

可以理解的是，本领域技术人员可灵活设定不同的预设数量。

步骤S102，若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量。

尾排阀开启后，需要保持一定时长，以便排出一定量的水，若尾排阀的开启时长达到预设时长，获取氢气喷射器的实时氢喷占空比，根据该实时氢喷占空比和上述平均值确定燃料电池的实时水含量。

本领域技术人员可根据实际情况灵活设定不同的预设时长。

为了准确的确定燃料电池的实时水含量，在本申请优选的实施例中，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量，具体为：

根据预设公式确定所述实时含水量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

本实施例中，因为氢气流量和氢喷占空比正相关，可以根据上述方式估算出实时水含量。

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，其他根据实时氢喷占空比和所述平均值确定实时水含量的方式均属于本申请的保护范围。

步骤S103，根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制。

本实施例中，预先根据实验结果标定预设目标水含量，在获取实时水含量后，根据该实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制。

需要说明的是，步骤S102和步骤S103是持续并行进行的，直至尾排阀关闭，从而实现对预设运行参数的闭环控制。

为了可靠的对水含量进行控制，在本申请优选的实施例中，所述预设运行参数包括尾排阀开启时长、和或氢气循环泵的转速、和或冷却水的水温、和或空气流量。

冷却水的水温为冷却子系统中冷却水的水温，空气流量为空气子系统中的空气流量，本领域技术人员可根据实际需要选择不同的预设运行参数对水含量进行控制，不同的预设运行参数并不影响本申请的保护范围。

为了可靠的对预设运行参数进行控制，在本申请优选的实施例中，根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，具体为：

本实施例中，若实时水含量大于预设目标水含量，说明燃料电池的水含量仍然较高，需要进一步降低水含量，可延长所述尾排阀开启时长，和或降低所述氢气循环泵的转速，和或提高所述冷却水的水温，和或提高所述空气流量；若实时水含量小于预设目标水含量，说明此时燃料电池的水含量较低，不需要进一步降低水含量，可缩短所述尾排阀开启时长，和或提高所述氢气循环泵的转速，和或降低所述冷却水的水温，和或降低所述空气流量。

可以理解的是，若实时水含量等于预设目标水含量，说明水含量合适，保持预设运行参数不变。

对各预设运行参数的具体控制方式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或历史运行情况灵活设定对不同的预设运行参数的控制幅度，这并不影响本申请的保护范围。

通过应用以上技术方案，在包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，使用氢喷占空比对水含量进行估计后对水含量进行在线闭环控制，能够在一定程度上缓解水淹程度逐渐增大的趋势，并可以有效地缓解电堆膜干造成的衰减，通过维持燃料电池系统运行时的水含量在合理范围内，有效延长了电堆的使用寿命，进而提高了燃料电池的可靠性。

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水含量的控制方法，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，如图4所示，具体过程如下：

1、燃料电池系统运行后，需要持续采集实时的氢喷占空比；

2、尾排阀开启后，取尾排阀开启前 N 个周期的氢喷占空比的平均值AvgDuty;

3、等待尾排阀开启时间> t1；

4、若尾排阀开启时间> t1，根据实时氢喷占空比Duty(t)计算实时水含量w，直到尾排阀关闭：

实时水含量w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )；

目标水含量w_tar 可通过标定得到；

△u = w–w_tar；

5、根据△u对燃料电池系统与水含量相关的预设运行参数进行闭环控制：

例如：

若△u > 0 ，则可以采取延长尾排阀开启时长，和或降低氢气循环泵的转速，和或提高冷却水的水温，和或提高空气流量等措施；

若△u < 0 ，则可以采取缩短尾排阀开启时长，和或提高氢气循环泵的转速，和或降低冷却水的水温，和或降低空气流量等措施。

其中，对实时水含量进行计算和对预设运行参数进行闭环控制是并行进行的。

与本申请实施例中的一种燃料电池系统的水含量的控制方法相对应，本申请实施例还提出了一种燃料电池系统的水含量的控制装置，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，如图5所示，所述装置包括：

第一确定模块501，用于当检测到所述尾排阀开启时，根据所述氢气喷射器在所述尾排阀开启前预设数量的周期的历史氢喷占空比确定各所述历史氢喷占空比的平均值；

第二确定模块502，用于若所述尾排阀的开启时长达到预设时长，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量；

控制模块503，用于根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制。

在本申请具体的应用场景中，所述第二确定模块502，具体用于：

根据预设公式确定所述实时含水量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

在本申请具体的应用场景中，所述预设运行参数包括尾排阀开启时长、和或氢气循环泵的转速、和或冷却水的水温、和或空气流量。

在本申请具体的应用场景中，所述控制模块503，具体用于：

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种燃料电池系统的水含量的控制方法，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，其特征在于，所述方法包括：

根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制；

其中，根据所述氢气喷射器的实时氢喷占空比和所述平均值确定所述燃料电池的实时水含量，具体为：

根据预设公式确定所述实时水含量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设运行参数包括尾排阀开启时长、和/或氢气循环泵的转速、和/ 或冷却水的水温、和/ 或空气流量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制，具体为：

若所述实时水含量大于所述预设目标水含量，延长所述尾排阀开启时长，和/ 或降低所述氢气循环泵的转速，和/ 或提高所述冷却水的水温，和/ 或提高所述空气流量；

若所述实时水含量小于所述预设目标水含量，缩短所述尾排阀开启时长，和/ 或提高所述氢气循环泵的转速，和/ 或降低所述冷却水的水温，和/ 或降低所述空气流量。

4.一种燃料电池系统的水含量的控制装置，应用于包括氢气喷射器和尾排阀的燃料电池系统中，其特征在于，所述装置包括：

控制模块，用于根据所述实时水含量和预设目标水含量对与水含量相关的预设运行参数进行控制；

其中，所述第二确定模块，具体用于：

根据预设公式确定所述实时水含量，所述预设公式具体为：

w = 1–(Duty(t)–AvgDuty )

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述预设运行参数包括尾排阀开启时长、和/或氢气循环泵的转速、和/ 或冷却水的水温、和/ 或空气流量。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制模块，具体用于：

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如权利要求1-3任一项所述的燃料电池系统的水含量的控制方法。