CN113254865A - 一种燃料电池系统内部参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统内部参数计算方法，属于燃料电池领域。本发明包括如下步骤：控制器给定氢喷不同占空比的扰动指令，使氢喷的入堆压力和回流压力均产生波动；基于气体压力波动频谱的变化得出：引射器回流流量与引射器回流氢压、引射器入口氢压、入堆氢压及气体压力波动频谱半径的关系；基于上述的关系式及气体压力波动频谱半径计算得到实际引射器回流流量。本发明是通过在电堆在稳定工作时利用压力扰动产生系统响应的方式来计算引射器回流流量。能够解决基于引射器的本体，在不添加额外采集设备上，利用引射器及系统特性在线计算评估出引射器回流流量的多少，从而在减少系统成本的基础上得到实际引射回流流量的多少。

Description

一种燃料电池系统内部参数计算方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池系统内部参数计算方法。

背景技术

随着石油及化工资源的不断减少，对新能源的发展及要求也越来越高，其中燃料电池作为新能源的一种，是将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置，具备环境友好、无污染等特点。

燃料电池发动机系统是利用储存在氢瓶中的氢气与来自空气中的氧气之间发生电化学反应产生电能，氢气在燃料电池阳极侧发生反应，在电堆阳极侧连接有排气阀，氢气回流泵或氢引射器。其中排气阀是将氢腔中的杂质气体给排出腔体，这些杂质气体主要是从阴极侧串漏到阳极侧的氮气，这些随着氮气的不断累积会导致氢腔内的氢浓度降低，如不及时将杂质气体排出会导致电堆性能的降低。氢气回流泵或者氢引射器是将氢腔中未反应完的气体通过回流的方式再次进入电堆，其中回流量的氢流量的多少及氢浓度的大小对电堆性能也有很大的影响。因此，氢气回流路的氢气流量的多少会直接关系到电堆的性能，以及氢气利用率的高低。如何通过一种手段或者方法去获得氢气回流路的氢流量的多少，目前的方式方法还不是很多，其中系统中如采用氢气循环泵的方式进行氢回流，那么可通过氢气循环泵的转速进行估算回流的氢流量，但是随着系统的不断迭代升级，引射器开始替代氢气循环泵作为氢气循环的主要方式，主要是因其结构简单、价格便宜、不易结冰等优势，但是使用引射器回流氢气时，由于引射器的结构特征导致无法直接获得被循环的氢流量，因此在使用引射器的系统中如何有效的获得回流的氢流量目前还有待提高。

目前相关的专利的数量描述相对较少，例如中国公开的专利CN 112563539 B 一种集成流量测量功能的燃料电池引射器及流量测量方法 ，是引射器结构中在扩压室前端和扩压室后端设置测压点两个测压点之间设置压差传感器，采集实时压差值，利用引射器结构带来的文丘里效应，再通过文丘里测压原理计算出引射器回流流量。但是，上述专利需要在引射器结构中添加压差传感器，使得整个系统结构的设计添加了额外的零部件，空间布局上有很高的要求，使得系统的成本变高，不利于广泛的应用。

因此，亟需提供一种燃料电池系统内部参数计算方法，以解决现有技术中需要在引射器结构中添加压差传感器才能在线计算评估出引射器回流流量多少的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统内部参数计算方法，其在不添加额外采集设备上，利用引射器及系统特性在线计算评估出引射器回流流量的多少，从而在减少系统成本的基础上得到实际引射回流流量的多少。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种燃料电池系统内部参数计算方法，包括以下步骤：

S100：控制器给定氢喷不同占空比的扰动指令，使氢喷的入堆压力和回流压力均产生波动；

S200：基于气体压力波动频谱的变化得出：引射器回流流量与引射器回流氢压、引射器入口氢压、入堆氢压及气体压力波动频谱半径的关系；

S300：基于上述的关系式及气体压力波动频谱半径计算得到实际引射器回流流量。

进一步地，S100的具体方法为：设P₁为引射器出口压力或入堆压力，P₂为引射器入口压力或氢喷出口压力，P₃为引射器回流入口压力，氢喷采用氢气入堆压力P1为闭环控制目标，作为氢喷占空比调控的第一输入源；按照预设周期T_excit产生一个均值为零、波峰和波谷幅值分别为∆d_excit/2和-∆d_excit/2、波峰和波谷各占T_excit/2时间的方波，作为氢喷占空比调控的第二输入源；第一输入源和第二输入源叠加，作为氢喷实际控制占空比。

进一步地，S200的具体方法包括：

S201：建立复数坐标系；

S202：将引射器入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器回流口压力波动矢量之差”的矢量，这两个矢量幅值在复数坐标系进行画图，以圆心为起点的不同频率点对应矢量；

S203：计算圆心位置和半径。

进一步地，S201的具体方法为：

通过给定引射器前端氢喷在同一工作点下时不同周期的扰动T，扰动后的引射器入口压力、入堆氢气压力、引射器回流压力均会产生相同的压力波动，将三者压力波动的图形通过快速傅里叶变换的方式，将时域内压力信号实数x(n)转换为频域内压力信号复数X(k),波动幅值和相位，如下式所示，其中N、n分别为总采样数、采样编号，T_sample为采样周期，j为虚部单位，基准频率为1/N/T_sample，k为目标频率与基准频率的比值，

。

进一步地，S202的具体方法为：

通过给定氢喷一个的扰动周期后得到∆P₂、∆P₁、∆P₃、∆P₁-∆P₃、∆P₂/(∆P₁-∆P₃)频域内压力的波动矢量变化值，引射器入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器回流口压力波动矢量之差”的矢量，通过将上述矢量幅值在复数坐标系进行画图。

进一步地，将上述矢量幅值在复数坐标系进行画图的具体方法为：在复数坐标系中A表示圆心位置，B为圆与实轴左侧交点，C为圆与实轴右侧交点，以圆心为起点的不同频率点对应矢量，如频率从高到低对应的矢量端点分别是FZ₁、FZ₂、FZ₃、FZ₄。

进一步地，引射器入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器回流口压力波动矢量之差”的矢量，这两个矢量在复数坐标系中保持平行，每个工况点下两个矢量幅值之比固定。

进一步地，S203的具体方法为

设定n个扰动点矢量的端点坐标分别为（x₁,y₁），（x₂,y₂）…，（x_n-1,y_n-1），（x_n,y_n），设圆心位置为（z,0），圆半径为r；每个矢量端点与圆心之间的距离平方、再与圆半径平方作差，总误差项为e；通过线性方程Y=aX+b的系数a、b，其中Y=y_i*y_i+x_i*x_i，X=2x_i，a=z，b=r²-z²，i是从1到n的正整数，采用最小二乘法拟合的方式求解系数，即可得到圆心位置和半径。

进一步地，e的计算公式如下式所示：

。

进一步地，S300中的具体的计算方法为下式：

，

其中r_circle为气体压力波动频谱半径,无单位，Q_Tgt为电堆当前工况下理论消耗氢流量,单位SLPM，Q_BackFlow为引射器回流流量,单位SLPM，P_BackFlow为引射器回流口压力,单位kPa，P_InStack为入堆氢气压力,单位kPa，T_gas为气体温度,单位K，C为引射器出口管路的流阻系数,单位SLPM/K。

与现有技术相比，本发明提供的燃料电池系统内部参数计算方法，在燃料电池系统正常工作时，燃料电池控制器给定氢喷发送不同占空比的扰动指令，通过控制器采集到引射器回流氢压、引射器入口氢压、入堆氢压的压力波动值，通过计算压力波动矢量的变化得出，引射回流流量与引射器回流氢压、引射器入口氢压、入堆氢压的关系，进一步通过换算后得出引射回流流量。即通过利用压力扰动产生系统响应的方式来计算引射器回流流量。本发明是通过在电堆在稳定工作时利用压力扰动产生系统响应的方式来计算引射器回流流量。在控制器内部进行计算得到当前工况下引射器回流流量，如当前回流量不满足需求可通过调节引射器入口压力进一步提高引射回流量。本发明能够解决基于引射器的本体，在不添加额外采集设备上，利用引射器及系统特性在线计算评估出引射器回流流量的多少，从而在减少系统成本的基础上得到实际引射回流流量的多少。

附图说明

图1为本发明实施例的燃料电池系统的引射器及电堆的结构示意图；

图2为本发明实施例的氢喷占空比波动与系统氢气压力波动预期；

图3为本发明实施例的引射器入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器回流口压力波动矢量之差”的矢量的复数坐标系图；

图4为本发明实施例中以引射器入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器回流口压力波动矢量之差”的矢量两个矢量所画的圆的图形。

附图标记：

1-引射器；2-电堆。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种燃料电池系统内部参数计算方法，下面结合附图进行阐述，如图1所示，引射器1设置在电堆2入堆之前的位置，P₁为引射器1出口压力或入堆压力，P₂为引射器1入口压力或氢喷出口压力，P₃为引射器1回流入口压力。当引射器1正常工作时气体通过氢喷给定至引射器1入口的高压的P₂气体，进入引射器1后将引射回流口气体循环至引射器1出口。引射器1前端的氢喷采用入堆氢气压力P₁为闭环控制目标，作为氢喷占空比d_pwm调控第一输入源；按照预设周期T_excit产生一个均值为零、波峰和波谷幅值分别为∆d_excit/2和-∆d_excit/2、波峰和波谷各占T_excit/2时间的方波，作为氢喷占空比调控第二输入源；第一输入源和第二输入源叠加，作为氢喷实际控制占空比。预期地，引射器1高压腔压力在稳态压力P₂基础上叠加一个周期为T_excit、幅值为∆P₂、相位为φ₂的正弦波压力波动，入堆氢气压力在稳态压力P₁基础上叠加一个周期为T_excit、幅值为∆P₁、相位为φ₁的正弦波压力波动，引射器1回流口压力在稳态压力P₃基础上叠加一个周期为T_excit、幅值为∆P₃、相位为φ₃的正弦波压力波动，三个压力波动之间，参考图2。

通过给定引射器1前端氢喷在同一工作点下时不同周期的扰动T，扰动后的引射器1入口压力、入堆氢气压力、引射器1回流压力均会产生相同的压力波动，将三者压力波动的图形通过快速傅里叶变换的方式，将时域内压力信号实数x(n)转换为频域内压力信号复数X(k)（波动幅值和相位），如下式所示，其中N、n分别为总采样数、采样编号，T_sample为采样周期，j为虚部单位，基准频率为1/N/T_sample，k为目标频率与基准频率的比值，

。

通过给定氢喷一个的扰动周期后得到∆P₂、∆P₁、∆P₃、∆P₁-∆P₃、∆P₂/(∆P₁-∆P₃)频域内压力的波动矢量变化值，引射器1入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器1回流口压力波动矢量之差”的矢量，两个矢量在复数坐标系中保持平行，每个工况点下两个矢量幅值之比固定，参考图3。

通过将上述矢量幅值在复数坐标系进行画图，参考图4，在复数坐标系中A表示圆心位置，B为圆与实轴左侧交点，C为圆与实轴右侧交点，以圆心为起点的不同频率点对应矢量，如频率从高到低对应的矢量端点分别是FZ₁、FZ₂、FZ₃、FZ₄。按照下述方法计算圆心的位置和半径：设定n个扰动点矢量的端点坐标分别为（x₁,y₁），（x₂,y₂）…，（x_n-1,y_n-1），（x_n,y_n），设圆心位置为（z,0），圆半径为r；每个矢量端点与圆心之间的距离平方、再与圆半径平方作差，总误差项为e；通过线性方程Y=aX+b的系数a、b，其中Y=y_i*y_i+x_i*x_i，X=2x_i，a=z，b=r²-z²，i是从1到n的正整数，采用最小二乘法拟合的方式求解系数，即可得到圆心位置和半径。

其中，e的计算公式如下式所示：

。

在电堆2相同工作点下，即工作时电堆2目标和实际电流相同条件下，通过给定氢喷不同的占空比扰动，使其入堆压力和回流压力均产生一定的波动，在基于上述阐述的气体压力波动频谱的变化可以得出，引射器1回流流量与入堆氢压、回流氢压及气体压力波动频谱半径的关系，再基于上述的关系式及压力波动时产生的频谱半径即可得到实际引射器1回流流量，具体计算公式如下式：

，

其中r_circle为气体压力波动频谱半径（无单位），Q_Tgt为电堆2当前工况下理论消耗氢流量（单位SLPM），Q_BackFlow为引射器1回流流量（单位SLPM），P_BackFlow为引射器1回流口压力（单位kPa），P_InStack为入堆氢气压力（单位kPa），T_gas为气体温度（单位K），C为引射器1出口管路的流阻系数（单位SLPM/K）。

本实施例提供的燃料电池系统内部参数计算方法，在燃料电池系统正常工作时，燃料电池控制器给定氢喷发送不同占空比的扰动指令，通过控制器采集到引射器1回流氢压、引射器1入口氢压、入堆氢压的压力波动值，通过计算压力波动矢量的变化得出，引射回流流量与引射器1回流氢压、引射器1入口氢压、入堆氢压的关系，进一步通过换算后得出引射回流流量。即通过利用压力扰动产生系统响应的方式来计算引射器1回流流量。本发明是通过在电堆2在稳定工作时利用压力扰动产生系统响应的方式来计算引射器1回流流量。在控制器内部进行计算得到当前工况下引射器1回流流量，如当前回流量不满足需求可通过调节引射器1入口压力进一步提高引射回流量。本发明能够解决基于引射器1的本体，在不添加额外采集设备上，利用引射器1及系统特性在线计算评估出引射器1回流流量的多少，从而在减少系统成本的基础上得到实际引射回流流量的多少。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100：控制器给定氢喷不同占空比的扰动指令，使氢喷的入堆压力和回流压力均产生波动；

S200：基于气体压力波动频谱的变化得出：引射器（1）回流流量与引射器（1）回流氢压、引射器（1）入口氢压、入堆氢压及气体压力波动频谱半径的关系；

S300：基于上述的关系式及气体压力波动频谱半径计算得到实际引射器（1）回流流量。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S100的具体方法为：设P₁为引射器（1）出口压力或入堆压力，P₂为引射器（1）入口压力或氢喷出口压力，P₃为引射器（1）回流入口压力，氢喷采用氢气入堆压力P₁为闭环控制目标，作为氢喷占空比调控的第一输入源；按照预设周期Texcit产生一个均值为零、波峰和波谷幅值分别为∆dexcit/2和-∆dexcit/2、波峰和波谷各占Texcit/2时间的方波，作为氢喷占空比调控的第二输入源；第一输入源和第二输入源叠加，作为氢喷实际控制占空比。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S200的具体方法包括：

S201：建立复数坐标系；

S202：将引射器（1）入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器（1）回流口压力波动矢量之差”的矢量，这两个矢量幅值在复数坐标系进行画图，以圆心为起点的不同频率点对应矢量；

S203：计算圆心位置和半径。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S201的具体方法为：

通过给定引射器（1）前端氢喷在同一工作点下时不同周期的扰动T，扰动后的引射器（1）入口压力、入堆氢气压力、引射器（1）回流压力均会产生相同的压力波动，将三者压力波动的图形通过快速傅里叶变换的方式，将时域内压力信号实数x(n)转换为频域内压力信号复数X(k),波动幅值和相位，如下式所示，其中N、n分别为总采样数、采样编号，T_sample为采样周期，j为虚部单位，基准频率为1/N/T_sample，k为目标频率与基准频率的比值，

。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S202的具体方法为：

通过给定氢喷一个的扰动周期后得到∆P₂、∆P₁、∆P₃、∆P₁-∆P₃、∆P₂/(∆P₁-∆P₃)频域内压力的波动矢量变化值，引射器（1）入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器（1）回流口压力波动矢量之差”的矢量，通过将上述矢量幅值在复数坐标系进行画图。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，将上述矢量幅值在复数坐标系进行画图的具体方法为：在复数坐标系中A表示圆心位置，B为圆与实轴左侧交点，C为圆与实轴右侧交点，以圆心为起点的不同频率点对应矢量，如频率从高到低对应的矢量端点分别是FZ₁、FZ₂、FZ₃、FZ₄。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，引射器（1）入口压力波动矢量与“入堆氢气压力波动矢量和引射器（1）回流口压力波动矢量之差”的矢量，这两个矢量在复数坐标系中保持平行，每个工况点下两个矢量幅值之比固定。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S203的具体方法为

设定n个扰动点矢量的端点坐标分别为（x₁,y₁），（x₂,y₂）…，（x_n-1,y_n-1），（x_n,y_n），设圆心位置为（z,0），圆半径为r；每个矢量端点与圆心之间的距离平方、再与圆半径平方作差，总误差项为e；通过线性方程Y=aX+b的系数a、b，其中Y=y_i*y_i+x_i*x_i，X=2x_i，a=z，b=r²-z²，i是从1到n的正整数，采用最小二乘法拟合的方式求解系数，即可得到圆心位置和半径。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，e的计算公式如下式所示：

。

10.根据权利要求1-9任一项所述的燃料电池系统内部参数计算方法，其特征在于，S300中的具体的计算方法为下式：

，

其中r_circle为气体压力波动频谱半径,无单位，Q_Tgt为电堆（2）当前工况下理论消耗氢流量,单位SLPM，Q_BackFlow为引射器（1）回流流量,单位SLPM，P_BackFlow为引射器（1）回流口压力,单位kPa，P_InStack为入堆氢气压力,单位kPa，T_gas为气体温度,单位K，C为引射器（1）出口管路的流阻系数,单位SLPM/K。

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