CN113782791B - 车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统 - Google Patents

车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其是一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统。该方法包括：根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率；启动储氢罐单元为燃料电池堆供应氢气；若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，若整车工况处于稳态工况，启动螺杆式空压机为燃料电池堆供应氧气；计算与整车需求功率匹配的燃料电池堆的供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，调节氢气流量、氧气流量以及燃料电池堆的内部气压。本发明根据燃料电池实际工况的需要，控制燃料电池系统空气端空气的输入源，从而使得发动机能够更优的应对各种工况，使得空气流量和空气压力的控制更加准确、及时和稳定。

Description

车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机技术领域，尤其是一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池是质子交换膜燃料电池电动汽车的主要动力源泉。质子交换膜燃料电池在原理上实质为水电解反应的逆反应。对于单体电池而言，其结构包括了阳极、阴极和质子交换膜三个主要部分。其中，阴阳两极若含可加速反应的催化剂，则可使得阳极发生氢气的氧化反应，阴极发生还原反应。此外，伴随的反应的发生，由于质子交换膜的存在，电子不能直接从燃料电池内部穿透，必须通过外电路到达阴极，使电子移动，产生电能。因此燃料电池能作为电源使用。具体地，燃料电池包括端板、双极板、气体扩散层、催化剂层、和质子交换膜等部件组成。
用于工程实际时，通常会将单体电池串联起来，组成燃料电池组，形成电堆，而将质子交换膜燃料电池电堆应用于汽车中，还需要增加额外的辅助部件。应用于汽车供应时，质子交换膜燃料电池电堆可以划分为子系统、氢气供给子系统、热管理子系统、水管理子系统和控制系统，在质子交换膜燃料电池系统中，空气供给对整个燃料电池系统的性能和净功率有很大的影响，如果供气量不足，电堆会发生“饥饿现象”，系统输出功率降低，质子交换膜甚至出现热斑穿孔现象，损坏质子交换膜，减少电堆的寿命周期；如果供气过量，系统寄生功率增加，降低净功率，甚至因电堆内部气体压力过高而发生安全事故。因此，及时有效控制空气供给系统的氧气供给与电化学反应消耗氧气流量之比，是提升高压燃料电池系统效率和可靠性的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法和系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
第一方面，提供一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法，包括：
获取汽车当前的路况信息，根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率；
启动储氢罐单元为燃料电池堆供应氢气；
识别当前的整车工况，若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，若整车工况处于稳态工况，启动螺杆式空压机为燃料电池堆供应氧气；
计算与整车需求功率匹配的燃料电池堆的供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，调节储氢罐单元供应至燃料电池堆的氢气流量、储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量以及燃料电池堆的内部气压。
进一步地，所述根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率，包括：
计算整车需求功率的公式如下：
Figure GDA0003875646620000021
其中，Pe为整车需求功率，ητ为传动系效率，G为整车重量，f为摩擦系数，μα为整车车速，i为坡度，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，δ为质量转换系数。
进一步地，所述若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，包括：
启动螺杆式空压机向储气罐单元供应氧气，使得储气罐单元的气体压力维持于0.8MPa到1.4Mpa的区间内。
进一步地，所述计算与整车需求功率匹配的电池供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，包括：
获取汽车附件功率，根据整车需求功率确定汽车电机的运行功率，计算燃料电池堆的供电功率；
计算燃料电池堆的供电功率的公式如下：
Figure GDA0003875646620000022
其中，Pfc为燃料电池堆的供电功率，ηfc为燃料电池堆的效率，Pmotor为汽车电机的运行功率，ηmotor汽车电机的效率，Paux为汽车附件功率；
根据燃料电池堆的供电功率、氢气热值以及氢气的能量转化效率计算反应所需的氢气流量；
根据反应所需的氢气流量和氢氧电化学反应的化学计量比，计算反应所需的氧气流量。
进一步地，所述调节储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量，包括：
控制储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量大于反应所需的氧气流量。
进一步地，还包括：
若整车车况处于怠速工况，判断储气罐单元的储气量是否充足；
若充足，停止由储气罐单元向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机低速运转地向燃料电池堆供气；
若不充足，停止向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机向储气罐单元供气。
第二方面，提供一种车用质子交换膜燃料电池功率控制系统，包括：
燃料电池堆；
路况传感器，用于采集汽车当前的路况信息；
储氢罐单元，所述储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端连通，所述储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端之间设有减压阀和比例阀；
储气罐单元和螺杆式空压机，所述储气罐单元和螺杆式空压机分别与燃料电池堆的空气供给端连通，所述储气罐单元的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第一流量阀，所述螺杆式空压机的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第二流量阀；
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于执行第一方面所述车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的步骤。
进一步地，所述燃料电池堆的空气供给末端设有背压阀，所述燃料电池堆的氢气供给末端设有排气阀，用于调节空气通路和氢气通路的背压。
进一步地，所述螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口连接，所述螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口之间设有第三流量阀。
进一步地，所述储气罐单元和螺杆式空压机供应氧气的通路还设有中冷器和增湿器，所述螺杆式空压机的进气口设有空气过滤器。
本发明的有益效果：通过空压机或储气罐供应空气，根据燃料电池实际工况的需要，控制燃料电池系统空气端空气的输入源，从而使得发动机能够更优的应对各种工况，使得空气流量和空气压力的控制更加准确、及时和稳定，有效延长电堆和空压机的寿命。
附图说明
图1是一实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制系统的结构示意图。
图2是第一个实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的流程图。
图3是第二个实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实施例和附图，对本发明作进一步的描述。
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。
图1是一实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制系统的结构示意图。该车用质子交换膜燃料电池功率控制系统适用于质子交换膜燃料电池汽车，响应整车需求功率，其组成包括：
燃料电池堆，燃料电池堆由多个单体燃料电池构成，燃料电池堆具有空气供给端、氢气供给端、空气供给末端和氢气供给末端；
路况传感器，用于采集汽车当前的路况信息，其中，路况信息至少包括路面摩擦系数和路面坡度；
储氢罐单元，储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端连通，储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端之间设有减压阀101和比例阀102；
储气罐单元和螺杆式空压机，储气罐单元和螺杆式空压机并联并分别与燃料电池堆的空气供给端连通，储气罐单元的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第一流量阀103，螺杆式空压机的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第二流量阀104；
燃料电池控制器，燃料电池控制器用于根据整车的工况需求，调节燃料电池堆的气体流向，从而使得气体流量和气体压力的控制更加准确、及时和稳定。
具体地，燃料电池控制器分别与路况传感器以及行车电脑连接，获取采集到的汽车当前的路况信息以及车况信息，所述车况信息至少包括整车重量、整车车速和迎风面积等，计算整车需求功率，从而根据整车需求功率调节流入燃料电池堆进行反应的氧气流量和氢气流量。更为具体地，燃料电池控制器通过调节第一流量阀103和/或第二流量阀104的开度来控制流入燃料电池堆进行反应的氧气流量，通过调节减压阀101和/或比例阀102的开度来控制流入燃料电池堆进行反应的氢气流量。
更为具体地，本实施例所述的燃料电池堆的空气供给末端设有背压阀105，燃料电池堆的氢气供给末端设有排气阀106，用于调节空气通路和氢气通路的背压。燃料电池控制器调节排气阀106的开度，从而调节氢气供给端和氢气供给末端之间氢气通路的气压，同理，燃料电池控制器调节背压阀105的开度，从而调节氧气供给端和氧气供给末端之间氧气通路的气压，使燃料电池堆的氢气通路气压和氧气通路气压处于一定范围内。
更为具体地，本实施例所述的螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口连接，螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口之间设有第三流量阀107。燃料电池控制器调节第三流量阀107的开度，开启第三流量阀107时，螺杆式空压机向储气罐单元补充空气，维持储气罐单元的内部气压，使储气罐单元的所存储的空气量需要求是足够的。
更为具体地，储气罐单元和螺杆式空压机供应氧气的通路还设有中冷器108和增湿器109，螺杆式空压机的进气口设有空气过滤器110。
采用储气罐单元和螺杆式空压机结合供气的原因在于，传统的空压机供气时会有迟滞，不能满足过实时供气的需求，在汽车瞬态工况下会造成氧饥饿现象，影响燃料电池发动的正常工作，损坏质子交换膜，减少电堆的寿命周期，而通过储气罐单元存储空气并供应空气的实时性优于空压机供气。另一方面，使用储气罐单元就需要考虑储气罐的充气问题。目前燃料电池空气供给系统所采用离心式空压机不适用于压比过高的情况，且稳定工作的区较窄，经济性较差，效率较低，而螺杆式空压机零部件较少且不易损坏，运转可靠，寿命长，且压比较高，可满足对储气罐单元的充气要求。
下面对该车用质子交换膜燃料电池功率控制系统的控制方法进行详细描述，该控制方法主要是根据整车的工况需求，调节燃料电池堆的气体流向和气体压力。
图2是第一个实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的流程图。参阅图2，该方法包括以下步骤步骤S100至步骤S400。
步骤S100，获取汽车当前的路况信息，根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率。
其中，所述路况信息至少包括路面摩擦系数和路面坡度等，所述车况信息至少包括整车重量、整车车速和迎风面积等，通过当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率过程。
具体地，计算整车需求功率的公式如下：
Figure GDA0003875646620000061
其中，Pe为整车需求功率，G为整车重量，f为摩擦系数，μα为整车车速，i为坡度，CD为系数，A为迎风面积，δ为质量转换系数。
步骤S200，启动储氢罐单元为燃料电池堆供应氢气。
步骤S300，识别当前的整车工况，若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，若整车工况处于稳态工况，启动螺杆式空压机为燃料电池堆供应氧气。
其中，瞬态工况是指整车需求功率在短时间内发生较大变化的情况，例如开机、关机、故障、紧急升载或者紧急降载等情况，而稳态工况是指整车需求功率维持在一定水平且变化较小的情况，例如正常行车的情况，通过整车需求功率的变化率大小确定汽车当前处于瞬态工况还是稳态工况。
当整车工况处于瞬态工况时，有紧急的功率需求，此时对供气的实时性要求较高，为了保护控制系统结构，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，当整车工况处于稳态工况时，无紧急的功率需求，此时对供气的连续性要求较高，为保证氧气供气的连续性，启动螺杆式空压机为燃料电池堆供应氧气。具体地，结合图1的车用质子交换膜燃料电池功率控制系统的结构，当整车工况处于瞬态工况时，打开第一流量阀103，关闭第二流量阀104，使储气罐单元的出气口和燃料电池堆的空气供给端导通，由储气罐单元向燃料电池堆供应氧气；当整车工况处于稳态工况时，打开第二流量阀104，关闭第一流量阀103，使螺杆式空压机的出气口和燃料电池堆的空气供给端导通，由螺杆式空压机向燃料电池堆供应氧气。
进一步地，考虑到储气罐单元需要补充气体，当整车工况处于瞬态工况时，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，同时还启动螺杆式空压机向储气罐单元供应氧气，使得储气罐单元的气体压力维持于0.8MPa到1.4Mpa的区间内。其中，1.4MPa为燃料电池堆所需气体压力上限，将压力控制在0.8MPa以上是为了保证储气罐单元能够提供足够的空气流量。
在选用储气罐单元的型号时，根据真实的气体状态方程计算所需储气罐单元的容积，气体状态方程计算公式如下：
Figure GDA0003875646620000071
其中，Z为压缩因子，p为储气罐单元的内部压强，V为储气罐单元的容积，n为物质的量，T是气体温度。
根据上述气体状态方程的关系，气体为空气，当储气罐单元的内部压强为0.5-1.5MPa，温度为200～400K时，Z近似于1。由此可以计算得出，对于1.4MPa压强、温度为333.15K的空气，选用体积为0.5m3的储气罐单元，可储存250mol的气体量，气体质量约为7.2Kg，当燃料电池所需空气流量为0.01-0.8Kg/s时，在极限情况下，足够汽车使用2min-12min。以重卡汽车为例，在重卡汽车的实际工作状态中，由于瞬态工况并非重卡汽车行驶时的常态，0.5m3的储气罐足够汽车使用超过1小时，可满足使用要求。
步骤S400，计算与整车需求功率匹配的燃料电池堆的供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，调节储氢罐单元供应至燃料电池堆的氢气流量、储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量以及燃料电池堆的内部气压。
进一步地，计算与整车需求功率匹配的电池供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，包括：
获取汽车附件功率，根据整车需求功率确定汽车电机的运行功率，计算燃料电池堆的供电功率。
需要说明的是，整车需求功率由汽车电机进行响应，燃料电池为汽车电机响应汽车行驶功率提供动力。汽车电机的运行功率需要满足汽车行驶的要求，汽车电机的额定功率需要大于整车最低需求功率，汽车电机峰值功率需要大于整车功率需求的最大值，因此，可以根据计算得到的整车需求功率确定汽车电机的运行功率。
计算燃料电池堆的供电功率的公式如下：
Figure GDA0003875646620000081
其中，Pfc为燃料电池堆的供电功率，ηfc为燃料电池堆的效率，Pmotor为汽车电机的运行功率，ηmotor汽车电机的效率，Paux为汽车附件功率。
根据燃料电池堆的供电功率、氢气热值以及氢气的能量转化效率计算反应所需的氢气流量。
根据反应所需的氢气流量和氢氧电化学反应的化学计量比，计算反应所需的氧气流量。
具体地，氢气热值为1.4×108J/kg,按照能量转化效率40％进行计算，每产生1kw·h的电能需要消耗0.064kg氢气，即燃料电池堆的供电功率为1kw时，需要流量为(0.064/3600)kg/s的氢气，进而可以根据实际的燃料电池电堆的功率需求，可以计算出反应所需的氢气流量；根据氢氧电化学反应的化学计量比可以知道，反应过程中反应所需的氢气流量为反应所需的氧气流量的两倍，结合上述计算得出的反应所需的氢气流量，可以得出反应所需的氧气流量，进而可以调节储氢罐单元供应至燃料电池堆的氢气流量，以及调节储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量。
进一步地，为满足氢气反应的需求，控制储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量大于反应所需的氧气流量。在本实施例中，设定供应至燃料电池堆的氧气流量与反应所需的氧气流量之比为1.5-2.5，避免氧气供气量不足而发生“饥饿现象”，甚至是质子交换膜热斑穿孔现象，或者是氧气供气过量，造成寄生功率增加，降低净功率，甚至因电堆内部气体压力过高而发生安全事故。
螺杆式空压机的转速控制可以是通过PID控制算法结合螺杆式空压机的机理模型和Map图来实现，从而稳定地维持储气罐单元的内部气压。螺杆式空压机的机理模型如下：
Figure GDA0003875646620000091
其中，ωcp为螺杆式空压机的转速，Jcp为螺杆式空压机的转动惯量，τcm为螺杆式空压机的电机转矩，τcp为螺杆式空压机的负载转矩。
图3是第二个实施例提供的一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的流程图。参阅图3，在图2实施例的基础上，该方法还包括以下步骤S500至步骤S700。
步骤S500，若整车车况处于怠速工况，判断储气罐单元的储气量是否充足；若充足，执行步骤S600，若不充足，步骤S700。
其中，当储气罐单元的内部气压小于1.4MPa时，判断储气罐单元的储气量不充足。
步骤S600，停止由储气罐单元向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机低速运转地向燃料电池堆供气。
步骤S700，停止向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机向储气罐单元供气。
具体地，结合图1的车用质子交换膜燃料电池功率控制系统的结构，当整车工况处于怠速工况时，若储气罐单元的储气量充足，打开第二流量阀104，关闭第一流量阀103和第三流量阀107，使螺杆式空压机低速运转地向燃料电池堆供气，若储气罐单元的储气量不充足，关闭第一流量阀103和第二流量阀104，打开第三流量阀107，使螺杆式空压机向储气罐单元供气。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种车用质子交换膜燃料电池功率控制方法，其特征在于，包括：
获取汽车当前的路况信息，根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率；
启动储氢罐单元为燃料电池堆供应氢气；
识别当前的整车工况，若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，若整车工况处于稳态工况，启动螺杆式空压机为燃料电池堆供应氧气；
计算与整车需求功率匹配的燃料电池堆的供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，调节储氢罐单元供应至燃料电池堆的氢气流量、储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量以及燃料电池堆的内部气压；
所述计算与整车需求功率匹配的电池供电功率以及反应所需的氢气流量和氧气流量，包括：
获取汽车附件功率，根据整车需求功率确定汽车电机的运行功率，计算燃料电池堆的供电功率；
计算燃料电池堆的供电功率的公式如下：
Figure FDA0003875646610000011
其中，Pfc为燃料电池堆的供电功率，ηfc为燃料电池堆的效率，Pmotor为汽车电机的运行功率，ηmotor汽车电机的效率，Paux为汽车附件功率；
根据燃料电池堆的供电功率、氢气热值以及氢气的能量转化效率计算反应所需的氢气流量；
根据反应所需的氢气流量和氢氧电化学反应的化学计量比，计算反应所需的氧气流量；
所述根据当前的路况信息和车况信息计算整车需求功率，包括：
计算整车需求功率的公式如下：
Figure FDA0003875646610000012
其中，Pe为整车需求功率，ητ为传动系效率，G为整车重量，f为摩擦系数，μα为整车车速，i为坡度，CD为空气阻力系数，A为迎风面积，δ为质量转换系数。
2.根据权利要求1所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制方法，其特征在于，所述若整车工况处于瞬态工况，启动储气罐单元为燃料电池堆供应氧气，包括：
启动螺杆式空压机向储气罐单元供应氧气，使得储气罐单元的气体压力维持于0.8MPa到1.4Mpa的区间内。
3.根据权利要求1所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制方法，其特征在于，调节储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量，包括：
控制储气罐单元或螺杆式空压机供应至燃料电池堆的氧气流量大于反应所需的氧气流量。
4.根据权利要求1所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制方法，其特征在于，还包括：
若整车车况处于怠速工况，判断储气罐单元的储气量是否充足；
若充足，停止由储气罐单元向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机低速运转地向燃料电池堆供气；
若不充足，停止向燃料电池堆供气，控制螺杆式空压机向储气罐单元供气。
5.一种车用质子交换膜燃料电池功率控制系统，其特征在于，包括：
燃料电池堆；
路况传感器，用于采集汽车当前的路况信息；
储氢罐单元，所述储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端连通，所述储氢罐单元的出气口与燃料电池的氢气供给端之间设有减压阀和比例阀；
储气罐单元和螺杆式空压机，所述储气罐单元和螺杆式空压机分别与燃料电池堆的空气供给端连通，所述储气罐单元的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第一流量阀，所述螺杆式空压机的出气口与燃料电池的空气供给端之间设有第二流量阀；
燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于执行权利要求1-4任一项所述车用质子交换膜燃料电池功率控制方法的步骤。
6.根据权利要求5所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制系统，其特征在于，所述燃料电池堆的空气供给末端设有背压阀，所述燃料电池堆的氢气供给末端设有排气阀，用于调节空气通路和氢气通路的背压。
7.根据权利要求5所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制系统，其特征在于，所述螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口连接，所述螺杆式空压机的出气口与储气罐单元的进气口之间设有第三流量阀。
8.根据权利要求5所述的车用质子交换膜燃料电池功率控制系统，其特征在于，所述储气罐单元和螺杆式空压机供应氧气的通路还设有中冷器和增湿器，所述螺杆式空压机的进气口设有空气过滤器。
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