CN113851678B - 储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统，在储氢系统氢气供应阀控制方法中，包括：接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令；基于储氢系统气瓶数量及每批介入氢气供应阀个数确定分批次数，气瓶数量与氢气供应阀数量相同；分批次开通氢气供应阀，开通时相邻批次之间具有一定的延时，直到氢气供应阀全部开通，以进行电堆的氢气供应。本发明多气瓶分批介入保证氢动力系统平稳运行，增强了电磁阀供电回路元件耐久性。

Description

储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统
技术领域
本发明属于燃料电池氢动力系统控制技术领域，具体涉及储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
由于氢燃料电池的无污染、能量密度高等优点，氢燃料电池在作为轨道交通车辆用主动力或备用电源领域具有重大潜力。
燃料电池以氢气和氧气为反应物，生成电与水。转换效率高且完全无污染、零排放，是未来车载能源的发展方向，多堆燃料电池系统集成是提升系统功率密度、能量密度的重要途径。
然而，在多堆燃料电池系统启动过程中，各电堆之间不能合理有效配合，造成电堆全寿命周期老化不一致性；储氢系统多并联氢瓶同时开通氢气供应阀形成强大的冲击电流，加剧了电磁阀供电回路元件的负担，不利于提升其耐久性；同时，氢气供应阀开通到稳定过程启动电流和维持电流差异较大，一直保持启动电流导致电磁阀使用寿命缩减。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了储氢系统氢气供应阀控制方法、氢动力系统启动方法及系统，本发明通过控制多堆燃料电池合理分配启动及多气瓶分组介入保证氢动力系统平稳运行。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一方面，公开了储氢系统氢气供应阀控制方法，包括：
接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令；
基于储氢系统气瓶数量及每批介入氢气供应阀个数确定分批次数，气瓶数量与氢气供应阀数量相同；
分批次开通氢气供应阀，开通时相邻批次之间具有一定的延时，直到氢气供应阀全部开通，以进行电堆的氢气供应。
进一步的技术方案，在接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令之后，需要在每个电堆生命信号状态正常、无氢泄露三级故障及无氢气超压故障的前提下分批次开通氢气供应阀。
进一步的技术方案，确定分批次数时，设定每批介入氢气供应阀个数为y，储氢系统有n个气瓶，也就有n个氢气供应阀，共分为x批；x＝ceil(n/y)，ceil表示向上取整。
进一步的技术方案，其中，批次x、每批介入氢气供应阀个数y的取值需满足：
(x-1)y*Ikeep+y*Istart<I；x*t<T
每个氢气供应阀的开启电流为Istart，氢气供应阀的维持电流为Ikeep，氢气供应阀供电回路的最大可允许电流为I，每批介入后延时为t，氢气供应阀开通最大可允许时间为T。
进一步的技术方案，每个氢气供应阀的开通控制步骤为：
输出第一占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的开启电流，持续时间为t1；
输出第二占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的维持电流，持续时间为t2；
通过采集到的线圈电流信号，闭环反馈控制PWM占空比，使电磁阀始终处于开启状态；
其中持续时间满足t1+t2<t。
进一步的技术方案，闭环反馈控制PWM占空比，具体步骤为：
采集线圈控制回路电流信号；
针对线圈控制回路电流信号，利用滑动窗口均值滤波得到Iave；
Iave小于Ikeep_down时，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)+△D，否则，继续判断Iave是否大于Ikeep_up，若是，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)-△D，否则，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)；
根据更新的PWM占空比限幅输出；
其中，维持电流的合理范围为(Ikeep_down,Ikeep_up)，PWM占空比限幅范围为(Dmin,Dmax)，△D为控制步长，D(x)表示x时刻PWM占空比，D(x-1)表示x上一时刻PWM占空比。
第二方面，公开了氢动力系统启动方法，包括：
接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合，电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池；
多堆燃料电池发电系统接收到允许启动信号，将发送氢气供应阀开启指令；
按照上述储氢系统氢气供应阀控制方法控制氢气供应阀全部开通；
开通氢气供应阀使相应的燃料电池共同进入运行状态，以使多堆燃料电池启动合理分配；
多堆燃料电池进入运行状态，燃料电池系统发送请求DC/DC变换器启动信号。
进一步的技术方案，还包括：电子控制单元ECU在确认DC/DC变换器无故障、DC/DC变换器生命信号正常及DC/DC变换器通信正常的情况下，启动DC/DC变换器。
进一步的技术方案，还包括：接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合之后，确保系统无3级报警故障、无燃料电池切除指令及无应急牵引，之后电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池。
第三方面，公开了氢动力系统，包括多堆燃料电池发电系统、单向DC/DC变换器及动力电池系统，动力电池系统提供动力来源；
所述多堆燃料电池发电系统发送请求DC/DC启动信号至DC/DC变换器，所述DC/DC变换器采用氢动力系统启动方法启动DC/DC变换器，将信号传输至牵引逆变器，所述牵引逆变器经过逆变处理后发送指令至牵引电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明开通氢气供应阀可使相应的燃料电池共同进入运行状态,运行高度一致性，继而可以通过控制多堆燃料电池启动合理分配，减少电堆老化差异。
本发明多气瓶分批介入保证氢动力系统平稳运行，增强了电磁阀供电回路元件耐久性。
本发明采用电磁阀线圈回路电流闭环反馈控制PWM输出，让线圈电流收敛于维持电流，有效避免氢气供应阀开通到稳定过程启动电流和维持电流数值差异悬殊，提升氢气供应阀使用寿命。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为氢动力系统结构示意图；
图2为多氢瓶并联结构示意图；
图3为氢气供应阀开通控制流程图；
图4为电流闭环反馈周期调节原理图；
图5为氢气供应阀供电回路等效电路模型。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
本实施例子公开了储氢系统氢气供应阀控制方法，包括：
接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令；
基于储氢系统气瓶数量及每批介入氢气供应阀个数确定分批次数，气瓶数量与氢气供应阀数量相同；
分批次开通氢气供应阀，开通时相邻批次之间具有一定的延时，直到氢气供应阀全部开通，以进行电堆的氢气供应。
上述开通时相邻批次之间具有一定的延时，考虑的因素是：由于氢气供应阀开启时冲击电流可达3.2A，因此，须保持最短时间800ms，最长时间是3000ms；一方面一定时间的延时可以稳定氢气供应阀的工作状态，另一方面长时间线圈电流过大，易烧坏氢气供应阀。
在接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令之后，需要在每个电堆生命信号状态正常、无氢泄露三级故障及无氢气超压故障的前提下分批次开通氢气供应阀。
需要说明的是，如果电堆非正常工作、氢气泄漏、氢气过压等故障情况下开通氢气供应阀，容易造成安全风险，因此需要增加氢气供应阀开通限制条件，一定程度上有利于安全防控。
储氢系统的多氢瓶并联结构示意图如图2所示，确定分批次数时，设定每批介入氢气供应阀个数为y，储氢系统有n个气瓶，也就有n个氢气供应阀，为了防止氢气供应阀全部开通冲击电流过大，采取分批介入方式，共分为x批；x＝ceil(n/y)，ceil表示向上取整。
上述分批次介入时为了防止供电回路冲击电流过大，造成器件损坏；同是，在保证冲击电流合理的情况下，应考虑尽可能减少批次x，增大每批介入氢气供应阀个数，有利于实现快速开通氢气供应阀，同而减少燃料电池系统启动时间。
其中，批次x、每批介入氢气供应阀个数y的取值需满足：
(x-1)y*Ikeep+y*Istart<I；x*t<T
每个氢气供应阀的开启电流为Istart，氢气供应阀的维持电流为Ikeep，氢气供应阀供电回路的最大可允许电流为I，每批介入后延时为t，氢气供应阀开通最大可允许时间为T。
由此可得：先开通第1批【阀1,阀2,…,阀y】，经过t延时后，再开通第2批，直到氢气供应阀全部开通。
参见附图3所示，每个氢气供应阀的开通控制步骤为：
阶段1：输出第一占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的开启电流，持续时间为t1；
阶段2：输出第二占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的维持电流，持续时间为t2；
通过采集到的线圈电流信号，闭环反馈控制PWM占空比，使电磁阀始终处于开启状态；
其中持续时间满足t1+t2<t。
阶段3：电流闭环反馈动态调节占空比。
上述阶段1中输出第一占空比的PWM信号，是为了开启电磁阀，同是要满足一定的持续时间，稳定电磁阀的工作状态，同是时间不能太长，否则大电流容易烧坏电磁阀，具体时间的整定，可参考电磁阀供应商出具的产品使用说明书。
上述阶段2中输出第二占空比的PWM信号，是为了满足电磁阀维持电流，该电流值小于开启电流，因为长时间的开启电流工作容易造成电磁阀损坏，延时一段时间也是为了稳定电磁阀工作状态。
氢气供应阀开通控制流程中阶段3的每个控制周期的闭环反馈调节原理如图4所示，在该实施例子中控制周期是100毫秒。
闭环反馈控制PWM占空比，具体步骤为：
采集线圈控制回路电流信号；
针对线圈控制回路电流信号，利用滑动窗口均值滤波得到Iave；
Iave小于Ikeep_down时，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)+△D，否则，继续判断Iave是否大于Ikeep_up，若是，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)-△D，否则，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)；
根据更新的PWM占空比限幅输出；
其中，维持电流的合理范围为(Ikeep_down,Ikeep_up)，PWM占空比限幅范围为(Dmin,Dmax)，△D为控制步长，D(x)表示x时刻PWM占空比，D(x-1)表示x上一时刻PWM占空比。
氢气供应阀供电回路等效电路模型如图5所示，图5中，E表示供电电源；I表示供电回路电流；R1表示氢气供应阀线圈内阻；R2表示氢气供应阀分压电阻。
需要注意的是，氢气供应阀供电回路在使用过程中R1回受外界影响(包括老化、温度等)会发生变化，由此造成维持电流超过(Ikeep_down,Ikeep_up)的合理范围；因此本发明引入电流闭环反馈，通过动态调整PWM占空比，从而改变瓶口线圈两端的平均电压，使线圈电流收敛于维持电流的合理范围(Ikeep_down,Ikeep_up)。
实施例二：
本实施例子公开了氢动力系统启动方法，包括：
接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合，电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池；
多堆燃料电池发电系统接收到允许启动信号，将发送氢气供应阀开启指令；
按照上述实施例子一中的储氢系统氢气供应阀控制方法控制氢气供应阀全部开通；
开通氢气供应阀使相应的燃料电池共同进入运行状态，以使多堆燃料电池启动合理分配；
多堆燃料电池进入运行状态，燃料电池系统发送请求DC/DC变换器启动信号。
还包括：电子控制单元ECU在确认DC/DC变换器无故障、DC/DC变换器生命信号正常及DC/DC变换器通信正常的情况下，启动DC/DC变换器。
如果DCDC变换器在故障情况下启动，容易造成安全隐患，因此上述引入DCDC变换器启动限制条件，一定程度上有利于安全防控。
还包括：接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合之后，基于安全防控措施确保系统无3级报警故障、无燃料电池切除指令及无应急牵引，之后电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池。
实施例三：
参见附图1所示，本实施例子公开了多堆大功率燃料氢动力系统，包括多堆燃料电池发电系统、多气瓶并联的70MPa储氢系统、单向DC/DC变换器及动力电池系统，动力电池系统提供动力来源；
多堆燃料电池发电系统发送请求DC/DC启动信号至DC/DC变换器，所述DC/DC变换器采用氢动力系统启动方法启动DC/DC变换器，将信号传输至牵引逆变器，所述牵引逆变器经过逆变处理后发送指令至牵引电机。
上述ECU接受司机室给定的氢系统投入信号，使能氢燃料电池，氢燃料电池收到使能信号由待机状态进入预充电序列(氢燃料电池状态)，并发出氢气供应阀开启请求信号至ECU，ECU采用储氢系统氢气供应阀控制方法开启氢气供应阀，之后燃料电池进入运行状态并向ECU发送请求DC/DC启动信号，ECU发送请求DC/DC启动信号至相应的DC/DC变换器，完成氢动力系统启动控制。
本发明可以通过控制多堆燃料电池合理分配启动及多气瓶分组介入保证氢动力系统平稳运行，并采用电流闭环反馈调节电磁阀控制PWM，在一定程度上提升电磁阀及其供电回路相关器件的使用寿命，提升系统耐久性。
实施例四
本实施例子公开了一种列车，该列车采用上述实施例子中的多堆大功率燃料氢动力系统提供动力。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.储氢系统氢气供应阀控制方法，其特征是，包括：
接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令；
基于储氢系统气瓶数量及每批介入氢气供应阀个数确定分批次数，气瓶数量与氢气供应阀数量相同；确定分批次数时，设定每批介入氢气供应阀个数为y，储氢系统有n个气瓶，也就有n个氢气供应阀，共分为x批；x＝ceil(n/y)，ceil表示向上取整；批次x、每批介入氢气供应阀个数y的取值需满足：
(x-1)y*Ikeep+y*Istart<I；x*t<T；
每个氢气供应阀的开启电流为Istart，氢气供应阀的维持电流为Ikeep，氢气供应阀供电回路的最大可允许电流为I，每批介入后延时为t，氢气供应阀开通最大可允许时间为T；
分批次开通氢气供应阀，开通时相邻批次之间具有一定的延时，直到氢气供应阀全部开通，以进行电堆的氢气供应；
每个氢气供应阀的开通控制步骤为：
输出第一占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的开启电流，持续时间为t1；
输出第二占空比的PWM信号，该占空比可满足电磁阀的维持电流，持续时间为t2；
通过采集到的线圈电流信号，闭环反馈控制PWM占空比，使电磁阀始终处于开启状态；
其中持续时间满足t1+t2<t。
2.如权利要求1所述的储氢系统氢气供应阀控制方法，其特征是，在接收到每个电堆的氢气供应阀开启指令之后，需要在每个电堆生命信号状态正常、无氢泄露三级故障及无氢气超压故障的前提下分批次开通氢气供应阀。
3.如权利要求1所述的储氢系统氢气供应阀控制方法，其特征是，闭环反馈控制PWM占空比，具体步骤为：
采集线圈控制回路电流信号；
针对线圈控制回路电流信号，利用滑动窗口均值滤波得到Iave；
Iave小于Ikeep_down时，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)+△D，否则，继续判断Iave是否大于Ikeep_up，若是，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)-△D，否则，PWM占空比更新为：D(x)＝D(x-1)；
根据更新的PWM占空比限幅输出；
其中，维持电流的合理范围为(Ikeep_down,Ikeep_up)，PWM占空比限幅范围为(Dmin,Dmax)，△D为控制步长，D(x)表示x时刻PWM占空比，D(x-1)表示x上一时刻PWM占空比。
4.氢动力系统启动方法，其特征是，所述启动方法包括：
接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合，电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池；
多堆燃料电池发电系统接收到允许启动信号，将发送氢气供应阀开启指令；
按照上述权利要求1-3任一所述的储氢系统氢气供应阀控制方法控制氢气供应阀全部开通；
开通氢气供应阀使相应的燃料电池共同进入运行状态，以使多堆燃料电池启动合理分配；
多堆燃料电池进入运行状态，燃料电池系统发送请求DC/DC变换器启动信号。
5.如权利要求4所述的氢动力系统启动方法，其特征是，所述启动方法还包括：电子控制单元ECU在确认DC/DC变换器无故障、DC/DC变换器生命信号正常及DC/DC变换器通信正常的情况下，启动DC/DC变换器。
6.如权利要求4所述的氢动力系统启动方法，其特征是，所述启动方法还包括：接收氢动力系统投入信号，动力电池正负接触器闭合之后，确保系统无3级报警故障、无燃料电池切除指令及无应急牵引，之后电子控制单元ECU允许启动氢燃料电池。
7.氢动力系统，其特征是，所述氢动力系统包括多堆燃料电池发电系统、单向DC/DC变换器及动力电池系统，动力电池系统提供动力来源；
所述多堆燃料电池发电系统发送请求DC/DC启动信号至DC/DC变换器，所述DC/DC变换器采用权利要求4-6任一所述的氢动力系统启动方法启动DC/DC变换器，将信号传输至牵引逆变器，所述牵引逆变器经过逆变处理后发送指令至牵引电机。
8.一种列车，其特征是，该列车采用权利要求7所述的氢动力系统提供动力。
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