CN113871665B - 一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法，涉及燃料电池系统技术领域，包括燃料电池电堆以及空气过滤器，空气过滤器的输出端连接有空气压缩机；空调压缩机的输出端连接有空气流量计，空气流量计的输出端连接有中冷器，中冷器的输出端连接有增湿器，增湿器的输出端与燃料电池电堆的输入端连接，增湿器的输出端与燃料电池电堆相连接的通道内设置有压力传感器；燃料电池电堆的输出端与增湿器的内部相连接，增湿器的另一端连接有空气背压阀；空气背压阀、空气压缩机、空气流量计以及压力传感器均与运算控制器相连，本发明中的气体能量利用率高，并带有反馈调节，能够精确的控制燃料电池系统空气入堆的流量和空气入堆的压力。

Description

一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法。

背景技术

燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，广泛应用于新能源汽车、轮船、无人机及热电联供发电等领域。

现有技术在控制燃料电池系统空气入堆流量和空气入堆压力时，均是通过手动标定空气压缩机转速和控制空气背压阀开度，满足燃料电池电堆工况点参数需求，并将标定数据写入运算控制器，在系统运行时被动的控制相应工况点的空气压缩机转速和空气背压阀开度。

现有技术不能根据燃料电池系统使用环境来自动调节燃料电池系统空气入堆流量和空气入堆压力，例如，在环境温度、湿度及海拔改变时，系统不能自适应调节空气背压阀开度来控制空气入堆压力，这样将导致燃料电池电堆不能得到实时满足需求的空气入堆流量和空气入堆压力，因此，就造成了燃料电池系统不能按照目标负载需求进行相应的能量输出。

此外，燃料电池系统供气过程中，在工况调整时，由于空气压缩机的响应速度较空气背压阀慢，因此，造成现有技术并不能满足精确调整目标参数的需求，需要对空气压缩机的转速和空气背压阀的开度进行控制。

发明内容

针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法，能够进行自适应控制，通过将空气压缩机的转速和空气背压阀的开度调整进行耦合计算，满足精确控制的需求。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测定出空气压缩机最低转速为Nmin、最高转速为Nmax及最低转速到最高转速时的响应时间为△t；

2)假定工况a对应空气压缩机标定转速为a1，空气背压阀标定开度为a2；工况b对应空气压缩机标定转速为b1，空气背压阀标定开度为b2；工况a切换到工况b时，响应时间为△tab，其中设定：

3)延时函数耦合算法G(x)作为执行机构空气背压阀开度表达式，其式为：

4)在工况a切换到工况b中，控制空气入堆压力时，在调整阶段,采用耦合算法控制，通过延时函数耦合算法G(x)进行控制，此时，延时算法函数T(x)选择G(x)控制函数方式对空气背压阀的开度进行控制；在稳定阶段，通过延时算法函数T(x)选择空气入堆压力自适应控制器方式对空气背压阀的开度进行控制；

5)在工况切换调整及稳定过程中空气入堆流量的调节过程，通过自适应控制器采用目标空气入堆流量与实际入堆空气流量的偏差进行PID控制，再通过运算增益、转速限幅对空气压缩机转速进行自动调整，满足空气入堆流量参数需求；

6)在工况切换后稳定运行时空气入堆压力的实时调整过程中，通过自适应控制器采用目标空气入堆压力与实际入堆空气压力的偏差进行PID控制，再通过运算增益、算法处理函数、开度限幅对空气背压阀的开度进行自动调整，满足空气入堆压力的参数需求。

综上，本发明主要具有以下有益效果：在稳定供气阶段：空气入堆流量控制时，采用空气流量自适应控制，通过目标空气入堆流量和实际空气入堆流量的偏差进行PID控制，并通过运算增益和转速限幅控制空气压缩机的转速，为电堆提供实时工况空气流量；空气入堆压力控制时，通过目标空气入堆压力与实际空气入堆压力之偏差进行PID控制，并通过运算增益、算法处理函数、开度限幅对空气背压阀的开度进行控制，为电堆提供实时工况空气压力，以到达自动化精准控制的要求。

附图说明

图1为燃料电池空气系统的结构示意图；

图2为PID控制基本原理图；

图3为自适应控制算法原理图；

图4为计算机仿真空气入堆流量曲线；

图5为计算机仿真空气入堆压力曲线；

图6为计算机仿真空气压缩机转速控制曲线；

图7为计算机仿真空气背压阀开度；

图8为本控制方法的流程示意图。

图1中：1、空气过滤器；2、空气压缩机；3、空气流量计；4、中冷器；5、增湿器；6、压力传感器；7、燃料电池电堆；8、空气背压阀；9、运算控制器；10、冷却散热模块。

图2中：r(t)为输入量；c(t)为输出量；e(t)为偏差，其中e(t)＝r(t)-c(t)；u(k)为PID控制量，其中，偏差e(t)为零是控制理想目标，系统控制过程中，期望输出等于目标需求量，即为控制器输入量时系统进入稳态运行状态。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参考图1-图7，一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法，使用方法：

1)测定出空气压缩机最低转速为Nmin、最高转速为Nmax及最低转速到最高转速时的响应时间为△t；

2)假定工况a对应空气压缩机标定转速为a1，空气背压阀标定开度为a2；工况b对应空气压缩机标定转速为b1，空气背压阀标定开度为b2；工况a切换到工况b时，响应时间为△tab，其中设定：

3)延时函数耦合算法G(x)作为执行机构空气背压阀开度表达式，其式为：

4)当工况a切换到工况b进行空气入堆压力时，调整阶段采用耦合算法控制，通过延时函数耦合算法G(x)进行控制，此时延时算法函数T(x)选择G(x)控制函数方式对执行机构开度进行控制；稳定阶段，通过延时算法函数T(x)选择空气入堆压力自适应控制器方式对执行机构开度进行控制；

5)工况切换调整及稳定过程中空气入堆流量的调节过程，空气入堆流量自适应控制器采用目标空气入堆流量与实际入堆空气流量的偏差进行PID控制，再通过运算增益、转速限幅对空气压缩机转速进行自动调整，满足空气入堆流量参数需求；

6)工况切换后稳定运行时空气入堆压力的实时调整过程，空气入堆压力自适应控制器采用目标空气入堆压力与实际入堆空气压力的偏差进行PID控制，再通过运算增益、算法处理函数、开度限幅对空气背压阀开度进行自动调整，满足空气入堆压力参数需求。

根据上述技术方案，在燃料电池系统某一工况运行本发明所述的控制方法时，得到的空气入堆流量、空气入堆压力及空气背压阀开度自适应控制结果，其结果通过计算机仿真运算后得到如图4-图7的目标结果：

①当工况切换时，目标空气入堆流量发生改变，实际入堆空气流量跟随改变并满足燃料电池系统对空气流量参数的需求；

②当工况切换时，目标空气入堆压力发生改变，实际入堆空气压力跟随改变并满足燃料电池系统对空气压力参数的需求；

③当工况切换时，目标空气入堆压力发生改变，空气压缩机转速自动控制，满足目标空气流量需求；

④当工况切换时，空气压缩机响应时间大约为2秒，那么空气背压阀开度调整时间也跟随控制，约为2秒，防止空气背压阀开度变化过快导致实际空气入堆压力超调量过大而引起燃料电池系统工作不稳定；

⑤当工况切换时，空气背压阀按工况要求进行调整，满足空气入堆压力需求。

简而言之：处理方案是延时函数耦合算法线性调整背压阀开度，并跟随空气压缩机转速的调整，延时算法函数通过判断方案对工况调整前后及稳定状态进行程序选择。即：调整阶段选择延时函数耦合算法，稳定阶段使用主程序进行对工况参数进行微调且实时调整，目的满足燃料电池系统动态运行参数需求。

(1)空气压缩机转速控制：请求目标工况，采用目标空气入堆流量(或目标空气计量比)与实际空气入堆流量(或实际空气计量比)之差作为控制器的偏差输入，对空气压缩机转速进行PID控制。

(2)排气控制阀开度：请求目标工况，采用目标空气入堆压力与实际空气入堆压力之差作为控制器的偏差输入，对排气控制阀的开度进行PID控制。

(3)图2中耦合算法器设计目的为：请求目标工况大幅度拉载时，空气压缩机转速响应会比排气背压阀慢，主要考虑估算的空气压缩机响应时间△tab内，让排气控制阀的开度从a工况到b工况进行线性变化，通过此策略与空气压缩机转速响应进行解耦合，防止拉载工况或者降载工况中空气压缩机出现喘振或者实际空气入堆压力超调过大造成相关部件损坏。

综上，使用传感器采集燃料电池系统空气入堆流量及空气入堆压力，选择具有反馈调节的背压装置；通过运算控制器执行核心控制算法，可以实现更加精准控制目标参数的目的，实时调节空气入堆流量及空气入堆压力，保证满足燃料电池系统运行的实时工况。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种燃料电池空气系统入堆空气流量以及压力的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测定出空气压缩机最低转速为Nmin、最高转速为Nmax及最低转速到最高转速时的响应时间为△t；

2)假定工况a对应空气压缩机标定转速为a1，空气背压阀标定开度为a2；工况b对应空气压缩机标定转速为b1，空气背压阀标定开度为b2；工况a切换到工况b时，响应时间为Δt_ab，其中设定：

3)延时函数耦合算法G(x)作为执行机构空气背压阀开度表达式，其式为：

4)在工况a切换到工况b中，控制空气入堆压力时，在调整阶段,采用耦合算法控制，通过延时函数耦合算法G(x)进行控制，此时，延时算法函数T(x)选择G(x)控制函数方式对空气背压阀的开度进行控制；在稳定阶段，通过延时算法函数T(x)选择空气入堆压力自适应控制器方式对空气背压阀的开度进行控制；

5)在工况切换调整及稳定过程中空气入堆流量的调节过程，通过自适应控制器采用目标空气入堆流量与实际入堆空气流量的偏差进行PID控制，再通过运算增益、转速限幅对空气压缩机转速进行自动调整，满足空气入堆流量参数需求；

6)在工况切换后稳定运行时空气入堆压力的实时调整过程中，通过自适应控制器采用目标空气入堆压力与实际入堆空气压力的偏差进行PID控制，再通过运算增益、算法处理函数、开度限幅对空气背压阀的开度进行自动调整，满足空气入堆压力的参数需求。

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