CN114094149B - 一种燃料电池增压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池增压控制系统及方法，系统包括：空气预充室，所述空气预充室的一端与空压机相连通，用于预先存储空气；控制器，用于确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定所述空压机的目标转速；基于所述目标转速控制所述空压机运行；如此，利用空气预充室预先存储空气，空压机只需及时响应空气预充室的目标压力及目标流量，降低了燃料电池电堆对空压机动态响应速率的要求，避免了空压机需要系统输出功率的动态响应带来的大量的额外功率消耗，从而优化了空压机工作效率。

Description

一种燃料电池增压控制系统及方法

技术领域

本发明属于车辆燃料电池控制技术领域，尤其涉及一种燃料电池增压控制系统及方法。

背景技术

空气作为燃料电池反应气体之一，由空气供给系统增加后进入电堆阴极。空气中氧气与纸质交换膜透过的氢离子，以及外部电路传输过来的电子结合生成水。其后，空气将生成的多余水带出电堆，排放到大气中。

传统燃料电池系统的空气供给子系统主要依靠空压机进行空气进堆流量调节。空压机作为整个燃电系统功耗最大元器件，其运行惯性大，将导致空压机对于动态工况响应存在迟滞，空压机对系统输出功率的动态响应必然带来大量的额外功率消耗浪费，导致空压机工作效率降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种燃料电池增压控制系统及方法，用于解决现有技术中对燃料电池进行控制时，空压机存在大量额的额外功率浪费，且工作效率降低的技术问题。

本发明提供一种燃料电池增压控制系统，所述系统包括：

空气预充室，所述空气预充室的一端与空压机相连通，用于预先存储空气；

控制器，用于确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定所述空压机的目标转速；基于所述目标转速控制所述空压机运行。

上述方案中，系统还包括：进气压力调节阀，安装燃料电池电堆的进气管道上；

所述控制器还用于：

获取燃料电池的目标输出功率，根据所述目标输出功率确定目标进堆压力；

根据所述目标进堆压力调节所述进气压力调节阀的开度。

上述方案中，所述控制器具体用于：

根据燃料电池目标输出功率确定所述燃料电池的目标进堆压力及目标进堆流量；

基于所述目标进堆压力确定所述空气预充室的目标压力，所述空气预充室的目标压力为所述目标进堆压力与预设压力偏差值之和；

基于所述目标进堆流量确定所述空气预充室的目标流量，所述空气预充室的目标流量与所述目标进堆流量一致；

基于所述空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速。

上述方案中，所述控制器还用于：

获取所述空气预充室的实际压力；

获取所述实际压力与所述目标压力之间的压力差值；

基于所述压力差值调整所述空压机的当前转速。

上述方案中，所述控制器具体用于：

获取所述空压机的当前转速，基于所述当前转速及所述目标转速确定转速差值；

根据转速差值确定参考加速度；

在所述参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度；

当确定所述压力差值大于预设的压力阈值时，则以所述目标加速度为基准将所述当前转速降低至目标转速；

当确定所述压力差值小于所述压力阈值时，则以所述目标加速度为基准将所述当前转速增大至所述目标转速。

上述方案中，所述控制器还用于：

获取所述空气预充室的实际温度；

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率对应的参考温度；

根据所述实际温度与所述参考温度调节流经所述空气预充室表面的冷却液流量。

本发明还提供一种燃料电池增压控制方法，所述方法包括：

利用空气预充室预先存储空气；

确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定空压机的目标转速；

基于所述目标转速控制所述空压机运行。

上述方案中，所述基于所述目标转速控制所述空压机运行后，方法还包括：

获取燃料电池的目标输出功率，根据所述目标输出功率确定目标进堆压力；

根据所述目标进堆压力调节进气压力调节阀的开度。

上述方案中，所述根据所述目标进堆压力调节进气压力调节阀的开度后，方法还包括：

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率；

基于所述当前实际输出功率与所述目标输出功率修正所述目标进堆压力。

本发明提供了一种燃料电池电池增压控制系统及方法，系统包括：空气预充室，所述空气预充室的一端与空压机相连通，用于预先存储空气；控制器，用于确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定所述空压机的目标转速；基于所述目标转速控制所述空压机运行；如此，利用空气预充室预先存储空气，空压机只需及时响应空气预充室的目标压力及目标流量，降低了燃料电池电堆对空压机动态响应速率的要求，避免了空压机需要系统输出功率的动态响应带来的大量的额外功率消耗，从而优化了空压机工作效率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的燃料电池增压控制系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的空压机映射图；

图3为本发明实施例提供的燃料电池增压控制方法流程示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中对燃料电池进行控制时，空压机存在大量额的额外功率浪费，且工作效率降低的技术问题，本发明提供了一种燃料电池增压控制系统。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本实施例提供一种燃料电池增压控制系统，如图1所示，系统包括：空气预充室1，控制器2；其中，

空气预充室1的一端与空压机3相连通，用于预先存储空气；

控制器2，用于确定空气预充室1的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机3的目标转速；基于目标转速控制空压机3运行。

本实施例中，可参考图1，系统还包括：空气过滤器4；空气过滤器4的输出端与空压机3的输入端相连通；空压机3的输出端与空气预充室1的输入端相连通，空气预充室1的输出端通过增湿器5与电池电堆6的阴极相连。

系统还包括：空气压力温度传感器7、进气压力调节阀8、进堆压力传感器9、出堆压力温度传感器10、截止阀11及混排设备12；

实际应用中，空气供给系统吸入空气后，先经空气过滤器4过滤，由空压机3增压后，进入空气预充室1进行存储。空气预充室1中存储的空气经增湿器5增湿后，由进气压力调节阀8调节压力后，进入电堆阴极进行电化学反应发电。

出堆空气(空气路废气及氢气路废气)经由截止阀11、混排设备12排出到空气中。在燃电系统启动与停止的切换过程中，截止阀11实现对空气供给系统的开启及关闭。

具体来讲，本实施例的控制回路分为两部分进行控制调节，以降低控制难度。第一部分是空气预充室1的压力及温度控制；第二部分是燃料电池进堆压力的控制。

首先介绍第一部分的控制策略：控制器2，确定空气预充室1的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机3的目标转速；基于目标转速控制空压机3运行，使得空压机3的转速达到目标转速。

在一种可选的实施例中，控制器2确定空气预充室1的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机3的目标转速，包括：

根据燃料电池目标输出功率确定所述燃料电池的目标进堆压力及目标进堆流量；

基于目标进堆压力确定空气预充室的目标压力，空气预充室的目标压力为目标进堆压力与预设压力偏差值之和；

基于目标进堆流量确定空气预充室的目标流量，空气预充室的目标流量与目标进堆流量一致；

基于空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速。

这里，为确保燃电系统动态响应的快速性，因此将在目标进堆压力的基础上加上一个预设压力偏差值，得到一个修正的空压压力值作为空气预充室的目标压力。然后以此目标压力和目标流量为基准在在空压机映射表中查找对应的目标转速。

其中，空压机映射图可如图2所示，从图2中可以看出，图2中的横坐标为流量，纵坐标为压力；横坐标和纵坐标形成的区域内设置有很多条等高线，每条等高线代表一个转速，比如转速包括有6000r/min、8000r/min……22000r/min等。

并且，映射图中还显示出了空压机的运行效率，比如在图2中，标记21代表的是空压机运行效率为70％的区域，标记22代表的是空压机运行效率为68％的区域，标记23代表的是空压机运行效率为65％的区域，标记24代表的是空压机运行效率为60％的区域，标记25代表的是空压机运行效率为55％的区域。那么基于空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速时，一般是取目标压力和目标流量对应的参考转速附近，空压机效率最优的转速作为空压机目标转速。

举例来说，参考图2，若目标流量为350，目标压力为1.4；那么对应的目标转速为14000r/min。

这样，即可根据目标压力及目标流量确定出空压机3的目标转速。

其后，可获取空气预充室1的实际压力，将实际压力与目标压力进行比较，当实际压力大于目标压力时(避免实际压力与目标压力不一致导致的空压力频繁加减速)时，控制器1会降低空压机的当前转速；当实际压力小于目标压力时，空压机会增大空压机的当前转速，形成对空压机转速的闭环控制。

具体来讲，在一种可选的实施例中，控制器还用于：

获取空气预充室1的实际压力；

获取实际压力与所述目标压力之间的压力差值；

基于压力差值调整空压机的当前转速。

控制器1基于压力值调整空压机的当前转速，包括：

获取空压机3的当前转速，基于当前转速及目标转速确定转速差值；

根据转速差值确定参考加速度；参考加速度为单位时间内的加速度，单位时间一般为1s；

在参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度；

当确定压力差值大于预设的压力阈值时，则以目标加速度为基准将当前转速降低至目标转速；

当确定压力差值小于压力阈值时，则以目标加速度为基准将当前转速增大至目标转速。

值得注意的是，每次调整当前转速后，均需要重新确定参考加速度，以重新确定出的加速度调整目标转速。

在一种可选的实施例中，控制器2在参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度，包括：

若确定参考加速度大于最大加速度，则将最大加速度作为空压机的目标加速度；

若确定参考加速度小于最大加速度，则将转速差值作为空压机的目标加速度。

进一步地，因电池电堆得冷却液回路会流经空气预充室1的表面，因此控制器2会利用空气压力温度传感器7获取空气预充室1的实际温度；

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率对应的参考温度；

根据实际温度与参考温度调节流经空气预充室1表面的冷却液流量，实现进堆空气温度的闭环控制。

本实施例中，第二部分燃料电池进堆压力的控制方式如下：

进气压力调节阀8，安装燃料电池电堆的进气管道上；在燃料电池电堆实际运行中，控制器2还用于：

获取燃料电池的目标输出功率，根据目标输出功率确定目标进堆压力；

根据目标进堆压力调节进气压力调节阀8的开度。

为了可以实现对目标进堆压力的闭环控制，控制器2可以利用进堆压力传感器获取电池电堆的实际压力，根据实际压力及目标进堆压力实时调节进气压力调节阀8的开度。

进一步地，控制器2还用于：

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率；

基于当前实际输出功率与目标输出功率修正目标进堆压力，从而实现对燃料电池电堆输出功率的闭环控制。

本实施例中将整个控制回路分为两段式控制。空压机3只响应空气预充室1的目标压力，进气压力调节阀8响应目标输出功率的需求，简化了整个空气供给控制系统设计复杂度。空气预充室1降低了电堆对空压机3动态响应速率的要求，使空压机提高工作效率成为了可能，并节约了空压机快速动态变化带来的额外功率浪费。

本实施例可以通过进气压力调节阀调节目标进堆压力，能够快速响应电池电堆目标输出功率，并且不会带来空压机太多额外的功率消耗。另外，本实施例中将传统的流量控制转换为利用压力控制，能够避免出现因流量传感器受环境因素影响大，采集精度低以及响应速度慢带来的空压机的额外功率消耗以及系统输出功率控制精度差等问题。

可以理解的是，在提升了空压机效率的同时，必然会减少空压机热工消耗，降低了空压机的散热需求，从而可以降低进入空气预充室的空气温度，使得空压机以及空气预充室对冷却系统的散热需求得以降低，进一步优化了冷却系统的散热器面积，减少了冷却系统的功率消耗，提升了燃电系统的经济性及动力性。

基于同样的发明构思，本实施了还提供一种燃料电池增压控制方法，应用在上文所述的燃料电池增压控制系统中，如图3所示，方法包括：

S310，利用空气预充室预先存储空气；

S311，确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定空压机的目标转速；

S312，基于所述目标转速控制所述空压机运行。

具体来讲，本实施例的控制回路分为两部分进行控制调节，以降低控制难度。第一部分是空气预充室的压力及温度控制；第二部分是燃料电池进堆压力的控制。

首先，确定空气预充室1的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机3的目标转速；基于目标转速控制空压机3运行，使得空压机3的转速达到目标转速。

在一种可选的实施例中，确定空气预充室1的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机3的目标转速，包括：

根据燃料电池目标输出功率确定所述燃料电池的目标进堆压力及目标进堆流量；

基于目标进堆压力确定空气预充室的目标压力，空气预充室的目标压力为目标进堆压力与预设压力偏差值之和；

基于目标进堆流量确定空气预充室的目标流量，空气预充室的目标流量与目标进堆流量一致；

基于空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速。

这里，为确保燃电系统动态响应的快速性，因此将在目标进堆压力的基础上加上一个预设压力偏差值，得到一个修正的空压压力值作为空气预充室的目标压力。然后以此目标压力和目标流量为基准在在空压机映射表中查找对应的目标转速。

其中，空压机映射图可如图2所示，从图2中可以看出，图2中的横坐标为流量，纵坐标为压力；横坐标和纵坐标形成的区域内设置有很多条等高线，每条等高线代表一个转速，比如转速包括有6000r/min、8000r/min……22000r/min等。

并且，映射图中还显示出了空压机的运行效率，比如在图2中，标记21代表的是空压机运行效率为70％的区域，标记22代表的是空压机运行效率为68％的区域，标记23代表的是空压机运行效率为65％的区域，标记24代表的是空压机运行效率为60％的区域，标记25代表的是空压机运行效率为55％的区域。那么基于空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速时，一般是取目标压力和目标流量对应的参考转速附近，空压机效率最优的转速作为空压机目标转速。

举例来说，参考图2，若目标流量为350，目标压力为1.4；那么对应的目标转速为14000r/min。

这样，即可根据目标压力及目标流量确定出空压机3的目标转速。

其后，可获取空气预充室1的实际压力，将实际压力与目标压力进行比较，当实际压力大于目标压力时(避免实际压力与目标压力不一致导致的空压力频繁加减速)时，控制器1会降低空压机的当前转速；当实际压力小于目标压力时，空压机会增大空压机的当前转速，形成对空压机转速的闭环控制。

具体来讲，在一种可选的实施例中，基于目标转速控制空压机运行后，方法还包括：

获取空气预充室1的实际压力；

获取实际压力与所述目标压力之间的压力差值；

基于压力差值调整空压机的当前转速。

在一种可选的实施例中，基于压力值调整空压机3的当前转速，包括：

获取空压机3的当前转速，基于当前转速及目标转速确定转速差值；

根据转速差值确定参考加速度；参考加速度为单位时间内的加速度，单位时间一般为1s；

在参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度；

当确定压力差值大于预设的压力阈值时，则以目标加速度为基准将当前转速降低至目标转速；

当确定压力差值小于压力阈值时，则以目标加速度为基准将当前转速增大至目标转速。

值得注意的是，每次调整当前转速后，均需要重新确定参考加速度，以重新确定出的加速度调整目标转速。

在一种可选的实施例中，在参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度，包括：

若确定参考加速度大于最大加速度，则将最大加速度作为空压机的目标加速度；

若确定参考加速度小于最大加速度，则将转速差值作为空压机的目标加速度。

进一步地，因电池电堆得冷却液回路会流经空气预充室的表面，因此控制器会利用空气压力温度传感器获取空气预充室的实际温度；

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率对应的参考温度；

根据实际温度与参考温度调节流经空气预充室表面的冷却液流量，实现进堆空气温度的闭环控制。

本实施例中，第二部分燃料电池进堆压力的控制方式如下：

进气压力调节阀，安装燃料电池电堆的进气管道上；在电池电堆实际运行中，基于目标转速控制空压机运行后，方法还包括：

获取燃料电池的目标输出功率，根据目标输出功率确定目标进堆压力；

根据目标进堆压力调节进气压力调节阀的开度。

为了可以实现对目标进堆压力的闭环控制，控制器可以利用进堆压力传感器获取电池电堆的实际压力，根据实际压力及目标进堆压力实时调节进气压力调节阀的开度。

进一步地，方法还包括：

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率；

基于当前实际输出功率与目标输出功率修正目标进堆压力，从而实现对燃料电池电堆输出功率的闭环控制。

本实施例中将整个控制回路分为两段式控制。空压机只响应空气预充室的目标压力，进气压力调节阀响应目标输出功率的需求，简化了整个空气供给控制系统设计复杂度。空气预充室降低了电堆对空压机动态响应速率的要求，使空压机提高工作效率成为了可能，并节约了空压机快速动态变化带来的额外功率浪费。

本实施例可以通过进气压力调节阀调节目标进堆压力，能够快速响应电池电堆目标输出功率，并且不会带来空压机太多额外的功率消耗。另外，本实施例中将传统的流量控制转换为利用压力控制，能够避免出现因流量传感器受环境因素影响大，采集精度低以及响应速度慢带来的空压机的额外功率消耗以及系统输出功率控制精度差等问题。

可以理解的是，在提升了空压机效率的同时，必然会减少空压机热工消耗，降低了空压机的散热需求，从而可以降低进入空气预充室的空气温度，使得空压机以及空气预充室对冷却系统的散热需求得以降低，进一步优化了冷却系统的散热器面积，减少了冷却系统的功率消耗，提升了燃电系统的经济性及动力性。

综上，本发明利用增加的空气预充室降低空压机动态响应速率，使空压机工作效率得到有效提高，并简间接优化了冷却系统，减少冷却系统的消耗，提升了燃料电池经济适用性型；同时采用进气压力调节阀调节进堆压力，利用进堆压力传感器实现对进堆压力的实时调节，实现了电池电堆目标输出功率的快速动态响应。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池增压控制系统，其特征在于，所述系统包括：

空气预充室，所述空气预充室的一端与空压机相连通，用于预先存储空气；

控制器，用于确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定所述空压机的目标转速；基于所述目标转速控制所述空压机运行；

所述控制器具体用于：

根据燃料电池目标输出功率确定所述燃料电池的目标进堆压力及目标进堆流量；

基于所述目标进堆压力确定所述空气预充室的目标压力，所述空气预充室的目标压力为所述目标进堆压力与预设压力偏差值之和；

基于所述目标进堆流量确定所述空气预充室的目标流量，所述空气预充室的目标流量与所述目标进堆流量一致；

基于所述空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，系统还包括：进气压力调节阀，安装燃料电池电堆的进气管道上；

所述控制器还用于：

获取燃料电池的目标输出功率，根据所述目标输出功率确定目标进堆压力；

根据所述目标进堆压力调节所述进气压力调节阀的开度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率；

基于所述当前实际输出功率与所述目标输出功率修正所述目标进堆压力。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：

获取所述空气预充室的实际压力；

获取所述实际压力与所述目标压力之间的压力差值；

基于所述压力差值调整所述空压机的当前转速。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器具体用于：

获取所述空压机的当前转速，基于所述当前转速及所述目标转速确定转速差值；

根据转速差值确定参考加速度；

在所述参考加速度及空压机允许的最大加速度中确定目标加速度；

当确定所述压力差值大于预设的压力阈值时，则以所述目标加速度为基准将所述当前转速降低至目标转速；

当确定所述压力差值小于所述压力阈值时，则以所述目标加速度为基准将所述当前转速增大至所述目标转速。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：

获取所述空气预充室的实际温度；

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率对应的参考温度；

根据所述实际温度与所述参考温度调节流经所述空气预充室表面的冷却液流量。

7.一种燃料电池增压控制方法，其特征在于，所述方法包括：

利用空气预充室预先存储空气；

确定所述空气预充室的目标压力及目标流量，基于所述目标压力及所述目标流量确定空压机的目标转速；

基于所述目标转速控制所述空压机运行；其中，

确定空气预充室的目标压力及目标流量，基于目标压力及目标流量确定空压机的目标转速，包括：

根据燃料电池目标输出功率确定所述燃料电池的目标进堆压力及目标进堆流量；

基于目标进堆压力确定空气预充室的目标压力，空气预充室的目标压力为目标进堆压力与预设压力偏差值之和；

基于目标进堆流量确定空气预充室的目标流量，空气预充室的目标流量与目标进堆流量一致；

基于空气预充室的目标压力和目标流量，在空压机映射表中查找对应的目标转速。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标转速控制所述空压机运行后，方法还包括：

获取燃料电池的目标输出功率，根据所述目标输出功率确定目标进堆压力；

根据所述目标进堆压力调节进气压力调节阀的开度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标进堆压力调节进气压力调节阀的开度后，方法还包括：

获取燃料电池电堆的当前实际输出功率；

基于所述当前实际输出功率与所述目标输出功率修正所述目标进堆压力。