CN114122465B - 一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法 - Google Patents

一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法。一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，其具体包括以下步骤：S1、计算燃料电池系统请求发电功率Pset与实际功率Pact偏差值ΔP；S2、基于燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差值ΔP，获取初始动态加载斜率值R；S3、获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值；S4、获取燃料电池系统修正后的动态加载斜率值R1；S5：若R1≤0，则令R1＝0，燃料电池系统停止加载并保持当前功率值运行，当R1＞0时，则令燃料电池系统的加载斜率为R1并进行加载，直至燃料电池系统当前发电功率Pact等于VCU请求发电功率Pset后，燃料电池系统停止加载。

Description

一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法。
背景技术
当前燃料电池系统的寿命是燃料电池汽车广泛使用面临的最大挑战之一，燃料电池反应堆作为燃料电池系统最核心的关键零部件，是影响燃料电池系统寿命最关键的因素，而燃料电池反应堆的耐久性能一直是相关科研院所、企业研究的热点，研究发现在燃料电池反应堆的使用过程影响其耐久性能主要有以下几个方面：1、极端工况的频繁使用；2、燃料电池反应堆的一致性；3、气体反应物欠压；4、膜电极水淹。本发明旨在从燃料电池反应堆的一致性入手，提供一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法。
本发明提供一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，其具体包括以下步骤：
S1、在整车锂电动力电池电量下降到预设值时，通过整车控制器给燃料电池控制器发送请求燃料电池系统发电指令，此时，计整车控制器请求发电功率为Pset，同时，获取燃料电池系统实际功率Pact，计算燃料电池系统请求发电功率Pset与实际功率Pact偏差值ΔP；
S2、基于燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差值ΔP，获取初始动态加载斜率值R；
S3、获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值；
S4：根据S2中获取的初始动态加载斜率值和S3中获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值，得到燃料电池系统修正后的动态加载斜率值R1，即R1＝初始动态加载斜率值+动态加载斜率修正值；
S5：若R1≤0，则令R1＝0，燃料电池系统停止加载并保持当前功率值运行，当R1＞0，则令燃料电池系统的加载斜率为R1并进行加载，直至燃料电池系统当前发电功率Pact等于VCU请求发电功率Pset后，燃料电池系统停止加载。
进一步地，S3中燃料电池系统的动态加载斜率修正值的具体操作为：
S31、若燃料电池系统含单体电压巡检模块，通过单体电压巡检模块测得的燃料电池反应堆每一片单体电池的电压值后，计算单体电池的平均电压和单体电池电压的标准差，根据单体电池电压的标准差值，获取动态加载斜率修正值m；
S32、若燃料电池系统不含单体电压巡检模块，则分别获取燃料电池系统的气体反应物流量比、气体反应物湿度值、气体反应物温度值、燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差绝对值，并对应获取动态加载斜率修正值n1、n2、n3、n4，比较n1、n2、n3、n4的绝对值大小，最大值即为动态加载斜率修正值n。
进一步地，S32中获取燃料电池系统的气体反应物流量比的具体操作为：
基于燃料电池反应堆电流I和设定过量系数λ，通过法拉第方程计算理论气体流量Qset，其中，Qset＝I×λ×燃料电池反应堆单片电池片数×空气摩尔质量÷空气中氧气体积分数÷氧气原子数÷法拉第常数÷氧化反应电荷数，同时，获取根据燃料电池系统的当前气体反应物实际流量Qact，计算燃料电池系统的气体反应物流量比Q，Q＝Qact/Qset。
进一步地，S4中获取动态加载斜率值R1的具体操作为：
若燃料电池系统含单体电压巡检模块，则R1＝R+m；
若燃料电池系统不含单体电压巡检模块，则R1＝R+n。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，从燃料电池反应堆的一致性入手，通过修正燃料电池系统的动态加载斜率，提高动态加载过程中燃料电池反应堆的一致性，此外有效避免燃料电池系统在非适宜操作条件下(指气体反应物湿度、气体反应物温度、气体反应物流量比、电堆冷却液温差超出设计阈值)仍然快速加载而损坏电堆，从而达到增加燃料电池系统寿命的目的。
附图说明
图1是本发明所述的燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差ΔP与初始动态加载斜率R关系曲线；
图2是本发明所述的单体电压的标准差与加载斜率修正值关系曲线；
图3是本发明所述的气体反应物流量比与加载斜率修正值关系曲线；
图4是本发明所述的气体反应物湿度与加载斜率修正值关系曲线；
图5是本发明所述的气体反应物温度与加载斜率修正值关系曲线；
图6是本发明所述的冷却液温差与加载斜率修正值关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
燃料电池反应堆的单体电池电压保持较好的一致性可提高燃料电池反应堆的使用寿命，在燃料电池系统各工况中，动态加载过程是最容易导致燃料电池反应堆的单体电池电压一致性波动的情况之一。
而燃料电池系统的动态加载过程主要取决于动态加载斜率斜率，动态加载斜率一般为一个标定量，或者动态加载斜率随燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差值变化，本发明提出可通过实时修正动态加载斜率，以最大限度地保持电堆单体电压一致性，从而提高燃料电池系统的耐久性能。
此外，还需考虑燃料电池系统是否单体电压巡检模块(CVM)，本发明根据燃料电池系统是否含CVM，提出两种修正动态加载斜率的控制方法。
①如果燃料电池系统含CVM，那么可检测到每一块单体电池的电压，通过计算单体电池电压标准差，而单体电池电压标准差可直接反映燃料电池反应堆的单体电池电压的一致性，那么通过单体电池电压标准差修正动态加载斜率；
②如果燃料电池系统不含CVM，无法计算单体电池电压的标准差，通过气体反应物流量比、气体反应物湿度、气体反应物温度、燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差等影响电堆一致性的主要参数用于修正动态加载斜率。
一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，其具体包括以下步骤：
S1、在整车锂电动力电池电量下降到预设值时，通过整车控制器(VCU)给燃料电池控制器(FCU)发送请求燃料电池系统发电指令，此时，计VCU请求发电功率为Pset，测量此时燃料电池系统的实际电压和实际电流，并将实际电压和实际电流进行相乘，得到燃料电池系统实际功率Pact，计算燃料电池系统请求发电功率Pset与实际功率Pact偏差值ΔP；在本发明中，预设值为20％；
S2、基于燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差值ΔP，根据燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差ΔP与初始动态加载斜率R关系曲线(如图1所示)，获取初始动态加载斜率值R，由图1可知，当ΔP≥70kW时，初始动态加载斜率R恒定为30kW/s，随着加载过程实际功率Pact会接近于请求发电功率Pset，ΔP值减小，防止功率超调，加载斜率缓慢降低至10kW/s；
S3、获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值；具体的：
S3-1、若燃料电池系统含单体电压巡检模块(CVM)，通过CVM测得的燃料电池反应堆每一片单体电池的电压值，计算单体电池的平均电压，通过标准差公式s＝sqrt(((x1-x)^2+(x2-x)^2+......(xn-x)^2)/(n-1))，(其中x1......xn为燃料电池反应堆每一片单体电池的电压值，x为单体电池的平均电压)，计算出单体电池电压的标准差，根据单体电压的标准差与加载斜率修正值关系曲线(如图2所示)，获取动态加载斜率修正值m，需要说明的是，当单体电池电压的标准差＞50mV时，判定燃料电池反应堆的单体电池电压一致性溢出正常值范围，应降低加载斜率使气体反应物能有缓冲时间均匀分布于膜电极，从而提高燃料电池反应堆单体电压一致性；
S3-2、若燃料电池系统不含单体电压巡检模块(CVM)，则：
①在动态加载过程中，基于燃料电池反应堆电流I和设定过量系数λ，通过法拉第方程计算理论气体流量Qset，其中，Qset＝I×λ×燃料电池反应堆单片电池片数×空气摩尔质量÷空气中氧气体积分数÷氧气原子数÷法拉第常数÷氧化反应电荷数，根据燃料电池系统安装的气体反应物流量传感器，读取到当前气体反应物实际流量Qact，计算燃料电池系统的气体反应物流量比Q，Q＝Qact/Qset，根据气体反应物流量比与加载斜率修正值关系曲线(如图3所示)，获取动态加载斜率修正值n1，由图3可知，气体流量比理想范围在2～3.4之间，此区间内不需要修正燃料电池系统的加载斜率，而当气体流量比＜2时(防止气体反应物欠气)或者当气体流量比＞3.4时(防止气体反应物过剩或者膜电极反应不充分)，应需要降低燃料电池系统的加载斜率；
②在动态加载过程，基于燃料电池系统安装的气体反应物湿度传感器，读取到当前燃料电池系统的气体反应物湿度，根据气体反应物湿度与加载斜率修正值关系曲线(如图4所示)，获取动态加载斜率修正值n2，由图4可知，气体反应物进堆湿度理想范围在40％～80％，此区间不需要修正燃料电池系统的加载斜率，当气体反应物湿度＜40％(防止膜干)或者气体反应物湿度＞80％(防止膜电极水淹)，应降低燃料电池系统的加载斜率；
③在动态加载过程，基于燃料电池系统安装的气体反应物温度传感器，读取到当前气体反应物温度，根据气体反应物温度与加载斜率修正值关系曲线(如图5所示)，获取动态加载斜率修正值n3，由图5可知，气体反应物进堆温度理想范围在10℃～70℃，此区间不需要修正燃料电池系统的加载斜率，当气体反应物温度＜10℃或气体反应物温度＞70℃时，防止超低温、超高温快速拉载对燃料电池反应堆的损害，应降低燃料电池系统的加载斜率；当气体反应物温度≤-20℃时，燃料电池系统的最大加载斜率为10kW/s，而当气体反应物≥90℃时，燃料电池系统应停止加载；
④在动态加载过程，基于燃料电池系统安装的冷却液入口和冷却液出口温度传感器，计算当前燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差(绝对值)，根据冷却液温差与加载斜率修正值n4关系曲线(如图6所示)，获取动态加载斜率修正值n4，由图6可知，当燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差(绝对值)≤15℃时，此区间燃料电池系统不需要修正加载斜率，当燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差(绝对值)＞15℃时(降低燃料电池反应堆单体一致性)，应降低燃料电池系统的加载斜率，当燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差(绝对值)≥30℃时，燃料电池系统应停止加载；
⑤比较n1、n2、n3、n4的绝对值，取最大值，即可得到动态加载斜率修正值n；
S4：根据S2中获取的初始动态加载斜率值和S3中获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值，得到燃料电池系统修正后的动态加载斜率值R1，即R1＝初始动态加载斜率值+动态加载斜率修正值；具体的：
若燃料电池系统含单体电压巡检模块(CVM)，则R1＝R+m；
若燃料电池系统不含单体电压巡检模块(CVM)，则R1＝R+n；
S5：若R1≤0，则令R1＝0，燃料电池系统停止加载并保持当前功率值运行，当R1＞0，则令燃料电池系统的加载斜率为R1并进行加载，直至燃料电池系统当前发电功率Pact等于VCU请求发电功率Pset后，燃料电池系统停止加载。
需要说明的是，在本发明中，燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差ΔP与初始动态加载斜率R关系曲线、单体电压的标准差与加载斜率修正值关系曲线、气体反应物流量比与加载斜率修正值关系曲线、气体反应物湿度与加载斜率修正值关系曲线、气体反应物温度与加载斜率修正值关系曲线、冷却液温差与加载斜率修正值n4关系曲线的获取均为现有技术，上述曲线是在实验室对本发明燃料电池系统经过测试获取相应的实验数据后，在INCA标定软件中进行标定后获取得到，不同燃料电池系统上述曲线数据可能不同，但是曲线的标定方法为现有技术，且不是本发明需要保护的技术内容，因此，本发明对上述曲线的获取方法以及标定方法不再进行赘述。
本发明的控制方法，从燃料电池反应堆的一致性入手，通过修正燃料电池系统的动态加载斜率，提高动态加载过程中燃料电池反应堆的一致性，从而达到增加燃料电池系统寿命的目的。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，其特征在于，其具体包括以下步骤：
S1、在整车锂电动力电池电量下降到预设值时，通过整车控制器给燃料电池控制器发送请求燃料电池系统发电指令，此时，计整车控制器请求发电功率为Pset，同时，获取燃料电池系统实际功率Pact，计算燃料电池系统请求发电功率Pset与实际功率Pact偏差值ΔP；
S2、基于燃料电池系统请求发电功率与实际功率偏差值ΔP，获取初始动态加载斜率值R；
S3、获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值；具体操作为：
S31、若燃料电池系统含单体电压巡检模块，通过单体电压巡检模块测得的燃料电池反应堆每一片单体电池的电压值后，计算单体电池的平均电压和单体电池电压的标准差，根据单体电池电压的标准差值，获取动态加载斜率修正值m；
S32、若燃料电池系统不含单体电压巡检模块，则分别获取燃料电池系统的气体反应物流量比、气体反应物湿度值、气体反应物温度值、燃料电池反应堆冷却液入口与冷却液出口的冷却液温差绝对值，并对应获取动态加载斜率修正值n1、n2、n3、n4，比较n1、n2、n3、n4的绝对值大小，最大值即为动态加载斜率修正值n；
其中燃料电池系统的气体反应物流量比为气体反应物实际流量与理论流量之比；
S4：根据S2中获取的初始动态加载斜率值和S3中获取燃料电池系统的动态加载斜率修正值，得到燃料电池系统修正后的动态加载斜率值R1，即R1＝初始动态加载斜率值+动态加载斜率修正值；
S5：若R1≤0，则令R1＝0，燃料电池系统停止加载并保持当前功率值运行，当R1＞0时，则令燃料电池系统的加载斜率为R1并进行加载，直至燃料电池系统当前发电功率Pact等于整车控制器请求发电功率Pset后，燃料电池系统停止加载。
2.根据权利要求1所述的一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，其特征在于，S32中获取燃料电池系统的气体反应物流量比的具体操作为：
基于燃料电池反应堆电流I和设定过量系数λ，通过法拉第方程计算理论气体流量Qset，其中，Qset＝I×λ×燃料电池反应堆单片电池片数×空气摩尔质量÷空气中氧气体积分数÷氧气原子数÷法拉第常数÷氧化反应电荷数，同时，获取根据燃料电池系统的当前气体反应物实际流量Qact，计算燃料电池系统的气体反应物流量比Q，Q＝Qact/Qset。
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