CN114464848B - 一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，其中方法具体包括以下步骤：根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速。与现有技术相比，本发明具有可消除在流量控制环节和压力控制环节的不良影响等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气动控制与新能源技术领域，尤其是涉及一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置。
背景技术
随着社会的发展与科技进步，能源与环境问题日渐受到工业生产的高度重视，人们对清洁能源的需求迫在眉睫。氢气是一种理想的新能源气体，具有来源广泛、储量丰富、无污染、能量密度高、可再生的优点。燃料电池作为一种将氢气的化学能转换为电能的高效能量转换装置得到广泛的应用，其中质子交换膜燃料电池在新能源汽车领域更是广受青睐，单目前氢燃料电池汽车并未得到和传统燃油汽车一样程度的普及，其中一个原因是车载燃料电池动力系统的输氢供氢技术不够成熟。
现有车载供氢主流方式是采用气罐储存的高压氢气经过减压后输送给燃料电池电堆。氢气瓶向电堆供给的氢气流量大小应与负载需求成正相关，如果供氢流量过大会导致氢气浪费，流量过小会无法满足功率需求；同时，燃料电池阳极流道的压力需求也随负载的变化而变化，这就需要合理控制电堆入口处的压力，而压力直接受供气流量影响；另外在控制气体流量的同时还需考虑其中氢气的纯度。目前车载燃料电池系统普遍采用的循环供氢模式存在氮气累积现象，因此还需要根据负载需求对循环泵的控制策略及控制律进行合理设计。
现有供氢系统输氢管路多采用两级减压方式，对存储氢气初始压力为70MPa的高压气罐来说，氢气从气罐放出后经瓶口组合阀中的一级减压阀降低到5～10MPa左右，经二级减压阀进一步降低到燃料电池气体工作所需压力，再经节流阀或比例阀等微调元件(用于精确调节进入电堆氢气的压力或流量)后进入燃料电池电堆。这里的二级减压阀是定值减压阀，而且由于电堆在不同负载时对应的理想阳极气压也不同，因此二级减压阀出口压力常留出一定的余量，这种情况下当电堆要求的阳极气压较小时，处于电堆与二级减压阀中间的微调元件两端会有较大的压差，加剧了节流损伤与发热，同时压差的波动也会影响微调元件的精度。
因此，现有的供氢系统输氢管道中，在流量控制和压力控制上均存在大量不足，目前并未有可以对上述环节进行控制的控制方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，包括以下步骤：
根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；
根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；
根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速。
进一步地，所述比例减压阀的出口压力的控制方法如下：
控制比例减压阀的出口压力的具体表达式如下：
其中，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。
进一步地，所述流量控制阀的开度控制方法如下：
控制流量控制阀的开度的具体表达式如下：
其中，ux表示流量控制阀的开度，Amax表示节流口面积最大值，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，Rg表示氢气的气体常数；Cd表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。
进一步地，所述给定氢气摩尔流量信号通过带前馈补偿器的PID控制器根据燃料电池电堆期望阳极气压和燃料电池电堆实际阳极气压获取。
进一步地，所述氢气循环泵的转速的控制方法如下：
控制氢气循环泵的转速的具体表达式如下：
ωbl＝KblI+ωmin
其中，ωbl表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ωmin表示循环泵允许的最小转速；Kbl表示比例系数。
一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆。该装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明首先对比例减压阀进行了控制，确保流量控制阀进出口压力比值保持稳定，既保证了输送足够流量所需的压力储备，又保证了流量控制阀前后压差不会过大从而避免了节流损失和发热的加剧。并对流量控制阀根据实时压力信息和负载电流下的给定氢气摩尔流量信号进行了控制，保证实际流量符合根据负载需求设定的给定流量。还对氢气循环泵的转速进行控制，从而达到控制循环回路氢气流量，使阳极进气维持一定过量比的目的。
附图说明
图1为本发明的控制系统示意图。
图2为本发明的带有具体控制参数的控制系统示意图。
图3为本发明基于数学模型建立的车载质子交换膜燃料电池供氢系统仿真模型框图。
图4为本发明在变负载工况下的质子交换膜燃料电池阳极流道气压跟踪曲线。
图5为本发明在变负载工况下的质子交换膜燃料电池阳极流道气压跟踪细节。
图6为本发明在变负载工况下阳极回路中的氮含量变化曲线。
图7为本发明在变负载工况下管路中的气体流量响应曲线。
图8为本发明在变负载工况下管路中的气体流量响应细节。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，整体控制框图如图1所示，图中实线表示气体的传输路径，虚线表示信号的传输路径。供氢系统硬件部分包括高压氢罐及瓶阀(瓶阀包括一级减压阀)、比例减压阀(电控减压阀)、流量控制阀、输氢管路、质子交换膜燃料电池阳极流道、循环泵、排气阀等，实际中还设有加湿器和冷却器等设备，这里由于和本实施例关联不大所以没有引入。高压氢罐中储存纯氢气，初始压力为pht＝70MPa，经瓶阀的一级减压压力降低到p1＝10MPa，再经比例减压阀降低到进入电堆前的所需压力pre；流量控制阀用于调控从高压氢罐进入燃料电池回路的纯氢气流量。来自高压氢罐的纯氢气与来自循环泵的气体混合后进入阳极流道，一部分发生电化学反应，一部分穿过质子交换膜渗透到阴极，一部分由排气/泄漏阀前后的压力差排出到大气中，剩余气体被循环泵带回阳极入口。由于质子交换膜上也存在阴极向阳极的氮气渗透现象，同时考虑到气体进入阳极流道前会通过加湿器，因此循环泵回路的气体是包含氢气、氮气、水蒸气在内的混合气体。
其中，本方法具体为通过三个控制器u1、u2、u3，对比例减压阀的出口压力，流量控制阀的开度和氢气循环泵的转速进行控制，具体控制方法如下：
首先，通过将压力计测得的流量控制阀出口气压实时反馈给比例减压阀的控制器u2，u2用于控制比例减压阀的出口压力，具体表达式如下：
其中，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。
其次，u1用于控制流量控制阀的开度，根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度，具体表达式如下：
其中，ux表示流量控制阀的开度，Amax表示节流口面积最大值，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，Rg表示氢气的气体常数；Cd表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。所有压力数据由管路中的压力计实时测得，给定摩尔流量信号由带前馈补偿器的PID控制器确定。其中，前馈补偿器是设定了不同电堆负载电流下的给定氢气流量，PID控制器根据期望阳极气压和实际阳极气压的差值进一步对给定氢气流量信号进行调节，以保证阳极气压快速、准确地跟踪期望值。给定阳极气压由特定的燃料电池产品手册查得，一般与电堆负载电流大小直接相关；由于阳极流道气压不容易直接测得，所以实际阳极气压由出气管道的压力计测得值推算。
得到流量控制阀的开度后，将流量控制阀节流口的开度面积设置为开度乘以节流口面积最大值。
上述比例减压阀的控制策略可以使燃料电池端入口处的流量控制阀进出口压力比值保持稳定，既保证了输送足够流量所需的压力储备，又保证了流量控制阀前后压差不会过大从而避免了节流损失和发热的加剧；同时，流量控制阀的控制策略能够保证实际流量符合根据负载需求设定的给定流量，即使比例减压阀出口压力有微小的波动而无法使流量控制阀进出口压力比与设定的比值精确吻合，系统也可以将压力信号实时反馈给控制器u1，让阀开度做出与之相适应的调整，最终输出期望的氢气流量。
控制器u3用于根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速，具体表达式如下：
ωbl＝KblI+ωmin
其中，ωbl表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ωmin表示循环泵允许的最小转速；Kbl表示比例系数，直接影响阳极所供给氢气的过量比与实际进入阳极的氢气纯度，其具体值应根据不同燃料电池电堆产品对氢气过量比以及氢气纯度的要求设定。
以上控制信号的具体控制关系可参考图2。
本实施例还提供了一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，该装置包括存储器和处理器；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行计算机程序时，实现上述实施例中涉及的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法。
图3为以上实施例基于数学模型推导所建立的系统仿真模型框图，运行仿真模型后得到在给定负载电流下的阳极气压、氮含量、氢气流量的响应结果分别如图4、图6、图7所示。
图4为实施例燃料电池阳极气压跟踪变负载工况下期望气压的响应曲线，结果显示在负载突变时阳极气压能够较好地跟踪期望值，调整时间3～5s，稳态误差保持在0.3％以下。图5为压力响应在t＝600s处的细节。
图6为实施例在指定变负载工况下燃料电池氢气回路中氮含量的变化曲线，氮含量直接影响氢气纯度。本实施例所采用的燃料电池产品参数参考Ballard生产的9SSL型电堆，其技术手册规定阳极供给气体的氮含量不超过5％。图6的结果显示供气管道氮含量全程保持在约束指标以下，而燃料电池阳极流道和出气管道中由于氢气大部分参与反应所以氮含量偏高。
图7为实施例在指定变负载工况下供氢管路中各处气体流量的变化曲线，其中时间t＝600s处的响应细节如图8。在满足图6的供气管道氮含量约束条件的前提下，阳极进气流量变化趋势与指定工况下氢气流量需求变化趋势一致，且维持一定的过量比。在负载突变的一瞬间进气流量有较大的超调，这是系统快速调节阳极气压的结果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，其特征在于，包括以下步骤：
根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；
根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；
根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速；
所述流量控制阀的开度控制方法如下：
控制流量控制阀的开度的具体表达式如下：
其中，ux表示流量控制阀的开度，Amax表示节流口面积最大值，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，Rg表示氢气的气体常数；Cd表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。
2.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述比例减压阀的出口压力的控制方法如下：
控制比例减压阀的出口压力的具体表达式如下：
其中，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。
3.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述给定氢气摩尔流量信号通过带前馈补偿器的PID控制器根据燃料电池电堆期望阳极气压和燃料电池电堆实际阳极气压获取。
4.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述氢气循环泵的转速的控制方法如下：
控制氢气循环泵的转速的具体表达式如下：
ωbl＝KblI+ωmin
其中，ωbl表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ωmin表示循环泵允许的最小转速；Kbl表示比例系数。
5.一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现以下方法：
根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；
根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；
根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速；
所述流量控制阀的开度控制方法如下：
控制流量控制阀的开度的具体表达式如下：
其中，ux表示流量控制阀的开度，Amax表示节流口面积最大值，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，Rg表示氢气的气体常数；Cd表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。
6.根据权利要求5所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，其特征在于，所述比例减压阀的出口压力的控制方法如下：
控制比例减压阀的出口压力的具体表达式如下：
其中，pre表示比例减压阀的出口压力，psm表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。
7.根据权利要求5所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，其特征在于，所述给定氢气摩尔流量信号通过带前馈补偿器的PID控制器根据燃料电池电堆期望阳极气压和燃料电池电堆实际阳极气压获取。
8.根据权利要求5所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，其特征在于，所述氢气循环泵的转速的控制方法如下：
控制氢气循环泵的转速的具体表达式如下：
ωbl＝KblI+ωmin
其中，ωbl表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ωmin表示循环泵允许的最小转速；Kbl表示比例系数。
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