CN114497631B - 一种燃料电池空气系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池空气系统及其控制方法，包括：燃料电池电堆、空气路和控制器；燃料电池电堆输入端设置有进气节气门，燃料电池电堆输出端设置有出气节气门，进气节气门连接空气路；空气路中包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机和中冷器；控制器输出端连接进气节气门、出气节气门和空气压缩机；在系统启动过程中，控制器控制进气节气门和出气节气门全开，且控制空气压缩机以第一转速运行；当控制器根据燃料电池电堆测试工况得到的出气节气门设定开度、出气节气门过渡开度和过渡时间后，开始计时时间，且同时输出出气节气门当前开度，当计时时间与所述过渡时间一致时，实现出口节气门控制平滑切换策略，有效规避空气压缩机喘振故障。

Description

一种燃料电池空气系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其涉及一种燃料电池空气系统及其控制方法。
背景技术
燃料电池系统控制包含空气子系统、氢气子系统和热管理子系统等多子系统协同控制，其中空气子系统控制需要考虑空气入堆压力、入堆流量及空气压缩机喘振等诸多因素。
现有的燃料电池系统在开机过程中空气压缩机转速和系统目标压力变化，导致空气压缩机工作点进入喘振区，系统发生喘振现象，喘振现象对燃料电池系统有很大危害，甚至会引发安全事故。因此，空气压缩机喘振的精准控制尤为重要，要做到出口节气门从设定开度到自动控制目标开度的平滑过渡。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种燃料电池空气系统及其控制方法。通过保证出气节气门设定开度时间，与出气节气门的过渡时间一致，实现出口节气门控制平滑切换策略，有效规避空气压缩机喘振故障。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池空气系统，包括：燃料电池电堆、空气路和控制器，其特征在于，
所述燃料电池电堆输入端设置有进气节气门，所述燃料电池电堆输出端设置有出气节气门，所述进气节气门连接所述空气路；所述空气路中包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机和中冷器，所述中冷器与所述进气节气门连接；所述控制器的输出端连接所述进气节气门、所述出气节气门和所述空气压缩机；
在所述燃料电池空气系统启动过程中，所述控制器控制所述进气节气门和所述出气节气门全开，且控制所述空气压缩机以第一转速运行；当所述控制器根据燃料电池电堆测试工况得到的出气节气门设定开度、出气节气门过渡开度和过渡时间后，开始计时时间，且同时输出出气节气门目标开度，当所述计时时间与所述过渡时间一致时，所述出气节气门平滑过渡策略结束。
本发明一个较佳实施例中，所述燃料电池电堆测试工况为满足所述燃料电池电堆运行条件的工况。
本发明一个较佳实施例中，所述中冷器的一侧设置有旁通节气门，通过调节所述空气压缩机转速和所述旁通节气门的开度，控制所述空气路中的空气流量和压力。
本发明一个较佳实施例中，所述第一转速为所述空气压缩机的最小转速，所述最小转速依据所述空气压缩机的型号决定。
本发明一个较佳实施例中，所述中冷器和所述进气节气门之间的所述空气路中设置有空气压力传感器，所述空气过滤器的一侧设置有空气流量传感器。
基于上述所述的一种燃料电池空气系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、控制器发送系统开机指令，进入启动状态；
S2、控制器下发进气节气门、出气节气门开度均为100%全开；
S3、启动空气压缩机，设定转速为第一转速
Figure 213567DEST_PATH_IMAGE002
，进行开机前吹扫；
S4、根据电堆测试工况得出开机空气目标流量
Figure 77618DEST_PATH_IMAGE004
，目标压力
Figure 626411DEST_PATH_IMAGE006
；
S5、触发PID控制，得出出气节气门设定开度
Figure 166983DEST_PATH_IMAGE008
，空气压缩机目标转速
Figure 168437DEST_PATH_IMAGE010
；由空气路实验得出出气节气门过渡开度
Figure 836178DEST_PATH_IMAGE012
，设定过渡时间t；
S6、计算出气节气门当前开度
Figure 973899DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 701683DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 941166DEST_PATH_IMAGE018
为计时时间，
Figure 147019DEST_PATH_IMAGE018
自S5后开始由0计时；
S7、下发出气节气门目标开度
Figure 404825DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 303511DEST_PATH_IMAGE022
；
S8、判断t是否等于
Figure 279557DEST_PATH_IMAGE018
，若是，下发出气节气门目标开度
Figure 272790DEST_PATH_IMAGE020
和空气压缩机目标转速
Figure 650682DEST_PATH_IMAGE010
；若不是，返回S6。
本发明一个较佳实施例中，所述目标压力
Figure 454690DEST_PATH_IMAGE006
小于目标压力限定值，所述目标压力限定值为根据当前目标转速和空气压缩机的喘振曲线得到。
本发明一个较佳实施例中，所述空气路实验指：在空气压缩机最小转速下，进气节气门全开，调节出气节气门开度，使空气流量满足燃料电池电堆运行条件，且空气压缩机不喘振，记录出气节气门开度为过渡开度
Figure 918032DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明提供了一种燃料电池空气系统的控制方法，通过保证出气节气门设定开度时间，与出气节气门的过渡时间一致，实现出口节气门控制平滑切换策略，有效规避空气压缩机喘振故障，提高空气压缩机的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的优选实施例的一种燃料电池空气系统的结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的一种燃料电池空气系统的控制方法的流程图；
图中：1、燃料电池电堆；2、进气节气门；3、出气节气门；4、空气过滤器；5、空气流量传感器；6、空气压缩机；7、中冷器；8、旁通节气门；9、空气压力传感器。
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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，示出了本发明中一种燃料电池空气系统的结构示意图。通过保证出气节气门3设定开度时间，与出气节气门3的过渡时间一致，实现出口节气门控制平滑切换策略，有效规避空气压缩机喘振故障，提高空气压缩机的使用寿命。
该燃料电池空气系统包括：燃料电池电堆1、空气路和控制器。燃料电池电堆1输入端设置有进气节气门2，燃料电池电堆1输出端设置有出气节气门3，进气节气门2连接空气路。
空气路中包括依次连接的空气过滤器4、空气压缩机6和中冷器7，中冷器7与进气节气门2连接；控制器的输出端连接进气节气门2、出气节气门3和空气压缩机6。中冷器7的一侧设置有旁通节气门8，通过调节空气压缩机6转速和旁通节气门8的开度，控制空气路中的空气流量和压力。
中冷器7和进气节气门2之间的空气路中设置有空气压力传感器9，空气过滤器4的一侧设置有空气流量传感器5。
在燃料电池空气系统启动过程中，控制器控制进气节气门2和出气节气门3全开，且控制空气压缩机6以第一转速运行。第一转速为空气压缩机6的最小转速，最小转速依据空气压缩机6的型号决定。
当控制器根据燃料电池电堆测试工况得到的出气节气门设定开度、出气节气门过渡开度和过渡时间后，开始计时时间，且同时输出出气节气门目标开度，当计时时间与所述过渡时间一致时，出气节气门平滑过渡策略结束。其中，燃料电池电堆测试工况为满足燃料电池电堆1运行的条件。
如图2所示，示出了本发明中一种燃料电池空气系统的控制方法的流程图。该燃料电池空气系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、控制器发送系统开机指令，进入启动状态；
S2、控制器下发进气节气门、出气节气门开度均为100%全开；
S3、启动空气压缩机，设定转速为第一转速
Figure 731267DEST_PATH_IMAGE002
，进行开机前吹扫；
S4、根据电堆测试工况得出开机空气目标流量
Figure 698086DEST_PATH_IMAGE004
，目标压力
Figure 957816DEST_PATH_IMAGE006
；
S5、触发PID控制，得出出气节气门设定开度
Figure 377296DEST_PATH_IMAGE008
，空气压缩机目标转速
Figure 994222DEST_PATH_IMAGE010
；由空气路实验得出出气节气门过渡开度
Figure 815548DEST_PATH_IMAGE012
，设定过渡时间t；
S6、计算出气节气门当前开度
Figure 492517DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 664872DEST_PATH_IMAGE016
，其中，
Figure 803598DEST_PATH_IMAGE018
为计时时间，
Figure 10589DEST_PATH_IMAGE018
自S5后开始由0计时；
S7、下发出气节气门目标开度
Figure 592880DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 252531DEST_PATH_IMAGE022
；
S8、判断t是否等于
Figure 945681DEST_PATH_IMAGE018
，若是，下发出气节气门目标开度
Figure 492331DEST_PATH_IMAGE020
和空气压缩机目标转速
Figure 245523DEST_PATH_IMAGE010
；若不是，返回S6。
所述目标压力
Figure 392471DEST_PATH_IMAGE006
小于目标压力限定值，所述目标压力限定值为根据当前目标转速和空气压缩机的喘振曲线得到。
本发明中空气路实验指：在空气压缩机6最小转速下，进气节气门2全开，调节出气节气门3开度，使空气流量满足燃料电池电堆1运行条件，且空气压缩机6不喘振，记录出气节气门3开度为过渡开度
Figure 154890DEST_PATH_IMAGE012
。
本发明的控制方式是通过控制器来控制的，控制器的控制电路通过本领域的技术人员编程即可实现，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池空气系统，包括：燃料电池电堆、空气路和控制器，其特征在于，
所述燃料电池电堆输入端设置有进气节气门，所述燃料电池电堆输出端设置有出气节气门，所述进气节气门连接所述空气路；所述空气路中包括依次连接的空气过滤器、空气压缩机和中冷器，所述中冷器与所述进气节气门连接；所述控制器的输出端连接所述进气节气门、所述出气节气门和所述空气压缩机；
在所述燃料电池空气系统启动过程中，所述控制器控制所述进气节气门和所述出气节气门全开，且控制所述空气压缩机以第一转速运行；当所述控制器根据燃料电池电堆测试工况得到的出气节气门设定开度、出气节气门过渡开度和过渡时间后，开始计时时间，且同时输出出气节气门目标开度，当所述计时时间与所述过渡时间一致时，所述出气节气门平滑过渡策略结束。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于：所述燃料电池电堆测试工况为满足所述燃料电池电堆运行条件的工况。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于：所述中冷器的一侧设置有旁通节气门，通过调节所述空气压缩机转速和所述旁通节气门的开度，控制所述空气路中的空气流量和压力。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于：所述第一转速为所述空气压缩机的最小转速，所述最小转速依据所述空气压缩机的型号决定。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池空气系统，其特征在于：所述中冷器和所述进气节气门之间的所述空气路中设置有空气压力传感器，所述空气过滤器的一侧设置有空气流量传感器。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的一种燃料电池空气系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制器发送系统开机指令，进入启动状态；
S2、控制器下发进气节气门、出气节气门开度均为100%全开；
S3、启动空气压缩机，设定转速为第一转速
Figure 321847DEST_PATH_IMAGE001
，进行开机前吹扫；
S4、根据电堆测试工况得出开机空气目标流量
Figure 581927DEST_PATH_IMAGE002
，目标压力
Figure 457479DEST_PATH_IMAGE003
；
S5、触发PID控制，得出出气节气门设定开度
Figure 234417DEST_PATH_IMAGE004
，空气压缩机目标转速
Figure 537223DEST_PATH_IMAGE005
；由空气路实验得出出气节气门过渡开度
Figure 222282DEST_PATH_IMAGE006
，设定过渡时间t；
S6、计算出气节气门当前开度
Figure 635946DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 785167DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 9606DEST_PATH_IMAGE009
为计时时间，
Figure 978700DEST_PATH_IMAGE009
自S5后开始由0计时；
S7、下发出气节气门目标开度
Figure 930475DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 137465DEST_PATH_IMAGE011
；
S8、判断t是否等于
Figure 47653DEST_PATH_IMAGE009
，若是，下发出气节气门目标开度
Figure 254774DEST_PATH_IMAGE010
和空气压缩机目标转速
Figure 213503DEST_PATH_IMAGE005
；若不是，返回S6。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池空气系统的控制方法，其特征在于：所述目标压力
Figure 806158DEST_PATH_IMAGE003
小于目标压力限定值，所述目标压力限定值为根据当前目标转速和空气压缩机的喘振曲线得到。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池空气系统的控制方法，其特征在于：所述空气路实验指：在空气压缩机最小转速下，进气节气门全开，调节出气节气门开度，使空气流量满足燃料电池电堆运行条件，且空气压缩机不喘振，记录出气节气门开度为过渡开度
Figure 887247DEST_PATH_IMAGE006
。
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