CN114497653A - 燃料电池供氢控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种燃料电池供氢控制方法及装置。该燃料电池供氢控制方法包括：根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；确定燃料电池的工况状态，工况状态包括加载状态和减载状态；根据工况状态，确定比例阀的补偿参数；根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。本方案通过根据工况状态，确定比例阀的补偿参数，可以补偿因重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力导致的燃料电池在加载状态和减载状态、同一电池压力以及同一氢气需求流量下的控制开度信号之间的差异值。因此提高了燃料电池输出功率的稳定性。

Description

燃料电池供氢控制方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池供氢控制方法及装置。

背景技术

在质子交换膜燃料电池运行过程中，当电池功率变化时，电池对氢气流量的需求和电池内部的压力都会随之变化，因此需要控制氢气进入电池电堆的流量和电池内部的压力。

目前，采用引射循环系统实现燃料电池的供氢需求。其中，引射循环系统结构简单寿命高，是较为理想的氢气供给系统，其动态性能与燃料电池输出性能的稳定性密切相关。具体地，引射循环系统的比例阀是决定引射循环系统动态性能优良的重要部件，比例阀阀芯和阀体之间的摩擦力、重力、弹簧力以及电磁力等力的合力会导致燃料电池在加载和减载过程中存在流量偏差，从而使燃料电池输出功率存在波动，进而降低燃料电池的输出功率的稳定性。

发明内容

本发明实施例提供一种燃料电池供氢控制方法及装置，以提高燃料电池输出功率的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池供氢控制方法，其包括：

根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；

确定燃料电池的工况状态，工况状态包括加载状态和减载状态；

根据工况状态，确定比例阀的补偿参数；

根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

可选的，根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号，包括：

根据目标功率，计算氢气需求流量和电池压力；

调取标定矩阵表；标定矩阵表为燃料电池的电池压力、氢气需求流量与比例阀的控制开度信号的对照表；

根据氢气需求流量、电池压力以及标定矩阵表，确定控制开度信号。

可选的，确定燃料电池的工况状态，包括：

根据目标功率的变化状态，确定燃料电池的工况状态；目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少；

若目标功率增加，则燃料电池的工况状态为加载状态；

若目标功率减少，则燃料电池的工况状态为减载状态。

可选的，根据工况状态，确定比例阀的补偿参数，包括：

根据标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线；

根据氢气需求流量、电池压力、加载函数曲线以及减载函数曲线，确定比例阀的补偿参数。

可选的，燃料电池供氢控制方法还包括：

根据控制补偿信号调整比例阀的开度。

可选的，控制补偿信号的类型包括电压信号、电流信号以及脉冲信号中的一种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池供氢控制装置，其包括：

控制开度信号确定模块，用于根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；

工况状态确定模块，用于确定燃料电池的工况状态，工况状态包括加载状态和减载状态；

补偿参数确定模块，用于根据工况状态，确定比例阀的补偿参数；

控制补偿信号模块，用于根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

可选的，控制开度信号确定模块包括：

计算单元，用于根据目标功率，计算氢气需求流量和电池压力；

调取单元，用于调取标定矩阵表；标定矩阵表为燃料电池的电池压力、氢气需求流量与比例阀的控制开度信号的对照表；

确定单元，用于根据氢气需求流量、电池压力以及标定矩阵表，确定控制开度信号。

可选的，工况状态确定模块，具体用于

根据目标功率的变化状态，确定燃料电池的工况状态；目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少；

若目标功率增加，则燃料电池的工况状态为加载状态；

若目标功率减少，则燃料电池的工况状态为减载状态。

可选的，补偿参数确定模块包括：

拟合曲线单元，用于根据标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线；

补偿参数确定单元，用于根据氢气需求流量、电池压力、加载函数曲线以及减载函数曲线，确定比例阀的补偿参数。

本发明实施例，首先可以根据目标功率，计算出燃料电池的氢气需求流量和燃料电池的压力。通过查询燃料电池的氢气需求流量和电池压力，确定比例阀在氢气需求流量和电池压力下所对应的控制开度信号。然后确定燃料电池的工况状态，并根据燃料电池的具体工况状态，准确确定比例阀的补偿参数。最后根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。由此，本案可以通过比例阀的补偿参数，补偿因重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力导致的燃料电池在加载状态或减载状态，比例阀的控制开度信号的偏差，因此提高了燃料电池输出功率的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种在相同电池压力下的加载函数曲线和减载函数曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种燃料电池供氢控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

引射循环系统通过调节引射器的电磁比例阀的不同开度来控制进入电池电堆的氢气流量，引射器的电磁比例阀的开度是由输入电磁比例阀电磁线圈的电流、电压或占空比控制的。

引射器的电磁比例阀决定引射循环系统动态性能。具体地，电磁比例阀的阀芯在运动过程中存在重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力，电磁比例阀的阀芯在爬升和下降过程中，阀芯的重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力的方向不同而造成合力不同。当输入电磁比例阀电磁线圈的电流、电压或占空比相同时，电磁阀的爬升高度和下降高度会存在偏差，也就是电磁阀的开度不同。由此引射器的电磁比例阀随着燃料电池的加载和减载需求调节引射器的流量，若按控制器标定的比例阀电流、电压或占空比一一对应，会现加载和降载的“滞环”（电磁阀的爬升高度和下降高度不一致），从而造成进入电池电堆的氢气流量产生偏差，进而使得燃料电池在运行过程中输出功率产生波动。

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图，本实施例可适用于燃料电池调节供氢量的情况，该方法可以由引射循环系统来执行，该引射循环系统可采用硬件和/或软件的方式来实现。该燃料电池供氢控制方法具体包括如下步骤：

S110、根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号。

其中，目标功率为燃料电池需要输出的功率，可以根据车辆的需求获知燃料电池需要输出的目标功率。获取到目标功率后，首先可以根据目标功率计算出燃料电池的氢气需求流量和燃料电池的压力。然后通过查询燃料电池在所求得的氢气需求流量和电池压力下，比例阀所对应的控制开度信号。

S120、确定燃料电池的工况状态，工况状态包括加载状态和减载状态。

其中， 燃料电池的工况可以由燃料电池氢气需求流量、电池压力、燃料电池氢气需求流量的变化状态、目标功率以及目标功率的变化状态等因素决定。燃料电池的工况是指燃料电池目标功率的变化状态或燃料电池氢气需求流量的变化状态。具体地，燃料电池的每一目标功率对应燃料电池一个确定的氢气需求流量，并且随着燃料电池目标功率的增大，燃料电池的氢气需求量随之增大，因此可以通过燃料电池氢气需求流量的变化状态或燃料电池的目标功率的变化状态，确定电池的工况状态。其中，燃料电池的加载状态为增加燃料电池氢气需求流量，也就是燃料电池的目标功率增大。燃料电池的减载状态为减少燃料电池氢气需求流量，也就是燃料电池的目标功率减小。

S130、根据工况状态，确定比例阀的补偿参数。

其中，由于比例阀的阀芯在运动过程中存在重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力，比例阀的阀芯在爬升和下降的过程中，阀芯的重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力的方向不同而造成合力不同，从而导致燃料电池在加载状态和减载状态，同一电池压力和同一氢气需求流量下的控制开度信号不同。

示例性地，若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在加载状态时确定的。当前燃料电池仍为加载状态时，此时比例阀的补偿参数为零。当前燃料电池为减载状态时，此时将燃料电池在加载状态和减载状态，同一电池压力和同一氢气需求流量所对应的控制开度信号的差值作为比例阀的补偿参数。若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在减载状态时确定的。当前燃料电池仍为减载状态时，此时比例阀的补偿参数为零。当前燃料电池为加载状态时，此时将燃料电池在加载状态和减载状态，同一电池压力和同一氢气需求流量所对应的控制开度信号的差值作为比例阀的补偿参数。

S140、根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

其中，比例阀的控制补偿信号是由控制开度信号和补偿参数计算得到的。示例性地，若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在加载状态时确定的。当前燃料电池仍为加载状态时，此时比例阀的补偿参数为零，比例阀的控制补偿信号即为控制开度信号；当前燃料电池为减载状态时，此时比例阀的控制补偿信号为控制开度信号与控制补偿信号的差。若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在减载状态时确定的。当前燃料电池仍为减载状态时，此时比例阀的补偿参数为零，比例阀的控制补偿信号即为控制开度信号；当前燃料电池为加载状态时，此时比例阀的控制补偿信号为控制开度信号与控制补偿信号的和。

本发明实施例，首先可以根据目标功率，计算出燃料电池的氢气需求流量和燃料电池的压力。通过查询燃料电池的氢气需求流量和电池压力，确定比例阀在氢气需求流量和电池压力下所对应的控制开度信号。然后确定燃料电池的工况状态，并根据燃料电池的具体工况状态，准确确定比例阀的补偿参数。最后根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。由此，本案可以通过比例阀的补偿参数，补偿因重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力导致的燃料电池在加载状态或减载状态，比例阀的控制开度信号的偏差，因此提高了燃料电池输出功率的稳定性。

图2为本发明实施例提供的另一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图，如图2所示，该燃料电池供氢控制方法具体包括如下步骤：

S210、根据目标功率，计算氢气需求流量和电池压力。

其中，目标功率分别与氢气需求流量和电池压力之间具有一定的关系，根据目标功率即可计算出氢气需求流量和电池压力。氢气需求流量

，n为电池片数，M_H2为氢气摩尔质量，I为电堆电流（与目标功率关联的电流值），λ为计量比，F为法拉第常数；目标功率对应的电池内气体压力值由敏感性试验标定设计得出。

S220、调取标定矩阵表；标定矩阵表为燃料电池的电池压力、氢气需求流量与比例阀的控制开度信号的对照表。

其中，标定矩阵表为测试条件下所测量的燃料电池的比例阀在不同的控制开度信号下，所对应的燃料电池的电池压力、氢气需求流量。由此可以，在确定氢气需求流量和电池压力后，可以根据氢气需求流量和电池压力在标定矩阵表中查询到氢气需求流量和电池压力所对应的控制开度信号。

S230、根据氢气需求流量、电池压力以及标定矩阵表，确定控制开度信号。

其中，需要将燃料电池在加载状态下的数据作为基准数据或将燃料电池在减载状态下的数据作为基准数据。例如，将燃料电池在加载状态下的数据作为基准数据，可以通过燃料电池的标定矩阵表，依据所求得的氢气需求流量和电池压力，查询燃料电池在加载状态下比例阀所对应的控制开度信号。 或者，将燃料电池在减载状态下的数据作为基准数据，可以通过燃料电池的标定矩阵表，依据所求得的氢气需求流量和电池压力，查询燃料电池在减载状态下比例阀所对应的控制开度信号。

S240、根据目标功率的变化状态，确定燃料电池的工况状态；目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少。若目标功率增加，则燃料电池的工况状态为加载状态；若目标功率减少，则燃料电池的工况状态为减载状态。

其中，燃料电池的每一目标功率对应燃料电池的一个确定的氢气需求流量，并且随着燃料电池目标功率的增大，燃料电池的氢气需求量随之增大，因此可以通过燃料电池的目标功率的变化状态，确定电池的工况状态。其中，燃料电池的加载状态为增加燃料电池氢气需求流量，也就是燃料电池的目标功率增加。燃料电池的减载状态为减少燃料电池氢气需求流量，也就是燃料电池的目标功率减少。

S250、根据标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线。

其中，根据标定矩阵表，将燃料电池在加载状态，并且同一电池压力下的不同的氢气需求流量以及不同的氢气需求流量所对应的控制开度信号筛选出来，做出氢气需求流量和控制开度信号的关系曲线，即为加载函数曲线。根据标定矩阵表，将燃料电池在减载状态，并且同一电池压力下的不同的氢气需求流量以及不同的氢气需求流量所对应的控制开度信号筛选出来，做出氢气需求流量和控制开度信号的关系曲线，即为减载函数曲线。

示例性地，图3为本发明实施例提供的一种在相同电池压力下的加载函数曲线和减载函数曲线示意图，如图3所示，曲线310为减载函数曲线，曲线320为加载函数曲线。

S260、根据氢气需求流量、电池压力、加载函数曲线以及减载函数曲线，确定比例阀的补偿参数。

具体地，根据电池压力选取所需的加载函数曲线和减载函数曲线。选取好加载函数曲线以及减载函数曲线后，根据氢气需求流量确定加载函数曲线和减载函数曲线上同一氢气需求流量所对应的控制开度信号。例如，继续参考图3，图3为在相同电池压力下的加载函数曲线和减载函数曲线，当氢气需求流量为Q时，加载函数曲线上氢气需求流量Q所对应的控制开度信号为X2，减载函数曲线上氢气需求流量Q所对应的控制开度信号为X1。若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在加载状态时确定的。当前燃料电池仍为加载状态且氢气需求流量为Q时，此时比例阀的补偿参数为零。当前燃料电池为减载状态且氢气需求流量为Q时，此时将燃料电池在加载状态和减载状态，同一电池压力和同一氢气需求流量所对应的控制开度信号的差值X2-X1作为比例阀的补偿参数。若根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在减载状态时确定的。当前燃料电池仍为减载状态且氢气需求流量为Q时，此时比例阀的补偿参数为零。当前燃料电池为加载状态且氢气需求流量为Q时，此时将燃料电池在加载状态和减载状态，同一电池压力和同一氢气需求流量所对应的的控制开度信号的差值X2-X1作为比例阀的补偿参数。

S270、根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

S280、根据控制补偿信号调整比例阀的开度。

其中，确定比例阀的控制补偿信号后，需要根据控制补偿信号调整比例阀的开度，以实现给燃料电池提供氢，保证燃料电池输出目标功率的稳定性。

可选的，控制补偿信号的类型包括电压信号、电流信号以及脉冲信号中的一种。

示例性地，根据控制补偿信号调整比例阀的开度，可以通过调节比例阀的电压信号、电流信号或脉冲信号中的一种，将比例阀开度调整至需求状态，保证了引射器进氢流量的精确性，从而保证燃料电池功率输出的稳定性。

图4为本发明实施例提供的另一种燃料电池供氢控制方法的流程示意图，如图4所示，该燃料电池供氢控制方法具体包括如下步骤：

S410、获取目标功率。

S420、根据目标功率，计算氢气需求流量和电池压力。其中，根据目标功率，确定的比例阀的控制开度信号，是燃料电池在加载状态时确定的。

S430、根据氢气需求流量、电池压力以及标定矩阵表，确定控制开度信号。

S440、判断燃料电池的工况状态是否为加载状态；若是，则继续执行S450；若否，则执行S460。

S450、根据控制开度信号调整比例阀的开度。

S460、根据标定矩阵表，根据氢气需求流量以及电池压力，确定比例阀的补偿参数。

S470、根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

S480、根据控制补偿信号调整比例阀的开度。

图5为本发明实施例提供的一种燃料电池供氢控制装置的结构示意图，如图5所示，其包括：

控制开度信号确定模块510，用于根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；

工况状态确定模块520，用于确定燃料电池的工况状态，工况状态包括加载状态和减载状态；

补偿参数确定模块530，用于根据工况状态，确定比例阀的补偿参数；

控制补偿信号模块540，用于根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。

本发明实施例，首先控制开度信号确定模块可以根据目标功率，计算出燃料电池的氢气需求流量和燃料电池的压力。通过查询燃料电池的氢气需求流量和电池压力，确定比例阀在氢气需求流量和电池压力下所对应的控制开度信号。然后工况状态确定模块确定燃料电池的工况状态。补偿参数确定模块可以根据燃料电池的具体工况状态，准确确定比例阀的补偿参数。最后控制补偿信号模块可以根据控制开度信号和补偿参数，确定比例阀的控制补偿信号。由此，本案可以通过比例阀的补偿参数，补偿因重力、摩擦力、阻尼力、电磁力以及弹簧力等力导致的燃料电池在加载状态或减载状态，比例阀的控制开度信号偏差，因此提高了燃料电池输出功率的稳定性。

可选的，控制开度信号确定模块包括：

计算单元，用于根据目标功率，计算氢气需求流量和电池压力；

调取单元，用于调取标定矩阵表；标定矩阵表为燃料电池的电池压力、氢气需求流量与比例阀的控制开度信号的对照表；

确定单元，用于根据氢气需求流量、电池压力以及标定矩阵表，确定控制开度信号。

可选的，工况状态确定模块，具体用于

根据目标功率的变化状态，确定燃料电池的工况状态；目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少；

若目标功率增加，则燃料电池的工况状态为加载状态；

若目标功率减少，则燃料电池的工况状态为减载状态。

可选的，补偿参数确定模块包括：

拟合曲线单元，用于根据标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线；

补偿参数确定单元，用于根据氢气需求流量、电池压力、加载函数曲线以及减载函数曲线，确定比例阀的补偿参数。

可选的，燃料电池供氢控制装置还包括：

比例阀开度调整模块，用于根据控制补偿信号调整比例阀的开度。

可选的，控制补偿信号的类型包括电压信号、电流信号以及脉冲信号中的一种。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池供氢控制方法，其特征在于，包括：

根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；

确定燃料电池的工况状态，所述工况状态包括加载状态和减载状态；

根据所述工况状态，确定所述比例阀的补偿参数；

根据所述控制开度信号和所述补偿参数，确定所述比例阀的控制补偿信号。

2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号，包括：

根据所述目标功率，计算氢气需求流量和电池压力；

调取标定矩阵表；所述标定矩阵表为所述燃料电池的所述电池压力、所述氢气需求流量与所述比例阀的所述控制开度信号的对照表；

根据所述氢气需求流量、所述电池压力以及所述标定矩阵表，确定所述控制开度信号。

3.根据权利要求2所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，确定燃料电池的工况状态，包括：

根据所述目标功率的变化状态，确定所述燃料电池的工况状态；所述目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少；

若所述目标功率增加，则所述燃料电池的所述工况状态为所述加载状态；

若所述目标功率减少，则所述燃料电池的所述工况状态为所述减载状态。

4.根据权利要求3所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，根据所述工况状态，确定所述比例阀的补偿参数，包括：

根据所述标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线；

根据所述氢气需求流量、所述电池压力、所述加载函数曲线以及所述减载函数曲线，确定所述比例阀的所述补偿参数。

5.根据权利要求1所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述控制补偿信号调整所述比例阀的开度。

6.根据权利要求1所述的燃料电池供氢控制方法，其特征在于，所述控制补偿信号的类型包括电压信号、电流信号以及脉冲信号中的一种。

7.一种燃料电池供氢控制装置，其特征在于，包括：

控制开度信号确定模块，用于根据目标功率，确定比例阀的控制开度信号；

工况状态确定模块，用于确定燃料电池的工况状态，所述工况状态包括加载状态和减载状态；

补偿参数确定模块，用于根据所述工况状态，确定所述比例阀的补偿参数；

控制补偿信号模块，用于根据所述控制开度信号和所述补偿参数，确定所述比例阀的控制补偿信号。

8.根据权利要求7所述的燃料电池供氢控制装置，其特征在于，所述控制开度信号确定模块包括：

计算单元，用于根据所述目标功率，计算氢气需求流量和电池压力；

调取单元，用于调取标定矩阵表；所述标定矩阵表为所述燃料电池的所述电池压力、所述氢气需求流量与所述比例阀的所述控制开度信号的对照表；

确定单元，用于根据所述氢气需求流量、所述电池压力以及所述标定矩阵表，确定所述控制开度信号。

9.根据权利要求8所述的燃料电池供氢控制装置，其特征在于，所述工况状态确定模块，具体用于

根据所述目标功率的变化状态，确定所述燃料电池的工况状态；所述目标功率的变化状态为目标功率增加或目标功率减少；

若所述目标功率增加，则所述燃料电池的所述工况状态为所述加载状态；

若所述目标功率减少，则所述燃料电池的所述工况状态为所述减载状态。

10.根据权利要求9所述的燃料电池供氢控制装置，其特征在于，所述补偿参数确定模块包括：

拟合曲线单元，用于根据所述标定矩阵表，拟合加载函数曲线和减载函数曲线；

补偿参数确定单元，用于根据所述氢气需求流量、所述电池压力、所述加载函数曲线以及所述减载函数曲线，确定所述比例阀的所述补偿参数。

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