CN114566677A - 燃料电池控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池控制系统及其控制方法，该燃料电池控制系统包括电堆和控制器，所述电堆连有用于测量所述电堆电压的DCDC变换器，所述DCDC变换器与所述控制器输入端连接，所述控制器输出端与所述DCDC变换器连接，所述电堆的电压低于下限值所述控制器用于控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加激励电流，并获得所述电堆的阻抗，所述电堆还连有散热组件和空气组件，所述控制器输出端与所述散热组件和空气组件连接，用于调控所述电堆的电压至正常运行模式。本发明能在线提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在经济性更优的状态下，因此本发明能够有效提升燃料电池的发电效率，减少氢耗成本，提升燃料电池全寿命周期的经济性，进而提升产品竞争力。

Description

燃料电池控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池控制系统及其控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其绿色环保、加注方便、长续航和环境适应性强等优点，近年来受到了越来越多的关注且发展迅速，氢燃料电池是一种高效的将氢气的化学能转化为电能的装置，其反应原理为氢气在阳极催化剂的作用下分解成质子和电子，质子通过质子交换膜移动至阴极，电子通过外电路发电做功并移动至阴极且在阴极催化剂的作用下与质子和氧气反应生成水。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是最常见的一种车用燃料电池技术，其主要由质子交换膜、阴极催化剂层、阳极催化剂层、气体扩散层、阴极板和阳极板组成，其中质子交换膜的作用为传导质子、隔绝电子和隔绝阴阳极反应物，阴极催化剂层和阳极催化剂层为电化学反应的场所，气体扩散层主要决定了反应气体的传输和液态水的排出，阴极板和阳极板的作用为隔绝反应物和冷却剂。
燃料电池的效率主要由工作电压、附件功耗和氢气利用率所决定，其中影响最大的为工作电压，操作条件和外界环境对燃料电池工作电压的影响十分显著，由于操作条件和外界环境的影响使燃料电池工作电压下降，导致燃料电池性能显著下降，使其无法工作在最高效的状态下。燃料电池的性能衰减分为可逆衰减和永久性衰减，其中可逆衰减是可恢复的，通过合适的措施能够使其性能恢复至最佳状态，可逆衰减一般包括：质子交换膜过干导致欧姆阻抗增加，气体供应不足或工作温度过低导致燃料电池电堆内部排水不畅从而发生水淹现象，阴极催化剂活性的衰减，例如Pt的氧化、可恢复的催化剂污染等。
中国专利CN104409752A公开了一种评测燃料电池阳极催化剂表面催化活性的等效电路组以及评测方法，该专利介绍的是一种诊断燃料电池阳极催化剂中毒问题的模型方法，且并未提供相应的解决措施用于实际的系统控制中。
中国专利CN108390088A公开了一种燃料电池系统，该专利仅能诊断膜过干，无法诊断水淹和阴极催化剂的活性状态，且需在氧化剂不足的条件下进行，因此在实际使用过程中可能会存在误判现象，从而导致错误的调控策略，且诊断过程需进入特殊工况，影响整车的正常运行。
中国专利CN113161586A公开了一种燃料电池系统运行控制方法及控制系统，中国专利CN113782778A公开了一种基于定频阻抗和气体压降的电堆水管理调控方法及装置，这两件专利仅能诊断膜过干和水淹问题，未考虑阴极催化剂活性的问题，仅用于燃料电池的水管理，并不能用于燃料电池经济性的提升。
中国专利CN112684345B公开了基于主动容错控制的质子交换膜燃料电池健康控制方法，由于该专利所述的水淹为阳极水淹问题，空气饥饿为阴极水淹问题，因此该专利仅能诊断膜干和水淹问题，无法诊断阴极催化剂活性的问题，因此当出现阴极催化剂活性下降时，无法做出正确的诊断，也无法通过正确的方法对电堆的电压实现恢复。
发明内容
本发明提供一种燃料电池控制系统及其控制方法，能在线提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在经济性更优的状态下。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种燃料电池控制系统，包括电堆和控制器，所述电堆连有用于测量所述电堆电压的DCDC变换器，所述DCDC变换器与所述控制器输入端连接，所述控制器输出端与所述DCDC变换器连接，所述电堆的电压低于下限值所述控制器用于控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加激励电流，并获得所述电堆的阻抗，所述电堆还连有散热组件和空气组件，所述控制器输出端与所述散热组件和空气组件连接，用于调控所述电堆的电压至正常运行模式。
进一步地，所述控制器用于控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加不同频率的激励电流并获得不同频率下所述电堆阻抗的实部和虚部，以获得所述电堆的电化学阻抗谱，进而获得所述电化学阻抗谱的等效电路图，所述控制器用于通过所述等效电路图拟合获得所述电堆的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt，且所述控制器用于根据所述欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt以调节所述散热组件或空气组件的运行，并调控所述电堆的电压至正常运行模式。
进一步地，所述控制器用于分别将所述欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在所述控制器中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，并分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，所述控制器用于根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，并调控所述电堆的电压至正常运行模式。
进一步地，所述散热组件包括连接在所述电堆上的闭环式冷却剂管路，处于所述电堆外侧的所述冷却剂管路上按照冷却剂流向依次设有冷却水泵和散热风扇，所述控制器输出端与所述冷却水泵和散热风扇连接，用于调节所述冷却水泵或散热风扇的转速。
进一步地，处于所述电堆外侧的所述冷却剂管路上按照冷却剂流向依次设有第一温度传感器、冷却水泵、散热风扇和第二温度传感器。
进一步地，所述空气组件包括连接在所述电堆阴极处的空气管路，所述电堆阴极入口处的所述空气管路上设有空压机，所述电堆阴极出口处的所述空气管路上设有空气背压阀，所述控制器输出端与所述空压机和空气背压阀连接，用于对所述空压机和空气背压阀发出调节指令，并用于调节所述空气管路内的空气流量或空气压力。
进一步地，所述空压机上游处的空气管路上设有空气流量计，所述空压机与所述电堆阴极入口之间的所述空气管路上设有压力传感器。
上述燃料电池控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、通过所述DCDC变换器实时测量所述电堆的电压V并反馈给所述控制器，所述控制器将电压V与存储在所述控制器中的电压下限值Vlimit比较，当V≥Vlimit时，维持当前的正常运行模式；
S2、当V＜Vlimit时进入调节模式，所述控制器控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加激励电流，并获得所述电堆的阻抗；
S3、所述控制器根据所述电堆的阻抗以调节所述散热组件或空气组件的运行，将所述电堆的电压调控至正常运行模式。
进一步地，步骤S2中：所述控制器控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加激励电流并获得所述电堆的阻抗，具体是所述控制器控制所述DCDC变换器以对所述电堆施加不同频率的激励电流并获得不同频率下所述电堆阻抗的实部和虚部，以获得所述电堆的电化学阻抗谱，进而获得所述电堆电化学阻抗谱的等效电路图，所述控制器通过等效电路图拟合获得所述电堆的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt。
进一步地，步骤S3包括：
S3-1、所述控制器分别将所述电堆的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在所述控制器中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，即△Rohm＝Rohm－Rohm-normal，△Rct＝Rct－Rct-normal，△Rmt＝Rmt－Rmt-normal，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，即△Rmax＝max(△Rohm，△Rct，△Rmt)；
S3-2、所述控制器根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，经调节操作后，所述控制器将当前所述电堆的电压V与电压下限值Vlimit比较，当V＞Vlimit时，恢复至正常运行模式，当V＜Vlimit时，继续进入调节模式执行调节操作。
进一步地，
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rohm时，则判定所述电堆电压下降的主要原因为质子交换膜过干导致的质子传导能力的下降；
步骤S3-2中：所述控制器根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体包括：
S3-21、所述控制器分别将当前进入和流出所述电堆的冷却剂温度Tin、Tout与存储在所述控制器中的进入和流出所述电堆的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出所述电堆的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout，即△Tin＝Tin－Tin-set，△Tout＝Tout－Tout-set，其中Tin为当前进入所述电堆的冷却剂温度，Tout为当前流出所述电堆的冷却剂温度，Tin-set为进入所述电堆的冷却剂预设温度，Tout-set为流出所述电堆的冷却剂预设温度；
S3-22、当△Tin＞△Tin-limit时，则所述控制器对所述散热组件的散热风扇发出提升散热需求的指令，通过降低进入所述电堆的冷却剂温度以减少所述电堆的失水量，其中△Tin-limit为存储在所述控制器中的进入所述电堆的冷却剂温度偏差值的下限值；
S3-23、当△Tout＞△Tout-limit时，则所述控制器对所述散热组件的冷却水泵发出提升转速的指令，通过降低流出所述电堆的冷却剂温度以减少所述电堆的失水量；
S3-24、当△Tin≤△Tin-limit且△Tout≤△Tout-limit时，所述控制器对所述空气组件的空压机和空气背压阀发出调节指令，通过减小所述空气组件的空气管路内的空气流量或增大空气压力，以减少所述电堆的失水量。
进一步地，
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rmt时，则判定所述电堆电压下降的主要原因为所述电堆的排水能力不足导致的水淹；
步骤S3-2中：所述控制器根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体包括：
S3-21、所述控制器分别将当前进入和流出所述电堆的冷却剂温度Tin、Tout与存储在所述控制器中的进入和流出所述电堆的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出所述电堆的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout；
S3-22、当△Tin＜△Tin-limit时，所述控制器对所述散热组件的散热风扇发出减小散热需求的指令，通过提升进入所述电堆的冷却剂温度以增强所述电堆的排水能力；
S3-23、当△Tout＜△Tout-limit时，所述控制器对所述散热组件的冷却水泵发出减小转速的指令，通过提升流出所述电堆的冷却剂温度以增强所述电堆的排水能力；
S3-24、当△Tin≥△Tin-limit且△Tout≥△Tout-limit时，所述控制器对所述空气组件的空压机和空气背压阀发出调节指令，通过增大所述空气组件的空气管路内的空气流量或减小空气压力，以增强所述电堆的排水能力。
进一步地，
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rct，则判定所述电堆电压下降的主要原因为所述电堆的阴极催化剂活性的下降，即Pt的氧化或可恢复的催化剂污染；
步骤S3-2中：所述控制器根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体是所述控制器对所述空气组件的空压机发出停止指令，通过所述电堆的阴极欠空气操作使阴极催化剂活性得到恢复。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明的燃料电池控制系统，包括电堆和控制器，电堆连有用于测量电堆电压的DCDC变换器，DCDC变换器与控制器输入端连接，控制器输出端与DCDC变换器连接，电堆的电压低于下限值控制器用于控制DCDC变换器以对电堆施加激励电流，并获得电堆的阻抗，电堆还连有散热组件和空气组件，控制器输出端与散热组件和空气组件连接，用于调控电堆的电压至正常运行模式；这样通过DCDC变换器实时测量电堆的电压V并反馈给控制器，控制器将电压V与存储在控制器中的电压下限值Vlimit比较，当V≥Vlimit时，维持当前的正常运行模式，当V＜Vlimit时进入调节模式，控制器控制DCDC变换器以对电堆施加激励电流，并获得电堆的阻抗，控制器根据电堆的阻抗以调节散热组件或空气组件的运行，将电堆的电压调控至正常运行模式；这样本发明能在线调节燃料电池电堆的电压，且能将电堆的电压调控至正常运行模式，从而能提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在经济性更优的状态下。
本发明中，控制器用于控制DCDC变换器以对电堆施加不同频率的激励电流并获得不同频率下电堆阻抗的实部和虚部，以获得电堆的电化学阻抗谱，进而获得电化学阻抗谱的等效电路图，控制器用于通过等效电路图拟合获得电堆的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt，控制器用于分别将欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在控制器中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，并分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，控制器用于根据△Rmax以调节散热组件或空气组件的运行，并调控电堆的电压至正常运行模式；这样本发明通过测试电堆的电化学阻抗谱，在线分析燃料电池电堆的电压下降原因，即在线分析燃料电池性能下降的原因，根据性能下降原因采用对应的调节措施，来提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在其经济性更优的状态下，因此本发明能够有效提升燃料电池的发电效率，减少氢耗成本，提升燃料电池全寿命周期的经济性，进而提升产品竞争力。
综上，本发明的目的是提升燃料电池的经济性，由于燃料电池电堆不同可逆衰减的恢复手段不同，因此需要通过合适的在线监测手段来区分出这些衰减原因，并采用相应的解决调整措施使燃料电池工作在其更优的状态下，从而实现更好的经济性，方法是通过对氢燃料电池电堆的质子交换膜过干、水淹和阴极催化剂活性进行诊断，并根据导致燃料电池性能下降的原因进行相应的调控策略来实现更好的经济性。
附图说明
图1为本发明的控制逻辑图；
图2为本发明的系统示意框图；
图3为本发明实施例中实测的燃料电池电堆的电化学阻抗谱图；
图4为图3中电化学阻抗谱图的等效电路图；
图5为本发明在实际运行过程中的应用实例图。
图中附图标记说明：1、电堆，2、冷却水泵，3、散热风扇，4、空气流量计，5、空压机，6、空气背压阀，7、DCDC变换器，8、控制器，9、第一温度传感器，10、第二温度传感器，11、压力传感器，12、冷却剂管路，13、空气管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，一种燃料电池控制系统，包括电堆1和控制器8，电堆1连有用于测量电堆1电压的DCDC变换器7，DCDC变换器7与控制器8输入端连接，控制器8输出端与DCDC变换器7连接，电堆1的电压低于下限值控制器8用于控制DCDC变换器7以对电堆1施加激励电流，并获得电堆1的阻抗，电堆1还连有散热组件和空气组件，控制器8输出端与散热组件和空气组件连接，用于调控电堆1的电压至正常运行模式；这样本发明能在线调节燃料电池电堆1的电压，且能将电堆1的电压调控至正常运行模式，从而能提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在经济性更优的状态下。
其中，控制器8用于控制DCDC变换器7以对电堆1施加不同频率的激励电流并获得不同频率下电堆1阻抗的实部和虚部，以获得电堆1的电化学阻抗谱，进而获得电化学阻抗谱的等效电路图，控制器8用于通过等效电路图拟合获得电堆1的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt，且控制器8用于根据欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt以调节散热组件或空气组件的运行，并调控电堆1的电压至正常运行模式。
其中，控制器8用于分别将欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在控制器8中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，并分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，控制器8用于根据△Rmax以调节散热组件或空气组件的运行，并调控电堆1的电压至正常运行模式；这样本发明通过测试电堆1的电化学阻抗谱，在线分析燃料电池电堆1的电压下降原因，根据电压下降原因采用对应的调节措施，来提升燃料电池的经济性，使燃料电池运行在其经济性更优的状态下，因此本发明能够有效提升燃料电池的发电效率，减少氢耗成本，提升燃料电池全寿命周期的经济性，进而提升产品竞争力。
其中，散热组件包括连接在电堆1上的闭环式冷却剂管路12，处于电堆1外侧的冷却剂管路12上按照冷却剂流向依次设有第一温度传感器9、冷却水泵2、散热风扇3和第二温度传感器10，第一温度传感器9用于检测流出电堆1的冷却剂温度，第二温度传感器10用于检测进入电堆1的冷却剂温度，控制器8输出端与冷却水泵2和散热风扇3连接，用于调节冷却水泵2或散热风扇3的转速。
其中，空气组件包括连接在电堆1阴极处的空气管路13，电堆1阴极入口处的空气管路13上设有空压机5，空压机5上游处的空气管路13上设有空气流量计4，空气流量计4用于检测空气管路13内的空气流量，空压机5与电堆1阴极入口之间的空气管路13上设有压力传感器11，压力传感器11用于检测空气管路13内的空气压力，电堆1阴极出口处的空气管路13上设有空气背压阀6，控制器8输出端与空压机5和空气背压阀6连接，用于对空压机5和空气背压阀6发出调节指令，并用于调节空气管路13内的空气流量或空气压力。
如图1所示，上述燃料电池控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、通过DCDC变换器7实时测量电堆1的电压V并反馈给控制器8，控制器8将电压V与存储在控制器8中的电压下限值Vlimit比较，当V≥Vlimit时，维持当前的正常运行模式；
S2、当V＜Vlimit时进入调节模式，控制器8控制DCDC变换器7以对电堆1施加不同频率的激励电流并获得不同频率下电堆1阻抗的实部和虚部，以获得电堆1的电化学阻抗谱，进而获得电堆1电化学阻抗谱的等效电路图，控制器8通过等效电路图拟合获得电堆1的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt；
S3、控制器8分别将电堆1的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在控制器8中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，即△Rohm＝Rohm－Rohm-normal，△Rct＝Rct－Rct-normal，△Rmt＝Rmt－Rmt-normal，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，即△Rmax＝max(△Rohm，△Rct，△Rmt)；
S4、当△Rmax＝△Rohm时，则判定电堆1电压下降的主要原因为质子交换膜过干导致的质子传导能力的下降；
S4-1、控制器8分别将当前进入和流出电堆1的冷却剂温度Tin、Tout与存储在控制器8中的进入和流出电堆1的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出电堆1的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout，即△Tin＝Tin－Tin-set，△Tout＝Tout－Tout-set，其中Tin为当前进入电堆1的冷却剂温度，Tout为当前流出电堆1的冷却剂温度，Tin-set为进入电堆1的冷却剂预设温度，Tout-set为流出电堆1的冷却剂预设温度；
S4-2、当△Tin＞△Tin-limit时，则控制器8对散热风扇3发出提升散热需求的指令，通过降低进入电堆1的冷却剂温度以减少电堆1的失水量，其中△Tin-limit为存储在控制器8中的进入电堆1的冷却剂温度偏差值的下限值；
S4-3、当△Tout＞△Tout-limit时，则控制器8对冷却水泵2发出提升转速的指令，通过降低流出电堆1的冷却剂温度以减少电堆1的失水量；
S4-4、当△Tin≤△Tin-limit且△Tout≤△Tout-limit时，控制器8对空压机5和空气背压阀6发出调节指令，通过减小空气管路13内的空气流量或增大空气压力，以减少电堆1的失水量；
S5、当△Rmax＝△Rmt时，则判定电堆1电压下降的主要原因为电堆1的排水能力不足导致的水淹；
S5-1、控制器8分别将当前进入和流出电堆1的冷却剂温度Tin、Tout与存储在控制器8中的进入和流出电堆1的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出电堆1的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout；
S5-2、当△Tin＜△Tin-limit时，控制器8对散热风扇3发出减小散热需求的指令，通过提升进入电堆1的冷却剂温度以增强电堆1的排水能力；
S5-3、当△Tout＜△Tout-limit时，控制器8对冷却水泵2发出减小转速的指令，通过提升流出电堆1的冷却剂温度以增强电堆1的排水能力；
S5-4、当△Tin≥△Tin-limit且△Tout≥△Tout-limit时，控制器8对空压机5和空气背压阀6发出调节指令，通过增大空气管路13内的空气流量或减小空气压力，以增强电堆1的排水能力；
S6、当△Rmax＝△Rct，则判定电堆1电压下降的主要原因为电堆1的阴极催化剂活性的下降，即Pt的氧化或可恢复的催化剂污染，控制器8对空压机5发出停止指令，通过电堆1的阴极欠空气操作使阴极催化剂活性得到恢复；
S7、经调节操作后，控制器8将当前电堆1的电压V与电压下限值Vlimit比较，当V＞Vlimit时，恢复至正常运行模式，当V＜Vlimit时，继续进入调节模式执行调节操作。
本发明中电化学阻抗谱技术EIS作为一种强大的电化学检测手段，测量不同频率下燃料电池电堆1的交流阻抗，通过阻抗谱拟合可获取燃料电池电堆1的欧姆阻抗、电荷转移阻抗以及传质阻抗，欧姆阻抗由质子交换膜、阴极催化剂层、阳极催化剂层、气体扩散层和双极板的体电阻以及各自的接触电阻组成，当燃料电池电堆1内部水管理发生变化时仅质子交换膜电阻发生变化，因此可以通过监测欧姆阻抗来监测质子交换膜的干湿状态，电荷转移阻抗可用于监测阴极催化剂的活性，传质阻抗可用于监测电堆1是否发生过湿即水淹现象，因此电化学阻抗谱技术EIS能有效地监测燃料电池的运行状态。
综上，本发明通过对氢燃料电池电堆1的质子交换膜过干、水淹和阴极催化剂活性进行诊断，并根据导致燃料电池性能下降的原因进行相应的调控策略来实现更好的经济性。
实施例
如图5所示，在t1时刻控制器8检测到当前电堆1的电压V小于电压下限值Vlimit，则进入调节模式，控制器8对DCDC变换器7发出测试电堆1电化学阻抗谱的指令，DCDC变换器7对电堆1通过施加不同频率的激励电流获得不同频率下电堆1阻抗的实部和虚部，从而获得如图3所示的电堆1的电化学阻抗谱，进而获得如图4所示的电堆1电化学阻抗谱的等效电路图，控制器8通过如图4所示的等效电路图拟合获得电堆1的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt，且控制器8分别将电堆1的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在控制器8中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，即△Rohm＝Rohm－Rohm-normal，△Rct＝Rct－Rct-normal，△Rmt＝Rmt－Rmt-normal，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，即△Rmax＝max(△Rohm，△Rct，△Rmt)。
结果表明：△Rmax＝△Rct，控制器8判定导致电堆1电压下降的原因为电堆1的阴极催化剂活性的下降，如图5所示，控制器8在t2时刻对空压机5发出短时间关闭指令，产生阴极欠空气使阴极催化剂活性得到恢复，随后控制器8对空压机5发出恢复指令，使其迅速恢复原来的空气流量，其中空气流量计4用于检测空气管路13内的空气流量，完成调节后，控制器8将此时电堆1的电压V与电压下限值Vlimit进行比较，结果表明此时电堆1的电压V已恢复至电压下限值Vlimit以上，控制器8发出离开调节模式的指令，维持当前的操作条件继续运行，同时控制器8保持实时的电堆1电压V与电压下限值Vlimit的比较。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种燃料电池控制系统，其特征在于：包括电堆(1)和控制器(8)，所述电堆(1)连有用于测量所述电堆(1)电压的DCDC变换器(7)，所述DCDC变换器(7)与所述控制器(8)输入端连接，所述控制器(8)输出端与所述DCDC变换器(7)连接，所述电堆(1)的电压低于下限值所述控制器(8)用于控制所述DCDC变换器(7)以对所述电堆(1)施加激励电流，并获得所述电堆(1)的阻抗，所述电堆(1)还连有散热组件和空气组件，所述控制器(8)输出端与所述散热组件和空气组件连接，用于调控所述电堆(1)的电压至正常运行模式。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：所述控制器(8)用于控制所述DCDC变换器(7)以对所述电堆(1)施加不同频率的激励电流并获得不同频率下所述电堆(1)阻抗的实部和虚部，以获得所述电堆(1)的电化学阻抗谱，进而获得所述电化学阻抗谱的等效电路图，所述控制器(8)用于通过所述等效电路图拟合获得所述电堆(1)的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt，且所述控制器(8)用于根据所述欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt以调节所述散热组件或空气组件的运行，并调控所述电堆(1)的电压至正常运行模式。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：所述控制器(8)用于分别将所述欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在所述控制器(8)中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，并分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，所述控制器(8)用于根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，并调控所述电堆(1)的电压至正常运行模式。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：所述散热组件包括连接在所述电堆(1)上的闭环式冷却剂管路(12)，处于所述电堆(1)外侧的所述冷却剂管路(12)上按照冷却剂流向依次设有冷却水泵(2)和散热风扇(3)，所述控制器(8)输出端与所述冷却水泵(2)和散热风扇(3)连接，用于调节所述冷却水泵(2)或散热风扇(3)的转速。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：处于所述电堆(1)外侧的所述冷却剂管路(12)上按照冷却剂流向依次设有第一温度传感器(9)、冷却水泵(2)、散热风扇(3)和第二温度传感器(10)。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：所述空气组件包括连接在所述电堆(1)阴极处的空气管路(13)，所述电堆(1)阴极入口处的所述空气管路(13)上设有空压机(5)，所述电堆(1)阴极出口处的所述空气管路(13)上设有空气背压阀(6)，所述控制器(8)输出端与所述空压机(5)和空气背压阀(6)连接，用于对所述空压机(5)和空气背压阀(6)发出调节指令，并用于调节所述空气管路(13)内的空气流量或空气压力。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池控制系统，其特征在于：所述空压机(5)上游处的空气管路(13)上设有空气流量计(4)，所述空压机(5)与所述电堆(1)阴极入口之间的所述空气管路(13)上设有压力传感器(11)。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、通过所述DCDC变换器(7)实时测量所述电堆(1)的电压V并反馈给所述控制器(8)，所述控制器(8)将电压V与存储在所述控制器(8)中的电压下限值Vlimit比较，当V≥Vlimit时，维持当前的正常运行模式；
S2、当V＜Vlimit时进入调节模式，所述控制器(8)控制所述DCDC变换器(7)以对所述电堆(1)施加激励电流，并获得所述电堆(1)的阻抗；
S3、所述控制器(8)根据所述电堆(1)的阻抗以调节所述散热组件或空气组件的运行，将所述电堆(1)的电压调控至正常运行模式。
9.根据权利要求8所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于步骤S2中：所述控制器(8)控制所述DCDC变换器(7)以对所述电堆(1)施加激励电流并获得所述电堆(1)的阻抗，具体是所述控制器(8)控制所述DCDC变换器(7)以对所述电堆(1)施加不同频率的激励电流并获得不同频率下所述电堆(1)阻抗的实部和虚部，以获得所述电堆(1)的电化学阻抗谱，进而获得所述电堆(1)电化学阻抗谱的等效电路图，所述控制器(8)通过等效电路图拟合获得所述电堆(1)的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt。
10.根据权利要求9所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于步骤S3包括：
S3-1、所述控制器(8)分别将所述电堆(1)的欧姆阻抗Rohm、电荷转移阻抗Rct和传质阻抗Rmt与存储在所述控制器(8)中的未发生可逆衰减时的欧姆阻抗Rohm-normal、电荷转移阻抗Rct-normal和传质阻抗Rmt-normal进行对比，分别获得欧姆阻抗的差值△Rohm、电荷转移阻抗的差值△Rct和传质阻抗的差值△Rmt，即△Rohm＝Rohm－Rohm-normal，△Rct＝Rct－Rct-normal，△Rmt＝Rmt－Rmt-normal，进而获得△Rohm、△Rct和△Rmt中的最大值△Rmax，即△Rmax＝max(△Rohm，△Rct，△Rmt)；
S3-2、所述控制器(8)根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，经调节操作后，所述控制器(8)将当前所述电堆(1)的电压V与电压下限值Vlimit比较，当V＞Vlimit时，恢复至正常运行模式，当V＜Vlimit时，继续进入调节模式执行调节操作。
11.根据权利要求10所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于：
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rohm时，则判定所述电堆(1)电压下降的主要原因为质子交换膜过干导致的质子传导能力的下降；
步骤S3-2中：所述控制器(8)根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体包括：
S3-21、所述控制器(8)分别将当前进入和流出所述电堆(1)的冷却剂温度Tin、Tout与存储在所述控制器(8)中的进入和流出所述电堆(1)的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出所述电堆(1)的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout，即△Tin＝Tin－Tin-set，△Tout＝Tout－Tout-set，其中Tin为当前进入所述电堆(1)的冷却剂温度，Tout为当前流出所述电堆(1)的冷却剂温度，Tin-set为进入所述电堆(1)的冷却剂预设温度，Tout-set为流出所述电堆(1)的冷却剂预设温度；
S3-22、当△Tin＞△Tin-limit时，则所述控制器(8)对所述散热组件的散热风扇(3)发出提升散热需求的指令，通过降低进入所述电堆(1)的冷却剂温度以减少所述电堆(1)的失水量，其中△Tin-limit为存储在所述控制器(8)中的进入所述电堆(1)的冷却剂温度偏差值的下限值；
S3-23、当△Tout＞△Tout-limit时，则所述控制器(8)对所述散热组件的冷却水泵(2)发出提升转速的指令，通过降低流出所述电堆(1)的冷却剂温度以减少所述电堆(1)的失水量；
S3-24、当△Tin≤△Tin-limit且△Tout≤△Tout-limit时，所述控制器(8)对所述空气组件的空压机(5)和空气背压阀(6)发出调节指令，通过减小所述空气组件的空气管路(13)内的空气流量或增大空气压力，以减少所述电堆(1)的失水量。
12.根据权利要求11所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于：
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rmt时，则判定所述电堆(1)电压下降的主要原因为所述电堆(1)的排水能力不足导致的水淹；
步骤S3-2中：所述控制器(8)根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体包括：
S3-21、所述控制器(8)分别将当前进入和流出所述电堆(1)的冷却剂温度Tin、Tout与存储在所述控制器(8)中的进入和流出所述电堆(1)的冷却剂预设温度Tin-set、Tout-set进行比较，并分别获得进入和流出所述电堆(1)的冷却剂温度偏差值△Tin、△Tout；
S3-22、当△Tin＜△Tin-limit时，所述控制器(8)对所述散热组件的散热风扇(3)发出减小散热需求的指令，通过提升进入所述电堆(1)的冷却剂温度以增强所述电堆(1)的排水能力；
S3-23、当△Tout＜△Tout-limit时，所述控制器(8)对所述散热组件的冷却水泵(2)发出减小转速的指令，通过提升流出所述电堆(1)的冷却剂温度以增强所述电堆(1)的排水能力；
S3-24、当△Tin≥△Tin-limit且△Tout≥△Tout-limit时，所述控制器(8)对所述空气组件的空压机(5)和空气背压阀(6)发出调节指令，通过增大所述空气组件的空气管路(13)内的空气流量或减小空气压力，以增强所述电堆(1)的排水能力。
13.根据权利要求12所述的燃料电池控制系统的控制方法，其特征在于：
步骤S3-1中：当△Rmax＝△Rct，则判定所述电堆(1)电压下降的主要原因为所述电堆(1)的阴极催化剂活性的下降，即Pt的氧化或可恢复的催化剂污染；
步骤S3-2中：所述控制器(8)根据所述△Rmax以调节所述散热组件或空气组件的运行，具体是所述控制器(8)对所述空气组件的空压机(5)发出停止指令，通过所述电堆(1)的阴极欠空气操作使阴极催化剂活性得到恢复。
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