CN114678560A - 一种燃料电池电堆控制系统、控制方法 - Google Patents

一种燃料电池电堆控制系统、控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆控制系统、控制方法，属于氢燃料电池技术领域，所述方法包括：通过温度传感器检测对电堆进行实时温度采集，并判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若否则执行下一步；对电堆进行实时电流采集，并判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若否则执行步骤三；对电堆进行实时电压采集，并判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若否调节温控组件的维持初始占空比的转速。本发明通过温度传感器及时判断电堆温度、输出电流、输出电压的变化，在尚未对电堆正常工作产生影响，通过调节温控组件的转速达到降温的效果，保证燃料电池电堆的使用一直处于最适宜温度区间。

Description

一种燃料电池电堆控制系统、控制方法
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，尤其是一种燃料电池电堆控制系统、控制方法。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、客车、货车、无人机、两轮车等交通工具以及后备电源、固定电站等方面。
燃料电池电堆在工作状态下会释放大量热量，如果产生的热量不及时排掉,电堆温度将逐渐升高。然而燃料电池在使用中，需要合适的温度，以便系统能达到其最好的性能。当电堆温度过低时，催化剂活性下降,输出电压降低,电堆性能变差；当电堆温度过高时，质子交换膜上的水分容易挥发，导致质子交换膜湿度降低，过于干燥会导致其损伤，降低了其对氢离子的传递效率，从而影响燃料电池电堆的性能，故合理的温度至关重要，燃料电池运行过程中需要冷却系统对电堆温度进行合理控制。
现有的燃料电池电堆故障诊断和处理方法，一般是当电堆温度超出预设值就关机再启动风扇进行冷却，需要对燃料电池电堆停机处理并排除故障，费时费力，不能达到电堆持续运行的要求。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种燃料电池电堆控制系统、控制方法，以解决背景技术中所涉及的问题。
基于上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池电堆控制系统、控制方法，包括如下四个方面。
第一方面，本发明提供一种电堆温度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤一、通过温度传感器检测对电堆进行实时温度采集，并判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行步骤二；
步骤二、对电堆进行实时电流采集，并判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则执行步骤三；
步骤三、对电堆进行实时电压采集，并判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比的转速。
优选地或可选地，所述步骤一还包括：
当所述电堆实时温度是大于第一预设温度时，进一步判断检测温度传感器是否正常工作；
若是，则采用PID调节温控组件的转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
优选地或可选地，所述步骤二还包括：
当所述电堆输出的实时电流是大于第一预设电流时，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第二预设温度；
若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三；
当调节温控组件达到在所述预定占空比下的指定转速，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，返回步骤一；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
优选地或可选地，所述步骤三还包括：
执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间后，进一步判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；
若是，则调整排气策略，缩短排气间隔；若否，调节温控组件的维持初始占空比下的转速。
优选地或可选地，所述步骤三还包括：
执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间后，所述电堆输出的实时电流仍小于第一预设电压；
则获取单电池的实时电压，并判断每个单电池的电压是否位于第二预设电压范围内；
若是，则温控组件的转速维持p2占空比，电堆正常运转；若否，则调整温控组件的排气策略，缩短排气阀的排气间隔，直至在温控组件维持初始占空比的转速下，电堆仍正常运转。
优选地或可选地，所述温度传感器检测对电堆进行实时温度采集的周期为0.5～2min。
优选地或可选地，所述温控组件包括用于给燃料电池电堆降温的散热风扇。
第二方面，本发明还提供一种燃料电池电堆控制系统，包括至少一数据采集单元，至少一控制单元；
其中，所述数据采集单元，包括：
温度检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时温度；
电流检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆实时电流；
电压检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压。
所述控制单元，通过分析数据采集单元的实时数据与第一预设温度，第一预设电流和第一预设电压进行对比分析，依据数据分析结果调节温控组件的转速。
优选地或可选地，所述控制系统还包括：
压力传感器，用于检测电堆内的输入氢气的压力范围；若高于或低于预设值，则关闭电堆的进气阀，对电堆进行保护；
温度传感器，用于检测电堆内的温度；若高于或低于预设值，则关闭电堆，对电堆进行保护；
进气阀，设置电堆的供氢管路上，控制电堆的氢气的进气量和排出频率；
排气阀，设置电堆的排气口，控制电堆中反应后废气的排出量和排出频率。
优选地或可选地，所述控制单元包括：
第一判断模块，判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行第二判断模块；
第二判断模块，判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则执行第三判断模块；
第三判断模块，判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比的转速。
优选地或可选地，所述控制单元包括用于检测整个电堆输出电压的第一电压检测机构和分别用于检测若干个单电池的实时电压的多个第二电压检测机构；所述第一电压检测机构、第二电压检测机构匀与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压和单电池电压。
本发明涉及一种燃料电池电堆控制系统、控制方法，相较于现有技术而言，具有如下有益效果：
1、本发明通过及时判断电堆温度、输出电流、输出电压的变化，在尚未对电堆正常工作产生影响，通过调节温控组件的转速达到降温的效果，保证燃料电池电堆的使用一直处于最适宜温度区间。
2、本发明的燃料电池电堆温度控制方法，在电堆超出预设值时无需关机再启动温控组件进行冷却，也不需要对燃料电池电堆停机处理并排除故障，能够持续不间断正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种电堆温度控制方法的流程示意图。
图2为本发明实施例2中一种燃料电池电堆控制系统。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
实施例1
如附图1所示，图1为本发明实施例1中一种电堆温度控制方法的流程示意图，一种电堆温度控制方法包括如下步骤：
步骤一、通过温度传感器检测对电堆进行实时温度采集，并判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行步骤二。
具体而言，通过安装在电堆上的温度传感器实现对电堆的实时温度采集，由于电池电堆温度过高会直接影响燃料电池的性能和寿命，因此当处理单元接收到反馈的温度超出预设第一预设温度时，会调节温控组件的转速对燃料电池电堆冷却处理。所述第一预设温度一般低于执行关机保护的温度，避免电堆温度过高，直接关机工作。基于上述方案，可以在电堆即将升温时，提前调节温控组件的转速，提高散热效率，保证燃料电池电堆的处于最适宜温度区间。在本实施中，电堆为采用空冷降温，因此，所述温控组件包括用于给燃料电池电堆降温的散热风扇。
由于本实施例中，第一预设温度可以为但不限于42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃；由于所述第一预设温度一般会低于执行关机保护的温度，需要及时检测到电堆的温度变化，因此对温度传感器的检测准确度和灵敏度要求较高，当温度传感器发生误判，很容易导致整个电堆快速升温，影响电堆的正常工作。因此，所述述步骤一还包括：当所述电堆实时温度是大于第一预设温度时，进一步判断检测温度传感器是否正常工作；若是，则采用PID调节温控组件的转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
其中，上述PID调节是根据电堆温度来进行温控组件的转速的校正，在测量出电堆实际温度与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的，可有效地纠正被控制对象的偏差，从而使电堆的温度达到一个稳定的状态。
所述判断检测温度传感器是否正常工作的方式由多种，其中，当检测温度传感器损坏，可能导致电路为开路或短路，此时检测到的温度为量程的两个极限值，可根据此值来判断是否损坏。另外，为了提高温度传感器的精准度，还可以采用如下方案进行验证，例如，并行设置备用温度传感器，计算两者之间的差值，若差值在预定范围内，即可认为所述温度传感器为正常工作。或，由于每次温度采集周期是固定的(所述温度传感器检测对电堆进行实时温度采集的周期为0.5～2min，优选地，所述采集的周期为1min)，温度变化的范围应当处于一定范围之内，因此我们可以根据对最近连续3-5次采样的温度确定电堆的变化趋势，判断检测温度是否与变化趋势相悖，判断检测温度传感器是否正常工作。
步骤二、对电堆进行实时电流采集，并判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则执行步骤三；
一般而言，电堆发热的其中一个主要因素是电堆的输出电流异常，当电堆负载过大时，电堆输出的电流也会相应的变大，为了提前预测电堆温度变化趋势，本实施例通过检测所述电堆输出的实时电流，从而预测电堆的发热情况，进而提前作出应对手段，保证燃料电池电堆的处于最适宜温度区间。
另外，当所述电堆输出的实时电流是大于第一预设电流时，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第二预设温度；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三；当调节温控组件达到在所述预定占空比下的指定转速，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，返回步骤一；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
其中，所述第二预设温度要小于所述第一预设温度，第二预设温度可以为但不限于41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃。此时温度在第一预设温度和第二预设温度之间，属于相对比较安全的一个温度，因此线性调节降温组件的占空比即可快速实现温度的纠正。其中，所述预定占空比与电堆输出的实时电流相关，一般电流增大，预定占空比p也随之增大；电流减小，预定占空比p1也随之减小，也就是说，根据电流大小线性调节预定占空比p1，通过调节占空比实现控温组件的转速调整。(其中，占空比是负载或电路开启的时间与负载或电路关闭的时间之比。占空比，有时称为“占空系数”，表示为导通时间的百分比。占空比为60％的信号在60％的时间内处于开启状态，在其他40％的时间内关闭。)
步骤三、对电堆进行实时电压采集，并判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比p2的转速。
空冷型电堆排气策略影响电堆运行中的性能以及氢气利用率。当排气时间过短和排气间隔过长，会造成电堆内部燃料不足，从而可能导致电池形成反极现象，并可能温度异常升高，甚至引起电堆起火；而排气时间过长和排气间隔过短，会造成大量未被反应的氢气被排放到电堆外部，造成氢气利用率低下，氢气的经济效应较差。电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统核心部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。，本实施例通过对电堆的电压进行采集，可以整体反应多个单电池的基本情况，电堆输出的实时电流是小于第一预设电压，可能存在反极现象或出现反极现象的趋势，及时发现部分单电池的反极现象，保证燃料电池电堆的处于最适宜温度区间。
因此，执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间后，进一步判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，则调整排气策略，缩短排气间隔；若否，调节温控组件的维持初始占空比p2下的转速。通过调整排气策略，避免单电池的反极现象。
相比获取整个氢燃料电池电堆的电压，为了更精准的判断是否出现反极现象，可以实时的、连续的获取单电池的电压。执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间后，所述电堆输出的实时电流仍小于第一预设电压；则获取单电池的实时电压，并判断每个单电池的电压是否位于第二预设电压范围内；若是，则温控组件的转速维持初始占空比p2，电堆正常运转；若否，则调整温控组件的排气策略，缩短排气阀的排气间隔，直至在温控组件维持初始占空比p2的转速下，电堆仍正常运转。当判断某个单电池的电压为负时，可以通过调整温控组件的排气策略，缩小排气阀的排气间隔，电堆会自动修复，并排除了故障。
实施例2
基于与前述实施例1中一种电堆温度控制方法同样的发明构思，本发明还提供一种燃料电池电堆控制系统，如图2所示，所述控制系统包括：至少一数据采集单元，至少一控制单元。
其中，所述数据采集单元，包括：
温度检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时温度；
电流检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆实时电流；
电压检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压。
所述控制单元，通过分析数据采集单元的实时数据与第一预设温度，第一预设电流和第一预设电压进行对比分析，依据数据分析结果调节温控组件的转速。
进一步的，所述控制系统还包括：
压力传感器，用于检测电堆内的输入氢气的压力范围；若高于或低于预设值，则关闭电堆的进气阀，对电堆进行保护，防止膜电极被击穿；
温度传感器，用于检测电堆内的温度；若高于或低于预设值，则关闭电堆，对电堆进行保护，防止电堆造成不可逆的损害；
进气阀，设置电堆的供氢管路上，控制电堆的氢气的进气量和排出频率；
排气阀，设置电堆的排气口，控制电堆中反应后废气的排出量和排出频率。
进一步的，所述控制系统还包括：
第一判断模块，判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行第二判断模块；
第二判断模块，判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比p1以下线性调节温控组件转速；若否，则执行第三判断模块；
第三判断模块，判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比的转速。
进一步的，所述控制系统还包括：
用于检测整个电堆输出电压的第一电压检测机构和分别用于检测若干个单电池的实时电压的多个第二电压检测机构；所述第一电压检测机构、第二电压检测机构匀与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压和单电池电压。
进一步的，所述控制系统还包括：
第四判断模块，当所述电堆实时温度是大于第一预设温度时，进一步判断检测温度传感器是否正常工作；若是，则采用PID调节温控组件的转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
进一步的，所述控制系统还包括：
第五判断模块，当所述电堆输出的实时电流是大于第一预设电流时，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第二预设温度；若是，则根据电流大小、在预定占空比p1以下线性调节温控组件转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三；当调节温控组件达到在所述预定占空比p1下的指定转速，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，返回步骤一；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
进一步的，所述控制系统还包括：
第六判断模块，执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间后，进一步判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，则调整排气策略，缩短排气间隔；若否，调节温控组件的维持初始占空比下的转速。
进一步的，所述控制系统还包括：
第七判断模块，执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比p1吹扫预定时间后，所述电堆输出的实时电流仍小于第一预设电压；
则获取单电池的实时电压，并判断每个单电池的电压是否位于第二预设电压范围内；
若是，则温控组件的转速维持初始占空比p2，电堆正常运转；若否，则调整温控组件的排气策略，缩短排气阀的排气间隔，直至在温控组件维持初始占空比p2的转速下，电堆仍正常运转。
前述实施例1中的一种电堆温度控制方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种燃料电池电堆控制系统，通过前述对一种电堆温度控制方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种电堆温度控制装置的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (11)

1.一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤一、通过温度传感器检测对电堆进行实时温度采集，并判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行步骤二；
步骤二、对电堆进行实时电流采集，并判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则执行步骤三；
步骤三、对电堆进行实时电压采集，并判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比的转速。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述步骤一还包括：
当所述电堆实时温度是大于第一预设温度时，进一步判断检测温度传感器是否正常工作；
若是，则采用PID调节温控组件的转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
3.根据权利要求1所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述步骤二还包括：
当所述电堆输出的实时电流是大于第一预设电流时，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第二预设温度；
若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三；
当调节温控组件达到在所述预定占空比下的指定转速，进一步判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，返回步骤一；若否，则温控组件的维持当前转速，并执行步骤三。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述步骤三还包括：
执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间后，进一步判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；
若是，则调整排气策略，缩短排气间隔；若否，调节温控组件的维持初始占空比下的转速。
5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述步骤三还包括：
执行开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间后，所述电堆输出的实时电压仍小于第一预设电压；
则获取单电池的实时电压，并判断每个单电池的电压是否位于第二预设电压范围内；
若是，则温控组件的转速维持初始占空比，电堆正常运转；若否，则调整温控组件的排气策略，缩短排气阀的排气间隔，直至在温控组件维持初始占空比的转速下，电堆仍正常运转。
6.根据权利要求1所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述温度传感器检测对电堆进行实时温度采集的周期为0.5～2min。
7.根据权利要求1所述的燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述温控组件包括用于给燃料电池电堆降温的散热风扇。
8.一种燃料电池电堆控制系统，其特征在于，包括至少一数据采集单元，至少一控制单元；
其中，所述数据采集单元，包括：
温度检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时温度；
电流检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆实时电流；
电压检测单元，与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压。
所述控制单元，通过分析数据采集单元的实时数据与第一预设温度，第一预设电流和第一预设电压进行对比分析，依据数据分析结果调节温控组件的转速。
9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：
压力传感器，用于检测电堆内的输入氢气的压力范围；若高于或低于预设值，则关闭电堆的进气阀，对电堆进行保护；
温度传感器，用于检测电堆内的温度；若高于或低于预设值，则关闭电堆，对电堆进行保护；
进气阀，设置电堆的供氢管路上，控制电堆的氢气的进气量和排出频率；
排气阀，设置电堆的排气口，控制电堆中反应后废气的排出量和排出频率。
10.根据权利要求8所述的燃料电池电堆控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：
第一判断模块，判断所述电堆实时温度是否大于第一预设温度；若是，则调节温控组件的转速，以保持电堆温度小于第一预设温度；若否，则执行第二判断模块；
第二判断模块，判断所述电堆输出的实时电流是否大于第一预设电流；若是，则根据电流大小、在预定占空比以下线性调节温控组件转速；若否，则执行第三判断模块；
第三判断模块，判断所述电堆输出的实时电压是否小于第一预设电压；若是，开启排气阀进行排气，温控组件的转速维持预定占空比吹扫预定时间；若否，调节温控组件的维持初始占空比的转速。
11.根据权利要求8所述的燃料电池电堆控制系统，其特征在于，所述控制单元包括用于检测整个电堆输出电压的第一电压检测机构和分别用于检测若干个单电池的实时电压的多个第二电压检测机构；所述第一电压检测机构、第二电压检测机构匀与所述控制单元电连接，以向所述控制单元反馈电堆的实时电压和单电池电压。
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