CN114695918A - 燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法 - Google Patents

燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法，包括：状态机，前馈控制器，比例电磁阀和排气阀，还包括：延时模块和RAMP模块；状态机，用于向延时模块发送排气阀控制信号，同时向前馈控制器发送前馈使能信号；前馈控制器，用于基于前馈使能信号，向RAMP模块发送电磁阀开度调整信号；RAMP模块，用于基于电磁阀开度调整信号，以预设速率控制比例电磁阀的开度变化；延时模块，用于将排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到排气阀，以使排气阀控制信号达到排气阀的时刻不早于电磁阀开度调整信号达到RAMP模块的时刻。本发明缓解了现有技术中存在的排气阀在排气过程中会引起压力波动的技术问题。

Description

燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法。
背景技术
在燃料电池的控制系统运行过程中，需要频繁的开闭排气阀来维持燃料电池系统内部的极高的氢气浓度，但是频繁的开启和关闭排气阀势必会导致阳极入堆压力出现较大的压力波动。具体的，由于比例电磁阀前馈的使能信号是通过排气阀的开启信号来触发的，但是由于比例电磁的响应时间相对开关阀的响应时间来说更长，所以排气阀的开启瞬间由于比例阀不能及时补偿从而导致阳极入堆压力瞬间下降，相反当排气阀关闭时由于比例阀无法同时恢复到正常的开启比例而导致阳极入堆压力上升。频繁的较大的压力波动会给对电堆的质子交换膜造成不可逆的损坏而降低电堆的工作寿命。同时阳极侧较大的压力波动肯能还会导致系统运行状态不稳定进而导致系统输出的功率出现较大的波动，此外当系统在高功率点运行的时候较大的压力波动可能会超出系统正常工作的压力点，从而导致系统频繁出现不正常停机。
传统的解决方案一般是在燃料电池系统运行的过程中通过大量的试验来标定不同功率点下排气阀开启时，比例电磁阀在稳态运行时的开度的基础上需要瞬间增加开度的前馈值来补偿排气过程中阳极的压力下降。而标定多套的PID参数会需要大量的台架试验来支持，这样会在前期消耗大量的人力和物力，而且由于开关阀和比例电磁阀两种阀自身的特性，开关阀比比例电磁阀的响应时间快(大约快200ms左右)，进而无法避免在排气阀在排气过程中还是会引起压力波动。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法，以缓解现有技术中存在的排气阀在排气过程中会引起压力波动的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，包括：状态机，前馈控制器，比例电磁阀和排气阀，还包括：延时模块和RAMP模块；所述延时模块设置于所述状态机与所述排气阀之间，所述RAMP模块设置于所述前馈控制器与所述比例电磁阀之间；所述状态机，用于向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；所述前馈控制器，用于基于所述前馈使能信号，向所述RAMP模块发送电磁阀开度调整信号；所述RAMP模块，用于基于所述电磁阀开度调整信号，以预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化；所述延时模块，用于将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述RAMP模块的时刻。
进一步地，所述装置还包括：PID控制器，与所述RAMP模块相连接；所述PID控制器，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述RAMP模块发送电磁阀开度控制信号；所述RAMP模块，还用于基于所述电磁阀开度调整信号和所述电磁阀开度控制信号，以所述预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化。
第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，包括：状态机，前馈控制器，比例电磁阀和排气阀，还包括：延时模块；所述延时模块设置于所述状态机与所述排气阀之间；所述状态机，用于向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；所述前馈控制器，用于基于所述前馈使能信号，向所述比例电磁阀发送电磁阀开度调整信号；所述延时模块，用于将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述比例电磁阀的时刻。
进一步地，所述装置还包括：PID控制器，与所述比例电磁阀相连接；所述PID控制器，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述比例电磁阀发送电磁阀开度控制信号。
第三方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法，应用于上述第一方面所述的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，包括：通过所述状态机，向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；通过所述前馈控制器，基于所述前馈使能信号向所述RAMP模块发送电磁阀开度调整信号；通过所述RAMP模块，基于所述电磁阀开度调整信号以预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化；通过所述延时模块，将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述RAMP模块的时刻。
进一步地，所述方法还包括：获取燃料电池阳极侧入堆压力值；基于所述燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述RAMP模块发送电磁阀开度控制信号；通过所述RAMP模块，基于所述电磁阀开度调整信号和所述电磁阀开度控制信号，以所述预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化。
第四方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法，应用于上述第二方面所述的燃料电池阳极入堆压力补偿装置，包括：通过所述状态机，向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；通过所述前馈控制器，基于所述前馈使能信号向所述比例电磁阀发送电磁阀开度调整信号；通过所述延时模块，将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述比例电磁阀的时刻。
第五方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池系统，包括上述第一方面或者第二方面所述的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和燃料电池。
第六方面一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第三方面和第四方面所述的方法的步骤。
第七方面，本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述第三方面和第四方面所述方法。
本发明实施例提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和方法，通过在燃料电池的阳极侧排气阀控制系统上加入延时模块和RAMP模块的方式，实现排气阀和比例电磁阀同时完成相关动作，或者实现比例电磁阀先于排气阀动作，从而避免了在燃料电池阳极侧排气过程中阳极入堆压力出现较大的压力波动，缓解了现有技术中存在的排气阀在排气过程中会引起压力波动的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的第一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的第三种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图；
图4为本发明实施例提供的第四种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的另一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
实施例一：
图1是根据本发明实施例提供的第一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图。该装置应用于燃料电池阳极侧压力控制系统。如图1所示，该装置包括：状态机10，前馈控制器20，比例电磁阀30和排气阀40，延时模块50和RAMP模块60；延时模块50设置于状态机10与排气阀40之间，RAMP模块60设置于前馈控制器20与比例电磁阀30之间。
状态机10，用于向延时模块50发送排气阀控制信号，同时向前馈控制器20发送前馈使能信号；排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号。
前馈控制器20，用于基于前馈使能信号，向RAMP模块60发送电磁阀开度调整信号。其中，电磁阀开度调整信号为可以使比例电磁阀在稳态的工作开度上瞬间增加或者减小目标开度的信号，目标开度为基于前馈使能信号确定的开度。
RAMP模块60，用于基于电磁阀开度调整信号，以预设速率控制比例电磁阀30的开度变化；
在本发明实施例中，为了避免在排气阀未开启或者未关闭之前，由于比例电磁阀瞬间增加目标开度会导致的较大的压力超条的问题，通过RAMP模块对比例电磁阀的开度变化进行控制，使得比例电磁阀以预设速度来调整开度，增加了燃料电池阳极侧压力控制系统的稳定性。
延时模块50，用于将排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到排气阀40，以使排气阀控制信号达到排气阀40的时刻不早于电磁阀开度调整信号达到RAMP模块60的时刻。
本发明实施例提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，通过在燃料电池的阳极侧排气阀控制系统上加入延时模块和RAMP模块的方式，使得当排气阀控制信号使能时，通过延时模块来延迟达到排气阀的时间，但是使能信号仍能正常触发比例电磁阀的前馈控制器，实现排气阀和比例电磁阀同时完成相关动作，或者实现比例电磁阀先于排气阀动作，从而避免了在燃料电池阳极侧排气过程中阳极入堆压力出现较大的压力波动，缓解了现有技术中存在的排气阀在排气过程中会引起压力波动的技术问题。
可选地，图2是根据本发明实施例提供的第二种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图。如图2所示，该装置还包括：PID控制器70，与RAMP模块60相连接。
具体的，PID控制器70，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向RAMP模块60发送电磁阀开度控制信号。其中，电磁阀开度控制信号为使比例电磁阀在燃料电池稳态的工作开度的控制信号。
RAMP模块60，还用于基于电磁阀开度调整信号和电磁阀开度控制信号，以预设速率控制比例电磁阀30的开度变化。
实施例二：
图3是根据本发明实施例提供的第三种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图，包括：状态机10，前馈控制器20，比例电磁阀30和排气阀40和延时模块50；延时模块50设置于状态机10与排气阀40之间。
具体的，状态机10，用于向延时模块50发送排气阀控制信号，同时向前馈控制器20发送前馈使能信号；排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号。
前馈控制器20，用于基于前馈使能信号，向比例电磁阀30发送电磁阀开度调整信号。
延时模块50，用于将排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到排气阀40，以使排气阀控制信号达到排气阀40的时刻不早于电磁阀开度调整信号达到比例电磁阀30的时刻。
本发明实施例提供的一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，通过标定延时模块的预设时间间隔来实现排气阀和比例电磁阀同时完成相关动作，或者实现比例电磁阀先于排气阀动作，进而避免在排气过程中阳极入堆压力出现较大的压力波动的技术问题。
可选地，图4是根据本发明实施例提供的第四中燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的示意图。如图4所示，该装置还包括：PID控制器70，与比例电磁阀30相连接。
具体的，PID控制器70，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向比例电磁阀30发送电磁阀开度控制信号。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种燃料电池系统，包括上述实施例一或者上述实施例二中提供的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和燃料电池。
可选地，图5为根据本发明实施例提供的一种燃料电池系统的示意图，如图5所示，燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置与燃料电池的阳极侧相连接，通过状态机10同时向延时模块50和前馈控制器20发送信号，其中，状态机10向延时模块50发送排气阀控制信号(即，排气阀开启信号或者排气阀关闭信号)，向前馈控制器20发送排气阀前馈使能信号；然后前馈使能信号触发前馈控制器20向RAMP模块60发送电磁阀开度调整信号，RAMP模块60同时接受电磁阀开度调整信号与PID控制器70发送的电磁阀控制信号，并以一定速率控制比例电磁阀30的开度；与此同时，排气阀控制信号经过延时模块50延时一定时间后，到达排气阀40，排气阀40在接受到排气阀控制信号后执行相应的动作(开启或者关闭)。
由以上描述可知，本发明实施例提供的一种包括燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置的燃料电池，通过在控制系统中加入相应的延时模块和RAMP模块，在排气阀开闭的过程中通过一定的时间差来保证比例电磁阀先于排气阀动作，进而保证阳极入堆压力在排气过程中不会出现较大的压力波动，达到延长电堆的使用寿命和保证系统能够稳定的输出功率的目的。
实施例四：
图6是根据本发明实施例提供的一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法的流程图，该方法应用于上述实施例一中的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置。如图6所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S602，通过状态机10向延时模块50发送排气阀控制信号，同时向前馈控制器20发送前馈使能信号；排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号。
步骤S604，通过前馈控制器20基于前馈使能信号向RAMP模块60发送电磁阀开度调整信号。
步骤S606，通过RAMP模块60基于电磁阀开度调整信号以预设速率控制比例电磁阀30的开度变化。
步骤S608，通过延时模块50将排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到排气阀40，以使排气阀控制信号达到排气阀40的时刻不早于电磁阀开度调整信号达到RAMP模块60的时刻。
本发明实施例提供了一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法，通过延迟排气阀控制信号达到排气阀的时间，但是使能信号仍能正常触发比例电磁阀的前馈控制器，实现排气阀和比例电磁阀同时完成相关动作，或者实现比例电磁阀先于排气阀动作，从而避免了在燃料电池阳极侧排气过程中阳极入堆压力出现较大的压力波动，缓解了现有技术中存在的排气阀在排气过程中会引起压力波动的技术问题。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括：
获取燃料电池阳极侧入堆压力值；
基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向RAMP模块60发送电磁阀开度控制信号；
通过RAMP模块60，基于电磁阀开度调整信号和电磁阀开度控制信号，以预设速率控制比例电磁阀30的开度变化。
图7是根据本发明实施例提供的另一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法的流程图，该方法应用于上述实施例二中的燃料电池阳极入堆压力补偿装置。如图7所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S702，通过状态机10向延时模块50发送排气阀控制信号，同时向前馈控制器20发送前馈使能信号；排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号。
步骤S704，通过前馈控制器20基于前馈使能信号向比例电磁阀30发送电磁阀开度调整信号。
步骤S706，通过延时模块50将排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到排气阀40，以使排气阀控制信号达到排气阀40的时刻不早于电磁阀开度调整信号达到比例电磁阀30的时刻。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本实施例中提供的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行本实施例中的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，包括：状态机，前馈控制器，比例电磁阀和排气阀，其特征在于，还包括：延时模块和RAMP模块；所述延时模块设置于所述状态机与所述排气阀之间，所述RAMP模块设置于所述前馈控制器与所述比例电磁阀之间；
所述状态机，用于向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；
所述前馈控制器，用于基于所述前馈使能信号，向所述RAMP模块发送电磁阀开度调整信号；
所述RAMP模块，用于基于所述电磁阀开度调整信号，以预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化；
所述延时模块，用于将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述RAMP模块的时刻。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：PID控制器，与所述RAMP模块相连接；
所述PID控制器，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述RAMP模块发送电磁阀开度控制信号；
所述RAMP模块，还用于基于所述电磁阀开度调整信号和所述电磁阀开度控制信号，以所述预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化。
3.一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，包括：状态机，前馈控制器，比例电磁阀和排气阀，其特征在于，还包括：延时模块；所述延时模块设置于所述状态机与所述排气阀之间；
所述状态机，用于向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；
所述前馈控制器，用于基于所述前馈使能信号，向所述比例电磁阀发送电磁阀开度调整信号；
所述延时模块，用于将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述比例电磁阀的时刻。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：PID控制器，与所述比例电磁阀相连接；
所述PID控制器，用于基于燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述比例电磁阀发送电磁阀开度控制信号。
5.一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法，应用于权利要求1所述的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置，其特征在于，包括：
通过所述状态机，向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；
通过所述前馈控制器，基于所述前馈使能信号向所述RAMP模块发送电磁阀开度调整信号；
通过所述RAMP模块，基于所述电磁阀开度调整信号以预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化；
通过所述延时模块，将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述RAMP模块的时刻。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取燃料电池阳极侧入堆压力值；
基于所述燃料电池阳极侧入堆压力值和预设压力值，向所述RAMP模块发送电磁阀开度控制信号；
通过所述RAMP模块，基于所述电磁阀开度调整信号和所述电磁阀开度控制信号，以所述预设速率控制所述比例电磁阀的开度变化。
7.一种燃料电池阳极入堆压力补偿控制方法，应用于权利要求3所述的燃料电池阳极入堆压力补偿装置，其特征在于，包括：
通过所述状态机，向所述延时模块发送排气阀控制信号，同时向所述前馈控制器发送前馈使能信号；所述排气阀控制信号包括以下任一项：排气阀开启信号，排气阀关闭信号；
通过所述前馈控制器，基于所述前馈使能信号向所述比例电磁阀发送电磁阀开度调整信号；
通过所述延时模块，将所述排气阀控制信号延时预设时间间隔后，转发到所述排气阀，以使所述排气阀控制信号达到所述排气阀的时刻不早于所述电磁阀开度调整信号达到所述比例电磁阀的时刻。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，包括权利要求1或3所述的燃料电池阳极入堆压力补偿控制装置和燃料电池。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求5至7任一项所述的方法的步骤。
10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求5-7任一项所述方法。
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