CN115000469B - 一种燃料电池系统的功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统的功率控制方法，步骤包括：燃料电池系统在功率拉载过程中，系统运行参数需求跟随目标功率，实时检测电堆单电池的最大单电压、平均单电压以及最小单电压，并计算单电压差=平均单电压‑最小单电压；判断单电压差是否超过设定阈值；若单电压差大于设定阈值，则将其PID控制算法的积分常数Ki置0，直至将单电压差恢复至小于等于设定阈值，将积分常数Ki恢复为基准原值；若单电压差小于等于设定阈值，则保持积分常数Ki为基准原值。本发明有效抑制并解决功率拉载中的单电压低的问题，并持续响应功率请求。

Description

一种燃料电池系统的功率控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统的功率控制方法。
背景技术
氢燃料，是一种清洁、无污染的可再生能源，正在被越来越多的领域使用。氢燃料电池可以将氢气转化为电能和热能，氢燃料电池在工作时，不仅发电效率高，而且具有噪音小、无污染等优点。其中，燃料电池电堆由多片单电池叠加组成。
在燃料电池系统功率拉载过程中，容易出现单电压（电堆单电池的电压）低的情况，主要原因是：电堆反应气体分配不均，拉升过程中气体分配较少的单电池出现氢/氧饥饿；或单电池生成水不能及时排出，发生了水淹。
通常情况下要停止功率继续拉升或降功率，防止单电压进一步降低。
现有技术存在以下缺陷和不足：1.功率拉载时出现了单电压低问题，就不能继续响应功率要求；2、不能有效防止单电压低问题进一步加剧。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，提供一种燃料电池系统的功率控制方法，有效抑制并解决功率拉载中的单电压低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池系统的功率控制方法，包括以下步骤：
S1、燃料电池系统在功率拉载过程中，实时检测电堆单电池的平均单电压以及最小单电压，并计算单电压差=平均单电压-最小单电压；
S2、判断单电压差是否超过设定阈值；
若单电压差大于设定阈值，则将PID控制算法的积分常数Ki置0，直至将单电压差恢复至小于等于设定阈值，将积分常数Ki恢复为基准原值；
若单电压差小于等于设定阈值，则保持PID控制算法的积分常数Ki为基准原值。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明通过功率控制方法，抑制单电压低问题，同时又能保证功率响应；本发明通过调整控制器的积分常数Ki，能有效抑制并解决功率拉载中的单电压低问题，保证系统功率正常响应，提高燃料电池系统运行的稳健性。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池系统的结构示意图。
图2为本发明控制算法的结构图。
图3为本发明一种燃料电池系统的功率控制方法的步骤流程图。
图4为本发明燃料电池系统在功率拉载过程中实际功率、空气过量系数、空气流量、电堆电流、积分常数Ki和单电压随时间的变化图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本实施例公开一种燃料电池系统，如图1所示，包括电堆1、辅助系统2、升压DC/DC3、CVM检测模块4和控制器5，所述辅助系统2、升压DC/DC 3、CVM检测模块4均连接所述电堆1。辅助系统2包含空气子系统、氢气子系统和冷却子系统，为电堆1提供反应气体和水热管理；升压DC/DC 3用于提高电堆输出电压，并通过改变拉载电流从而改变燃料电池系统输出功率；控制器5用于控制辅助系统2的运行参数和燃料电池系统的功率拉载。其中，电堆1是由若干单电池串联组合而成。
所述CVM检测模块4用于检测电堆1单电池的最大单电压、平均单电压以及最小单电压，并计算单电压差=平均单电压-最小单电压。
采用PID控制算法对燃料电池系统功率拉升进行控制，其控制规律为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，e(t)为目标值与实际值的差值，u(t)为控制输出量，PID控制算法标定参数包括比例常数Kp、积分常数Ki和微分常数Kd；其中，积分常数Ki越大，积分速率越快，控制输出量增长越快，积分常数Ki为0时，积分速率为零，功率拉升过程中，基于电堆1实际功率和单电压状态，实时调整PID参数；
所述控制器5用于判断单电压差是否超过设定阈值；若单电压差大于设定阈值，则将PID控制算法的积分常数Ki置0，直至将单电压差恢复至小于等于设定阈值，将积分常数Ki恢复为基准原值；若单电压差小于等于设定阈值，则保持PID控制算法的积分常数Ki为基准原值。
如图2所示，燃料电池系统在功率的拉升过程中实时调整PID控制算法标定参数，通过目标功率和实际功率的差值调整电堆1拉载电流而实现功率闭环控制。稳态下，燃料电池系统运行参数（空气流量、空气压力和氢气压力等）与实际功率相关联，燃料电池系统运行参数跟随实际功率的变化而变化，从而使电堆1在合适条件下工作；但在拉载功率时，使燃料电池系统运行参数的变化跟随目标功率。如图2所示，通过目标功率确定空气流量、空气压力和氢气压力等运行参数需求。
本实施例的控制器5通过功率控制方法，抑制功率拉升过程中单电压低问题，同时又能保证功率响应。通过改变积分常数Ki，改变电流拉载速率，提高反应气体过量系数，能有效抑制并解决功率拉载中的单电压低问题，保证系统功率正常响应，提高燃料电池系统运行的稳健性。
实施例2
本实施例公开一种燃料电池系统的功率控制方法，其运行于实施例1的燃料电池系统上，如图3所示，包括以下步骤：
S1、燃料电池系统在功率拉载过程中，CVM检测模块实时检测电堆单电池的最大单电压、平均单电压以及最小单电压，并计算单电压差；其中，单电压差=平均单电压-最小单电压；功率拉载过程中，系统运行参数需求跟随目标功率。
S2、判断单电压差是否超过设定阈值；设定阈值基于实际功率，功率不同，阈值不同。
若单电压差大于设定阈值，则将其PID控制算法的积分常数Ki置0，直至将单电压差恢复至小于等于设定阈值，将积分常数Ki恢复为基准原值；所述基准原值，在PID控制算法中都会预先标定一个固定值作为积分常数Ki的基准原值。
如图4所示，当单电压差大于设定阈值时，积分常数Ki置0后，控制器停止积分，目标功率与实际功率的差值变大，由于比例项和微分项的作用，电堆电流继续增加但拉升速率减缓，实际功率仍然在上升；同时空气流量、空气压力和氢气压力等运行参数随目标功率变化，上升速率超过实际功率拉升速率，所以电堆反应气体过量系数持续增加，提高最小电压单电池内的反应气体分压和排水效率，因而单电池电压可以快速恢复；
当单电压差恢复到设定阈值以内时，积分常数Ki再恢复为基准原值，电流拉升速率提高，功率拉升速率提高；由于电堆反应气体过量系数相对于第一次单低问题之前有所提高，因此再次出现单低问题的几率也随之降低；如果再次出现单电压差超过设定阈值，如前所述，PID积分常数Ki置0，直至单电压差恢复，Ki再恢复为基准原值；
燃料电池系统在功率拉载过程中，若CVM检测模块检测到单电压差小于等于设定阈值，则保持PID控制算法的积分常数Ki为基准原值。
本实施例公开的一种燃料电池系统的功率控制方法，有效抑制并解决功率拉载中的单电压低的问题，同时持续响应功率请求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统包括控制器和升压DC/DC，所述升压DC/DC 用于提高电堆输出电压并通过改变拉载电流从而改变燃料电池系统输出功率；所述控制器用于控制燃料电池系统的功率拉载，且采用PID控制算法对燃料电池系统功率拉载进行控制，其控制公式为：
Figure 406262DEST_PATH_IMAGE001
公式中，e(t)为目标值与实际值的差值，u(t)为控制输出量，PID控制算法标定参数包括比例常数Kp、积分常数Ki和微分常数Kd；
一种燃料电池系统的功率控制方法，包括以下步骤：
S1、燃料电池系统在功率拉载过程中，实时检测电堆单电池的平均单电压以及最小单电压，并计算单电压差=平均单电压-最小单电压；
S2、判断单电压差是否超过设定阈值；
若单电压差大于设定阈值，则将PID控制算法的积分常数Ki置0，控制器停止积分，目标功率与实际功率的差值变大，由于比例项和微分项的作用，电堆电流继续增加但拉升速率减缓，实际功率仍然在上升；同时空气流量、空气压力和氢气压力随目标功率变化，上升速率超过实际功率拉升速率，所以电堆反应气体过量系数持续增加，提高最小电压单电池内的反应气体分压和排水效率，因而单电池电压可以快速恢复，直至将单电压差恢复至小于等于设定阈值，将积分常数Ki恢复为基准原值；
若单电压差小于等于设定阈值，则保持PID控制算法的积分常数Ki为基准原值。
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