CN115360393A - 一种提高燃料电池响应速率的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种提高燃料电池响应速率的控制方法，包括如下步骤：VCU向FCU发送功率需求信号、FCU根据VCU传来的需求功率信号，自适应定义到此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征并计算下一时刻T+1时的极限动态响应电流I1，当I1大于当前燃料电池的变载极限时提供模糊控制器中作进一步约束，得到输出电流I2，FCU根据输出电流在T+1时刻快速响应功率请求，并补充氧化剂和燃料。本发明提高燃料电池响应速率的控制方法，保证了燃料电池输出电流的动态变化在其安全范围内，在不影响电堆性能、寿命的前提条件下，可大幅提供燃料电池系统的动态响应能力。

Description

一种提高燃料电池响应速率的控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种提高燃料电池响应速率的控制方法。
背景技术
燃料电池其原理是通过质子交换膜传导燃料质子，在外部通路输出电流的方式进行发电，产物仅仅由水组成。这是一种高效、环保的能源转换方式，其能量转换效率非常高，且转换方式不受卡诺循环限制。燃料电池广泛应用于新能源汽车、轮船、无人机及热电联供发电等领域。
随着燃料电池系统技术越来越成熟，在车用场景应用时，其从增程式慢慢转变为主驱动的方式，在车用领域对动力系统的瞬态响应有较高要求。在燃料电池系统中，空气中的氧气作为电堆内部氧化还原反应的氧化剂，燃料由燃料储存系统提供，根据系统负载工况需求严格控制空气、燃料、冷却入堆流量、压力，在车用工况中，对于能量的需求响应要求及时，在当前燃料电池很长时间以来都是采用锂电池组进行缓冲，未有快速响应的控制解决策略。
发明内容
本发明针对现有技术中燃料电池系统缺少快速响应的控制解决策略的技术问题，提出一种基于敏感性等级划分、提高燃料电池响应速率、保护燃料电池电堆寿命的控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高燃料电池响应速率的控制方法，包括如下步骤：
S1、VCU向FCU发送功率需求信号；
S2、FCU判定是否变更功率，当不变更时运行S1；当变更时运行S3；
S3、FCU根据VCU传来的需求功率信号，自适应定义到此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征；
S4、将此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征作为输入参数计算下一时刻T+1时的极限动态响应电流I1；
S5、判断S4中计算出的极限动态响应电流I1是否超出燃料电池的变载极限，当I1小于当前燃料电池的变载极限时，正常输出电流，当I1大于当前燃料电池的变载极限时，运行S6，
S6、计算变载电流d，
Figure BDA0003728582260000021
其中，d为变载电流，单位A；I1为最大允许输出电流，单位A；X为当前需求功率，V为当前需求输出电压，单位V；
由电流滤波器判断计算出的变载电流d，当d没有超过此燃料电池的变载极限电流时，则在T+1时刻输出电流；当d超过此燃料电池的变载极限电流，则将I1导入模糊控制器中作进一步约束，得到输出电流I2，
具体的，将需求电流Ireq通过微分器，得到需求电流Ireq的变化率ΔIreq，将ΔIreq和变载电流d输入模糊控制器，计算出抑制电流If，最终得出输出电流I2，I2＝I1±If。
S7、FCU根据输出电流在T+1时刻快速响应功率请求，并补充氧化剂和燃料。
作为优选，S3中相应电流密度下敏感计量比为I级的特征获取过程为：在不同电流密度下，测试电压、阻抗、电池极差随空气计量比、氢气计量比的变化程度，计算得到空气计量比在不同电流密度下的空气敏感计量比C和氢气计量比在不同电流密度下的氢气敏感计量比B；
对不同电流密度下，空气计量比、氢气计量比对应的空气敏感计量比C和氢气敏感计量比B进行等级划分，敏感度高的定为I级，敏感度低的定为II级；
作为优选，S3中敏感计量比为I级的特征为空气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure BDA0003728582260000031
其中I1为最大允许输出电流，单位A；Q为当前空气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，C为当前电流密度下的空气敏感计量比；
S3中敏感计量比为I级的特征为氢气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure BDA0003728582260000032
其中I1为最大允许输出电流，单位A；E为当前氢气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，B为当前电流密度下的氢气敏感计量比。
作为优选，S5中模糊控制器包括模糊规则表，具体如下，
Figure BDA0003728582260000041
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提高燃料电池响应速率的控制方法，保证了燃料电池输出电流的动态变化在其安全范围内，在不影响电堆性能、寿命的前提条件下，可大幅提供燃料电池系统的动态响应能力。
附图说明
图1为本发明提高燃料电池响应速率的控制方法的逻辑控制图；
图2为本发明提高燃料电池响应速率的控制方法的模糊控制单元逻辑控制图；
图3为启动过程中燃料电池电堆正常加载和采用本发明的控制方法加载的响应时间对比图；
图4为运行过程中燃料电池电堆正常加载和采用本发明的控制方法加载的响应时间对比图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例：
如图1所示，一种提高燃料电池响应速率的控制方法，包括如下步骤：
S1、VCU向FCU发送功率需求信号；
S2、FCU判定是否变更功率，当不变更时运行S1；当变更时运行S3；
S3、FCU根据VCU传来的需求功率信号，自适应定义到此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征；
相应电流密度下敏感计量比为I级的特征获取过程为：
S31、敏感性试验分析
通过敏感性试验，在不同电流密度下，测试电压、阻抗、电池极差随空气计量比、氢气计量比的变化程度，计算得到空气计量比在不同电流密度下的空气敏感计量比C和氢气计量比在不同电流密度下的氢气敏感计量比B。
燃料电池在发生动态功率突变时，其动态响应速度和空气计量比、氢气计量比，有着很大的关系。不同输出功率对应的不同燃料电池电流密度下，空气计量比、氢气计量比对燃料电池动态响应速度的影响都不相同。
S32、敏感度计量比等级划分
对不同电流密度下，空气计量比、氢气计量比对应的空气敏感计量比C和氢气敏感计量比B进行等级划分，敏感度高的定为I级，敏感度低的定为II级；
例如在某个电流密度下系统的响应速度对空气计量比的变化特别敏感，对氢气计量比的变化相对敏感，对温度的变化不敏感。则在此电流密度下将空气计量比定义为特别敏感，敏感度等级为I级，将氢气计量比定义为相对敏感，敏感度等级为II级。下面结合具体实验数据说明。
表1：1.2A/cm2电流密度下电堆敏感性试验测试表
Figure BDA0003728582260000051
Figure BDA0003728582260000061
表1为1.2A/cm2电流密度下电堆敏感性试验测试表，通过实验分析计算得到极差，通过极差的结果可以看出，在此电流密度下空气计量比的变化对系统的影响最大，例如在输出电流需要升高时，此时控制空气计量比的数值，可以使电流动态变化得最快，从而更快达到目标电流，所以此时空气计量比是最敏感的，此时优选的空气敏感计量比为2.5，定义其敏感度定为I级。氢气计量比极差R最大，氢气计量比的敏感度是很低的，定义敏感度定为II级。本专利目前只考虑空气计量比和氢气计量比这两个最重要的因素，其他因素暂不考虑。
S4、计算极限动态响应电流
将此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征作为输入参数计算下一时刻T+1时的极限动态响应电流I1。
敏感计量比为I级的特征为空气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure BDA0003728582260000071
其中，I1为最大允许输出电流，单位A；Q为当前空气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，C为当前电流密度下的空气敏感计量比。
S3中敏感计量比为I级的特征为氢气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure BDA0003728582260000072
其中，I1为最大允许输出电流，单位A；E为当前氢气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，B为当前电流密度下的氢气敏感计量比。
S5、判断S4中计算出的极限动态响应电流I1是否超出燃料电池的变载极限，当I1小于当前燃料电池的变载极限时，正常输出电流，当I1大于当前燃料电池的变载极限时，运行S6。
S6、为了防止计算出的下一时刻的最大允许电流超出当前燃料电池在试验中所测出的变载极限，从而对燃料电池的寿命造成不利影响，预测出最大允许电流后需计算变载电流d，并添加电流滤波器，由电流滤波器判断计算出的变载电流d，若d没有超过此燃料电池的变载极限电流，则在T+1时刻输出电流I1，若d超过此燃料电池的变载极限电流，则将I1导入模糊控制器中作进一步约束，得到输出电流I2。
变载电流d计算公式为：
Figure BDA0003728582260000081
其中d为变载电流，单位A；I1为最大允许输出电流，单位A；X为当前需求功率，V为当前需求输出电压，单位V。
当电流滤波器判断变载电流d超过变载极限电流时，此变载电流d会对燃料电池寿命造成不利损耗，此时通过模糊控制器对变载电流d进行抑制，如图2所示，具体实施过程如下：将变载电流d作为模糊控制器的输入；将需求电流Ireq(单位A)通过微分器，微分器的输出为需求电流的变化率ΔIreq，将ΔIreq也作为模糊控制器的输入。设置模糊规则表(如表2所示)，为了使计算结果更准确、更稳定，将模糊控制器中输入输出的隶属度函数设置为三角形和梯形的组合。在输入中，将需求电流的变化率ΔIreq的模糊子集设置为{S,M,B}，将变载电流d的模糊子集设置{NB,NM,NS,PS,PM,PB}。将抑制电流If作为模糊控制器的输出，其控制思路为当变载电流d非常大而车辆需求电流的变化率ΔIreq很小时，此时抑制电流If(单位A)非常大，在保证提供足够功率的同时，降低燃料电池电流的变载。最终得到模糊控制器的输出If，此时输出的电流为I2＝I1±If
表2模糊控制器模糊规则表
Figure BDA0003728582260000082
S7、FCU根据输出电流在T+1时刻快速响应功率请求，并补充氧化剂和燃料；
S8、当VCU给FCU下电命令时，燃料电池下电；无下电命令时运行S2。
图3为启动过程中燃料电池电堆正常加载和采用本发明的控制方法加载的响应时间对比图，从图中可以看出采用本发明的控制方法燃料电池电堆在启动过程中的动态能力明显提升，能更快达到目标电流，可以提高电堆的响应时间至少1倍以上；
图4为运行过程中燃料电池电堆正常加载和采用本发明的控制方法加载的响应时间对比图，从图中可以看出，当收到电流变载指令后，采用本发明的控制方法燃料电池电堆动态能力比传统动态响应算法缩短了2/3以上。
本发明提高燃料电池响应速率的控制方法，保证了燃料电池输出电流的动态变化在其安全范围内，在不影响电堆性能、寿命的前提条件下，可大幅提供燃料电池系统的动态响应能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高燃料电池响应速率的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、VCU向FCU发送功率需求信号；
S2、FCU判定是否变更功率，当不变更时运行S1；当变更时运行S3；
S3、FCU根据VCU传来的需求功率信号，自适应定义到此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征；
S4、将此时功率对应的电流密度下敏感计量比为I级的特征作为输入参数计算下一时刻T+1时的极限动态响应电流I1；
S5、判断S4中计算出的极限动态响应电流I1是否超出燃料电池的变载极限，当I1小于当前燃料电池的变载极限时，正常输出电流，当I1大于当前燃料电池的变载极限时，运行S6，
S6、计算变载电流d，
Figure FDA0003728582250000011
其中，d为变载电流，单位A；I1为最大允许输出电流，单位A；X为当前需求功率，V为当前需求输出电压，单位V；
由电流滤波器判断计算出的变载电流d，当d没有超过此燃料电池的变载极限电流时，则在T+1时刻输出电流；当d超过此燃料电池的变载极限电流，则将I1导入模糊控制器中作进一步约束，得到输出电流I2，
具体的，将需求电流Ireq通过微分器，得到需求电流Ireq的变化率ΔIreq，将ΔIreq和变载电流d输入模糊控制器，计算出抑制电流If，最终得出输出电流I2，I2＝I1±If。
S7、FCU根据输出电流在T+1时刻快速响应功率请求，并补充氧化剂和燃料。
2.根据权利要求1所述的提高燃料电池响应速率的控制方法，其特征在于，S3中相应电流密度下敏感计量比为I级的特征获取过程为：在不同电流密度下，测试电压、阻抗、电池极差随空气计量比、氢气计量比的变化程度，计算得到空气计量比在不同电流密度下的空气敏感计量比C和氢气计量比在不同电流密度下的氢气敏感计量比B；
对不同电流密度下，空气计量比、氢气计量比对应的空气敏感计量比C和氢气敏感计量比B进行等级划分，敏感度高的定为I级，敏感度低的定为II级。
3.根据权利要求2所述的提高燃料电池响应速率的控制方法，其特征在于：敏感计量比为I级的特征为空气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure FDA0003728582250000021
其中I1为最大允许输出电流，单位A；Q为当前空气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，C为当前电流密度下的空气敏感计量比；
敏感计量比为I级的特征为氢气敏感计量比时，最大允许输出电流I1的计算公式如下，
Figure FDA0003728582250000022
其中I1为最大允许输出电流，单位A；E为当前氢气流量，单位g/s；F为法拉第常数，单位C·mol-1；N为电堆单电池片数，B为当前电流密度下的氢气敏感计量比。
4.根据权利要求1所述的提高燃料电池响应速率的控制方法，其特征在于：S6中模糊控制器包括模糊规则表，具体如下，
Figure FDA0003728582250000031
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