CN115472871A - 一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法 - Google Patents

一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法，属于燃料电池技术领域，包括氢气供给管路和氢气循环管路，实现氢气供给，结构相对简单，且本发明还通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并根据采集的电压数据计算离散系数，并根据计算得到的离散系数判断是否进行氢气进气压力补偿，并自动设定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿，能够有效降低燃料电池阳极中氢气的压力波动，提高系统稳定性，延长燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法
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阳极氢压控制系统及方法。
背景技术
氢气作为一种清洁能源，来源多样，具备可储藏，可运输，可发电的优点，且氢气反应后的产物只有水，真正达到了零排放和零污染。氢气可通过质子交换膜燃料电池进行电化学反应，将化学能转化为电能，且其能源转化效率最高可达60%以上。目前质子交换膜燃料电池技术趋于成熟，已经进入了商业性应用阶段。
在燃料电池工作时，需要将氢气及空气通过进气管道输送到质子交换膜两侧进行电化学反应，由于质子交换膜比较脆弱，需要时刻保持质子交换膜两侧的压差在微小范围内。在燃料电池工作时，阳极会产生液态水，降低燃料电池的反应效率。这时，就需要借助氢气的压力，通过尾排阀将阳极的水排出。在打开尾排阀时，阳极的水及部分氢气会排出。在尾排阀开启及关闭的瞬间，会导致阳极氢气的压力瞬间出现较大的波动。燃料电池阴极压力的相对阳极压力来讲较为平稳，尾排阀开启及关闭时阳极压力的波动是导致氢空压差及氢水压差波动的主要原因。氢气进气压力的稳定是燃料电池阳极压力控制的重点和难点。
一个良好的燃料电池氢气压力控制系统可以保证阴阳极压差波动小，保护燃料电池的质子交换膜，尤其是在瞬态工况时可以保持系统的稳定，缩短系统响应时间。目前已有的燃料电池阳极供氢系统及控制存在以下问题：
（1）、为保持阳极压力的稳定，添加诸如多个供氢管路、氢气缓冲罐、引射器等部件，增加了系统结构复杂度，提高了系统成本；
（2）、随着燃料电池系统的老化，其运行特性会持续变化；
（3）、现有的燃料电池氢气压力控制系统多采用定周期，定时长开启及关闭尾排阀，不能够保证控制参数科学合理地满足燃料电池全生命周期需求；
（4）、目前现有的燃料电池氢气压力控制系统，在尾排阀开启及关闭瞬间缺少科学合理的压力补偿控制算法。
有鉴于此，本发明提供一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法；以解决现有技术中存在的上述缺陷，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在现有的燃料电池氢气压力控制系统结构较为复杂以及缺少压力补偿的缺陷，提供设计一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种燃料电池阳极氢压控制系统，包括燃料电池阳极供氢子系统、燃料电池、单体电池电压采集线束、氢气压力控制子系统和上位机，所述燃料电池阳极供氢子系统连接到燃料电池的一端，燃料电池的另一端通过单体电池电压采集线束连接到氢气压力控制子系统，氢气压力控制子系统连接到上位机；
燃料电池阳极供氢子系统包括检测组件和执行组件，检测组件连接到氢气压力控制子系统的输入端，执行组件连接到氢气压力控制子系统的输出端，氢气压力控制子系统根据单体电池电压采集线束获取到的燃料电池中各单体的电压数据计算离散系数，并根据计算出的离散系数控制执行组件中各部件的运行。
在其中一个实施例中，燃料电池阳极供氢子系统还包括氢气罐、氮气罐和分水器，所述检测组件包括中压传感器、流量计、第一温压传感器和第二温压传感器，执行组件包括三通阀、高压电磁阀、比例阀、泄压阀、氢气循环泵、单向阀和尾排阀；
氢气罐和氮气罐通过三通阀连接到高压电磁阀，高压电磁阀依次通过中压传感器、比例阀、流量计、泄压阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气供给管路；
燃料电池的阳极出口依次通过第二温压传感器、分水器、氢气循环泵、单向阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气循环管路，分水器还连接到尾排阀。
在其中一个实施例中，所述氢气压力控制子系统包括主控模块、运算模块、存储模块、多功能信号采集模块、PWM输出模块、低边驱动模块、CAN通讯模块和用于为整个氢气压力控制子系统供电的电源模块；
第一温压传感器、第二温压传感器、中压传感器、流量计和单体电池电压采集线束均通过多功能信号采集模块连接到主控模块；
比例阀通过PWM输出模块连接到主控模块；
三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀均通过低边驱动模块连接到主控模块；
氢气循环泵和上位机均通过CAN通讯模块连接到主控模块；
运算模块和存储模块也连接到主控模块。
在其中一个实施例中，所述多功能信号采集模块包括多功能信号采集电路，所述多功能信号采集电路包括多功能信号采集子电路和采集反馈电路；
所述信号采集子电路包括可变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，可变电阻R1的第一端、电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电阻R3的第一端均连接到主控模块，可变电阻R1的第二端和电容C1的第二端均接地，电阻R2的第二端通过电容C2接地，电阻R2的第二端还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端连接到第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极接地，第一MOS管Q1的栅极通过电阻R4接地，第一MOS管Q1的栅极还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端还通过电阻R5分别连接到电阻R6的第一端、电阻R7的第一端和第二MOS管Q2的漏极，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第二端通过电容C3接地，电阻R7的第二端还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8连接到电源，第二MOS管Q2的栅极还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的源极连接到电源；
采集反馈电路包括第一编码器芯片U1、第二编码器芯片U2、第一移位寄存器芯片U3、第二移位寄存器芯片U4、电容C4和电容R5，第一编码器芯片U1的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第一编码器芯片U1的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R2的第二端，第一编码器芯片U1的第五引脚连接到主控模块的输入端，第二编码器芯片U2的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第二编码器芯片U2的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R7的第二端，第二编码器芯片U2的第五引脚连接到主控模块的输入端，第一移位寄存器芯片U3的第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第一移位寄存器芯片U3的第五引脚连接到第二MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第六引脚连接到第一MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第七引脚连接到第二移位寄存器芯片U4的第一引脚，第二移位寄存器芯片U4的第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第二移位寄存器芯片U4的第五引脚连接到主控模块的输入端。
在其中一个实施例中，所述PWM输出模块包括PWM输出电路，所述PWM输出电路包括PWM输出子电路和过流保护电路；
所述PWM输出子电路包括MOS管芯片U5、续流二极管D1、电阻R9、电阻R10、可变电阻R11、电阻R12和电容C6，MOS管芯片U5的栅极引脚通过串联的电阻R9分别连接到主控模块的输出端和电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接地，MOS管芯片U5的漏极连接到续流二极管D1的正极，续流二极管D1的负极连接到电源，MOS管芯片U5的漏极通过并联的可变电阻R11和电容C6接地MOS管芯片U5的漏极连接到主控模块的输入引脚，MOS管芯片U5的源极通过电阻R12接地，MOS管芯片U5的源极连接到过流保护电路；
所述过流保护电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、稳压二极管D2、放大器U6，电阻R13的第一端连接到MOS管芯片U5的源极，电阻R13的第二端通过电容C7接地，电阻R13的第二端连接到放大器U6的正向输入端，电阻R13的第二端连接到稳压二极管D2的正极，稳压二极管D2的负极连接到电源，放大器U6的反相输入端通过电阻R14连接到电阻R15的第一端，电阻R15的第二端接地，放大器U6的反相输入端通过电容C9连接到电阻R16的第一端，电阻R16的第二端连接到电阻R15的第一端，电容C10并联在电阻R15的两端，放大器U6的输出端连接到电阻R16的第一端。
在其中一个实施例中，所述低边驱动模块包括低边驱动电路，所述低边驱动电路包括低压驱动芯片U7、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、第一二极管D3和第二二极管D4；
低压驱动芯片U7的第一引脚通过电阻R17连接到主控模块的输出端，电阻R17通过电阻R19接地，低压驱动芯片U7的第二引脚通过电阻R18连接到主控模块的输出端，电阻R18通过电阻R20接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到第一二极管D3的正极，第一二极管D3的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第三引脚通过电阻R21连接到电阻R22的第一端，电阻R22的第一端通过电容C11接地，电阻R22的第二端连接电源，电阻R22的第二端通过电容C12接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过并联的电容C13和电阻R23接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过串联的电阻R24和电阻R25接地，电阻R24和电阻R25之间连接到主控模块的输入端，电阻R24和电阻R25之间通过电容C14接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到电源模块，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到第二二极管D4的正极，第二二极管D4的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第四引脚通过电阻R2连接到电阻R22的第一端，低压驱动芯片U7的第四引脚通过并联的电容C15和电阻R27接地，低压驱动芯片U7的第四引脚通过串联的电阻R28和电阻R29接地，电阻R28和电阻R29之间连接到主控模块的输入端，电阻R28和电阻R29之间通过电容C16接地，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到电源模块，通过电源模块控制三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀的打开或闭合。
在其中一个实施例中，所述CAN通讯模块包括CAN通讯电路，所述CAN通讯电路包括CAN总线驱动芯片U8、共模电感L1、静电保护三极管芯片U9、第一瞬态二极管D5、第二瞬态二极管D6、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电容C17、电容C18、电容C19和电容C20；
CAN总线驱动芯片U8的第一引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第二引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚接地，CAN总线驱动芯片U8的第四引脚接电源，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚和CAN总线驱动芯片U8的第四引脚之间通过电容R17连接，CAN总线驱动芯片U8的第五引脚通过电阻R30接地，CAN总线驱动芯片U8的第六引脚通过电阻R31连接到共模电感L1的第一端，CAN总线驱动芯片U8的第七引脚通过电阻R32连接到共模电感L1的第二端，共模电感L1的第三端通过电容C18接地，共模电感L1的第四端通过电容C19接地，共模电感L1的第三端连接到静电保护三极管芯片U9的第一引脚，共模电感L1的第四端连接到静电保护三极管芯片U9的第二引脚，静电保护三极管芯片U9的第三引脚接地，共模电感L1的第三端连接到第一瞬态二极管D5的第一端，第一瞬态二极管D5的第二端接地，共模电感L1的第四端连接到第二瞬态二极管D6的第一端，第二瞬态二极管D6的第二端接地，共模电感L1的第三端通过电阻R33连接到电容C20的第一端，共模电感L1的第四端通过电阻R34连接到电容C20的第一端，电容C20的第二端接地。
第二方面，本发明提供一种燃料电池阳极氢压控制方法，包括：
多功能信号采集模块通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并将采集到的电压数据传送到运算模块；
运送模块根据接收到的电压数据计算离散系数，并将计算得到的离散系数传送给主控模块；
主控模块根据接收到的离散系数判断是否开启尾排阀，并确定尾排阀的开启及关闭周期；
若是，则在尾排阀开启前或关闭前的第一预设时间内对比例阀的开度进行补偿，并在尾排阀开启前的第二预设时间内对氢气循环泵的转速进行补偿，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿。
在其中一个实施例中，在运算模块计算离散系数前，运算模块将接收到的电压数据中的异常电压数据进行剔除。
在其中一个实施例中，主控模块自动标定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数。
本发明的有益效果在于，本发明仅设置一个氢气供给管路和一个氢气循环管路即可实现氢气供给，结构相对简单，且燃料电池阳极中多余的氢气能够循环利用。另外，本发明还通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并根据采集的电压数据计算离散系数，并根据计算得到的离散系数判断是否进行氢气进气压力补偿，并自动设定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿，能够有效降低燃料电池阳极中氢气的压力波动，提高系统稳定性，延长燃料电池的使用寿命。同时，本发明是通过离散系数来判断是否打开尾排阀以及确定打开或关闭尾排阀的周期，实现合理打开或关闭尾排阀，避免因频繁打开尾排阀或延迟打开尾排阀给系统造成不必要的损失，且本发明还能够通过自学习的方式自动标定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，省去了复杂的标定过程，节省了人力物力。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为燃料电池阳极氢压控制系统的结构示意图。
图2为燃料电池阳极氢压控制系统的关系示意图。
图3为多功能信号采集子电路的原理图。
图4为采集反馈电路的原理图。
图5为PWM输出子电路的原理图。
图6为过流保护电路的原理图。
图7为低边驱动电路的原理图。
图8为CAN通讯电路的原理图。
图9为燃料电池阳极氢压控制方法的流程示意图。
图10为无补偿，尾排阀开启及关闭时比例阀的开度及阳极氢气的压力波动的示意图。
图11本发明尾排阀开启及关闭时比例阀的开度及阳极氢气的压力波动的示意图。
1为燃料电池阳极供氢子系统，11为氢气罐，12为氮气罐，13为分水器，141为中压传感器，142为流量计、143为第一温压传感器，144为第二温压传感器，151为三通阀，152为高压电磁阀，153为比例阀，154为泄压阀，155为氢气循环泵，156为单向阀，157为尾排阀，2为燃料电池，3为单体电池电压采集线束，4为氢气压力控制子系统，5为上位机。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。
如图1和图2所示，本发明提供一种燃料电池阳极氢压控制系统，包括燃料电池阳极供氢子系统1、燃料电池2、单体电池电压采集线束3、氢气压力控制子系统4和上位机5，燃料电池阳极供氢子系统1连接到燃料电池2的一端，燃料电池2的另一端通过单体电池电压采集线束3连接到氢气压力控制子系统4，氢气压力控制子系统4连接到上位机5。
其中，燃料电池阳极供氢子系统1包括检测组件、执行组件、氢气罐11、氮气罐12和分水器13，检测组件连接到氢气压力控制子系统4的输入端，执行组件连接到氢气压力控制子系统4的输出端，氢气压力控制子系统4根据单体电池电压采集线束3获取到的燃料电池2中各单体的电压数据计算离散系数，并根据计算出的离散系数控制执行组件中各部件的运行。
具体地，检测组件包括中压传感器141、流量计142、第一温压传感器143和第二温压传感器144，执行组件包括三通阀151、高压电磁阀152、比例阀153、泄压阀154、氢气循环泵155、单向阀156和尾排阀157；氢气罐11和氮气罐12通过三通阀151连接到高压电磁阀152，高压电磁阀152依次通过中压传感器141、比例阀153、流量计142、泄压阀154和第一温压传感器143连接到燃料电池2的阳极入口，形成氢气供给管路；燃料电池2的阳极出口依次通过第二温压传感器144、分水器13、氢气循环泵155、单向阀156和第一温压传感器143连接到燃料电池2的阳极入口，形成氢气循环管路，分水器13还连接到尾排阀157。
氢气压力控制子系统4包括主控模块、运算模块、存储模块、多功能信号采集模块、PWM输出模块、低边驱动模块、CAN通讯模块和用于为整个氢气压力控制子系统供电的电源模块；且单体电池电压采集线束以及燃料电池阳极供氢子系统中的第一温压传感器、第二温压传感器、中压传感器和流量计均通过多功能信号采集模块连接到主控模块；燃料电池阳极供氢子系统中的比例阀通过PWM输出模块连接到主控模块；燃料电池阳极供氢子系统中的三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀均通过低边驱动模块连接到主控模块；上位机和燃料电池阳极供氢子系统中的氢气循环泵均通过CAN通讯模块连接到主控模块；运算模块和存储模块也连接到主控模块。
如图3和图4所示，多功能信号采集模块包括多功能信号采集电路，多功能信号采集电路包括多功能信号采集子电路和采集反馈电路。
信号采集子电路包括可变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，可变电阻R1的第一端、电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电阻R3的第一端均连接到主控模块，可变电阻R1的第二端和电容C1的第二端均接地，电阻R2的第二端通过电容C2接地，电阻R2的第二端还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端连接到第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极接地，第一MOS管Q1的栅极通过电阻R4接地，第一MOS管Q1的栅极还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端还通过电阻R5分别连接到电阻R6的第一端、电阻R7的第一端和第二MOS管Q2的漏极，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第二端通过电容C3接地，电阻R7的第二端还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8连接到电源，第二MOS管Q2的栅极还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的源极连接到电源，其中，第一MOS管Q1导通时，信号采集子电路用于采集电流信号，第二MOS管Q2导通时，信号采集子电路用于采集温度信号，第一MOS管Q1不导通且第二MOS管Q2不导通时，信号采集子电路用于采集电压信号。
采集反馈电路包括第一编码器芯片U1、第二编码器芯片U2、第一移位寄存器芯片U3、第二移位寄存器芯片U4、电容C4和电容R5，第一编码器芯片U1的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第一编码器芯片U1的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R2的第二端，第一编码器芯片U1的第五引脚连接到主控模块的输入端，第二编码器芯片U2的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第二编码器芯片U2的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R7的第二端，第二编码器芯片U2的第五引脚连接到主控模块的输入端，第一移位寄存器芯片U3的第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第一移位寄存器芯片U3的第五引脚连接到第二MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第六引脚连接到第一MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第七引脚连接到第二移位寄存器芯片U4的第一引脚，第二移位寄存器芯片U4的第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第二移位寄存器芯片U4的第五引脚连接到主控模块的输入端。
其中，第一编码器芯片U1和第二编码器芯片U2采用型号为MC74HC4851ADTR2的编码器芯片，第一移位寄存器芯片U3和第二移位寄存器芯片U4采用型号为74HC4094的移位寄存器芯片。
如图5和图6所示，PWM输出模块包括PWM输出电路，PWM输出电路包括PWM输出子电路和过流保护电路。
PWM输出子电路包括MOS管芯片U5、续流二极管D1、电阻R9、电阻R10、可变电阻R11、电阻R12和电容C6，MOS管芯片U5的栅极引脚通过串联的电阻R9分别连接到主控模块的输出端和电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接地，MOS管芯片U5的漏极连接到续流二极管D1的正极，续流二极管D1的负极连接到电源，MOS管芯片U5的漏极通过并联的可变电阻R11和电容C6接地MOS管芯片U5的漏极连接到主控模块的输入引脚，MOS管芯片U5的源极通过电阻R12接地，MOS管芯片U5的源极连接到过流保护电路。
过流保护电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、稳压二极管D2、放大器U6，电阻R13的第一端连接到MOS管芯片U5的源极，电阻R13的第二端通过电容C7接地，电阻R13的第二端连接到放大器U6的正向输入端，电阻R13的第二端连接到稳压二极管D2的正极，稳压二极管D2的负极连接到电源，放大器U6的反相输入端通过电阻R14连接到电阻R15的第一端，电阻R15的第二端接地，放大器U6的反相输入端通过电容C9连接到电阻R16的第一端，电阻R16的第二端连接到电阻R15的第一端，电容C10并联在电阻R15的两端，放大器U6的输出端连接到电阻R16的第一端。
如图7所示，低边驱动模块包括低边驱动电路，低边驱动电路包括低压驱动芯片U7、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、第一二极管D3和第二二极管D4；低压驱动芯片U7的第一引脚通过电阻R17连接到主控模块的输出端，电阻R17通过电阻R19接地，低压驱动芯片U7的第二引脚通过电阻R18连接到主控模块的输出端，电阻R18通过电阻R20接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到第一二极管D3的正极，第一二极管D3的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第三引脚通过电阻R21连接到电阻R22的第一端，电阻R22的第一端通过电容C11接地，电阻R22的第二端连接电源，电阻R22的第二端通过电容C12接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过并联的电容C13和电阻R23接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过串联的电阻R24和电阻R25接地，电阻R24和电阻R25之间连接到主控模块的输入端，电阻R24和电阻R25之间通过电容C14接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到电源模块，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到第二二极管D4的正极，第二二极管D4的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第四引脚通过电阻R2连接到电阻R22的第一端，低压驱动芯片U7的第四引脚通过并联的电容C15和电阻R27接地，低压驱动芯片U7的第四引脚通过串联的电阻R28和电阻R29接地，电阻R28和电阻R29之间连接到主控模块的输入端，电阻R28和电阻R29之间通过电容C16接地，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到电源模块，通过电源模块控制三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀的打开或闭合。
如图8所示，CAN通讯模块包括CAN通讯电路，CAN通讯电路包括CAN总线驱动芯片U8、共模电感L1、静电保护三极管芯片U9、第一瞬态二极管D5、第二瞬态二极管D6、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电容C17、电容C18、电容C19和电容C20；CAN总线驱动芯片U8的第一引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第二引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚接地，CAN总线驱动芯片U8的第四引脚接电源，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚和CAN总线驱动芯片U8的第四引脚之间通过电容R17连接，CAN总线驱动芯片U8的第五引脚通过电阻R30接地，CAN总线驱动芯片U8的第六引脚通过电阻R31连接到共模电感L1的第一端，CAN总线驱动芯片U8的第七引脚通过电阻R32连接到共模电感L1的第二端，共模电感L1的第三端通过电容C18接地，共模电感L1的第四端通过电容C19接地，共模电感L1的第三端连接到静电保护三极管芯片U9的第一引脚，共模电感L1的第四端连接到静电保护三极管芯片U9的第二引脚，静电保护三极管芯片U9的第三引脚接地，共模电感L1的第三端连接到第一瞬态二极管D5的第一端，第一瞬态二极管D5的第二端接地，共模电感L1的第四端连接到第二瞬态二极管D6的第一端，第二瞬态二极管D6的第二端接地，共模电感L1的第三端通过电阻R33连接到电容C20的第一端，共模电感L1的第四端通过电阻R34连接到电容C20的第一端，电容C20的第二端接地。
其中，检测组件检测燃料电池阳极供氢子系统的运行状态，并将检测到的燃料电池阳极供氢子系统的运行数据上传至氢气压力控制子系统，氢气压力控制子系统将燃料电池阳极供氢子系统的运行数据及自动标定的补偿参数上传至上位机，上位机对接收到的数据进行存储，并对系统的运行状态进行实时的检测。且上位机能够对记录的运行数据及标定的补偿参数进行回放，也能够将系统运行的初始参数下载到氢气压力控制子系统中。另外，上位机上还设置有手动设置系统运行参数的手动设定模块，能够对尾排阀的开启及关闭周期、比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数进行实时在线标定。
如图9所示，本发明提供一种燃料电池阳极氢压控制方法，包括：
S1、多功能信号采集模块通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并将采集到的电压数据传送到运算模块；
S2、运送模块根据接收到的电压数据计算离散系数，并将计算得到的离散系数传送给主控模块；
S3、主控模块根据接收到的离散系数判断是否开启尾排阀，并确定尾排阀的开启及关闭周期；
S4、若是，则在尾排阀开启前或关闭前的第一预设时间内对比例阀的开度进行补偿，并在尾排阀开启前的第二预设时间内对氢气循环泵的转速进行补偿，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿。
具体地，在运算模块计算离散系数前，运算模块将接收到的电压数据中的异常电压数据进行剔除，提高控制精准度；通过离散系数来确定燃料电池的运行状态以及燃料电池的内部积水状况，从而自动确定尾排阀的开启及关闭周期，并在尾排阀开启前或关闭前的第一预设时间内对比例阀的开度进行补偿，以及在尾排阀开启前的第二预设时间内对氢气循环泵的转速进行补偿，且主控模块能够通过自学习的方式自动标定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，省去了复杂的标定过程，节省了人力物力。
在无补偿时，尾排阀开启及关闭时比例阀的开度及阳极氢气的压力波动如图10所示，能够看出，在在尾排阀开启之前，氢气进气压力在氢气目标压力P2附近轻微波动，在T1时刻，尾排阀打开，氢气进气压力瞬间降低，系统检测到氢气压力降低后才开始调节比例阀的开度。在T2时刻，氢气进气压力及比例阀的开度都到达了稳定状态，在T1至T2时间段内氢气进气压力的调节过程中，氢气进气压力最低达到了P1，氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P2减去P1。尾排阀关闭后，T3至T4时间段内氢气压力的波动与尾排阀开启时类似，在此过程中氢气进气压力最高达到了P3，氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P3减去P2。尾排阀开启及关闭瞬间，氢气压力的总波动为P3减去P1。PID反馈控制的滞后性及PID控制的超调，会导致氢气压力的波动较大。而对PID控制的P、I、D三个控制参数的优化无法从根本上有效的降低氢气进气压力波动。
而本发明的尾排阀开启及关闭时比例阀的开度及阳极氢气的压力波动如图11所示，能够看出，在尾排阀开启前的T6至T1时间段内，逐步提高氢气进气压力至氢气目标压力P5，此时间段内氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P5减去P2；在尾排阀开启的T1至T7时间段内，逐步提高比例阀的开度至O3，此时间段内氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P5减去P2或P2减去P4；在T6至T7时间段内氢气压力的最大波动为P5减去P4，在尾排阀关闭前的T8至T3时间段内，逐步降低氢气进气压力至氢气目标压力P4，此时间段内氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P2减去P4；在尾排阀关闭的T3至T9时间段内，逐步降低比例阀的开度至O2，此时间段内氢气进气压力与氢气目标压力的最大差值为P2减去P4或P5减去P2；在T8至T9时间段内氢气压力的最大波动为P5至P4。即本发明通过自动设定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿，能够有效降低燃料电池阳极中氢气的压力波动，提高系统稳定性，延长燃料电池的使用寿命。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，包括燃料电池阳极供氢子系统、燃料电池、单体电池电压采集线束、氢气进气压力控制子系统和上位机，所述燃料电池阳极供氢子系统连接到燃料电池的一端，燃料电池的另一端通过单体电池电压采集线束连接到氢气进气压力控制子系统，氢气进气压力控制子系统连接到上位机；
燃料电池阳极供氢子系统包括检测组件和执行组件，检测组件连接到氢气进气压力控制子系统的输入端，执行组件连接到氢气进气压力控制子系统的输出端，氢气进气压力控制子系统根据单体电池电压采集线束获取到的燃料电池中各单体的电压数据计算离散系数，并根据计算出的离散系数控制执行组件中各部件的运行。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，燃料电池阳极供氢子系统还包括氢气罐、氮气罐和分水器，所述检测组件包括中压传感器、流量计、第一温压传感器和第二温压传感器，执行组件包括三通阀、高压电磁阀、比例阀、泄压阀、氢气循环泵、单向阀和尾排阀；
氢气罐和氮气罐通过三通阀连接到高压电磁阀，高压电磁阀依次通过中压传感器、比例阀、流量计、泄压阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气供给管路；
燃料电池的阳极出口依次通过第二温压传感器、分水器、氢气循环泵、单向阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气循环管路，分水器还连接到尾排阀。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述氢气进气压力控制子系统包括主控模块、运算模块、存储模块、多功能信号采集模块、PWM输出模块、低边驱动模块、CAN通讯模块和用于为整个氢气进气压力控制子系统供电的电源模块；
第一温压传感器、第二温压传感器、中压传感器、流量计和单体电池电压采集线束均通过多功能信号采集模块连接到主控模块；
比例阀通过PWM输出模块连接到主控模块；
三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀均通过低边驱动模块连接到主控模块；
氢气循环泵和上位机均通过CAN通讯模块连接到主控模块；
运算模块和存储模块也连接到主控模块。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述多功能信号采集模块包括多功能信号采集电路，所述多功能信号采集电路包括多功能信号采集子电路和采集反馈电路；
所述信号采集子电路包括可变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，可变电阻R1的第一端、电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电阻R3的第一端均连接到主控模块，可变电阻R1的第二端和电容C1的第二端均接地，电阻R2的第二端通过电容C2接地，电阻R2的第二端还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端连接到第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极接地，第一MOS管Q1的栅极通过电阻R4接地，第一MOS管Q1的栅极还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端还通过电阻R5分别连接到电阻R6的第一端、电阻R7的第一端和第二MOS管Q2的漏极，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第二端通过电容C3接地，电阻R7的第二端还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8连接到电源，第二MOS管Q2的栅极还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的源极连接到电源；
采集反馈电路包括第一编码器芯片U1、第二编码器芯片U2、第一移位寄存器芯片U3、第二移位寄存器芯片U4、电容C4和电容R5，第一编码器芯片U1的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第一编码器芯片U1的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R2的第二端，第一编码器芯片U1的第五引脚连接到主控模块的输入端，第二编码器芯片U2的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第二编码器芯片U2的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R7的第二端，第二编码器芯片U2的第五引脚连接到主控模块的输入端，第一移位寄存器芯片U3的第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第一移位寄存器芯片U3的第五引脚连接到第二MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第六引脚连接到第一MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第七引脚连接到第二移位寄存器芯片U4的第一引脚，第二移位寄存器芯片U4的第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第二移位寄存器芯片U4的第五引脚连接到主控模块的输入端。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述PWM输出模块包括PWM输出电路，所述PWM输出电路包括PWM输出子电路和过流保护电路；
所述PWM输出子电路包括MOS管芯片U5、续流二极管D1、电阻R9、电阻R10、可变电阻R11、电阻R12和电容C6，MOS管芯片U5的栅极引脚通过串联的电阻R9分别连接到主控模块的输出端和电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接地，MOS管芯片U5的漏极连接到续流二极管D1的正极，续流二极管D1的负极连接到电源，MOS管芯片U5的漏极通过并联的可变电阻R11和电容C6接地MOS管芯片U5的漏极连接到主控模块的输入引脚，MOS管芯片U5的源极通过电阻R12接地，MOS管芯片U5的源极连接到过流保护电路；
所述过流保护电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、稳压二极管D2、放大器U6，电阻R13的第一端连接到MOS管芯片U5的源极，电阻R13的第二端通过电容C7接地，电阻R13的第二端连接到放大器U6的正向输入端，电阻R13的第二端连接到稳压二极管D2的正极，稳压二极管D2的负极连接到电源，放大器U6的反相输入端通过电阻R14连接到电阻R15的第一端，电阻R15的第二端接地，放大器U6的反相输入端通过电容C9连接到电阻R16的第一端，电阻R16的第二端连接到电阻R15的第一端，电容C10并联在电阻R15的两端，放大器U6的输出端连接到电阻R16的第一端。
6.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述低边驱动模块包括低边驱动电路，所述低边驱动电路包括低压驱动芯片U7、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、第一二极管D3和第二二极管D4；
低压驱动芯片U7的第一引脚通过电阻R17连接到主控模块的输出端，电阻R17通过电阻R19接地，低压驱动芯片U7的第二引脚通过电阻R18连接到主控模块的输出端，电阻R18通过电阻R20接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到第一二极管D3的正极，第一二极管D3的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第三引脚通过电阻R21连接到电阻R22的第一端，电阻R22的第一端通过电容C11接地，电阻R22的第二端连接电源，电阻R22的第二端通过电容C12接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过并联的电容C13和电阻R23接地，低压驱动芯片U7的第三引脚通过串联的电阻R24和电阻R25接地，电阻R24和电阻R25之间连接到主控模块的输入端，电阻R24和电阻R25之间通过电容C14接地，低压驱动芯片U7的第三引脚连接到电源模块，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到第二二极管D4的正极，第二二极管D4的负极连接到电源，低压驱动芯片U7的第四引脚通过电阻R2连接到电阻R22的第一端，低压驱动芯片U7的第四引脚通过并联的电容C15和电阻R27接地，低压驱动芯片U7的第四引脚通过串联的电阻R28和电阻R29接地，电阻R28和电阻R29之间连接到主控模块的输入端，电阻R28和电阻R29之间通过电容C16接地，低压驱动芯片U7的第四引脚连接到电源模块，通过电源模块控制三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀的打开或闭合。
7.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述CAN通讯模块包括CAN通讯电路，所述CAN通讯电路包括CAN总线驱动芯片U8、共模电感L1、静电保护三极管芯片U9、第一瞬态二极管D5、第二瞬态二极管D6、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电容C17、电容C18、电容C19和电容C20；
CAN总线驱动芯片U8的第一引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第二引脚连接到主控模块的输出端，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚接地，CAN总线驱动芯片U8的第四引脚接电源，CAN总线驱动芯片U8的第三引脚和CAN总线驱动芯片U8的第四引脚之间通过电容R17连接，CAN总线驱动芯片U8的第五引脚通过电阻R30接地，CAN总线驱动芯片U8的第六引脚通过电阻R31连接到共模电感L1的第一端，CAN总线驱动芯片U8的第七引脚通过电阻R32连接到共模电感L1的第二端，共模电感L1的第三端通过电容C18接地，共模电感L1的第四端通过电容C19接地，共模电感L1的第三端连接到静电保护三极管芯片U9的第一引脚，共模电感L1的第四端连接到静电保护三极管芯片U9的第二引脚，静电保护三极管芯片U9的第三引脚接地，共模电感L1的第三端连接到第一瞬态二极管D5的第一端，第一瞬态二极管D5的第二端接地，共模电感L1的第四端连接到第二瞬态二极管D6的第一端，第二瞬态二极管D6的第二端接地，共模电感L1的第三端通过电阻R33连接到电容C20的第一端，共模电感L1的第四端通过电阻R34连接到电容C20的第一端，电容C20的第二端接地。
8.一种燃料电池阳极氢压控制方法，其特征在于，包括：
多功能信号采集模块通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并将采集到的电压数据传送到运算模块；
运送模块根据接收到的电压数据计算离散系数，并将计算得到的离散系数传送给主控模块；
主控模块根据接收到的离散系数判断是否开启尾排阀，并确定尾排阀的开启及关闭周期；
若是，则在尾排阀开启前或关闭前的第一预设时间内对比例阀的开度进行补偿，并在尾排阀开启前的第二预设时间内对氢气循环泵的转速进行补偿，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池阳极氢压控制方法，其特征在于，在运算模块计算离散系数前，运算模块将接收到的电压数据中的异常电压数据进行剔除。
10.根据权利要求8所述的一种燃料电池阳极氢压控制方法，其特征在于，主控模块自动标定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数。
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