CN115483410A

CN115483410A - 一种燃料电池系统氢喷控制方法

Info

Publication number: CN115483410A
Application number: CN202110604026.7A
Authority: CN
Inventors: 曹卓涛; 周智明; 李维国
Original assignee: Yutong Bus Co Ltd
Current assignee: Yutong Bus Co Ltd
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2022-12-16

Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统氢喷控制方法，属于燃料电池系统技术领域。该方法先根据目标氢气进气压力P1与实际氢气进气压力P2之间的压差，控制调节主氢喷占空比，使P2接近P1；然后，将燃料电池系统当前时刻的实际氢气压力控制精度ΔP2与目标氢气压力控制精度ΔP1作比较，根据比较结果对应调整主氢喷的氢喷频率，使|ΔP2‑ΔP1|≤第一设定值。本发明在尾排阀处于关闭状态时，控制辅氢喷关闭，只通过控制主氢喷提供燃料电池反应所需氢气进气压力，并且主氢喷的控制过程分为两步，第一步为初步调节使P2接近P1，在此基础上，进行第二步精细调节，使|ΔP2‑ΔP1|≤第一设定值。这种控制方法能在提高氢气进气压力控制精度的同时，将氢喷寿命最大化。

Description

一种燃料电池系统氢喷控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统氢喷控制方法，属于燃料电池系统技术领域。

背景技术

燃料电池系统主要包含氢气供应系统、空气供应系统、冷却系统、电堆等零件，氢气供应系统提供反应所需氢气，空气供应系统提供反应所需空气，氢气和空气在燃料电池电堆内部发生反应产生电能。燃料电池反应需要一定的氢气流量及维持一定的压力，因此氢气供应系统需要具备调节氢气流量及压力的功能。氢喷因具备响应快、流量稳定等优点，被广泛用作燃料电池系统氢气供应零件。

燃料电池发生反应时氢气压力需维持在一定范围内，同时氢气、空气压差也需要维持在一定范围内，反应气体压力波动大或者氢空压差过大均会对燃料电池膜电极造成机械损伤，影响燃料电池电堆寿命。

公布号为CN110957508A的中国发明专利申请文件中，公开了一种燃料电池供氢控制系统及控制方法，该供氢控制系统包括并联的补偿阀和N个喷氢阀(N≥2)，补偿阀作为平衡氢压的辅助阀(即辅氢喷)，喷氢阀作为主要喷氢的电磁阀(即主氢喷)，在尾排阀未开启时通过调节N个喷氢阀满足系统氢压需求，在尾排阀开启时启动补偿阀维持氢压稳定。但该方法存在以下缺点：(1)在尾排阀关闭时，仅通过比较入堆实际氢压值和目标氢压值的大小来对N个喷氢阀的工作参数进行调节，氢气压力控制精度不高；(2)在尾排阀开启时，补偿阀的工作周期及开启时间根据尾排阀的驱动周期及占空比计算得到，也就是说，该专利根据尾排阀的驱动周期及占空比计算尾排阀开启时损失的氢气流量，进而确定补偿阀提供的前馈补偿流量，但是这种方法没有考虑尾排阀动作延时，只有在尾排阀完全开启时才有效，在尾排阀开启过程中或者关闭过程中的计算精度较差，会导致确定的前馈补偿流量不准确，导致氢气压力控制精度较差。

公布号为CN110797558A的中国发明专利申请文件中，公开了一种燃料电池堆用氢气喷射阀瞬态前馈控制方法，该方法在尾排阀动作时，通过在喷射流量中增加前馈补偿流量，弥补尾排阀开启时的流量损失，维持氢气压力。此方法的前馈补偿流量采取一段延时后的梯形曲线模拟得到，也就是说，该专利将一段延时后的梯形曲线作为尾排阀开启时损失的氢气流量曲线，虽然考虑了尾排阀动作延时，但是仅根据尾排阀动作延时来确定尾排阀开启时损失的氢气流量显然也是不准确的，同样也会导致确定的前馈补偿流量不准确，导致氢气压力控制精度较差，并且在尾排阀动作时，所有氢喷均在跟随动作，对氢喷寿命有一定影响。

综上所述，目前燃料电池系统氢气压力控制精度较差，主要体现在：(1)尾排阀不动作时，主氢喷的控制精度较差，导致氢气压力控制精度较差；(2)尾排阀动作时，尾排阀开启时损失的氢气流量计算不准确，导致确定的前馈补偿流量不准确，进而导致氢气压力控制精度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池系统氢喷控制方法，能够提高尾排阀不动作时主氢喷的控制精度，进而提高氢气压力控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统氢喷控制方法，该方法包括以下步骤：

检测燃料电池系统的尾排阀状态，当尾排阀处于关闭状态时，控制辅氢喷关闭，主氢喷的控制过程为：

(1)实时获取燃料电池系统当前时刻的电流密度、实际氢气进气压力P2和氢气压力目标控制精度ΔP1；

(2)根据燃料电池系统当前时刻的电流密度确定燃料电池反应所需氢气进气压力，并将其作为目标氢气进气压力P1，根据P1与P2之间的压差，控制调节主氢喷占空比，使P2接近P1；

(3)计算当前时刻的氢气压力实际控制精度ΔP2＝|P2-P1|，将ΔP2与ΔP1作比较，根据比较结果对应调整主氢喷的氢喷频率，使|ΔP2-ΔP1|≤第一设定值。

本发明的有益效果是：在尾排阀处于关闭状态时，辅氢喷关闭，只通过控制主氢喷提供燃料电池反应所需氢气进气压力，并且主氢喷的控制过程分为两步，第一步为初步调节，即根据氢气目标进气压力与实际进气压力的压差控制调节主氢喷占空比，使氢气实际进气压力接近与目标进气压力，在此基础上，进行第二步精细调节，即通过调节主氢喷的氢喷频率，使氢气压力实际控制精度与氢气压力目标控制精度之差的绝对值小于第一设定值。这种控制方法能在提高氢气进气压力控制精度的同时，将氢喷寿命最大化。

进一步地，在上述方法中，所述根据比较结果对应调整主氢喷的氢喷频率的过程包括：

这样做的有益效果是：通过设置第一设定值来确保氢气进气压力的控制精度，通过设置第二设定值来控制什么时候对主氢喷频率进行调节，并且令第二设定值大于第一设定值，还能降低对主氢喷频率的调节频繁程度，降低主氢喷工作强度。

进一步地，在上述方法中，该方法还包括以下步骤：

当尾排阀动作时，控制主氢喷维持当前状态不变，控制辅氢喷开启，利用辅氢喷提供前馈补偿流量来弥补尾排阀动作时损失的氢气流量，维持氢气进气压力稳定；所述尾排阀动作包括开启动作、完全打开和关闭动作，所述开启动作为尾排阀从开启到开启完成的过程，所述关闭动作为尾排阀从关闭到关闭完成的过程；

其中，结合燃料电池系统当前时刻的电流密度、当前尾排阀开启时间、当前尾排阀前端压力、以及事先确定的燃料电池系统电流密度、尾排阀开启时间、尾排阀前端压力与损失的氢气流量之间的对应关系，确定当前损失的氢气流量，通过调整辅氢喷开度使其提供的前馈补偿流量等于当前损失的氢气流量，维持氢气进气压力稳定。

这样做的有益效果是：在尾排阀动作时，采用前馈控制方法，实时调整辅氢喷开度，使其提供与损失的氢气流量相等的前馈补偿流量。由于该方法中损失的氢气流量是根据燃料电池系统电流密度、尾排阀开启时间和尾排阀前端压力确定的，与现有技术中损失的氢气流量根据一段延时后的梯形曲线确定相比，本方法损失的氢气流量计算精度更高，进而确定的前馈补偿流量精度更高，从而能够提高氢气压力控制精度，延长氢喷使用寿命。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的燃料电池系统结构示意图；

图2是本发明方法实施例中尾排阀处于关闭状态时燃料电池系统氢喷控制方法流程图；

图3是本发明方法实施例中尾排阀动作时燃料电池系统氢喷控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

方法实施例：

本实施例的燃料电池系统氢喷控制方法所适用的燃料电池系统如图1所示，该燃料电池系统包括氢气供应系统、空气供应系统、冷却系统、电堆等零件，氢气供应系统提供反应所需氢气，空气供应系统提供反应所需空气，氢气和空气在电堆内部发生反应产生电能。

其中，氢气供应系统如图1所示：依次串联的氢气源(图中未画出)、电磁阀、由多个氢喷并联构成的氢气供应组件连接电堆进氢口，电堆出氢口经由尾排阀(包括排氢阀和排水阀)、氢气循环泵和单向阀连接电堆进氢口。本实施例中，氢气供应组件包括并联设置的辅氢喷和N个主氢喷(N≥2，本实施例中以N＝3为例)。

本实施例的燃料电池系统氢喷控制方法如图2和图3所示，该控制方法通过检测燃料电池系统的尾排阀状态，当尾排阀处于不同状态时具有不同的控制过程，主要包括：(1)尾排阀处于关闭状态时的控制过程，(2)尾排阀动作时的控制过程，下面进行详细介绍。

燃料电池系统启动，打开电磁阀，打开主氢喷，根据尾排阀状态确定相应的控制过程：

一、尾排阀处于关闭状态时的控制过程，见图2。

此时辅氢喷关闭，主氢喷工作，主氢喷的控制过程为：

其中，不同时刻氢气压力目标控制精度的数值是设计时根据产品需求确定的固定值，在实际应用中，确定氢气压力目标控制精度时还要兼顾所选用压力传感器的实际精度，将氢气压力目标控制精度设置为较小的值(在精度允许的前提下越小越好)，另外，可以将不同时刻的氢气压力目标控制精度均设置为同一个值，也可以将不同时刻的氢气压力目标控制精度设置为各自不同的值。本实施例中，将不同时刻的氢气压力目标控制精度均设置为同一个值。

(2)根据燃料电池系统当前时刻的电流密度确定燃料电池反应所需氢气进气压力，并将其作为目标氢气进气压力P1，根据目标氢气进气压力P1与实际氢气进气压力P2之间的压差，控制调节主氢喷占空比，使P2接近P1；

具体地，通过查表获得当前时刻燃料电池电流密度对应的燃料电池反应所需氢气进气压力，即目标氢气进气压力P1，将P1与P2作比较，根据P1与P2之间的压差，PID控制调节主氢喷占空比，使P2接近P1。

(3)计算当前时刻的氢气压力实际控制精度ΔP2＝|P2-P1|，将当前时刻的氢气压力实际控制精度ΔP2与当前时刻的氢气压力目标控制精度ΔP1作比较，根据比较结果对应调整主氢喷的氢喷频率，使|ΔP2-ΔP1|≤0.1kpa(即第一设定值)；

也就是说，本实施例的氢气进气压力控制目标为使|ΔP2-ΔP1|≤0.1kpa，只要|ΔP2-ΔP1|≤0.1kPa就视为ΔP2＝ΔP1。

其中，根据ΔP2与ΔP1的比较结果对应调整三个主氢喷的氢喷频率的具体过程如下：

其中，三个主氢喷的控制方式为：三个主氢喷同时打开，交替动作，协同调节；3个主氢喷能实现调节气体流量的工作原理为：3个控制信号分别输送到3个主氢喷嘴，分别控制其打开、打开时间、关闭，控制信号为脉冲信号，当脉冲为高电平1时，喷嘴打开；当脉冲为低电平0时，喷嘴关闭。控制信号的占空比代表喷嘴的打开时间长度，控制信号的频率代表喷嘴的打开次数，控制信号的占空比越大、频率越大，则喷嘴的打开时间越长，氢喷出口的流量越大；反之，控制信号的占空比越小、频率越小，氢喷出口的流量越小。

本实施例中，通过设置第一设定值来确保氢气进气压力的控制精度，通过设置第二设定值来控制什么时候对主氢喷频率进行调节，并且令第二设定值大于第一设定值，还能降低对主氢喷频率的调节频繁程度，降低主氢喷工作强度。需要说明的是，在实际应用中，第一设定值和第二设定值的具体取值需结合实际情况和所选传感器精度自行设置，不局限于本实施例中所给的数值。

综上，在尾排阀处于关闭状态时，辅氢喷关闭，只通过控制主氢喷提供燃料电池反应所需氢气进气压力，并且主氢喷的控制过程分为两步，第一步为初步调节，即根据氢气目标进气压力与实际进气压力的压差控制调节主氢喷占空比，使氢气实际进气压力接近与目标进气压力，在此基础上，进行第二步精细调节，即通过调节主氢喷的氢喷频率，使氢气压力实际控制精度与氢气压力目标控制精度之差的绝对值小于第一设定值。这种控制方法能在提高氢气压力控制精度的同时，将氢喷寿命最大化。

另外，当某个主氢喷出现故障时，可以利用辅氢喷及时补位，减少因主氢喷损坏对燃料电池系统造成的影响，将损失降到最低。

二、尾排阀动作时的控制过程，见图3。

本实施例中，尾排阀动作包括开启动作、完全打开和关闭动作，开启动作为尾排阀从开启到开启完成的过程，关闭动作为尾排阀从关闭到关闭完成的过程。因为尾排阀从开启→完全打开→关闭是一个连续的过程，打开持续时间通常小于0.5s，所以尾排阀完全打开时也需提供前馈补偿流量。

尾排阀动作时，三个主氢喷维持当前状态不变，辅氢喷开启，利用辅氢喷提供前馈补偿流量来弥补尾排阀动作时损失的氢气流量，维持氢气进气压力稳定。

具体地，可通过台架试验对不同燃料电池系统电流密度下损失的氢气流量对应的尾排阀开启时间、尾排阀前端压力进行反复测试，来确定尾排阀动作时燃料电池系统电流密度、尾排阀开启时间、尾排阀前端压力与损失的氢气流量之间的对应关系(这种对应关系可以用曲线的形式保存，即尾排阀动作时损失的氢气流量曲线)，这样在尾排阀动作时，就能结合燃料电池系统当前时刻的电流密度、当前尾排阀开启时间、当前尾排阀前端压力以及上述对应关系，确定当前损失的氢气流量，通过PID控制实时调整辅氢喷开度，使其提供的前馈补偿流量等于当前损失的氢气流量，维持氢气进气压力稳定；尾排阀完全关闭时，关闭辅氢喷。

综上，在尾排阀动作时，三个主氢喷维持当前状态不变，辅氢喷开启，采用前馈控制方法，实时调整辅氢喷开度，使其提供与损失的氢气流量相等的前馈补偿流量。由于本实施例中，损失的氢气流量是根据燃料电池系统电流密度、尾排阀开启时间和尾排阀前端压力确定的，与现有技术中损失的氢气流量根据一段延时后的梯形曲线确定相比，本实施例中损失的氢气流量计算精度更高，进而确定的前馈补偿流量精度更高，从而能够提高氢气压力控制精度，延长氢喷使用寿命。

Claims

1.一种燃料电池系统氢喷控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统氢喷控制方法，其特征在于，所述根据比较结果对应调整主氢喷的氢喷频率的过程包括：

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统氢喷控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：