CN115621508A - 一种燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法，在燃料电池系统运行过程中，根据目标工作电流实时计算空气供给系统的目标压力和目标流量的需求值，与实测空气压力和实际空气流量进行比较，如果压力差或流量差不在误差范围内，则通过控制空压机转速调节空气的实际压力变化到压力误差内，或通过控制电子节气门调节空气的实际流量变化到流量误差内，直到实际压力和实际流量都控制在误差范围内。当目标工作电流变化或其它因素导致压力差或流量差不在误差范围内时，调节控制再次工作直到实际压力和实际流量都再次控制在误差范围内，该方法确保空气供给系统能够提供燃料电池需求的空气压力和流量，保证燃料电池系统能够以最佳状态运行。

Description

一种燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种能够稳定控制燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能通过电化学反应转化为电能的装置，污染物极少，效率较高，只需要提供所需的氢气和氧气系统就能够持续性的供给能量。燃料电池具有重量轻、功率密度高、稳定性好等优点，其工作温度低并且能够在低温下快速启动，是目前最有前途的燃料电池技术，非常适合为车辆提供动力。

燃料电池对空气供给子系统的要求非常严格，不同工作状态、不同工况下对进气压力和空气计量比都有不同的要求，只有满足要求，才能保证燃料电池性能得到充分发挥，保证燃料电池有较长的使用寿命。

空气供给系统主要是通过空压机和电子节气门来调节阴极空气路的压力和流量，空压机转速的变化会同时影响空气路的压力和流量，电子节气门开度的变化也会同时影响空气路的压力和流量，因此该系统是双输入双输出的强耦合系统，燃料电池系统在运行时阴极空气压力和空气流量相互关联、相互影响，使得系统控制非常困难。

目前对空气系统入堆压力和流量的控制，常见有空压机和电子节气门查表开环控制，其缺点是受环境和零部件一致性影响较大，控制效果不理想。还有基于PID或解耦的闭环控制方法，参数整定繁琐，且容易产生振荡及超调。

发明内容

根据上述提出的关于燃料电池空气系统中抑制流量和压力的超调以及振荡问题，而提供一种燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法，保证燃料电池运行在各种工况状态下都能够获得与目标压力和目标流量一致的实际压力值和实际流量值，用于解决实际应用中由于阴极气体压力或流量偏离实际目标值而引起的燃料电池阴极气体气量不足，导致电堆性能下降、衰减等问题。由于燃料电池系统运行在从怠速点到峰值点的循环变载全工况过程中，在每一个工作点上运行时，空气供给系统中的实际压力和实际流量必须同时满足空气目标压力和空气目标流量的要求，即燃料电池系统在全工况工作中实时计算空气目标压力和空气目标流量，并且在同一时刻实际压力和实际流量都必须控制在目标值范围内，否则引起空气系统供气失衡，造成电堆内局部缺气而导致膜电极等关键材料腐蚀，进而影响燃料电池系统的耐久性。

本发明公开的技术方案中，在燃料电池系统运行过程中，根据目标工作电流实时计算空气供给系统的目标压力和目标流量的需求值，与实测空气压力和实际空气流量进行比较，如果压力差或流量差不在误差范围内，则通过控制空压机转速调节空气的实际压力变化到压力误差内，或通过控制电子节气门调节空气的实际流量变化到流量误差内，直到实际压力和实际流量都控制在误差范围内，调节控制结束进入压力流量稳态。当目标工作电流变化或其它因素导致压力差或流量差不在误差范围内时，调节控制再次工作直到实际压力和实际流量都再次控制在误差范围内，具体方案包括如下步骤：

根据燃料电池系统当前目标工作电流、环境温度计算当前目标加载电流下的目标空气压力和目标空气流量，并检测当前空气供给系统的实测空气压力和实际空气流量；

根据目标空气压力与实测空气压力的偏差计算空压机转速变步长补偿值；根据目标空气流量与实际空气流量的偏差计算电子节气门开度变步长补偿值；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值不在压力误差范围内，且实测空气压力大于目标空气压力时，则按照修正步长调节降低空压机的转速减小空气压力；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值不在压力误差范围内，且实测空气压力小于目标空气压力时，则按照修正步长调节升高空压机的转速增大空气压力；

当空气供给系统实际空气流量与目标空气流量的差值不在流量误差范围内，且实际空气流量大于目标空气流量时，则按照修正步长调节减小电子节气门的开度减小空气流量；

当空气供给系统实际空气流量与目标空气流量的差值不在流量误差范围内，且实际空气流量小于目标空气流量时，则按照修正步长调节增大电子节气门的开度增大空气流量；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值在压力允许误差范围内，实际空气流量与目标空气流量的差值在流量允许误差范围内，则控制空压机转速、电子节气门开度保持该调节状态不变。

进一步的，根据当前环境大气压力、燃料电池当前功率请求计算当前燃料电池入口的目标空气压力。

进一步的，根据当前环境大气压力、燃料电池当前功率请求计算当前燃料电池入口的目标空气流量。

进一步的，设燃料电池入口的压力误差值为Pth，当目标空气压力与实测空气压力相减的绝对值小于压力误差值Pth时，则不再调节实测空气压力，进入压力稳态。

进一步的，设燃料电池入口的流量误差值为Qth，当目标空气流量与实际空气流量相减的绝对值小于流量误差值Qth时，则不再调节实际空气流量，进入流量稳态。

进一步的，当实测空气压力、实际空气流量均不在误差范围内时，则首先调节空气压力到误差范围内，再调节空气流量到误差范围内；当实测空气压力、实际空气流量均不在误差范围内时，则首先调节空气流量到误差范围内，再调节空气压力到误差范围内。

本发明公开的一种能够稳定控制燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法，通过不同系统、不同环境下的台架和整车验证，该方法具有较好的响应特性和鲁棒性。能够对燃料电池系统不同工作状态、不同工况下的空气入堆压力和入堆流量进行精准的控制，保证燃料电池性能始终处于最优状态；采用变步长调节或PID调节的闭环实时调节控制方式，保证空气供给系统有较好的响应特性，同时闭环控制能够实现较高的控制精度，完全满足燃料电池系统的应用要求；空压机转速和电子节气门开度闭环调节变步长或PID参数和控制周期采用标定的方式给出，可以在系统测试台架上进行标定，保证控制效果。另外采用闭环的控制方式，可以保证零部件性能不一致或零部件长时间运行状态发生变化的情况下，确保空气供给系统能够提供燃料电池需求的空气压力和流量，保证燃料电池系统能够以最佳状态运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图

图2为本发明方法中燃料电池空气供给系统示意图

图3为本发明方法中空压机转速、电子节气门开度的逻辑状态图

图4为本发明方法中PID控制流程图

图中：100、燃料电池，101、空气滤清器，102、空气流量计，104、空压机，105、中冷器，106、入口电子节气门，109、出口电子节气门，110、控制器，103、第一温度、压力传感器，107、第二温度、压力传感器，108、第三温度、压力传感器

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

燃料电池系统运行在从怠速点到峰值点的循环变载全工况过程中，在每一个工作点上运行时，空气供给系统中的实际压力和实际流量必须同时满足空气目标压力和空气目标流量的要求，即燃料电池系统在全工况工作中实时计算空气目标压力和空气目标流量，并且在同一时刻实际压力和实际流量都必须控制在目标值范围内，否则引起空气系统供气失衡，造成电堆内局部缺气而导致膜电极等关键材料腐蚀，进而影响燃料电池系统的耐久性。

如图1所示，燃料电池系统运行过程中，根据目标工作电流实时计算空气供给系统的目标压力和目标流量的需求值，与实测空气压力和实际空气流量进行比较，如果压力差或流量差不在误差范围内，则通过控制空压机转速调节空气的实际压力变化到压力误差内，或通过控制电子节气门调节空气的实际流量变化到流量误差内，直到实际压力和实际流量都控制在误差范围内，调节控制结束进入压力流量稳态。当目标工作电流变化或其它因素导致压力差或流量差不在误差范围内时，调节控制再次工作直到实际压力和实际流量都再次控制在误差范围内。

本发明公开的一种能够稳定控制燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法，基于如图3所示的系统上，其中燃料电池系统具体包括如下：

燃料电池100：通过电化学反应将氢气和氧气转化为电能；

空气滤清器101：过滤空气中的杂质、灰尘等；

空气流量计102：测量空气路空气流量；

空压机104：通过阴极空气流路向燃料电池组提供新鲜空气，控制空气路内部空气压力；

中冷器105：冷却进入燃料电池之前的空气温度；

入口电子节气门106：位于燃料电池组空气入口位置，停机之后配合出口电子节气门实现空气腔密封；

出口电子节气门109：位于燃料电池组空气出口位置，调节空气路内部空气流量；

控制器110：测量空气供给系统内压力、温度、流量信息，并控制电子节气门和空压机；

第一温度、压力传感器103：测量空压机前端的空气压力和温度，用于环境温度使用；

第二温度、压力传感器107：测量燃料电池入口的空气温度、空气压力；

第三温度、压力传感器108：测量燃料电池出口的空气温度、空气压力；压力传感器111：测量环境大气压力

工作状态下，燃料电池系统实时测量当前环境温度、环境大气压力，并计算当前系统加载目标电流，根据加载目标电流、环境大气压力、环境温度实时计算空气供给系统的空气目标压力和空气目标流量，空气压力和空气流量的控制示意图如图3所示。

图3是由空压机转速性能图和电子节气门开度性能图拟合在一起构成空气供给系统的压力、流量图表，由图表中空压机转速曲线和电子节气门开度曲线可知，在空气压力不在压力误差范围内或空气流量不在流量误差范围内时，可以通过调节控制空压机转速或电子节气门开度，控制空气压力和空气流量达到目标要求，控制在合适的压力误差和流量误差范围内。

在图3中，显示了燃料电池系统运行过程中的两个工作点A和B，工作点A、B垂直投射到横坐标轴(空气流量坐标轴)和纵坐标轴(空气压力坐标轴)上分别对应实际空气流量值和实测空气压力值，可知B点的空气压力值大于A点的空气压力值，B点的空气流量值大于A点的空气流量值。

如果控制工作点由A点运行到B点，首先控制空压机转速增加以提高空气压力，直到空气压力进入压力误差范围，这时再控制电子节气门开度增大以提高空气流量，如果在控制流量的过程中，空气压力超出压力误差范围，再控制空压机转速，直到空气压力进入压力误差范围，之后再控制电子节气门增大提高空气流量，这样反复执行，直到空气压力、空气流量都进入各自的误差范围内，这样工作点就由A点运行到B点。

如果控制工作点由B点运行到A点，首先控制空压机转速减小以降低空气压力，直到空气压力进入压力误差范围，这时再控制电子节气门开度减小以降低空气流量，如果在控制流量的过程中，空气压力超出压力误差范围，再控制空压机转速，直到空气压力进入压力误差范围，之后再控制电子节气门减小降低空气流量，这样反复执行，直到空气压力、空气流量都进入各自的误差范围内，这样工作点就由B点运行到A点。

其中空气供给系统中空气压力和空气流量控制有两种方案：变步长控制和PID控制，图1示意性表示变步长控制流程图，图4示意性表示PID控制流程图。

实施例1：

针对空气压力、空气流量存在的偏差，空压机转速、电子节气门开度的变步长控制方案一：

根据加载目标电流、环境大气压力、环境温度实时计算空气供给系统的空气目标压力和空气目标流量200。同时实时测量燃料电池系统入口的空气压力和空气流量201。

当空气供给系统中实测空气压力大于目标空气压力，实际空气空气流量大于目标空气流量时或者实测空气压力小于目标空气压力，实际空气空气流量小于目标空气流量202，计算当前实测空气压力与目标空气压力的差值，根据压力差值计算空压机转速的修正步长值，按照步长值减小空压机转速203，降低空气供给系统中的空气压力。

当空气供给系统中实测空气压力大于目标空气压力，实际空气空气流量小于目标空气流量时或者实测空气压力小于目标空气压力，实际空气空气流量大于目标空气流量204，计算当前实际空气流量与目标空气流量的差值，根据流量差值计算电子节气门的修正步长值，按照步长值减小电子节气门开度205，降低空气供给系统中的空气流量。

当空气供给系统中实际空气流量在流量误差范围内，且实测空气压力在压力误差范围内时，空气供给系统进入流量、压力稳定状态206，此时空压机转速、电子节气门不做任何控制，维持上次控制状态。

实施例2

针对空气压力、空气流量存在的偏差，空压机转速、电子节气门开度的PID控制方案二：

如图4所示，目标电流、环境大气压力、环境温度实时计算空气供给系统的空气目标压力和空气目标流量300。同时实时测量燃料电池系统入口的空气压力和空气流量301。

当空气供给系统中实测空气压力大于目标空气压力，实际空气空气流量大于目标空气流量时或者实测空气压力小于目标空气压力，实际空气空气流量小于目标空气流量302，计算当前实测空气压力与目标空气压力的差值，PID控制算法计算出当前的空压机转速值，按照计算转速值减小空压机转速303，降低空气供给系统中的空气压力。

当空气供给系统中实测空气压力大于目标空气压力，实际空气空气流量小于目标空气流量时或者实测空气压力小于目标空气压力，实际空气空气流量大于目标空气流量304，计算当前实际空气流量与目标空气流量的差值，PID控制算法计算出当前的电子节气门开度值，按照计算开度值减小电子节气门开度305，降低空气供给系统中的空气流量。

当空气供给系统中实际空气流量在流量误差范围内，且实测空气压力在压力误差范围内时，空气供给系统进入流量、压力稳定状态306，此时空压机转速、电子节气门不做任何控制，维持上次控制状态。

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 (6)

1.一种能够稳定控制燃料电池系统阴极气体的压力和流量控制方法，其特征在于，包括：

根据燃料电池系统当前目标工作电流、环境温度计算当前目标加载电流下的目标空气压力和目标空气流量，并检测当前空气供给系统的实测空气压力和实际空气流量；

根据目标空气压力与实测空气压力的偏差计算空压机转速变步长补偿值；根据目标空气流量与实际空气流量的偏差计算电子节气门开度变步长补偿值；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值不在压力误差范围内，且实测空气压力大于目标空气压力时，则按照修正步长调节降低空压机的转速减小空气压力；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值不在压力误差范围内，且实测空气压力小于目标空气压力时，则按照修正步长调节升高空压机的转速增大空气压力；

当空气供给系统实际空气流量与目标空气流量的差值不在流量误差范围内，且实际空气流量大于目标空气流量时，则按照修正步长调节减小电子节气门的开度减小空气流量；

当空气供给系统实际空气流量与目标空气流量的差值不在流量误差范围内，且实际空气流量小于目标空气流量时，则按照修正步长调节增大电子节气门的开度增大空气流量；

当空气供给系统实测空气压力与目标空气压力的差值在压力允许误差范围内，实际空气流量与目标空气流量的差值在流量允许误差范围内，则控制空压机转速、电子节气门开度保持该调节状态不变。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据当前环境大气压力、燃料电池当前功率请求计算当前燃料电池入口的目标空气压力。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据当前环境大气压力、燃料电池当前功率请求计算当前燃料电池入口的目标空气流量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：设燃料电池入口的压力误差值为Pth，当目标空气压力与实测空气压力相减的绝对值小于压力误差值Pth时，则不再调节实测空气压力，进入压力稳态。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：设燃料电池入口的流量误差值为Qth，当目标空气流量与实际空气流量相减的绝对值小于流量误差值Qth时，则不再调节实际空气流量，进入流量稳态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

当实测空气压力、实际空气流量均不在误差范围内时，则首先调节空气压力到误差范围内，再调节空气流量到误差范围内；

当实测空气压力、实际空气流量均不在误差范围内时，则首先调节空气流量到误差范围内，再调节空气压力到误差范围内。

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