CN115775899A - 一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质 - Google Patents

一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，所述控制方法包括：电力回路子系统按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线；发动机控制系统控制冷却回路子系统和阴极回路子系统；阳极回路子系统以阴极回路子系统的变化状态进行自动调整。与现有技术相比，本发明各子系统之间的交替变载周期更短，因此提升了变载速率，而且膜电极两侧压力差状态变化次数更少，因此具有提升膜电极机械耐久性和电堆运行寿命的优点。

Description

一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其是涉及一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质。
背景技术
现有技术如图1所示，燃料电池发动机控制系统同时协调控制冷却回路、阳极回路、阴极回路和电力回路，由于燃料电池发动机控制系统需要等待阳极回路和阴极回路较慢的变化响应时间再进行电力回路调整，系统动态控制策略需要兼顾的因素较多，策略结构复杂，响应速度较低，而且在电力回路等待变化期间，阴极回路和阳极回路的变化会导致电堆输出电压的波动，各回路之间的变化同步性较差，膜电极承受的压力波动、流量波动等变化较多，寿命降低。
如图2所示，燃料电池发动机系统接收到阶跃升载指令后，现有控制策略下的冷却回路、阴极回路、阳极回路和电力回路的协同升载过程，具体为：
步骤1、首先冷却回路持续升载到预定负载，该过程会持续数秒到数十秒；
步骤2、阴极回路先升载一部分，该升载大小受到阴极回路和阳极回路压差限制或其他因素限制，该过程持续约数百毫秒；
步骤3、阴极回路达到该部分升载后保持，轮到阳极回路升载一部分，该升载大小受到阴极回路和阳极回路压差、气体流量计量比或其他因素限制，该过程持续约数十毫秒；
步骤4、阳极回路达到该部分升载后保持，轮到电力回路升载一部分，该升载大小受到气体流量计量比或其他因素限制，该过程持续约数毫秒；
步骤5、电力回路达到该部分升载后保持，轮到前述第2步到4步循环执行，直到阴极回路、阳极回路和电力回路均达到升载指令的目标值。
由于阴极回路分成多段升载，每次升载的稳定时间、各回路之间的同步等待时间叠加在一起，导致整体升载时间较长，而且各回路之间的交替升载导致膜电极两侧压力差状态的较大变化，降低了膜电极的机械耐久性和电堆的运行寿命。
以上是以升载进行说明，同时对于降载过程也同样存在以上问题。
因此如何设计一种减少整体变载时间的控制方法，成为需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池系统动态控制方法、电子设备及储存介质。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种燃料电池系统动态控制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，所述控制方法包括：
所述电力回路子系统按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线；
所述发动机控制系统控制冷却回路子系统和阴极回路子系统，所述阳极回路子系统以阴极回路子系统的变化状态进行自动调整。
作为优选的技术方案，所述发动机控制系统控制冷却回路子系统具体为：所述发动机控制系统控制冷却回路子系统持续变载到预定负载。
作为优选的技术方案，所述发动机控制系统控制阴极回路子系统具体为：所述发动机控制系统控制阴极回路子系统直接变载到预定负载。
作为优选的技术方案，所述阳极回路子系统在阴极回路子系统持续变载的同时，以保持阴阳极压差和阳极流量保持在预订范围以内为调整目标，跟随阴极回路子系统的负载变化进行变载。
作为优选的技术方案，所述一类变量为采用燃料电池输出电流传感器的测量数据或根据该测量数据计算得到的变量；所述二类变量为采用燃料电池输出电压传感器的测量数据或根据该测量数据计算得到的变量；
所述预设特性曲线确定了所述燃料电池输出控制系统的第一输入和第二输入之间的对应关系。
作为优选的技术方案，所述电力回路子系统在阴极回路子系统和阳极回路子系统持续变载的同时，根据燃料电池输出一类变量或二类变量的实测值，自动调整燃料电池的输出变量，使其趋于预设的特性曲线。
作为优选的技术方案，所述输出变量的调整采用负反馈控制方法，从而使燃料电池的输出测量数据回到预设的特性曲线上。
作为优选的技术方案，所述电力回路子系统通过开关型DCDC以小于毫秒级的周期持续自动调整。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明电力回路子系统自动根据在阴极和阳极供气条件变化过程中的电堆实际输出性能，以“保持在预定特性曲线上”的方式实现电力回路的实时自动调节，节省了“等待阴极和阳极供气条件达到新的设定值并稳定”所需要的时间，节省了“电力回路变载速率受限”所消耗的时间，因此可以达到更高的变载响应速度。
2)本发明同时由于电堆输出电压电流保持在预定特性曲线上，可以减少催化剂电位波动，减少变载过程的气体消耗和供应的变化，延长电堆使用寿命。
由于阴极回路子系统一次升载到目标值，减少了升载稳定时间和同步等待时间的叠加，缩短了整体升载时长，而且各回路之间的交替升载周期更短，膜电极两侧压力差状态变化更小，提升了膜电极的机械耐久性和燃料电池的运行寿命。
附图说明
图1为现有控制系统的连接示意图，其中冷却回路子系统(由于水泵惯性大、介质惯性大)升载时间约为200毫秒，阴极回路子系统(由于空压机惯性大、介质流量大)升载时间约为200毫秒，阳极回路子系统(由于采用电磁阀，响应快以及介质惯性小)升载时间约为20毫秒，电力回路子系统(由于开关频率高，占空比调整快)升载时间约为2毫秒以下；
图2为现有控制方法的曲线图；
图3为本发明控制系统的连接示意图；
图4为本发明控制方法的曲线图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例1
如图3所示，本发明燃料电池系统动态控制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，所述控制方法包括：所述发动机控制系统控制响应时间最慢的冷却回路子系统和阴极回路子系统，其中冷却回路子系统由于水泵惯性大和介质惯性大等原因，其升载时间较长，同时阴极回路子系统由于空压机惯性大和介质流量大等原因，其升载时间较长也较长；
而所述阳极回路子系统由于采用电磁阀，其响应快且介质惯性小等原因，其升载时间较快，随着阴极回路子系统的变化状态而自动调整；
所述电力回路子系统由于开关频率高、占空比调整快等原因，其响应时间最快，按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线。
在传统控制策略中，燃料电池系统的变载过程，阴极和阳极供气的流量和压力都需要从初始设定点改变至新设定点，包括从初始流量设定值改变至新流量设定值，从初始压力设定值改变至新压力设定值；而电力回路的设定点也需要从初始状态改变至新的设定值。由于供气条件的变化与输出电能的变化相互影响，相互耦合，为降低系统控制难度，提升控制稳定性和可控性，阴极和阳极供气的变化与电力回路的设定变化需要相互区分。由于阳极气体与阴极气体均受其惯性影响，空气压缩机和氢循环泵等也受其惯性影响，阴极和阳极气体的流量和压力从初始设定点达到并稳定在新的设定点需要较长的时间，且该耗时较难确定，电力回路设定点的变化需要等待一段时间，以保证阴极和阳极供气条件已经达到新的设定值。这样燃料电池系统的变载，在电力回路等待供气回路达到稳定状态时消耗了时间，降低了变载速度。
此外，在阴极和阳极供气条件已经稳定在新的设定值的情况下，电力回路的设定值如果发生较大的突变，相当于消耗气体量发生突变，也会影响供气条件的稳定性，因此也需要降低电力回路设定值的变化速率，这就进一步增加了电力回路变载所消耗的时间，降低了变载响应速度。
因此，采用本发明上述技术方案后，电力回路子系统自动根据在阴极和阳极供气条件变化过程中的电堆实际输出性能，以“保持在预定特性曲线上”的方式实现电力回路的实时自动调节，节省了“等待阴极和阳极供气条件达到新的设定值并稳定”所需要的时间，节省了“电力回路变载速率受限”所消耗的时间，因此可以达到更高的变载响应速度。同时由于电堆输出电压电流保持在预定特性曲线上，可以减少催化剂电位波动，减少变载过程的气体消耗和供应的变化，延长电堆使用寿命。
实施例2
所述电力回路子系统按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线，其中一个实施例过程如下：
本实施例中，一类变量为电堆输出电流，二类变量为电堆输出电压，输出控制变量为直流变压器输出开关占空比；输出控制电路为燃料电池输出直流变压器(FDC)，预设特性曲线为预设伏安特性曲线；在燃料电池操作条件动态变化的条件下，通过直流变压器输出占空比的自动控制，实现燃料电池输出电流和输出电压保持在预设伏安特性曲线上。
控制过程具体为：实时监测燃料电堆的输出电流和输出电压，并与预设的电堆目标伏安特性曲线对比，在燃料电池输出直流变压器(FDC)的输入侧对燃料电堆的输出电流和输出电压进行调整，该调整过程包括：
若输出电流和输出电压位于电堆目标伏安特性曲线的下方，则燃料电池输出直流变压器通过调整内部直流变压电路的占空比的方式，减小输出电流，从而提高输出电压，接近电堆目标伏安特性曲线；
若输出电流和输出电压位于电堆目标伏安特性曲线的上方，燃料电池输出直流变压器通过调整内部直流变压电路的占空比的方式，增大输出电流，从而降低输出电压，接近电堆目标伏安特性曲线。
本实施例在燃料电池输出直流变压器的输入侧，对燃料电堆的输出电流和输出电压进行调整，在燃料电池工况参数保持或变化的情况下，均通过调整Buck-Boost电路电子器件开关占空比的方式，使得输入侧的电流和电压值始终位于电堆目标伏安特性曲线上，进而按照燃料电堆的预定输出性能进行电能输出，当变压器输入侧的电流和电压值位于电堆目标伏安特性曲线上时，会产生反馈给燃料电堆，使得燃料电堆的阴阳极气体压力和流量等达到理想状态。
该方案保证了进入变压器输入侧的电流和电压值位于电堆预设伏安特性曲线上，使得整个燃料电池系统始终位于最优的工作状态，既通过变压器侧的占空比控制实现毫秒级响应时间，又提升了电堆运行的稳定性和使用寿命。
实施例3
以下就以升载过程作为变载方式来进一步说明本发明方案：
如图4所示，本发明燃料电池发动机控制系统接收到阶跃升载指令后，本发明控制方法下的冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统的协同升载过程：
步骤1、首先冷却回路子系统持续升载到预定负载，该过程会持续数秒到数十秒；
步骤2、阴极回路子系统直接升载到预定负载，该过程会持续数百毫秒到数秒；
步骤3、在阴极回路子系统持续升载的同时，阳极回路子系统以数十毫秒的周期持续自动调整，以保持阴阳极压差和阳极流量保持在预订范围以内为调整目标，跟随阴极回路子系统负载变化进行升载；
步骤4、在阴极回路子系统和阳极回路子系统持续升载的同时，电力回路子系统中的开关型DCDC以毫秒级的周期持续自动调整，根据电堆输出电流电压的实测值，自动调整电堆输出功率大小，使其趋于预设的电堆输出特性曲线。
本发明通过上述实施例，由于阴极回路子系统一次升载到目标值，减少了升载稳定时间和同步等待时间的叠加，缩短了整体升载时长，而且各回路之间的交替升载周期更短，膜电极两侧压力差状态变化更小，提升了膜电极的机械耐久性和电堆的运行寿命。
其中所述阳极回路子系统以保持阴阳极压差和阳极流量保持在预订范围以内为调整目标，跟随阴极回路子系统负载变化进行升载。
实施例4
对于变载的另外一种形式为降载，其实现过程与实施例3的升载过程类似，具体过程不做描述。
实施例5
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
如图3所示，本发明控制方法对应的控制装置包括：发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，所述发动机控制系统分别与冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统连接。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
实施例6
本发明还可以提供一种电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。
设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如本发明方法。例如，在一些实施例中，本发明方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的本发明方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行本发明方法。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、负责可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统动态控制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、发动机控制系统、冷却回路子系统、阴极回路子系统、阳极回路子系统和电力回路子系统，其特征在于，所述控制方法包括：
所述电力回路子系统按照发动机控制系统的预设特性曲线进行自主随动调整，使燃料电池系统输出的电流和电压计算所得的一类变量和二类变量符合预设特性曲线；
所述发动机控制系统控制冷却回路子系统和阴极回路子系统；
所述阳极回路子系统以阴极回路子系统的变化状态进行自动调整。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述发动机控制系统控制冷却回路子系统具体为：所述发动机控制系统控制冷却回路子系统持续变载到预定负载。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述发动机控制系统控制阴极回路子系统具体为：所述发动机控制系统控制阴极回路子系统直接变载到预定负载。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述阳极回路子系统在阴极回路子系统持续变载的同时，以保持阴阳极压差和阳极流量保持在预订范围以内为调整目标，跟随阴极回路子系统的负载变化进行变载。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述一类变量为采用燃料电池输出电流传感器的测量数据或根据该测量数据计算得到的变量；所述二类变量为采用燃料电池输出电压传感器的测量数据或根据该测量数据计算得到的变量；
所述预设特性曲线确定了所述燃料电池输出控制系统的第一输入和第二输入之间的对应关系。
6.根据权利要求1或5所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述电力回路子系统在阴极回路子系统和阳极回路子系统持续变载的同时，根据燃料电池输出一类变量或二类变量的实测值，自动调整燃料电池的输出变量，使其趋于预设的特性曲线。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述输出变量的调整采用负反馈控制方法，从而使燃料电池的输出测量数据回到预设的特性曲线上。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池系统动态控制方法，其特征在于，所述电力回路子系统通过开关型DCDC以小于毫秒级的周期持续自动调整。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。
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