CN115799578A - 一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，涉及燃料电池领域，包括，首先建立基于引射器的燃料电池阳极系统非线性动态模型，选取系统状态变量；然后基于建立的动态模型构建滑膜观测器；根据阳极系统参数、引射器参数、阳极流道压力，利用滑模观测器计算阳极引射回流流量值；将引射回流估计值和引射器出口压力计算值与系统实际状态比较进行运行状态判断，实现阳极系统的故障预判和规避。本申请的回流估计方法迁移性高、适应性强，能满足引射器多种应用场景下的流量估计，通过输入阳极系统参数、引射器参数、一次进气和出入堆压力就能准确实时的估计基于引射回流的二次流流量，并做出故障判断，实现故障规避。

Description

一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池有启动快、效率高、无污染等特点，是较理想的车载动力源，氢气系统是质子交换燃料电池系统的核心子系统。作为燃料电池的燃料——氢气，流量供给程度与燃料电池的输出功率和转换效率直接相关，氢气系统的供给方式一般分为盲端和循环两种方式，盲端方式以其简单的结构被广泛研究，但在高功率密度工作时，吹扫的频率更加频繁，不仅造成燃料的浪费还会导致堆内压力变化频率频繁且幅度大，对膜寿命有很大影响，循环方式比盲端的电堆效率更高，是由于阳极气体再循环通常用于对原本干燥的阳极进口气体进行加湿，同时氢气利用率也高，循环方式分为两种一种是利用氢气循环泵将未反应的氢气送回入口的主动循环方式，另外一种是利用引射器一次流产生的压差而循环的被动方式。主动的氢循环泵需要消耗额外电能、较占用空间，特别是目前燃料电池系统趋向大功率、低成本，引射器逐渐成为主流。

引射器是被动部件不能直接估计回氢流量，且应用环境复杂，工况多变，前端供气有共轨喷氢和比例阀两种形式，而氢气循环泵可以通过转速、压差、入口压力估计回流氢气来更好的了解系统、电堆状态，保障系统运行，因此引射器二次流流量准确计量能加快和推广引射器应用，也能充分保障基于引射器系统的稳定运行，而直接加入氢气流量计不仅会增加成本也会增加体积，所以目前亟需一直迁移性高、适应性强、能准确估计引射回流流量且能做出故障规避的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，包括：

构建基于引射器的燃料电池阳极系统非线性动态模型；

基于所述非线性动态模型构建滑膜观测器，并对滑膜观测器进行修正；

获取阳极系统参数、引射器参数、阳极流道压力，并利用滑模观测器获得引射回流流量估计值和气体入堆压力计算值；

将引射回流流量估计值和引射器气体入堆压力计算值与系统实际状态比较进行运行状态判断，实现阳极系统的故障预判和规避。

可选的，采用状态空间表示所述非线性动态模型，所述状态空间中的状态变量包括气体入堆压力、电堆内压力、二次流压力、二次流流量；所述状态空间中的输入变量包括电堆温度、一次流压力、电堆输出电流、吹扫阀的开关量；所述状态空间中的输出变量包括气体入堆压力、二次流压力。

可选的，滑膜观测器的构建过程包括：基于所述状态空间构建滑模面，基于所述滑模面构建滑膜观测器，所述滑模面包括电堆入口压力和电堆出口压力。

可选的，通过所述滑膜观测器获得电堆内压力和二次流流量的估计值，通过压力传感器采集气体入堆压力值与二次流压力值，基于所述气体入堆压力值对所述电堆内压力估计值进行修正，基于二次流压力值对所述二次流流量估计值进行修正。

可选的，运行状态判断的判断过程包括：获取所述系统实际状态，所述系统实际状态包括二次流流量计算值、气体入堆压力计算值，判断所述引射回流流量估计值与所述二次流量计算值的差值或者所述气体入堆压力计算值与所述气体入堆压力测量值的差值，若差值超出预设值，则进行故障预警和规避。

可选的，所述二次流流量计算值的计算公式如下：

ρ_s为二次流的密度，V_P,2为一次流在混合管入口的速度，R_P,2为一次流流动半径，R₂为混合管直径，n_v为二次流速度变化指数。

可选的，所述气体入堆压力计算值的计算公式如下：

式中，P₃为引射器混合管末端压力，可通过计算得到，M₃为引射器混合管末端马赫数，V₃是混合管末端速度，T₃为引射器混合管末端温度，R₃为引射器混合管末端气体常数，κ_m为引射器混合管末端绝热系数。

本发明的技术效果为：

本申请的回流估计方法迁移性高、适应性强，能满足引射器多种应用场景下的流量估计，通过输入阳极系统参数、引射器参数、一次进气和出入堆压力就能准确实时的估计基于引射回流的二次流流量，并做出故障判断，实现故障规避，保障基于引射器的燃料电池阳极系统长时间稳定运行。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，包括：

建立基于引射器的燃料电池阳极系统非线性动态模型，选取系统状态变量；

基于建立的动态模型构建滑膜观测器；

根据阳极系统参数、引射器参数、阳极流道压力，利用滑模观测器计算阳极引射回流流量值；

阳极系统参数、引射器参数、阳极流道压力包括：进气管体积、电堆阳极流道体积、回流管体积、引射器的喷嘴直径、混合管直径，采集引射器前端压力、电堆的温度、入口压力、出口压力。

将引射回流估计值和引射器出口压力计算值与系统实际状态比较进行运行状态判断，实现阳极系统的故障预判和规避。

基于引射器的燃料电池阳极系统非线性动态模型的状态空间

状态变量[x₁,x₂,x₃,x₄]＝[P_in,P_an,P_s,W_S]，输入变量[u₁,u₂,u₃,u₄]＝[P_P,T_st,I,θ]，输出变量[y₁,y₂]＝[P_in,P_S]。

具体为：

其中T_st为电堆温度，W_P为一次流流量，是P_P、P_S的函数，P_P为一次流压力，P_S为二次流压力，W_S为二次流流量，P_in为气体入堆压力，P_an为电堆内压力，I为电堆输出电流，θ为吹扫阀的开关量，

其中，W_P为一次流流量，是P_P、P_S的函数：

其中，A_t为喷嘴的面积，ψ_P为流动系数，

氢气气体常数，κ是绝热系数，T_P一次流温度。

闭环观测器构建如下：

构建滑模面ε₁、ε₂，所述滑膜面为电堆入口压力、电堆出口压力测量的实际值与为状态观测器相应的估计值的差，气体入堆压力和气体入口压力相同；二次流压力可近似看做电堆出口压力，具体为：

其中

为滑膜观测器估计值，选取之前建立的状态空间内P_an、W_S为状态观测器的状态变量，设

为P_an的估计值与ε₁相关，设

为W_S的估计值与ε₂相关，则滑膜观测器为：

其中，K₁、K₂增益常数，基于建立的滑模观测器，输入变量一次压力P_P、电堆温度T_st，电堆电流I，吹扫动作θ，输出变量入堆压力P_in，二次流压力P_S来估计电堆内压力P_an，二次流流量W_S，通过压力传感器采集的入堆压力，二次流压力来持续修正观测器的估计值。

阳极系统的故障预判和规避方法为，将二次流量估计值

与二次流量W_S的计算值对比，若超出偏差值，则进行故障预警和规避。二次流流量W_S是P_P、P_S的函数：

其中，ρ_s为二次流的密度，V_P,2为一次流在混合管入口的速度，R_P,2为一次流流动半径，R₂为混合管直径，n_v为二次流速度变化指数，均为基于引射器的燃料电池系统阳极侧的实际运行参数，具体可分别解释为引射器入口(可以近似认为电堆出口)的气体密度、引射器内部混合管入口处一次流的气体流速、引射器内部一次流混合管入口的流道半径、引射器的混合管直径、引射器二次流在混合管的二次流速度分布指数。

将动态模型中可测得量P_in与通过动态模型计算的

进行对比，若超出偏差值，则进行故障预警和规避。计算的

的函数：

其中，P₃为引射器混合管末端压力，可通过计算得到，M₃为引射器混合管末端马赫数，V₃是混合管末端速度，T₃为引射器混合管末端温度，R₃为引射器混合管末端气体常数，以上数值均可通过一次压力温度、二次压力温度和引射器固有尺寸来计算得到；κ_m为引射器混合管末端绝热系数，可通混合气的比例和温度压力计算得到，计算公式如下：

其中，C_P为定压比热容。

引射器内部混合管末端的流动压力、马赫数、温度、速度、气体常数、绝热系数，可通过引射器固有尺寸引射器喷嘴直径、混合管直径和一次流、二次流的压力、温度获得。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建基于引射器的燃料电池阳极系统非线性动态模型；

基于所述非线性动态模型构建滑膜观测器，并对滑膜观测器进行修正；

获取阳极系统参数、引射器参数、阳极流道压力，并利用滑模观测器获得引射回流流量估计值和气体入堆压力计算值；

将引射回流流量估计值和引射器气体入堆压力计算值与系统实际状态比较进行运行状态判断，实现阳极系统的故障预判和规避。

2.根据权利要求1所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

采用状态空间表示所述非线性动态模型，所述状态空间中的状态变量包括气体入堆压力、电堆内压力、二次流压力、二次流流量；所述状态空间中的输入变量包括电堆温度、一次流压力、电堆输出电流、吹扫阀的开关量；所述状态空间中的输出变量包括气体入堆压力、二次流压力。

3.根据权利要求2所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

滑膜观测器的构建过程包括：基于所述状态空间构建滑模面，基于所述滑模面构建滑膜观测器，所述滑模面基于电堆入口压力和电堆出口压力获得，所述电堆入口压力和电堆出口压力分别根据气体入堆压力二次流压力确定。

4.根据权利要求3所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

通过所述滑膜观测器获得电堆内压力和二次流流量的估计值，通过压力传感器采集气体入堆压力值与二次流压力值，基于所述气体入堆压力值对所述电堆内压力估计值进行修正，基于二次流压力值对所述二次流流量估计值进行修正。

5.根据权利要求4所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

运行状态判断的判断过程包括：获取所述系统实际状态，所述系统实际状态包括二次流流量计算值、气体入堆压力计算值，判断所述引射回流流量估计值与所述二次流量计算值的差值或者所述气体入堆压力计算值与所述气体入堆压力测量值的差值，若差值超出预设值，则进行故障预警和规避。

6.根据权利要求5所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

所述二次流流量计算值的计算公式如下：

ρ_s为二次流的密度，V_P,2为一次流在混合管入口的速度，R_P,2为一次流流动半径，R₂为混合管直径，n_v为二次流速度变化指数。

7.根据权利要求5所述的基于引射回流估计的燃料电池系统故障规避方法，其特征在于，

所述气体入堆压力计算值的计算公式如下：

式中，P₃为引射器混合管末端压力，可通过计算得到，M₃为引射器混合管末端马赫数，V₃是混合管末端速度，T₃为引射器混合管末端温度，R₃为引射器混合管末端气体常数，κ_m为引射器混合管末端绝热系数。

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