CN116598543B - 一种燃料电池电堆抛负载控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种燃料电池电堆抛负载控制方法。该方法为：调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；判断ΔV是否在安全阈值内，若在安全阈值内，判定为正常状态，否则为处于水淹状态或氢气浓度低；根据ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载策略。判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若恢复至安全阈值内，FCU发送关闭抛负载指令；若未恢复至安全阈值内，继续执行判断电压差内容；FCU发送关闭抛负载指令。通过本控制方法燃料电池系统既能够及时排水，也可以及时解决单体电压低问题，使其迅速恢复至正常电压范围，从而避免不能正常上电或限功率情况。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池系统控制领域，涉及一种燃料电池电堆抛负载控制方法。
背景技术
燃料电池是一种通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。单体电池由阴阳两个电极以及电解质组成，其中阳极为燃料电极，既发生电化学反应的场所，阴极极为氧化剂电极。燃料电池由电堆、反应剂供给系统、水热管理系统、电控系统和数据采集系统五大组成部分。其中燃料电池中的水淹问题是燃料电池的常见问题，燃料电池堆阳极靠近入口部分电极容易失水干燥，靠近出口部分电极容易水淹的问题。阴极侧水淹导致无充足反应气进入电堆，导致阴极浓差极化增大，而浓差极化会导致燃料电池单体电池出现零电压或低电压的情况。
现有解决因水淹故障而造成单体电压低问题的方法是通过增大气流量进行吹扫去除电堆中积聚的液态水或者打开排水阀进行排水，这些方法都是等解决水淹之后，过低的单体电压自行升压。然而这些方法均存在时间滞后的问题，如果单体电压过低不能迅速恢复至正常电压范围，会出现不能正常上电或限功率情况。因此，需要对燃料电池进行抛负载处理，以降低DC/DC转换器的输出功率。通过主动置抛负载的方法，致使负荷下降，电压就会升高，就可解决单体电压过低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池电堆抛负载控制方法，燃料电池系统因水淹故障而造成单体电压低问题，通过本控制方法燃料电池系统既能够及时排水，也可以及时解决单体电压低问题，使其迅速恢复至正常电压范围，从而避免因单体电压低造成可能的频繁关机或者不能正常上电或限功率情况。实现单体的稳定性及电池的稳态性，提高燃料电池的性能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种燃料电池电堆抛负载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或者氢气浓度低；
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载方法；具体为：若30mV ＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为T1 ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为T2 ；若ΔV>100mV时，置三级抛负载，持续周期为T3；
（3）在步骤（2）中，满足ΔV>100mV时，置三级抛负载同时需要进行排水操作；
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内， FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，继续执行步骤（2）内容；
（5）向FCU发送关闭抛负载指令。
本发明中，FCU是指燃料电池系统控制器，负责接收系统的控制指令，协调燃料电池系统内的其他控制器和执行器工作。同时，FCU还具有实施监测的功能，它能监测传感器状态，实时诊断整个系统的故障。当FCU收到指令后，燃料系统立即做出响应，驱动相关执行器工作，完成一定动作。
上述方法中，步骤（4）中，若最小单体电压值未恢复至安全阈值内时，设置抛负载的次数限定；若抛负载次数大于n，直接置系统故障，停机；若抛负载次数不大于n，继续执行步骤（2）内容。
进一步地，所述n为6。
上述方法中，步骤（3）中，置二级或三级抛负载同时需要进行排水操作。
上述方法中，步骤（3）中，置一级、置二级或三级抛负载同时需要进行排水操作。
上述方法中，步骤（3）中，所述排水操作包括如下方法中的一种以上：
方法一：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；
方法二：打开排水阀，并预设排水时间。
上述方法中，步骤（2）中，所述安全阈值为：30mV。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、降低电堆单低导致系统停机的触发率增加系统稳定性。
2、解决电堆水淹或电堆阳极侧N2浓度升高导致的电堆单片电池电压低的问题通过本控制方法燃料电池系统既能够及时排水，也可以及时解决单体电压低问题，使其迅速恢复至正常电压范围，从而避免不能正常上电或限功率情况，实现单体的稳定性及电池的稳态性，提高燃料电池的性能。
附图说明
图1为实施例1的流程图；
图2为实施例2的流程图；
图3为实施例3的流程图；
图4为实施例4的流程图；
图5抛负载原理图；
图6电堆供氢子系统；
图7电堆空气供给子系统；
图8 一级抛负载测试数据曲线。
图9 二级抛负载测试数据曲线。
图10 三级抛负载测试数据曲线。
具体实施方式
本发明实施例中的技术方案将会被清楚、完整地描述，其中包括附图。需要指出的是，描述的实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。本领域普通技术人员在没有进行创造性工作的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。值得注意的是，在不冲突的情况下，本发明实施例中的特征可以相互组合。
本发明中，抛负载是指在高压电力系统的正常工作状态下，突然切断连接到高压电池的负载。这个过程会导致高压电路中的输出电压和电流发生瞬态变化，这种变化通常被称为“瞬态响应”，即抛负载。
如图5所示，CVM模块实时巡检单片电压，检测最低单片电压，若触发本发明抛负载控制策略，则进行抛负载处理，即通过控制减小DC输入电流，达到降低DC/DC转换器的输出功率目的。
在抛负载过程中，电堆负荷下降，电堆生成的水减少，并且图7所示的空压机供给的空气以及图6所示的供氢系统供给的氢气不减少，相对于抛负载前的供气量是增加的，这样有利于排水。为了进一步进行排水，打开排水/排氢电磁阀，在不改变排放周期的前提下，增大排水阀开度比例。
实施例1
本实施例流程如图1所示，具体步骤如下：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算中目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在30mV安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或者氢气浓度低；
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载策略。具体为：若30mV ＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为20s ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为20s ；若ΔV>100mV时，置三级抛负载，持续周期为20s；图1中，a为30mV，b为70mV，c为100mV，T1、T2和T3均为20s。
（3）在步骤（2）中，若满足ΔV>100mV时，置三级抛负载同时需要进行相关排水操作。具体包括：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；和打开排水/排氢电磁阀，并预设排放周期；
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内，向FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，设置抛负载的次数限定，若抛负载次数大于6，可直接置系统故障，停机。若抛负载次数不大于6，继续执行步骤（2）内容。
（5）向FCU发送关闭抛负载指令。
实施例2
本实施例流程如图2所示，具体步骤如下：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算中目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在30mV安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或者氢气浓度低。
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载策略。具体为：若30mV ＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为20s ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为20s ；若ΔV>100mV时，置三级抛负载，持续周期为20s。图2中，a为30mV，b为70mV，c为100mV，T1、T2和T3均为20s。
（3）在步骤（2）中，满足ΔV>100mV时，置三级抛负载同时需要进行相关排水操作。具体包括：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；和打开排水/排氢电磁阀，并预设排放周期。
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内，向FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，继续执行步骤（2）内容。
（5）向FCU发送关闭抛负载指令。
实施例3
本实施例流程如图3所示，具体步骤如下：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算中目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在30mV安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或者氢气浓度低。
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载策略。具体为：若30mV ＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为20s ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为20s ；若ΔV>100mV时，置三级抛负载，持续周期为20s。图3中，a为30mV，b为70mV，c为100mV，T1、T2和T3均为20s。
（3）在步骤（2）中，置二级或三级抛负载同时需要进行相关排水操作。具体包括：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；和打开排水/排氢电磁阀，并预设排放周期。
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内，向FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，继续执行步骤（2）内容。
（5）向FCU发送关闭抛负载指令
实施例4
本实施例流程如图4所示，具体步骤如下：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算中目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在30mV安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或者氢气浓度低。
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载策略。具体为：若30mV ＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为20s ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为20s；若ΔV>100mV时，置三级抛负载，持续周期为20s。图4中，a为30mV，b为70mV，c为100mV，T1、T2和T3均为20s。
（3）在步骤（2）中，置对应抛负载等级同时均需要进行相关排水操作。具体包括：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；和打开排水/排氢电磁阀，并预设排放周期。
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内，向FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，继续执行步骤（2）内容。
（5）向FCU发送关闭抛负载指令。
如图8所示，申请人130kW燃料电池系统在测试时，燃料电池电堆最小单片电压持续下降，在700mV处触发了抛负载的控制策略，此时30mV ＜ ΔV ≤ 70mV，则置一级抛负载，致使电堆输出电流瞬态响应，电流从300A降载到270A，电堆输出功率减少10kw，最小单片电压升高。在此过程中，同时增大了排水阀打开的占比，加大气流量带走积聚在单体电池上液态水。
如图9所示，申请人130kW燃料电池系统在测试时，燃料电池电堆最小单片电压持续下降，在630mV处触发了抛负载的控制策略，此时70mV ＜ ΔV ≤ 100mV，则置二级抛负载，致使电堆输出电流瞬态响应，电流从450A降载到390A，电堆输出功率减少17kw；最小单片电压升高。在此过程中，同时增大了排水阀打开的占比，加大气流量带走积聚在单体电池上液态水。
如图10所示，申请人130kW燃料电池系统在测试时，燃料电池电堆最小单片电压持续下降，在570mV处触发了抛负载的控制策略，此时ΔV>100mV，则置三级抛负载，致使电堆输出电流瞬态响应，电流从540A降载到450A，电堆输出功率减少25kw；最小单片电压升高。在此过程中，同时增大了排水阀打开的占比，加大气流量带走积聚在单体电池上液态水。
Claims (4)
1.一种燃料电池电堆抛负载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）调取实时工况下燃料电池系统的最小单体电压值，计算目标单体电压与最小单体电压的差值ΔV；
（2）判断电压差值ΔV是否在安全阈值内，若在安全阈值内，判定为当前系统所有单体电池电压处于正常状态，否则判定为处于水淹状态、氮气浓度高或氢气浓度低；
根据电压差值ΔV，确定目标抛负载等级，并执行对应的抛负载方法；具体为：若30mV＜ ΔV ≤ 70mV时，置一级抛负载，持续周期为T1 ；若70mV ＜ ΔV ≤ 100mV时，置二级抛负载，持续周期为T2 ；若ΔV > 100mV时，置三级抛负载，持续周期为T3；
（3）在步骤（2）中，满足ΔV > 100mV时，置三级抛负载同时需要进行排水操作；
（4）判断最小单体电压值是否恢复至安全阈值内，若最小单体电压值恢复至安全阈值内， FCU发送关闭抛负载指令；若最小单体电压值未恢复至安全阈值内，继续执行步骤（2）内容；
（5）向FCU发送关闭抛负载指令；
步骤（2）中，所述安全阈值为：30mV；
步骤（4）中，若最小单体电压值未恢复至安全阈值内时，设置抛负载的次数限定；若抛负载次数大于n，直接置系统故障，停机；若抛负载次数不大于n，继续执行步骤（2）内容；所述n为6。
2.根据权利要求1所述燃料电池电堆抛负载控制方法，其特征在于，步骤（3）中，置二级或三级抛负载同时需要进行排水操作。
3.根据权利要求1所述燃料电池电堆抛负载控制方法，其特征在于，步骤（3）中，置一级、置二级或三级抛负载同时需要进行排水操作。
4.根据权利要求1或2或3所述燃料电池电堆抛负载控制方法，其特征在于，步骤（3）中，所述排水操作包括如下方法中的一种以上：
方法一：通过加大气流量带走积聚在单体电池上液态水，即吹扫；
方法二：打开排水阀，并预设排水时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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