CN116706161A - 一种基于分区监控的燃料电池控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，包括分区电流传感器、燃料电池控制器和燃料电池辅助器；分区电流传感器设置于燃料电池电堆内部，用于实时采集燃料电池电堆内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给燃料电池控制器；燃料电池控制器用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将控制信号通过通讯方式传输给燃料电池辅助器以及负载，负载用于接收燃料电池控制器的控制信号并消耗电堆能量；燃料电池辅助器用于根据控制信号调整燃料电池电堆的操作条件。本发明可以优化系统控制促进反应均匀性提升燃料电池的可靠性与耐久性，避免局部的反极和局部热点等状况发生。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，具体涉及一种基于分区监控的燃料电池控制系统。
背景介绍
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化率高、无污染、噪音低的优点。燃料电池单电池由极板和膜电极组成，多个单电池堆叠成燃料电池电堆，通过控制输入燃料电池电堆的空气介质、氢气介质及散热介质使燃料电池工作到满足当前负载和输出特性的状态。由于燃料电池内部是一个多物理场耦合工作的环境，内部的水热及介质管理非常复杂，需要系统对燃料电池的操作条件以及负载输出做出精确的控制，但是燃料电池内部的状态很难被观测到，给燃料电池系统的控制造成了极大的困难。目前，在燃料电池控制方面缺乏对电堆有效的检测器件和方法，目前实现系统集成应用的有包括电压巡检、整堆交流阻抗等，但这些不能直接反映出电堆内部的状态，电堆内部电流分布以及温度分布的状态，也不能够及时的进行反馈控制，会造成内部反应不均匀和材料衰减不均匀，当燃料电池加减载、开关机、低温启动等特定输出工况，也不能进行反馈控制，燃料电池会因剧烈工况或极端工况导致电堆内部的损坏，影响到系统的可靠性与耐久性。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的基于分区监控的燃料电池控制系统，克服现有燃料电池控制系统中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
本发明为解决现有燃料电池控制系统不能直接反映电堆内部状态、不能及时进行反馈控制等问题，提出了一种基于分区监控的燃料电池控制系统。
本发明提供了一种基于分区监控的燃料电池控制系统，包括分区电流传感器、燃料电池控制器和燃料电池辅助器；所述分区电流传感器设置于燃料电池电堆内部，用于实时采集燃料电池电堆内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器；所述燃料电池控制器用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将所述控制信号通过通讯方式传输给所述燃料电池辅助器以及负载，所述负载用于接收所述燃料电池控制器的控制信号并消耗电堆能量；所述燃料电池辅助器用于根据所述控制信号调整燃料电池电堆的操作条件。
更进一步的，所述分区电流传感器设置于靠近燃料电池电堆两侧端板处或燃料电池电堆中部，且设置于燃料电池电堆的两片极板之间。
更进一步的，所述分区电流传感器设有配水口和配气口，所述配水口与燃料电池电堆配水口相通，所述配气口与燃料电池电堆配气口相通。
更进一步的，所述分区电流传感器包括分区采集模块、采集电路模块和数据处理模块，所述分区采集模块用于分区采集燃料电池电堆极板每个分区块内的电流值与温度值，并传输给所述采集电路模块；所述采集电路模块用于计算处理所述分区采集模块中采集到的电流值与温度值，转换为对应的电流信号与温度信号，并传输给所述数据处理模块；所述数据处理模块用于处理所述电流信号与温度信号，将所述电流信号与温度信号转换为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器。
更进一步的，所述反馈信号包括电流分布的最大值信号、电流分布的最小值信号、电流分布的方差信号、温度分布的最大值信号、温度分布的最小值信号和温度分布的方差信号。
更进一步的，所述反馈信号中电流分布的指标包括基于电流分布方差的电流密度分布评估参数σc和基于电流分布最大值、电流分布最小值的电流密度分布评估参数θc，σc和θc的计算公式如下：
其中，b为常数系数，N为分区个数，Jn为每个分区的平均电流密度，为所有分区电流密度的平均值，Jmax为整板内分区电流密度的最大值，Jmin为整板内分区电流密度的最小值，其中，σc和θc越大，电流密度分布均匀性越差；σc和θc越小，电流密度分布均匀性越好。
更进一步的，所述燃料电池控制器的控制信号包括燃料电池工作条件控制信号和负载工况控制信号。
更进一步的，所述燃料电池控制器的控制算法包括最优控制算法和模型估计算法。
更进一步的，所述燃料电池电堆控制信号包括电堆的电流密度控制信号、气体计量比控制信号、氢空工作压力控制信号、氢空入口湿度控制信号、水路入口温度控制信号和水路进出口温差控制信号。
更进一步的，所述操作条件包括空气泵转速、循环泵转速、节气门开度、比例阀开度、尾排阀频次、旁通阀开度、水泵转速、节温器开度和风扇转速。
本发明通过将分区电流传感器集成于燃料电池电堆内部，从而监测燃料电池电堆极板平面内电流分布情况及温度分布情况，经数据处理后的反馈信号实时传送给燃料电池控制器，燃料电池控制器根据处理后的电流分布数据以及温度分布数据反馈信号，实时调整燃料电池电堆的操作条件、输出工况，使燃料电池电堆的水热管理状态达到最佳，可以使燃料电池平面内电化学反应更加均匀，电流分布与温度分布更加均匀，避免局部的反极和局部热点等极端状况的发生，提升燃料电池的可靠性与耐久性，还可以有效防止燃料电池电堆工作过程中反极现象的发生，避免因电池反极造成燃料电池电堆的不可逆损伤与破坏。
附图说明
图1是本发明实施例一种基于分区监控的燃料电池控制系统结构示意图；
图2是本发明实施例分区电流传感器安装在电堆内结构示意图；
图3是本发明实施例一种基于分区监控的燃料电池控制系统控制原理结构图。
图中：1、分区电流传感器，1-1、配水口，1-2、配气口，1-3、分区采集模块，1-4、采集电路模块，1-5、数据处理模块，2、燃料电池控制器，3、燃料电池辅助器，4、燃料电池电堆，5、极板，6、燃料电池电堆配水口，7、燃料电池电堆配气口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于分区监控的燃料电池控制系统，如图1-3所示，包括分区电流传感器1、燃料电池控制器2和燃料电池辅助器3；分区电流传感器1设置于燃料电池电堆4内部，用于实时采集燃料电池电堆4内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给燃料电池控制器2；燃料电池控制器2用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将控制信号通过通讯方式传输给燃料电池辅助器3以及负载，负载用于接收燃料电池控制器2的控制信号并消耗电堆能量；燃料电池辅助器3用于根据控制信号调整燃料电池电堆4的操作条件，并最终实现对燃料电池电堆4的控制。
分区电流传感器1可以根据需要装配在燃料电池电堆4的不同位置，优选的，分区电流传感器1可以设置于靠近燃料电池电堆4两侧端板处或燃料电池电堆4中部，且设置于燃料电池电堆4的两片极板5之间，靠近燃料电池电堆4两侧端板处或燃料电池电堆4中部是具有代表性的可以反应出电堆整体状态的位置，也可以是风险较高，需要被重点监控的位置。分区电流传感器1设有配水口1-1和配气口1-2，配水口1-1与燃料电池电堆配水口6相通，配气口与燃料电池电堆配气口7相通，通过设置配水口1-1和配气口1-2，可以使分区电流传感器1既不影响燃料电池电堆4的发电性能，又不影响燃料电池电堆4内部的配气和配水，安装在燃料电池电堆4的任意位置，都能够使燃料电池电堆4正常工作。
分区电流传感器1包括分区采集模块1-3、采集电路模块1-4和数据处理模块1-5，分区采集模块1-3用于分区采集燃料电池电堆极板5每个分区块内的电流值与温度值，并传输给采集电路模块1-4，分区电流传感器1与相邻两块极板5接触，使分区采集模块1-3可以采集极板5每个分区采集模块1-3接触区域内的电流值与温度值；采集电路模块1-4用于计算处理分区采集模块1-3中采集到的电流值与温度值，转换为对应的电流信号与温度信号，并传输给数据处理模块1-5；数据处理模块1-5用于处理电流信号与温度信号，将电流信号与温度信号转换为反馈信号，通过通讯方式传输给燃料电池控制器2，由于大量的数据不利于进行信号的传输与处理，通过数据处理模块1-5将数据通过内置的算法进行处理，生成反馈信号经通讯传输给燃料电池控制器2，可以使速记的传输更加快速，也避免了由于数据量过大而造成数据传输错误的问题。此外，一般根据数据采集量或者数据处理量的大小的不同，数据处理模块1-5在硬件设计上会有所区别，可以将数据处理模块1-5集成在分区电流传感器1上成为一体设计，也可以开发为单独的数据采集电路板，通过线排与分区电流传感器1相连，数据采集电路板将采集的数据通过内置的算法进行处理，生成反馈信号经通讯传输给燃料电池控制器2。
燃料电池电堆4由于水路进出口温差，气路的进出口湿度差、压力差、气体组分差、气体流量差等因素的影响，内部的温度分布与电流密度分布是不均匀的，所以分区电流传感器1采集的电流分布和温度分布数据也是不均匀的。所以反馈信号包括电流分布的最大值信号、电流分布的最小值信号、电流分布的方差信号，燃料电池控制器2根据反馈信号，对燃料电池控制策略和算法进行实时调整，调整内容包括燃料电池工作条件与负载工况，使燃料电池电堆4内部电流分布更均匀，延长材料使用寿命，避免出现反极电流；反馈信号还包括温度分布的最大值信号、温度分布的最小值信号和温度分布的方差信号，燃料电池控制器2根据反馈信号，对燃料电池控制策略和算法进行实时调整，调整内容包括燃料电池工作条件与负载工况，使燃料电池电堆4内部温度分布更均匀，延长使用寿命，避免出现局部热点。燃料电池控制器2实时调整燃料电池电堆4的操作条件、输出工况，使燃料电池电堆4的水热管理状态达到最佳，使燃料电池电堆4内部电流分布与温度分布的更加均匀，提升燃料电池电堆4的可靠性与耐久性，还可以有效防止燃料电池电堆4工作过程中反极现象的发生，避免因电池反极造成燃料电池电堆的不可逆损伤与破坏。
燃料电池控制器2根据反馈信号进行判断，来控制系统的空气流量、压力、湿度、氢气排气、排水、工作温度及水泵流量等操作条件变量，也可以根据反馈信号采取加减载、怠速、关机以及紧急停机等策略控制。燃料电池电堆4由于负载的需求会工作在快速拉载、快速降载、故障和停机等工况，这些工况会造成燃料电池电堆4内部极板5平面内的电流分布及压力分布不均匀、超出控制目标范围甚至出现局部热点和局部反极。为了提高燃料电池寿命和可靠性，极板5测试区的分布数据必须要在这些工况下仍然控制在燃料电池控制器2规定的控制目标范围内。分区电流传感器1发出的反馈信号实时传输给燃料电池控制器2，燃料电池控制器2根据反馈信号与控制目标进行计算，将控制信号输出给燃料电池辅助器3，对加减载电流进行限制或调整操作条件，特殊情况下触发分区电流控制极限，启动故障保护执行相应的关机以及紧急停机等策略控制，通过电流与温度数据分布的特点判断低温启动状态，及时调整策略，防止启动失败。燃料电池控制器2可以通过人工神经网络学习的方法，对低温启动的状态进行诊断。其中输入层包括电流密度分布的数值与位置信息、温度分布的数值与位置信息、启动电流以操作条件等，输出层为低温启动状态，根据最终低温启动状态的判断来采取对应的控制策略。
用于评价电流密度分布及温度的均匀程度，以及用于系统控制的电流密度分布和温度主要参数指标可以设计为标准差、最大最小值偏差等，反馈信号中电流分布的指标包括基于电流分布方差的电流密度分布评估参数σc和基于电流分布最大值、电流分布最小值的电流密度分布评估参数θc，σc和θc的计算公式如下：
其中，b为常数系数，N为分区个数，Jn为每个分区的平均电流密度，为所有分区电流密度的平均值，Jmax为整板内分区电流密度的最大值，Jmin为整板内分区电流密度的最小值。其中，σc和θc越大，电流密度分布均匀性越差；σc和θc越小，电流密度分布均匀性越好。
燃料电池控制器2控制信号包括燃料电池工作条件控制信号和负载工况控制信号。燃料电池控制器2的控制算法包括最优控制算法和模型估计算法。燃料电池电堆4内的电流分布直接受燃料电池电堆4操作条件的影响，在数学模型中作为模型直接的可控变量而影响电流密度分布的输入变量包括了电流密度、旁通阀开度、空气泵转速、温度、温差、压力等诸多变量，输出变量为σc和θc，考虑多种输入变量间的耦合关系，可以将旁通阀开度作为唯一输入变量，调节电堆入口湿度，其余变量均为系统状态变量，从而优选的可以使用最优控制算法。通过电流分布数据结合燃料电池电堆4简化模型对燃料电池电堆4的水含量、最小气体浓度等进行预测，基于预测的参量进行约束或者跟踪控制，实现耐久性的提升。
燃料电池电堆控制信号包括电堆的电流密度控制信号、气体计量比控制信号、氢空工作压力控制信号、氢空入口湿度控制信号、水路入口温度控制信号和水路进出口温差控制信号。操作条件包括空气泵转速、循环泵转速、节气门开度、比例阀开度、尾排阀频次、旁通阀开度、水泵转速、节温器开度和风扇转速。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，包括分区电流传感器(1)、燃料电池控制器(2)和燃料电池辅助器(3)；所述分区电流传感器(1)设置于燃料电池电堆(4)内部，用于实时采集燃料电池电堆(4)内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器(2)；所述燃料电池控制器(2)用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将所述控制信号通过通讯方式传输给所述燃料电池辅助器(3)以及负载，所述负载用于接收所述燃料电池控制器(2)的控制信号并消耗电堆能量；所述燃料电池辅助器(3)用于根据所述控制信号调整燃料电池电堆(4)的操作条件。
2.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)设置于靠近燃料电池电堆(4)两侧端板处或燃料电池电堆(4)中部，且设置于燃料电池电堆(4)的两片极板(5)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)设有配水口(1-1)和配气口(1-2)，所述配水口(1-1)与燃料电池电堆配水口(6)相通，所述配气口与燃料电池电堆配气口(7)相通。
4.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)包括分区采集模块(1-3)、采集电路模块(1-4)和数据处理模块(1-5)，所述分区采集模块(1-3)用于分区采集燃料电池电堆极板(5)每个分区块内的电流值与温度值，并传输给所述采集电路模块(1-4)；所述采集电路模块(1-4)用于计算处理所述分区采集模块(1-3)中采集到的电流值与温度值，转换为对应的电流信号与温度信号，并传输给所述数据处理模块(1-5)；所述数据处理模块(1-5)用于处理所述电流信号与温度信号，将所述电流信号与温度信号转换为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器(2)。
5.根据权利要求4所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述反馈信号包括电流分布的最大值信号、电流分布的最小值信号、电流分布的方差信号、温度分布的最大值信号、温度分布的最小值信号和温度分布的方差信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述反馈信号中电流分布的指标包括基于电流分布方差的电流密度分布评估参数σc和基于电流分布最大值、电流分布最小值的电流密度分布评估参数θc，σc和θc的计算公式如下：
其中，b为常数系数，N为分区个数，Jn为每个分区的平均电流密度，为所有分区电流密度的平均值，Jmax为整板内分区电流密度的最大值，Jmin为整板内分区电流密度的最小值。
7.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述燃料电池控制器(2)的控制信号包括燃料电池工作条件控制信号和负载工况控制信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述燃料电池控制器(2)的控制算法包括最优控制算法和模型估计算法。
9.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述燃料电池电堆控制信号包括电堆的电流密度控制信号、气体计量比控制信号、氢空工作压力控制信号、氢空入口湿度控制信号、水路入口温度控制信号和水路进出口温差控制信号。
10.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述操作条件包括空气泵转速、循环泵转速、节气门开度、比例阀开度、尾排阀频次、旁通阀开度、水泵转速、节温器开度和风扇转速。
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| CN103675694A (zh) * | 2012-09-26 | 2014-03-26 | 同济大学 | 一种燃料电池电堆的在线分区检测系统及检测方法 |
| CN111540929A (zh) * | 2020-05-08 | 2020-08-14 | 电子科技大学 | 一种具有电流与温度矩阵分布在线检测的空冷燃料电池电堆 |
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