CN117096398A - 一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法 - Google Patents

一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法，所述尾气能量回收装置包括阀门系统、与阀门系统连通的膨胀机、与膨胀机连接的发电机，以及与发电机连接的第一电压转换电路，包括：获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息；根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式；根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口。通过本发明实施例，实现了根据当前状态来确定出堆气体的流向，引入阀门系统控制尾排气直接尾排或控制尾排气进入膨胀机进行能量回收，可以有效避免在冷机情况下高热尾排发生冷凝、凝华后产生的水滴、冰晶损坏膨胀机。

Description

一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法。
背景技术
在燃料电池系统中，空气经空压机增压后进入电堆阴极参与发电反应，在完成发电反应后，电堆阴极会产生出堆气体(即尾气)，出堆气体通过节气门后进入尾排环节。
在实际应用中，电堆阴极产生的出堆气体具有一定的压力，如在燃料电池系统高负载时出堆气体具的压力可达250kPa以上，相应地，出堆气体具有较高的动能和热能，可以使用膨胀机对出堆气体进行能量回收，以提高燃料电池系统的效率。
在现有技术中，通常将燃料电池系统中的空压机与膨胀机相结合，即空压机与膨胀机的转子同轴联接，通过一个电机驱动。在燃料电池系统工作时，出堆气体推动膨胀机的转子旋转，出堆气体的动能和热能经由膨胀做功转化为转子动能，进而可以为空压机提供一部分驱动力，降低了空压机的电功率消耗，提高了燃料电池系统的效率。
在空压机与膨胀机的转子同轴联接的情况下，空压机和膨胀机的转子转速相同，由于空压机和膨胀机自身的差异，会导致空压机和膨胀机无法达到较好的工作效率。而且，在空压机与膨胀机的转子同轴联接的情况下，若使用两级压气机，则两级压气机与一级膨胀机结合存在布局困难的问题，而使用一级压气机会降低压气效率。
发明内容
鉴于上述问题，提出了以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法，包括：
一种基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法，尾气能量回收装置包括阀门系统、与阀门系统连通的膨胀机、与膨胀机连接的发电机，以及与发电机连接的第一电压转换电路，该方法包括：
获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息；
根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式；
根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口。
可选地，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
根据燃料电池系统产生的出堆气体的温度和膨胀机的温度，判断将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机是否会发生液化或凝华；
在判定将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机会发生液化或凝华的情况下，确定目标工作模式为第一工作模式；其中，第一工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
可选地，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
判断燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量是否位于膨胀机的所需参数范围内；
在燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量位于膨胀机的所需参数范围内的情况下，确定目标工作模式为第二工作模式；其中，第二工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机的工作模式。
可选地，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，还包括：
在燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量大于膨胀机的所需参数范围的上限值的情况下，确定目标工作模式为第三工作模式；其中，第三工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
可选地，该方法还包括：
获取燃料电池系统和/或尾气能量回收装置的目标运行参数和实际运行参数；
根据目标运行参数和实际运行参数的偏差，确定参数控制量；
按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制。
可选地，目标运行参数包括以下任一项或多项：
燃料电池系统的目标入堆气体压力、燃料电池系统的目标入堆气体流量、阀门系统的目标流阻；
实际运行参数包括以下任一项或多项：
燃料电池系统的实际入堆气体压力、燃料电池系统的实际入堆气体流量、阀门系统的实际流阻；
参数控制量包括以下任一项或多项：
入堆气体压力控制量、入堆气体流量控制量、流阻控制量。
可选地，按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制，包括：
根据参数控制量，确定针对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件的零部件控制量；
按照零部件控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件进行控制。
可选地，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制的方式包括以下任一项或多项：
对阀门系统的阀门开度进行控制、对燃料电池系统的空压机的转速进行控制、对第一电压转换电路的输出电流进行控制。
一种如上的尾气能量回收装置，尾气能量回收装置包括阀门系统、与阀门系统连通的膨胀机、与膨胀机连接的发电机，以及与发电机连接的第一电压转换电路；
阀门系统，用于将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口；
膨胀机，用于在导入的出堆气体的作用下，带动发电机进行作业；
发电机，用于在膨胀机的带动下产生电动势；
第一电压转换电路，用于将发电机产生的电动势进行转换后输出。
可选地，阀门系统连接在燃料电池系统的电堆和尾气排放口之间，第一电压转换电路与燃料电池系统的第二电压转换电路并联。
一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上的基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上的基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
本发明实施例具有以下优点：
在本发明实施例中，燃料电池系统的尾气能量回收装置由阀门系统、与阀门系统连通的膨胀机、与膨胀机连接的发电机，以及与发电机连接的第一电压转换电路构成，阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口，膨胀机在导入的出堆气体的作用下，带动发电机进行作业，发电机在膨胀机的带动下产生电动势，第一电压转换电路将发电机产生的电动势进行转换后输出，实现了将燃料电池系统中的空压机与尾气能量回收装置中的膨胀机的转子相分离，进而使空压机和膨胀机达到较好的工作效率，且由于膨胀机的转子与压气机的转子分离，膨胀机和压气机在布局上是自由的，可以使用两级压气机，消除了布局困难的问题。
而且，在本发明实施例中，通过获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式，然后根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口，实现了根据当前状态来确定出堆气体的流向，引入阀门系统控制尾排气直接尾排或控制尾排气进入膨胀机进行能量回收，可以有效避免在冷机情况下高热尾排发生冷凝、凝华后产生的水滴、冰晶损坏膨胀机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明一实施例提供的一种尾气能量回收装置的示意图；
图2a是本发明一实施例提供的一种阀门系统的示意图；
图2b是本发明一实施例提供的另一种阀门系统的示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种基于尾气能量回收装置的控制方法的步骤流程图；
图4a是本发明一实施例提供的一种能量回收调节的示意图；
图4b是本发明一实施例提供的另一种能量回收调节的示意图；
图5是本发明一实施例提供的另一种基于尾气能量回收装置的控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动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。
在燃料电池系统中，设置有空压机、与空压机连接的中冷器、与中冷器连接的电堆、与电堆连接的电压转换电路，电堆还与尾气排放口连通，进而可以将电堆阴极产生的出堆气体(即尾气)通过尾气排放口排出，电压转换电路还可以与动力电池连接，进而可以将电堆产生的电流经过转换后输出至动力电池。其中，空压机是利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件，也可以称之为压气机。
在实际应用中，电堆阴极产生的出堆气体具有一定的压力，如在燃料电池系统高负载时出堆气体具的压力可达250kPa以上，相应地，出堆气体具有较高的动能和热能，可以使用膨胀机对出堆气体进行能量回收，以提高燃料电池系统的效率。其中，膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功的部件。
在现有技术中，通常将燃料电池系统中的空压机与膨胀机相结合，即空压机与膨胀机的转子同轴联接，通过一个电机驱动。在燃料电池系统工作时，出堆气体推动膨胀机的转子旋转，出堆气体的动能和热能经由膨胀做功转化为转子动能，进而可以为空压机提供一部分驱动力，降低了空压机的电功率消耗，提高了燃料电池系统的效率。
在空压机与膨胀机的转子同轴联接的情况下，空压机和膨胀机的转子转速相同，由于空压机和膨胀机自身的差异，会导致空压机和膨胀机无法达到较好的工作效率。而且，在空压机与膨胀机的转子同轴联接的情况下，若使用两级压气机，则两级压气机与一级膨胀机结合存在布局困难的问题，而使用一级压气机会降低压气效率。
具体的，空压机转子转速取决于燃料电池系统中电堆在其工作电流时所要求的入堆气体的压力、流量等，膨胀机的能量回收效率取决于进入膨胀机的出堆气体的压力、流量、温度等；电堆在不同工作电流时所要求的入堆气体压力和流量、电堆在不同工作电流时所要求的电堆温度、电堆在不同工作电流时的出入堆气体压力差和温度差是不同的，在这些差异情况下，若保持空压机和膨胀机的转子转速相同，会导致空压机和膨胀机在电堆不同工作电流条件下无法都达到较好的工作效率。
在本发明实施例中，燃料电池系统的尾气能量回收装置由阀门系统、与阀门系统连通的膨胀机、与膨胀机连接的发电机，以及与发电机连接的第一电压转换电路构成，阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口，膨胀机在导入的出堆气体的作用下，带动发电机进行作业，发电机在膨胀机的带动下产生电动势，第一电压转换电路将发电机产生的电动势进行转换后输出，实现了将燃料电池系统中的空压机与尾气能量回收装置中的膨胀机的转子相分离，进而使空压机和膨胀机达到较好的工作效率，且由于膨胀机的转子与压气机的转子分离，膨胀机和压气机在布局上是自由的，可以使用两级压气机，消除了布局困难的问题。
在相关技术中，可以通过将空压机的转子与膨胀机转子断开，形成两个独立系统，并将膨胀机连接至增压设备以进一步连接至其他的分支系统(如车辆的分支系统)，可以解决上述空压机、膨胀机的转子同轴联接的问题，但膨胀机的应用效果取决于分支系统地对压缩气的需求，如当分支系统不需要压缩气体时，需使用阀门改变气路关闭膨胀机或使用阀门进行增压侧泄压，浪费尾排气的能量。
在本发明实施例中，通过引入电压转换电路，可以将发电机所发出的电力馈入动力电池母线，使回收的尾气能量并入燃料电池系统的电输出，可以稳定、持续地提高系统效率，而不受燃料电池外部系统的工作状态的影响。
而且，通过引入电压转换电路，可以主动调节电压转换电路向动力电池母线馈入的功率，即可以主动控制发电机的发电功率、从而主动控制气体推动膨胀机转子旋转的阻力大小，并可以通过联合控制阀门系统的气体流阻和膨胀机的气体流阻，优化膨胀机的工作状态，提高能量回收效率。
以下结合附图进行进一步说明：
参照图1，示出了本发明一实施例提供的一种燃料电池系统的尾气能量回收装置的结构示意图，尾气能量回收装置100可以包括阀门系统101、与阀门系统101连通的膨胀机102、与膨胀机102连接的发电机103，以及与发电机103连接的第一电压转换电路104。
其中，燃料电池系统可以为车辆中燃料电池系统，燃料电池系统设置有空压机201、与空压机201连接的中冷器202、与中冷器202连接的电堆203、与电堆203连接的第二电压转换电路204，第二电压转换电路204还可以与动力电池205连接，进而可以将电堆203产生的电动势经过转换后输出至动力电池205。
阀门系统101，用于将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口。
膨胀机102，用于在导入的出堆气体的作用下，带动发电机进行作业。
发电机103，用于在膨胀机的带动下产生电动势。
第一电压转换电路104，用于将发电机产生的电动势进行转换后输出。
在本发明一实施例中，阀门系统101连接在燃料电池系统的电堆203和尾气排放口之间，阀门系统101由节气门和三通阀级联构成，或者，阀门系统由两个节气门构成。
如图2a，阀门系统101由节气门1011和三通阀1012级联构成，由节气门1011调节阀门系统101的气体流阻，由三通阀1012调节气体流通方向。
如图2b，阀门系统101由第一节气门1013和第二节气门1014构成，由第一节气门1013调节直接进入尾气排放的管路流阻，由第二节气门1014调节进入膨胀机102的管路流阻。例如，当第一节气门1013开启，第二节气门1014关闭时，输入气流将全部直接进入尾气排放路径，第一节气门1013的开度将影响阀门系统101流阻。当第一节气门1013关闭、第二节气门1014开启时，输入气流将全部进入膨胀机102，第二节气门1014的开度和膨胀机102的发电机功率将影响气体流过装置的流阻。
在本发明一实施例中，膨胀机102的转子轴与发电机103的转子轴相互联接，发电机103的工作转速与膨胀机102的工作转速匹配(如转速相同)。在一示例中，膨胀机102与发电机103可以同轴连轴，也可以使用齿轮传动结构进行动力传递和转速匹配。
在一示例中，膨胀机102可以为涡轮式膨胀机，发电机103可以为永磁无刷发电机。
在本发明一实施例中，膨胀机102与燃料电池系统的尾气排放口的连通，在膨胀机102采用导入的出堆气体进行作业后，可以通过尾气排放口排放。
在本发明一实施例中，第一电压转换电路104与燃料电池系统的第二电压转换204电路并联，进而可以将第一电压转换电路104和第二电压转换电路204的输出电流合并输入至动力电池205，即将发电机103所发出的电力馈入动力电池母线。
在一示例中，第一电压转换电路104和第二电压转换电路204可以为DCDC(DirectCurrent，直流变换器)，第一电压转换电路104可以由整流滤波电路和Boost电路(升压电路)实现，其中，整流滤波电路可以将发电机发出的交流电整流为直流电，整流滤波电路相数需与发电机相数匹配，Boost电路内置电流传感器和控制电路，内置控制电路根据传感器测量的实际电流值与目标电流值的差值，调节Boost电路功率器件的驱动占空比，使实际电流逼近目标电流值，实现可调电流控制。
在燃料电池系统作业过程中，电堆203产生的出堆气体首先进入阀门系统101，阀门系统101能够改变尾气流通路径，使其直接尾排或进入膨胀机102进行能量回收。
当阀门系统101将气流导向膨胀机102时，通过阀门系统101导向膨胀机102的高压高热气流，在膨胀机102中膨胀做功，推动膨胀机102转子旋转。由于膨胀机102转子轴与发电机103转子轴联接，膨胀机102带动发电机103旋转。
发电机103所发出的交变电功率，经第一电压转换电路104转换后，与燃料电池系统原有的第二电压转换电路204输出端并联，输入至动力电池205。
在一示例中，阀门系统101能够提供一定的气体流阻，与燃料电池系统中的空压机201配合工作，为电堆203提供合适的空气压力和流量。
参照图3，示出了本发明一实施例提供的一种基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法的步骤流程图，尾气能量回收装置可以参照上文的相关描述。
具体的，可以包括如下步骤：
步骤301，获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息。
在实际应用中，可以通过部署传感器来采集燃料电池系统和膨胀机的当前状态信息，燃料电池系统的当前状态信息可以包括出堆气体的相关信息，如出堆气体的温度、气压、流量等信息，膨胀机的当前状态信息可以包括膨胀机的温度等信息。
步骤302，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式。
在获得当前状态信息后，可以根据燃料电池系统的当前状态信息，或者根据膨胀机的当前状态信息，或者结合燃料电池系统的当前状态信息和膨胀机的当前状态信息，来确定目标工作模式，目标工作模式可以是用来控制门阀系统的工作模式，如控制门阀系统将电堆的出堆气体导流方向和流量等。
在本发明一实施例中，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
根据燃料电池系统产生的出堆气体的温度和膨胀机的温度，判断将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机是否会发生液化或凝华；在判定将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机会发生液化或凝华的情况下，确定目标工作模式为第一工作模式；其中，第一工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
在实际应用中，从电堆阴极产生的出堆气体湿度较高且温度较高，当湿度较高且温度较高的出堆气体进而温度较低的膨胀机时，则可能发生液化(即形成液态水)、凝华(即形成冰晶)，而发生液化或凝华会对膨胀机造成损害。
基于此，可以采集燃料电池系统产生的出堆气体的温度和膨胀机的温度，然后可以计算出堆气体的温度和膨胀机的温度的温度差，根据温度差来判断将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机是否会发生液化或凝华。
在判定将燃料电池系统产生的出堆气体导通至膨胀机会发生液化或凝华的情况下，确定目标工作模式为第一工作模式，即控制阀门系统通过改变气体流通路径，使所有电堆阴极产生的出堆气体直接尾排而不经过膨胀机。
在本发明一实施例中，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
判断燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量是否位于膨胀机的所需参数范围内；在燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量位于膨胀机的所需参数范围内的情况下，确定目标工作模式为第二工作模式；其中，第二工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机的工作模式。
在实际应用中，膨胀机设置有所需参数范围，所需参数范围可以根据膨胀机的工况来确定的，当进入膨胀机的出堆气体满足所需参数范围时，膨胀机可以正常工作，具体可以通过标定表查表法来实施，所需参数范围可以包括所需气压范围和所需流量范围。
基于此，可以采集燃料电池系统产生的出堆气体的气压、流量，然后可以判断气压、流量是否位于膨胀机的所需参数范围内，如判断出堆气体的气压是否位于膨胀机的所需气压范围内、判断出堆气体的流量是否位于膨胀机的所需流量范围内。
当在燃料电池系统产生的出堆气体的气压、流量位于膨胀机的所需参数范围内的情况下，确定目标工作模式为第二工作模式，即控制阀门系统通过改变气体流通路径，使所有电堆阴极尾排气通过膨胀机做功后尾排。
在本发明一实施例中，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，还包括：
在燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量大于膨胀机的所需参数范围的上限值的情况下，确定目标工作模式为第三工作模式；其中，第三工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
当在燃料电池系统产生的出堆气体的气压、流量大于膨胀机的所需参数范围的上限值的情况下，则确定目标工作模式为第三工作模式，即控制阀门系统通过改变气体流通路径，使所有电堆阴极尾排气部分直接尾排、部分通过膨胀机做功后尾排。
在本发明一实施例中，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
根据膨胀机的温度，判断膨胀机是否存在结冰风险；在判定膨胀机存在结冰风险的情况下，确定目标工作模式为第三工作模式；其中，第三工作模式为控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
在实际应用中，当膨胀机本身温度低于某一温度阈值时，膨胀机本身有结冰风险，此时若通入大流量气体可能会造成损坏，只能通过少量气体进行融冰。
基于此，可以采集膨胀机的温度，然后根据膨胀机的温度判断膨胀机是否存在结冰风险，如膨胀机的温度大于温度阈值即存在结冰风险，则在判定膨胀机存在结冰风险的情况下，确定目标工作模式为第三工作模式，即控制阀门系统通过改变气体流通路径，使所有电堆阴极尾排气部分直接尾排、部分通过膨胀机做功后尾排。
步骤303，根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口。
在确定目标工作模式后，可以按照目标工作模式的指示，将控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机，并燃料电池系统的尾气排放口，或者导流至燃料电池系统的尾气排放口，即直接尾排而不经过膨胀机，或者部分导流至膨胀机且部分导流至燃料电池系统的尾气排放口。
如图2a，在阀门系统101由节气门1011和三通阀1012级联构成的情况下，可以通过旋转三通阀1012来改变气流方向，如在切换至第一工作模式时，可以控制三通阀1012旋转到气流方向全部流入尾气排放，在切换至第二工作模式时，可以控制三通阀1012旋转到气流方向全部流入膨胀机方向，在切换至第三工作模式时，可以控制三通阀1012旋转至气流部分进入尾排流向、部分进入膨胀机流向。
如图2b，在阀门系统101由第一节气门1013和第二节气门1014构成的情况下，可以通过第一节气门1013和第二节气门1014的开启和关闭来改变气流流向，如在切换至第一工作模式时，可以控制第一节气门1013开启、第二节气门1014关闭，在切换至第二工作模式时，可以控制第一节气门1013关闭、第二节气门1014开启，在切换至第三工作模式时，可以按需同时开启第一节气门1013和第二节气门1014。
在实际应用中，电堆阴极侧通有空气，空气中的氧分子与氢离子结合产生水，产生的水和反应剩余的空气混合成为电堆尾排气流，电堆尾排气流湿度很高。在寒冷环境工作时，由于电堆尾排气流中湿度高，经过管路后水汽可能发生冷凝甚至凝华，会产生液态水滴甚至固态冰晶，可能会对膨胀机转子造成冲击，引起损坏。
而在本发明实施例中，通过获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式，然后根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口，实现了根据当前状态来确定出堆气体的流向，引入阀门系统控制尾排气直接尾排或控制尾排气进入膨胀机进行能量回收，可以有效避免在冷机情况下高热尾排发生冷凝、凝华后产生的水滴、冰晶损坏膨胀机。
在本发明一实施例中，该方法还包括：
获取燃料电池系统和/或尾气能量回收装置的目标运行参数和实际运行参数；根据目标运行参数和实际运行参数的偏差，确定参数控制量；按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制。
为了保证能量回收的效率，可以对能量回收环节进行调节，如图4a，可以包含运行状态采集、控制量计算、零部件调节三个步骤，通过这三个步骤循环执行，使得燃料电池系统的实际运行状态逼近目标状态，同时产生尽可能大的能量回收功率。
在运行状态采集中，可以采集燃料电池系统、尾气能量回收装置的实际运行参数，并可以确定燃料电池系统、尾气能量回收装置的目标运行参数，目标运行参数可以为燃料电池电堆工作所需要的参数，当外界设定燃料电池系统的发电功率之后，燃料电池系统控制程序会计算得到为满足该发电功率，电堆所需要的空气压力、空气流量等参数。
在本发明一实施例中，如图4b，实际运行参数包括以下任一项或多项：燃料电池系统的实际入堆气体压力、燃料电池系统的实际入堆气体流量、阀门系统的实际流阻。
在一示例中，对于实际入堆气体压力和实际入堆气体流量，可以采用压力传感器采集气流压力，使用空压机前端的流量传感器采集进入空压机的气流流量，近似作为或换算为进入电堆的空气流量，压力、流量采集频率为100Hz以上。
在一示例中，阀门系统的实际流量可根据阀门系统的实际开度值，经过“阀门开度与流阻关系表”估计阀门系统流阻。
在本发明一实施例中，如图4b，目标运行参数包括以下任一项或多项：燃料电池系统的目标入堆气体压力、燃料电池系统的目标入堆气体流量、阀门系统的目标流阻。
在实际应用中，阀门系统的流阻并不是燃料电池电堆工作的指标参数，但阴极出堆尾排气的压力首先经过阀门系统会产生第一部分压降，再经过膨胀机产生第二部分压降，而只有第二部分压降后的压缩气体膨胀能量可以用于能量回收，所以降低阀门系统流阻有利于降低第一部分压降、提高第二部分压降，即提高可供回收的能量值。
在一示例中，目标流阻设定为0或阀门全开时的流阻下限。
在控制量计算中，可以计算目标运行参数和实际运行参数的偏差，如图4b，可以根据实际入堆气体压力和目标入堆气体压力计算压力偏差，可以根据实际入堆气体流量和目标入堆气体流量计算流量偏差，可以根据实际流阻和目标流阻计算流阻偏差。
在本发明一实施例中，参数控制量包括以下任一项或多项：入堆气体压力控制量、入堆气体流量控制量、流阻控制量。
在确定偏差后，可以根据偏差来确定参数控制量，参数控制量是用来弥补实际运行参数和目标运行参数的偏差，使实际运行参数趋近目标运行参数，如根据当前的压力偏差，可以确定要施加多大的纠正压力使得压力偏差变小。
在一示例中，可以通过PI(proportional integral controller，比例积分控制器)调节器来根据偏差确定参数控制量，如图4b，可以设置有第一PI调节器来确定压力控制量、设置第二PI调节器来确定流量控制量、设置第三PI调节器来确定流阻控制量。
在零部件控制中，可以按照参数控制量来对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制，进而使得尾气能量回收能够达到更好的功率。
在本发明一实施例中，按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制，包括：
根据参数控制量，确定针对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件的零部件控制量；按照零部件控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件进行控制。
在获得参数控制量后，可以按照控制量映射关系，将参数控制量转换为针对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件的零部件控制量，然后可以按照零部件控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置中零部件的工作状态进行控制。
如图4b，可以将压力控制量、流量控制量、流阻控制量经过控制量映射关系转换后，得到阀门系统控制量、空压机控制量、能量回收控制量。
在一示例中，控制量映射关系可以使用标定表查表实现，也可以根据直观的影响关系实现，如可以采用如下计算方式：
阀门系统控制量＝-压力控制量+流量控制量-流阻控制量
空压机控制量＝压力控制量+流量控制量
能量回收控制量＝压力控制量-流量控制量
在本发明一实施例中，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制的方式包括以下任一项或多项：对阀门系统的阀门开度进行控制、对燃料电池系统的空压机的转速进行控制、对第一电压转换电路的输出电流进行控制。
当压力控制量为正时，表示实际压力小于目标压力，需要向提高压力方向施加作用力；此时应该做的动作为减小阀门系统开度以增加阀门流阻、提高空压机转速、提高能量回收功率以增加膨胀机流阻。
当流量控制量为正时，表示实际流量小于目标流量，需要向提高流量方向施加作用力；此时应该加大阀门系统开度以降低阀门流阻、提高空压机转速以增加流量、降低能量回收功率以减小膨胀机流阻。
当流阻控制量为正时，表示实际阀门系统流阻小于目标阀门系统流阻，此时需要减小阀门开度以增加阀门流阻；阀门流阻控制量与空压机、能量回收系统不相关，因此流阻控制量仅映射到阀门系统控制量上。
需要说明的是，燃料电池系统的空气压力、流量等具有物理上的耦合关系，例如第一PI调节器的压力调节作用往往会同时引起流量的变化，每一个PI调节器在调节其所负责的系统状态时，会产生对其他系统状态的扰动，也会抵抗其他PI调节器产生的扰动。
对于阀门系统的阀门开度，可以通过对应接口(如CAN)发送给阀门零部件执行。
对于空压机的转速，将空压机控制量经过“空压机控制量-空压机转速映射表”进行查表，得到空压机目标转速值，并通过对应接口(如CAN)发送给空压机执行。
对于第一电压转换电路的输出电流，将能量回收控制量经过“能量回收控制量-能量回收功率”查表得到第一电压转换电路的输出电流，并通过对应接口(如CAN)发送给第一电压转换电路执行。
在本发明实施例中，通过获取燃料电池系统和/或尾气能量回收装置的目标运行参数和实际运行参数，根据目标运行参数和实际运行参数的偏差，确定参数控制量，然后按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制，实现了主动对燃料电池系统、尾气能量回收装置进行控制，提升能量回收功率。
参照图5，示出了本发明一实施例提供的另一种基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤501，获取燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息。
步骤502，根据燃料电池系统和/或膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式。
步骤503，根据目标工作模式，控制阀门系统将燃料电池系统产生的出堆气体导流至膨胀机和/或燃料电池系统的尾气排放口。
步骤504，获取燃料电池系统和/或尾气能量回收装置的目标运行参数和实际运行参数。
步骤505，根据目标运行参数和实际运行参数的偏差，确定参数控制量。
步骤506，按照参数控制量，对燃料电池系统和/或尾气能量回收装置进行控制。
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
本发明一实施例还提供了一种电子设备，可以包括处理器、存储器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
本发明一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，并且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准，并提供有相应的操作入口，供用户选择授权或者拒绝。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、紧凑型光盘只读储存器、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对所提供的一种燃料电池系统的尾气能量回收装置和控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法，其特征在于，所述尾气能量回收装置包括阀门系统、与所述阀门系统连通的膨胀机、与所述膨胀机连接的发电机，以及与所述发电机连接的第一电压转换电路，所述方法包括：
获取所述燃料电池系统和/或所述膨胀机的当前状态信息；
根据所述燃料电池系统和/或所述膨胀机的当前状态信息，确定目标工作模式；
根据所述目标工作模式，控制所述阀门系统将所述燃料电池系统产生的出堆气体导流至所述膨胀机和/或所述燃料电池系统的尾气排放口。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述燃料电池系统和/或所述膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
根据所述燃料电池系统产生的出堆气体的温度和所述膨胀机的温度，判断将所述燃料电池系统产生的出堆气体导通至所述膨胀机是否会发生液化或凝华；
在判定将所述燃料电池系统产生的出堆气体导通至所述膨胀机会发生液化或凝华的情况下，确定目标工作模式为第一工作模式；其中，所述第一工作模式为控制所述阀门系统将所述燃料电池系统产生的出堆气体导流至所述燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述燃料电池系统和/或所述膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，包括：
判断所述燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量是否位于所述膨胀机的所需参数范围内；
在所述燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量位于所述膨胀机的所需参数范围内的情况下，确定目标工作模式为第二工作模式；其中，所述第二工作模式为控制所述阀门系统将所述燃料电池系统产生的出堆气体导流至所述膨胀机的工作模式。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述燃料电池系统和/或所述膨胀机的当前状态，确定目标工作模式，还包括：
在所述燃料电池系统产生的出堆气体的气压和/或流量大于所述膨胀机的所需参数范围的上限值的情况下，确定目标工作模式为第三工作模式；其中，所述第三工作模式为控制所述阀门系统将所述燃料电池系统产生的出堆气体导流至所述膨胀机和所述燃料电池系统的尾气排放口的工作模式。
5.根据权利要求1至4任一项所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置的目标运行参数和实际运行参数；
根据所述目标运行参数和所述实际运行参数的偏差，确定参数控制量；
按照所述参数控制量，对所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置进行控制。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，按照所述参数控制量，对所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置进行控制，包括：
根据所述参数控制量，确定针对所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置中零部件的零部件控制量；
按照所述零部件控制量，对所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置中零部件进行控制。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述对所述燃料电池系统和/或所述尾气能量回收装置进行控制的方式包括以下任一项或多项：
对所述阀门系统的阀门开度进行控制、对所述燃料电池系统的空压机的转速进行控制、对所述第一电压转换电路的输出电流进行控制。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的尾气能量回收装置，其特征在于，所述尾气能量回收装置包括阀门系统、与所述阀门系统连通的膨胀机、与所述膨胀机连接的发电机，以及与所述发电机连接的第一电压转换电路；
所述阀门系统，用于将所述燃料电池系统产生的出堆气体导流至所述膨胀机和/或所述燃料电池系统的尾气排放口；
所述膨胀机，用于在导入的出堆气体的作用下，带动所述发电机进行作业；
所述发电机，用于在所述膨胀机的带动下产生电动势；
所述第一电压转换电路，用于将所述发电机产生的电动势进行转换后输出。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于燃料电池系统的尾气能量回收装置的控制方法。
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