CN117673412A - 一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法 - Google Patents

一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,包括:根据电堆电流计算得到总的目标空气流量FDemand;根据目标空气流量FDemand与压比,查表得空压机转速目标值ACPDemand;判断电推电流是否变化,若是空压机转速采用查表值ACPDemand、背压阀开度采用查表值BCPDemand;若无变化,判断实际空气流量FAct和目标空气流量FDemand是否满足误差,若满足误差范围,则空压机转速设定为ACPDemand;若不满足误差范围,空压机转速采用PID控制算法得到的控制值ACPSetPID。判断实际空气入口压力PAct与目标空气入口压力PDemand是否满足误差,若满足误差范围,则背压阀开度设定为BCPDemand;若不满足误差范围,背压阀采用PID控制算法得到的控制值BCPSetPID。本发明在系统变载时采用开环控制,系统稳定时采用PID控制,从而实现空气入口压力和空气流量的稳定控制。

Description

一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域,更为具体地说是指一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法。
背景技术
燃料电池系统是一种将氢气和氧气通过电化学反应转化为电能的装置,排放污染物极少,系统效率较高,只需要提供所需的氢气和氧气就能够持续性的供给能量。燃料电池对空气路子系统的要求非常高,在不同运行工况下,空气入口压力和空气流量都需要控制在一个精准的范围内,压力波动过大容易引起电堆膜电极的物理性损伤,空气流量波动过大对阴极的空气湿度影响大,影响系统性能的稳定发挥。控制好空气入口压力和空气流量,可以减少空压机的寄生功率损耗,提升燃料电池系统的效率。
空气路子系统主要是通过空压机和节气门来调节阴极空气路的压力和流量,空压机转速的变化会同时影响空气路的压力和流量,节气门开度的变化也会同时影响空气路的压力和流量,因此该系统是双输入双输出的强耦合系统,燃料电池系统在运行时阴极空气压力和空气流量相互关联、相互影响,使得系统控制非常困难。目前对于空气压力和空气流量的控制,大多都是基于查表开环控制,容易受环境和零部件的影响。也有部分是基于PID控制器进行控制,但这种控制方式容易导致空气压力和流量的超调控制,存在损坏电堆的风险。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,以克服现有空气压力和空气流量的控制存在容易受环境和零部件的影响,或者容易导致空气压力和流量的超调控制,存在损坏电堆的风险等缺点。
本发明采用如下技术方案:
一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,包括空气路子系统,所述空气路子系统包括空气流量计、空压机、进气阀、加湿器、背压阀以及尾排管,具体步骤如下:
S1、基于VCU请求功率计算电堆电流IDemand
S2、根据电堆电流IDemand计算得到总的目标空气流量FDemand
S3、根据目标空气流量FDemand与压比,结合空压机使用Map表,查询得到空压机转速查表值ACPDemand
S4、系统启动开机氢气吹扫过程,空气进气阀全部打开,空压机和尾排阀按照固定的转速ACPStartUp和固定的开度BCPStartUp开启;
S5、开机吹扫完成进入运行过程,判断电推电流IDemand是否变化,若是空压机转速设定采用查表值ACPDemand、背压阀开度设定采用查表值BCPDemand;若电推电流无变化,则执行S6;
S6、判断实际空气流量FAct和目标空气流量FDemand是否满足误差,若空气流量满足误差范围,则空压机转速设定为ACPDemand;若不满足误差范围,则执行S7;
S7、空压机转速设定采用PID控制算法得到的控制值ACPSetPID
S8、判断实际空气入口压力PAct与目标空气入口压力PDemand是否满足误差,若空气入口压力满足误差范围,则背压阀开度设定为BCPDemand;若不满足误差范围,则执行S9;
S9、背压阀设定值采用PID控制算法得到的控制值BCPSetPID
进一步地,上述步骤S2的具体过程如下:(1)确认不同电堆电流IDemand下的目标空气入口压力PDemand和目标空气流量计量比RDemand;(2)根据电堆电流IDemand计算得到目标流量fDmand其中IDemand为电堆电流,N为电堆电池节数,C为气体摩尔体积分数,在标准状态下取为22.4L/mol;n为氧气摩尔质量,/>为氧气在空气中体积分数,F为法拉第常数;(3)根据目标流量fDmand与目标空气流量计量比RDemand计算获得总的目标空气流量FDemand:FDemand=fDemand*RDemand
进一步地,上述步骤S4中背压阀目标开度设定值BCPDemand是采用自适应算法得到的一组参数,主要是电堆电流与背压阀开度的对应表格,具体是通过使用PID算法控制不同电堆电流的背压阀开度,在每个电流点稳定运行时间STime1后,记录下该电流点对应的背压阀开度BCP1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的背压阀开度BCP1、BCP2、…、BCPn,得到的这一组控制参数作为背压阀开度的目标开度设定值BCPDemand
进一步地,上述步骤S6与步骤S8同步进行。
优选地,上述步骤S7中空压机转速设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=FDemand-FAct为目标空气流量与实际空气流量的误差值,ACPSetPID(j)为空压机转速计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
上述步骤S9中背压阀设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=PDemand-PAct为目标空气入口压力与实际空气入口压力的误差值,BCPSetPID(j)为背压阀控制开度计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
进一步地,上述步骤S7中的ACPSetPID与步骤S9中的BCPSetPID分别增设自学习限值保护。
上述ACPSetPID及BCPSetPID增设自学习限值保护的具体方法如下:(1)系统在每次开机运行后,当电堆电流运行到设定的电流点I1时,在该电流稳定运行时间STime2后,记录下此时刻的空压机转速实际值和背压阀开度实际值作为该电流点空压机转速设定和背压阀开度设置的基准值ACPBasic1和BCPBasic1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的基准值ACPBasic1、ACPBasic2、…、ACPBasicn和BCPBasic1、BCPBasic2、…、BCPBasicn;(2)增加空压机转速误差值±ACPErr和背压阀开度误差值±BCPErr,将空压机转速基准值ACPBasic1与误差值±ACPErr计算得到每个电流点下空压机转速和背压阀开度的保护限值;将背压阀开度基准值BCPBasic1与误差值±BCPErr计算得到每个电流点下背压阀开度的保护限值。
由上述对本发明的描述可知,和现有技术相比,本发明具有如下优点:
1、本发明融合了开环控制与PID控制方法,实现了空气入口压力和空气流量的解耦控制,在不同的运行工况下,系统变载(电堆电流变化)时采用开环控制,系统稳定(电堆电流不变)时采用PID控制,从而实现空气入口压力和空气流量的稳定控制。
2、本发明通过系统自学习将空压机转速设定和背压阀开度设定两个控制参数进行了适当的限制保护,在一定程度上避免了空气入口压力和空气流量的过度波动,有效地保护电堆,提高系统使用寿命。
附图说明
图1为本发明燃料电池系统的控制原理图。
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明,下面描述到许多细节,但对于本领域技术人员来说,无需这些细节也可实现本发明。对于公知的组件、方法及过程,以下不再详细描述。
本发明提供一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其中,燃料电池系统主要包含燃料电池电堆、空气路子系统、氢气路子系统、电堆冷却子系统和燃料电池DCDC控制系统。
参照图1,空气路子系统包括依次连接的空气流量传感器1、中冷器2、空压机3、进气阀4、加湿器5、背压阀6以及尾排管7等,加湿器5与燃料电池电堆之间设有进气管路和出气管路,其中,进气管路上设有空气入口压力传感器8,用于检测空气入口压力。空气路子系统的作用是供应燃料电池发电所需要的氧气,通过空压机加压到设定压力,然后通过中冷器进行降温,再通过加湿器进行气体加湿,确保电堆内部质子交换膜有一定的湿度能够高效传递氢质子,其中加湿气体来自燃料电池电堆反应完成的尾气。
参照图2,以上燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,具体步骤如下:
S1、基于VCU请求功率计算电堆电流IDemand
S2、根据电堆电流IDemand计算得到总的目标空气流量FDemand
目标空气流量FDemand的具体计算过程如下:(1)确认不同电堆电流IDemand下的目标空气入口压力PDemand和目标空气流量计量比RDemand;(2)根据电堆电流IDemand计算得到目标流量fDmand其中IDemand为电堆电流,N为电堆电池节数,C为气体摩尔体积分数,在标准状态下取为22.4L/mol;n为氧气摩尔质量,/>为氧气在空气中体积分数,F为法拉第常数;(3)根据目标流量fDmand与目标空气流量计量比RDemand计算获得总的目标空气流量FDemand:FDemand=fDemand*RDemand
S3、根据目标空气流量FDemand与压比,结合空压机使用Map表,查询得到空压机转速查表值ACPDemand
S4、系统收到开机指令,启动开机氢气吹扫过程,空气进气阀全部打开,空压机和尾排阀按照固定的转速ACPStartUp和固定的开度BCPStartUp开启。
S5、开机吹扫完成进入运行过程,判断电推电流IDemand是否变化,若是空压机转速设定采用查表值ACPDemand、背压阀开度设定采用查表值BCPDemand;若电推电流无变化,则执行S6。
背压阀设定值BCPDemand是采用自适应算法得到的一组参数,主要是电堆电流与背压阀开度的对应表格,首先通过使用PID算法控制不同电堆电流的背压阀开度,在每个电流点稳定运行一定时间STime1后,记录下该电流点对于的背压阀开度BCP1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的背压阀开度BCP1、BCP1、…、BCPn,得到的这一组控制参数作为背压阀开度的目标开度设定值BCPDemand
S6、判断实际空气流量FAct和目标空气流量FDemand是否满足误差,若空气流量满足误差范围,则空压机转速设定为ACPDemana;若不满足误差范围,则执行S7。
S7、空压机转速设定采用PID控制算法得到的控制值ACPSetPID。PID控制期间当空气流量满足误差要求时则执行步骤S6。
空压机转速设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=FDemand-FAct为目标空气流量与实际空气流量的误差值,ACPSetPID(j)为空压机转速计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
S8、判断实际空气入口压力PAct与目标空气入口压力PDemand是否满足误差,若空气入口压力满足误差范围,则背压阀开度设定为BCPDemand;若不满足误差范围,则执行S9。
S9、背压阀设定值采用PID控制算法得到的控制值BCPSetPID。PID控制期间当空气压力满足误差要求时则执行步骤S8。
背压阀设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=PDemand-PAct为目标空气入口压力与实际空气入口压力的误差值,BCPSetPID(j)为背压阀控制开度计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
上述步骤S6至S7对于空气压力的控制与步骤S8至S9对于空气流量的控制过程是同步进行的。
为避免PID控制期间空压机转速与背压阀开度控制出现严重超调,本发明对参数ACPSetPID和BCPSetPID增加了自学习限值保护。
ACPSetPID及BCPSetPID增设自学习限值保护的具体方法如下:(1)系统在每次开机运行后,当电堆电流运行到设定的电流点I1时,在该电流稳定运行一定时间STime2后,记录下此时刻的空压机转速实际值和背压阀开度实际值作为该电流点空压机转速设定和背压阀开度设置的基准值ACPBasic1和BCPBasic1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的基准值ACPBasic1、ACPBasic2、…、ACPBasicn和BCPBasic1、BCPBasic2、…、BCPBasicn;(2)增加空压机转速误差值±ACPErr和背压阀开度误差值±BCPErr,将空压机转速基准值ACPBasic1与误差值±ACPErr计算得到每个电流点下空压机转速和背压阀开度的保护限值;将背压阀开度基准值BCPBasic1与误差值±BCPErr计算得到每个电流点下背压阀开度的保护限值。其对应的其表达形式为:
表1空压机转速与背压阀开度限制值
上述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的设计构思并不局限于此,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,包括空气路子系统,所述空气路子系统包括空气流量计、空压机、进气阀、加湿器、背压阀以及尾排管,其特征在于,具体步骤如下:
S1、基于VCU请求功率计算电堆电流IDemand
S2、根据电堆电流IDemand计算得到总的目标空气流量FDemand
S3、根据目标空气流量FDemand与压比,结合空压机使用Map表,查询得到空压机转速查表值ACPDemand
S4、系统启动开机氢气吹扫过程,空气进气阀全部打开,空压机和尾排阀按照固定的转速ACPStartUp和固定的开度BCPStartUp开启;
S5、开机吹扫完成进入运行过程,判断电推电流IDemand是否变化,若是空压机转速设定采用查表值ACPDemand、背压阀开度设定采用查表值BCPDemand;若电推电流无变化,则执行S6;
S6、判断实际空气流量FAct和目标空气流量FDemand是否满足误差,若空气流量满足误差范围,则空压机转速设定为ACPDemand;若不满足误差范围,则执行S7;
S7、空压机转速设定采用PID控制算法得到的控制值ACPSetPID
S8、判断实际空气入口压力PAct与目标空气入口压力PDemand是否满足误差,若空气入口压力满足误差范围,则背压阀开度设定为BCPDemand;若不满足误差范围,则执行S9;
S9、背压阀设定值采用PID控制算法得到的控制值BCPSetPID
2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于,所述步骤S2的具体过程如下:(1)确认不同电堆电流IDemand下的目标空气入口压力PDemand和目标空气流量计量比RDemand;(2)根据电堆电流IDemand计算得到目标流量fDmand其中IDemand为电堆电流,N为电堆电池节数,C为气体摩尔体积分数,在标准状态下取为22.4L/mol;n为氧气摩尔质量,/>为氧气在空气中体积分数,F为法拉第常数;(3)根据目标流量fDmand与目标空气流量计量比RDemand计算获得总的目标空气流量FDemand:FDemand=fDemand*RDemand
3.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述步骤S4中背压阀目标开度设定值BCPDemand是采用自适应算法得到的一组参数,主要是电堆电流与背压阀开度的对应表格,具体是通过使用PID算法控制不同电堆电流的背压阀开度,在每个电流点稳定运行时间STime1后,记录下该电流点对应的背压阀开度BCP1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的背压阀开度BCP1、BCP1、…、BCPn,得到的这一组控制参数作为背压阀开度的目标开度设定值BCPDemand
4.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述步骤S6与所述步骤S8同步进行。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述步骤S7中空压机转速设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=FDemand-FAct为目标空气流量与实际空气流量的误差值,ACPSetPID(j)为空压机转速计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述步骤S9中背压阀设定值的PID控制算法的表达式为:
其中,e(j)=PDemand-PAct为目标空气入口压力与实际空气入口压力的误差值,BCPSetPID(j)为背压阀控制开度计算值,kp、ki、kd分别为PID控制参数,Δt为运行步长。
7.如权利要求1所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述步骤S7中的ACPSetPID与所述步骤S9中的BCPSetPID分别增设自学习限值保护。
8.如权利要求7所述的一种燃料电池系统空气入口压力与流量控制方法,其特征在于:所述ACPSetPID及BCPSetPID增设自学习限值保护的具体方法如下:
(1)系统在每次开机运行后,当电堆电流运行到设定的电流点I1时,在该电流稳定运行时间STime2后,记录下此时刻的空压机转速实际值和背压阀开度实际值作为该电流点空压机转速设定和背压阀开度设置的基准值ACPBasic1和BCPBasic1,继而得到每个电流点I1、I2、…、In对应的基准值ACPBasic1、ACPBasic2、…、ACPBasicn和BCPBasic1、BCPBasic2、…、BCPBasicn;(2)增加空压机转速误差值±ACPErr和背压阀开度误差值±BCPErr,将空压机转速基准值ACPBasic1与误差值±ACPErr计算得到每个电流点下空压机转速和背压阀开度的保护限值;将背压阀开度基准值BCPBasic1与误差值±BCPErr计算得到每个电流点下背压阀开度的保护限值。
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