CN117996125A - 一种电压控制方法及燃料电池模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种电压控制方法及燃料电池模拟系统，包括：接收模拟燃料电池对应的模型参数和工况数据；利用模型参数，创建燃料电池输出模型；通过燃料电池输出模型和工况数据，为DC/DC变流器提供输入电压和输入电流；采集DC/DC变流器的输入侧对应的第一电压和第一电流以及输出侧对应的第二电压和第二电流；根据燃料电池输出模型、工况数据和第二电压，确定DC/DC变流器对应的参考电流；根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和参考电流，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。本申请通过建立模拟燃料电池输出模型，提高对DC/DC变流器输出量的控制效率和精度，以及避免了易燃易爆气体的使用，保证实验安全。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电压控制方法及燃料电池模拟系统。
背景技术
现有的燃料电池模拟器通常是将实验测得的燃料电池数据写入程序，利用优化算法对数据进行拟合，从而计算得到对应输出，或者是直接利用燃料电池实验平台进行实验，通过设置温度、进气量等参数，直接对实际的燃料电池的输出进行检测。
通过数据拟合方式计算燃料电池输出的方法计算量大，且优化算法较为复杂，而且需要大量的实验数据才能够使测试结果真实可信，而燃料电池实验平台，需要用到氢气作为实验材料，由于氢气属于易燃易爆气体，因此通过实验平台进行燃料电池输出控制的方式存在极大的安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于至少提供一种电压控制方法及燃料电池模拟系统，通过燃料电池对应的模型参数模拟燃料电池输出模型，提高对DC/DC变流器对应输出的控制效率和控制精度，以及避免了易燃易爆气体的使用，增加实验安全性。
本申请主要包括以下几个方面：
第一方面，本申请实施例提供一种电压控制方法，方法应用于燃料电池模拟器，燃料电池模拟器与DC/DC变流器相连接，其中，方法包括：
接收模拟燃料电池对应的模型参数和模拟燃料电池对应的工况数据，工况数据指示了模拟燃料电池对应的工作环境，利用模型参数，创建燃料电池输出模型，燃料电池输出模型描述了模拟燃料电池所输出的电压与电流之间的函数关系，通过燃料电池输出模型和工况数据，为DC/DC变流器提供输入电压和输入电流，采集DC/DC变流器的输入侧对应的第一电压和第一电流以及输出侧对应的第二电压和第二电流，根据燃料电池输出模型、工况数据和第二电压，确定DC/DC变流器对应的参考电流，根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和参考电流，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
在一种可能得实施方式中，工况数据包括模拟燃料电池对应的设定电池温度、设定氢气分压、设定氧气分压和DC/DC变流器输入侧对应的第一设定电流，其中，通过以下方式确定参考电流：根据燃料电池输出模型，确定第一电压与第一电流之间的关系曲线；根据关系曲线，确定与第一设定电流对应的第一目标电压；根据第一目标电压、第一设定电流和第二电压，确定DC/DC变流器在对应工况数据下所对应的标准输出电流；根据标准输出电流，确定DC/DC变流器对应的参考电流。
在一种可能得实施方式中，通过以下公式确定标准输出电流：
Vin×Iin＝Vout×Iout
在该公式中，Vin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电压，Iin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电流，Vout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电压，Iout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电流，其中，将第一目标电压带入Vin、第一设定电流带入Iin、采集到的第二电压带入Vout，将计算得到的Iout确定为标准输出电流。
在一种可能得实施方式中，DC/DC变流器包括多个并联的Buck电路，多个并联的Buck电路具备完全相同的电路结构和器件规格，其中，通过以下公式确定DC/DC变流器对应的参考电流：
Iref＝Iouta/Num
在该公式中，Iref表示DC/DC变流器中的每个Buck电路对应的参考电流，Num表示DC/DC变流器中并联的Buck电路的总数，Iouta表示标准输出电流。
在一种可能得实施方式中，通过以下方式完成对DC/DC变流器的电压输出控制：根据采集到的第二电流和参考电流，计算DC/DC变流器对应的占空比；根据DC/DC变流器对应的占空比，确定DC/DC变流器对应的脉宽调制信号；根据DC/DC变流器对应的脉宽调制信号，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
在一种可能得实施方式中，通过以下方式确定DC/DC变流器对应的占空比：根据采集到的第二电流，确定DC/DC变流器中每个Buck电路对应的实际电流；计算参考电流与实际电流之间的差值；将差值输入电流调节器，得到电流调节器所输出的占空比。
在一种可能得实施方式中，模型参数包括法拉第常数F、气体常数R、电流交换密度j0、传输系数ɑ、参与反应电子数z、质子交换膜有效面积A、面积比电阻ASRm、峰值电流密度jL、单电池数量Ncell、氢气分压pH2和氧气分压pO2，其中，通过以下公式创建燃料电池输出模型：
VNFC＝Ncell×VFC＝Ncell×(Enemst-Vact-Vconc-Vohm)
在该公式中，VNFC表示模拟燃料电池所输出的第一电压，VFC表示模拟燃料电池中每个单电池所产生的电压；
Enemst为能斯特电压，Enemst＝1.229-(8.5×10-4)×(T-298.15)+(4.308×10-5)×T×[ln(pH2)+0.5ln(pO2)]，T表示模拟燃料电池的电池温度；
Vact表示活化过电压，j表示电流密度，j＝IFC/A，IFC表示DC/DC变流器的输入电流；
Vconc表示浓差过电压，
Vohm表示欧姆过电压，Vohm＝j×ASRm。
在一种可能得实施方式中，方法还包括：对DC/DC变流器进行稳定性测试；若DC/DC变流器通过稳定性测试，则确定DC/DC变流器输出稳定；若DC/DC变流器未通过稳定性测试，则确定DC/DC变流输出不稳定。
在一种可能得实施方式中，稳定性测试包括：获取预设稳定性测试所指示的稳定性参数；按照预设方式改变稳定性参数的数值，采集DC/DC变流器对应的监测电流，监测电流为DC/DC变流器中Buck电路对应的电流；在稳定性参数的数值发生变化后的预设时间内，判断监测电流是否稳定在参考电流处；若监测电流稳定在参考电流处，则确定DC/DC变流器通过预设稳定性测试；若监测电流未稳定在参考电流处，则确定DC/DC变流器未通过预设稳定性测试。
第二方面，本申请实施例还提供一种燃料电池模拟系统，燃料电池模拟系统包括燃料电池模拟器、DC/DC变流器、电压电流采集电路、驱动电路、人机交互系统和远程控制系统，其中，燃料电池模拟器应用于上述实施方式任一提供的电压控制方法，电压电流采集电路用于采集DC/DC变流器对应的电力数据，电力数据包括DC/DC变流器输入侧对应的第一电压、第一电流、输出侧对应的第二电压、第二电流以及DC/DC变流器中Buck电路对应的实际电流，驱动电路用于输出PWM波，以实现燃料电池模拟器对DC/DC变流器的电压输出控制，人机交互系统用于显示电力数据，远程控制系统用于向燃料电池模拟器发送模拟燃料电池模型参数和模拟燃料电池运行过程中的工况数据。
本申请实施例提供的一种电压控制方法及燃料电池模拟系统，包括：接收模拟燃料电池对应的模型参数和工况数据；利用模型参数，创建燃料电池输出模型；通过燃料电池输出模型和工况数据，为DC/DC变流器提供输入电压和输入电流；采集DC/DC变流器的输入侧对应的第一电压和第一电流以及输出侧对应的第二电压和第二电流；根据燃料电池输出模型、工况数据和第二电压，确定DC/DC变流器对应的参考电流；根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和参考电流，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。本申请通过建立模拟燃料电池输出模型，提高对DC/DC变流器输出量的控制效率和精度，以及避免了易燃易爆气体的使用，保证实验安全。
本申请有益之处在于：
(1)可以模拟燃料电池电堆外特性，并可以根据实验要求，设计燃料电池的氢气分压、氧气分压以及电池温度等控制参数，所设计的燃料电池模拟器主要用于实验室场景下对燃料电池DC/DC变流器进行测试，或用在含燃料电池发电系统的可再生能源并网相关技术研究场合，通过燃料电池模拟器代替实际燃料电池进行实验，降低实验难度，增加实验安全性。
(2)本申请所设计的DC/DC变流器采用交错并联的双向Buck电路拓扑，具有高带宽、低压大电流特性，更适用于进行多种不同实验，采用双向Buck电路拓扑结构，提高电压电流调节效率。
(3通过建立模拟燃料电池输出模型，提高对DC/DC变流器输出量的控制效率和精度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例所提供的一种燃料电池模拟系统的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的一种电压控制方法的流程图；
图3示出了本申请实施例提供的一种第一电压与第一电流对应的关系曲线的示意图；
图4示出了本申请提供的一种DC/DC变流器的结构示意图；
图5示出了本申请实施例提供的一种DC/DC变流器控制过程的示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种DC/DC对应监测电流的变化示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本申请中的附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本申请的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本申请中使用的流程图示出了根据本申请的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本申请内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
另外，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有的燃料电池电堆模拟器，一种方式是进行大量实验，然后再将实验测得的燃料电池数据写入程序，利用优化算法对数据进行拟合，从而计算得到燃料电池的输出，另一种方式是直接采用实验的方法，即利用燃料电池实验平台进行实验，通过设置温度、进气量等参数，直接对实际的燃料电池电堆输出进行检测。
首先，第一种方式中，需要大量的实验数据进行拟合计算，才能够使测试结果真实可信，而第二种方式需要用到氢气作为实验材料，氢气属于易燃易爆气体，在使用过程中要严格遵守氢气使用安全技术规程，实验室的建设与场地选择要严格遵守消防规定要求，因此进行燃料电池研究存在极大的安全隐患。
本申请所要解决的问题在于，在利用燃料电池实验平台进行实验的情况下，如何降低实验风险以及降低通过数据拟合得到燃料电池输出所带来的参数计算量大、算法复杂且需要大量实验数据支撑的技术问题。
基于此，本申请实施例提供了一种电压控制方法及燃料电池模拟系统，通过燃料电池对应的模型参数模拟燃料电池输出模型，提高对DC/DC变流器对应输出的控制效率和控制精度，以及避免了易燃易爆气体的使用，增加实验安全性，具体如下：
请参阅图1，图1示出了本申请实施例所提供的一种燃料电池模拟系统的结构示意图。如图1所示，燃料电池模拟系统包括燃料电池模拟器1、DC/DC变流器2、电压电流采集电路(包括输入侧采集电路31和输出侧采集电路32)、驱动电路4、人机交互系统5和远程控制系统6。
具体的，燃料电池模拟器1通过驱动电路4连接到DC/DC变流器2的输出控制端，燃料电池模拟器1通过输入侧采集电路31连接到DC/DC变流器2的输入侧，燃料电池模拟器1通过输出侧采集电路32连接到DC/DC变流器2的输出侧，以采集DC/DC变流器2输出侧对应的第二电压和第二电流，燃料电池模拟器1还分别连接到人机交互系统5和远程控制系统6，燃料电池模拟器可以为一控制器/芯片。
请参阅图2，图2示出了本申请实施例所提供的一种电压控制方法的流程图。如图1和图2所示，本申请实施例提供的方法应用于燃料电池模拟器1，包括以下步骤：
S100、接收模拟燃料电池对应的模型参数和模拟燃料电池对应的工况数据。
工况数据指示了模拟燃料电池对应的工作环境。
S200、利用模型参数，创建燃料电池输出模型。
燃料电池输出模型描述了模拟燃料电池所输出的电压与电流之间的函数关系。
S300、通过燃料电池输出模型和工况数据，为DC/DC变流器提供输入电压和输入电流。
S400、采集DC/DC变流器的输入侧对应的第一电压和第一电流以及输出侧对应的第二电压和第二电流。
S500、根据燃料电池输出模型、工况数据和第二电压，确定DC/DC变流器对应的参考电流。
S600、根据第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和参考电流，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
在步骤S100中，本申请的模拟燃料电池为PEMFC(proton exchange membranefuel cell，质子交换膜燃料电池)，在正式进行实验之前，用户可以根据实验需求通过远程控制系统6向燃料电池模拟器1发送模拟燃料电池对应的模型参数和工况数据，模型参数决定了模拟燃料电池的规格。
模型参数包括法拉第常数F、气体常数R、电流交换密度j0、传输系数ɑ、参与反应电子数z、质子交换膜有效面积A、面积比电阻ASRm、峰值电流密度jL、单电池数量Ncell、氢气分压pH2和氧气分压pO2。
如以下表1所示：
表1：
| 模型参数 | 数值 |
| 法拉第常数F | 96485C/mol |
| 气体常数R | 8.314J/(mol·K) |
| 电流交换密度j0 | 10-4A/cm2 |
| 传输系数ɑ | 0.5 |
| 参与反应电子数z | 2 |
| 质子交换膜有效面积A | 350cm2 |
| 面积比电阻ASRm | 0.05Ω·cm2 |
| 峰值电流密度jL | 2.5A/cm2 |
| 单电池数量Ncell | 370 |
| 氢气分压pH2 | 2bar |
| 氧气分压pO2 | 2bar |
表1为180KW模拟燃料电池对应的模型参数，以峰值电流密度jL为例，对于规格为180KW的模拟燃料电池而言，其对应的峰值电流密度jL为2.5A/cm2。
在步骤S200中，由于PEMFC的输出电压是电流、温度以及氢气压力与氧气压力的非线性函数，与传统电池类似，PEMFC的输出电压是燃料电池内部电压与电压降之间的差值，因此，本申请提供的一优选实施例中，通过以下公式创建燃料电池输出模型：
VNFC＝Ncell×VFC＝Ncell×(Enemst-Vact-Vconc-Vohm) (1)
在公式(1)中，VNFC表示模拟燃料电池所输出的第一电压，VFC表示模拟燃料电池中每个单电池所产生的电压。
Enemst为能斯特电压，即模拟燃料电池对应的开路电压，通过以下公式确定能斯特电压Enemst：
Enemst＝1.229-(8.5×10-4)×(T-298.15)+(4.308×10-5)×T×[ln(pH2)+0.5ln(pO2)] (2)
在公式(2)中，T表示模拟燃料电池的电池温度。
Vact表示活化过电压，通过以下公式确定活化过电压：
在公式(3)中，j表示电流密度。
其中，通过以下方式确定电流密度：
j＝IFc/A (4)
在公式(4)中，IfC表示DC/DC变流器的输入电流。
Vconc表示浓差过电压，通过以下公式确定浓差过电压：
Vohm表示欧姆过电压，近似为一条曲线，通过以下公式确定欧姆过电压：
Vohm＝j×ASRm (6)
在具体实施中，假设将表1中各模型参数对应的数值带入上述公式(1)～公式(6)中，即可得到180KW的模拟燃料电池对应的燃料电池输出模型，根据得到的燃料电池输出模型，可绘制出DC/DC变流器2输入侧的第一电压与第一电流对应的关系曲线。
请参阅图3，图3示出了本申请实施例提供的一种第一电压与第一电流对应的关系曲线的示意图。如图3所示的关系曲线，横坐标是第一电流，纵坐标是第一电压，本申请中，改变第一电压带入燃料电池输出模型，得到对应的第一电压，然后最终绘制形成对应的关系曲线。
在步骤S300中，本申请提供的燃料电池模拟器，可用于对DC/DC进变流器进行测试研究，因此DC/DC变流器对应的输出特性需要具备高带宽特性，并且具有低压大电流特点，因此本申请提供的DC/DC变流器采用多相交错并联的Buck电路设计，并考虑电压电流调节的快速性，采用双向Buck电路拓扑。
具体的，本申请提供的DC/DC变流器2包括多个并联的Buck电路，多个并联的Buck电路具备完全相同的电路结构和器件规格，请参阅图4，图4示出了本申请提供的一种DC/DC变流器的结构示意图。如图4所示，DC/DC变流器包括六个并联连接的Buck电路以及一电容C1，其中，控制开关S11、S12以及电感L1形成第一Buck电路，控制开关S21、S22以及电感L2形成第二Buck电路，控制开关S31、S32以及电感L3形成第三Buck电路，控制开关S41、S42以及电感L4形成第四Buck电路，控制开关S51、S52以及电感L5形成第五Buck电路，控制开关S61、S62以及电感L6形成第六Buck电路，在图4实施例中，控制开关均采用NMOS开关，控制开关S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42、S51、S52、S61、S62所使用的规格完全一致，电感L1～L62所使用的规格完全一致。
控制开关S11、S12之间串联形成第一桥臂，电感L1的一端连接到第一桥臂的中点，控制开关S21、S22之间串联形成第二桥臂，电感L2的一端连接到第二桥臂的中点，控制开关S31、S32之间串联形成第三桥臂，电感L3的一端连接到第三桥臂的中点，控制开关S41、S42之间串联形成第四桥臂，电感L4的一端连接到第四桥臂的中点，控制开关S51、S52之间串联形成第五桥臂，电感L5的一端连接到第五桥臂的中点，控制开关S61、S62之间串联形成第六桥臂，电感L6的一端连接到第六桥臂的中点，电感L1的另一端、电感L2的另一端、电感L3的另一端、电感L4的另一端、电感L5的另一端和电感L6的另一端相连接后，接入电容C1的一端，控制开关S12、S22、S32、S42、S52、S62对应的源极彼此连接后接入电容C1的另一端，控制开关S11、S21、S31、S41、S51、S61对应的漏极彼此连接。
Buck电路内部的控制开关器件可以采用高开关频率的碳化硅器件或者氮化镓器件，从而实现电源的高带宽控制。
在本申请一实施例中，在创建燃料电池输出模型之后，方法还包括：
对燃料电池输出模型进行稳定性测试，若燃料电池通过稳定性测试，则将燃料电池模拟器接入DC/DC变流器，以完成对DC/DC变流器的电压输出控制，若燃料电池未通过稳定性测试，则放弃接入DC/DC变流器，重新搭建燃料电池输出模型。
在步骤S300中，工况数据包括模拟燃料电池对应的设定电池温度、设定氢气分压、设定氧气分压和DC/DC变流器输入侧对应的第一设定电流。
具体的，根据创建好的燃料电池输出模型可知，燃料电池在运行过程中的变量为电池温度T、氢气分压pH2、氧气分压pO2以及第一电流，因此，本申请燃料电池模拟器将接收到的工况数据带入到燃料电池输出模型中，即可计算出该工况数据下对应的参考电流，并利用该参考电流进行对DC/DC变流器的闭环控制。
在一优选实施例中，通过以下方式确定参考电流：
根据燃料电池输出模型，确定第一电压与第一电流之间的关系曲线，根据关系曲线，确定与第一设定电流对应的第一目标电压，根据第一目标电压、第一设定电流和第二电压，确定DC/DC变流器在对应工况数据下所对应的标准输出电流，根据标准输出电流，确定DC/DC变流器对应的参考电流。
一示例中，本申请在绘制出第一电压与第一电流之间的关系曲线后，根据关系曲线和第一设定电流，采用查表的方式即可确定出与第一设定电流所对应的第一目标电压，实际上，将工况数据全部带入燃料电池输出模型后，即可得到与第一设定电流对应的第一目标电压。
在另一优选实施例中，DC/DC变换器存在以下计算公式：
Vin×Iin＝Vout×Iout (7)
在公式(7)中，Vin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电压，Iin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电流，Vout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电压，Iout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电流。
其中，将第一目标电压带入Vin、第一设定电流带入Iin、采集到的第二电压带入Vout，将计算得到的Iout确定为标准输出电流。
在确定标准参考电流之前，在步骤S400中，如图1所示，本申请提供的燃料电池模拟器1通过电压电流采集电路采集DC/DC变流器2对应的电力数据，电力数据包括DC/DC变流器2输入侧对应的第一电压、第一电流、输出侧对应的第二电压、第二电流以及DC/DC变流器中Buck电路对应的实际电流，进一步的，主要通过输入侧采集电路31采集DC/DC变流器2输入侧对应的第一电压和第一电流，通过输出侧采集电路32采集DC/DC变流器2输出侧对应的第二电压和第二电流，本申请中，还将采集到的电力数据传输到人机交互系统5进行显示，以便于用户进行后续的分析处理。
在一具体实施例中，确定出标准输出电流后，通过以下公式确定DC/DC变流器对应的参考电流：
Iref＝Iouta/Num (8)
在公式(8)中，Iref表示DC/DC变流器中的每个Buck电路对应的参考电流，Num表示DC/DC变流器中并联的Buck电路的总数，Iouta表示标准输出电流。
在如图4所示的电路中，由于采用了六相交错并联DC/DC变换器，且每路Buck电路的规格一致，因此，图4中DC/DC变换器每路Buck电路对应的参考电流Iref＝Iouta/6，最后将计算出的参考电流Iref作为DC/DC变换器单电流环控制的参考，实现对DC/DC变换器的控制输出。
在一优选实施例中，步骤S600包括：
根据采集到的第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和参考电流，计算DC/DC变流器对应的占空比，根据DC/DC变流器对应的占空比，确定DC/DC变流器对应的脉宽调制信号，根据DC/DC变流器对应的脉宽调制信号，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
本申请中，由于本申请中的DC/DC变流器的Buck电路规格是相同的，因此只确定出一路Buck电路对应的占空比即可，占空比决定了输出到Buck电路的脉宽调制信号。
在另一优选实施例中，通过以下方式确定DC/DC变流器对应的占空比：
根据采集到的第二电流，确定DC/DC变流器中每个Buck电路对应的实际电流，计算参考电流与实际电流之间的差值，将差值输入电流调节器，得到电流调节器所输出的占空比。
请参阅图5，图5示出了本申请实施例提供的一种DC/DC变流器控制过程的示意图。如图5所示，根据模拟燃料电池对应的模型参数创建燃料电池输出模型，然后再将工况数据输入燃料电池输出模型，确定出第一目标电压Vino，然后再将第一目标电压Vino、第一设定电流Iino和采集到的第二电压Vouto带入标准输出电流计算公式(7)，即可得到对应的标准输出电流Iouta，然后将标准输出电流Iouta和Num带入参考电流计算公式(8)，得到对应的参考电流Iref，然后采集第二电流Iout，根据第二电流Iout确定每个Buck电路对应的实际电流IL，在图4中，六个Buck电路对应的实际电流IL1＝IL2＝IL3＝IL4＝IL5＝IL6＝Iout/6。
将每个Buck电路对应的实际电流IL和参考电流Iref带入电流调节器PI，电流调节器PI自动输出对应的占空比，然后再根据占空比生成对应的脉宽调制信号PWM，将PWM在再通过驱动电路输入到DC/DC变流器，即可实现对DC/DC变流器的电压输出控制。
本申请中，驱动电路4用于输出PWM波，以实现燃料电池模拟器对DC/DC变流器的电压输出控制，人机交互系统用于显示电力数据，远程控制系统用于向燃料电池模拟器发送模拟燃料电池模型参数和模拟燃料电池运行过程中的工况数据。
在一优选实施例中，方法还包括：
对DC/DC变流器进行稳定性测试，若DC/DC变流器通过稳定性测试，则确定DC/DC变流器输出稳定，若DC/DC变流器未通过稳定性测试，则确定DC/DC变流输出不稳定。
本申请中，稳定性测试是用于测试燃料电池模拟器调节DC/DC变流器所输出的电压电流的稳定性，具体的，稳定性测试包括：
获取预设稳定性测试所指示的稳定性参数，按照预设方式改变稳定性参数的数值，采集DC/DC变流器对应的监测电流，监测电流为DC/DC变流器中Buck电路对应的电流，在稳定性参数的数值发生变化后的预设时间内，判断监测电流是否稳定在参考电流处，若监测电流稳定在参考电流处，则确定DC/DC变流器通过预设稳定性测试，若监测电流未稳定在参考电流处，则确定DC/DC变流器未通过预设稳定性测试。
具体的，稳定性参数包括但不限于以下项中的至少一项：电池温度、氢气分压pH2和氧气分压pO2，在一具体示例中，假设稳定性参数为电池温度，预设时间为2ms，稳定性测试可以为：改变模拟燃料电池对应的电池温度来测试DC/DC的稳定性，请参阅图6，图6示出了本申请实施例提供的一种DC/DC对应监测电流的变化示意图。如图6所示，图中横轴为测试时间t/s，纵轴为DC/DC对应监测电流IL/A，稳定性测试具体为：首先设置电池温度为328K，经过0.5s后突变为348K，随后在1S处变为338K。
由图6可知，在0.5s处温度突变时，经过约1ms后，DC/DC对应监测电流即可稳定在参考电流处，在1s处温度突变时，同样经过约1ms可以稳定在参考电流处，此种情况下，则确定DC/DC变流器通过该稳定性测试，本申请中，稳定性测试具体内容可根据实验需求预先进行设置。
本发明通过远程控制系统，将必要的模型参数输入到燃料电池模拟器中，利用模拟燃料电池对应的关系曲线，计算出DC/DC变流器的参考电流，并利用采样电路采集DC/DC变流器输入侧与输出侧的电压和电流，计算出DC/DC变流器的占空比，并输出对应的PWM波来实现对DC/DC变流器的控制，采集到的电力数据通过人机交互系统呈现在上位机上。
本发明计算速度快，对燃料电池输出特性的模拟准确，且不需要大量实验数据进行拟合，具有较高的应用价值，通过模拟燃料电池的方式进行稳定性测试，避免使用实际燃料电池所带来的安全问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。在本申请所提供的几个实施例中，应所述理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者所述技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，所述计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅为本申请的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种电压控制方法，其特征在于，所述方法应用于燃料电池模拟器，所述燃料电池模拟器与DC/DC变流器相连接，
其中，所述方法包括：
接收模拟燃料电池对应的模型参数和模拟燃料电池对应的工况数据，所述工况数据指示了模拟燃料电池对应的工作环境；
利用所述模型参数，创建燃料电池输出模型，所述燃料电池输出模型描述了模拟燃料电池所输出的电压与电流之间的函数关系；
通过所述燃料电池输出模型和所述工况数据，为所述DC/DC变流器提供输入电压和输入电流；
采集所述DC/DC变流器的输入侧对应的第一电压和第一电流以及输出侧对应的第二电压和第二电流；
根据所述燃料电池输出模型、所述工况数据和所述第二电压，确定DC/DC变流器对应的参考电流；
根据所述第一电压、第一电流、第二电压、第二电流和所述参考电流，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工况数据包括模拟燃料电池对应的设定电池温度、设定氢气分压、设定氧气分压和DC/DC变流器输入侧对应的第一设定电流，
其中，通过以下方式确定所述参考电流：
根据所述燃料电池输出模型，确定所述第一电压与第一电流之间的关系曲线；
根据所述关系曲线，确定与所述第一设定电流对应的第一目标电压；
根据所述第一目标电压、第一设定电流和所述第二电压，确定DC/DC变流器在对应工况数据下所对应的标准输出电流；
根据所述标准输出电流，确定所述DC/DC变流器对应的参考电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定所述标准输出电流：
Vin×Iin＝Vout×Iout
在该公式中，Vin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电压，Iin表示DC/DC变流器输入侧对应的输入电流，Vout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电压，Iout表示DC/DC变流器输出侧对应的输出电流，其中，将第一目标电压带入Vin、第一设定电流带入Iin、采集到的第二电压带入Vout，将计算得到的Iout确定为标准输出电流。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述DC/DC变流器包括多个并联的Buck电路，多个并联的Buck电路具备完全相同的电路结构和器件规格，
其中，通过以下公式确定所述DC/DC变流器对应的参考电流：
Iref＝Iouta/Num
在该公式中，Iref表示DC/DC变流器中的每个Buck电路对应的参考电流，Num表示DC/DC变流器中并联的Buck电路的总数，Iouta表示标准输出电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式完成对DC/DC变流器的电压输出控制：
根据采集到的所述第二电流和所述参考电流，计算DC/DC变流器对应的占空比；
根据DC/DC变流器对应的占空比，确定DC/DC变流器对应的脉宽调制信号；
根据DC/DC变流器对应的脉宽调制信号，完成对DC/DC变流器的电压输出控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定DC/DC变流器对应的占空比：
根据采集到的所述第二电流，确定所述DC/DC变流器中每个Buck电路对应的实际电流；
计算所述参考电流与所述实际电流之间的差值；
将所述差值输入电流调节器，得到所述电流调节器所输出的占空比。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型参数包括法拉第常数F、气体常数R、电流交换密度j0、传输系数ɑ、参与反应电子数z、质子交换膜有效面积A、面积比电阻ASRm、峰值电流密度jL、单电池数量Ncell、氢气分压pH2和氧气分压pO2，
其中，通过以下公式创建燃料电池输出模型：
VNFC＝Ncell×VFC＝Ncell×(Enemst-Vact-Vconc-Vohm)
在该公式中，VNFC表示模拟燃料电池所输出的第一电压，VFC表示模拟燃料电池中每个单电池所产生的电压；
Enemst为能斯特电压，Enemst＝1.229-(8.5×10-4)×(T-298.15)+(4.308×10-5)×T×[ln(pH2)+0.5ln(pO2)]，T表示模拟燃料电池的电池温度；
Vact表示活化过电压，j表示电流密度，j＝IFC/A，IFC表示DC/DC变流器的输入电流；
Vconc表示浓差过电压，
Vohm表示欧姆过电压，Vohm＝j×ASRm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述DC/DC变流器进行稳定性测试；
若所述DC/DC变流器通过所述稳定性测试，则确定DC/DC变流器输出稳定；
若所述DC/DC变流器未通过所述稳定性测试，则确定所述DC/DC变流输出不稳定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述稳定性测试包括：
获取预设稳定性测试所指示的稳定性参数；
按照预设方式改变稳定性参数的数值，采集所述DC/DC变流器对应的监测电流，所述监测电流为所述DC/DC变流器中Buck电路对应的电流；
在稳定性参数的数值发生变化后的预设时间内，判断所述监测电流是否稳定在参考电流处；
若所述监测电流稳定在参考电流处，则确定所述DC/DC变流器通过预设稳定性测试；
若所述监测电流未稳定在参考电流处，则确定所述DC/DC变流器未通过预设稳定性测试。
10.一种燃料电池模拟系统，其特征在于，所述燃料电池模拟系统包括燃料电池模拟器、DC/DC变流器、电压电流采集电路、驱动电路、人机交互系统和远程控制系统，其中，所述燃料电池模拟器应用于上述权利要求1-9任一所述的电压控制方法，所述电压电流采集电路用于采集DC/DC变流器对应的电力数据，所述电力数据包括DC/DC变流器输入侧对应的第一电压、第一电流、输出侧对应的第二电压、第二电流以及DC/DC变流器中Buck电路对应的实际电流，所述驱动电路用于输出PWM波，以实现燃料电池模拟器对所述DC/DC变流器的电压输出控制，所述人机交互系统用于显示所述电力数据，所述远程控制系统用于向所述燃料电池模拟器发送模拟燃料电池模型参数和模拟燃料电池运行过程中的工况数据。
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|---|---|---|---|
| CN202410277651.9A CN117996125A (zh) | 2024-03-12 | 2024-03-12 | 一种电压控制方法及燃料电池模拟系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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2024
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