CN209487615U - 燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于电动汽车控制技术领域，具体涉及一种燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，其包括质子交换膜燃料电池堆、燃料电控阀门、压力调节器、三通阀门、逆变器、短路电控开关、可调虚拟负载、空气压力传感器、氢气压力传感器、空气排气门电控阀门、空气进气压缩机、燃料循环泵、控制器。本实用新型在质子交换膜燃料电池堆启停过程中，采用了接入可调虚拟负载的方法有效减小电池过电位等问题，进一步采用模糊控制算法获得更优的虚拟负载值，有效减小了电池堆启停过程中的衰减；通过在燃料进气侧采用反馈模糊控制算法，控制燃料进气的压力调节器，使得燃料供给更加平稳，大大提高了质子交换膜燃料电池的耐久性与可靠性。

Description

燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置
技术领域
本实用新型属于燃料电池电动汽车控制技术领域，具体涉及一种燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置。
背景技术
质子交换膜燃料电池技术经过二十余年的持续研发和不断突破，使得燃料电池汽车性能基本满足了商业化指标要求，并成为当前备受瞩目的新能源汽车。然而，质子交换膜燃料电池伴随实际车况变化会经历燃料供应、湿度、温度、电流、电压等复杂循环过程，造成燃料电池的关键材料衰减加速，并且车用燃料电池的耐久性问题棘手且涉及面广。通过燃料电池汽车的大量示范运行，人们发现车用燃料电池的关键材料和部件的劣化工况主要有六种:
(1)频繁的启动停止引起的高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；
(2)低温循环所伴随的胀缩造成膜电极机械损伤；
(3)低负荷运行导致质子交换膜分解；
(4)反复加减速引起的电位循环造成催化剂铂颗粒粗大化；
(5)深功率放电引起质子交换膜、催化剂以及载体的衰减加速；
(6)杂质引起电池催化剂毒化以及膜质子传导能力衰减。
国际上已经获得了质子交换膜燃料电池启停保护的相关专利。韩国现代汽车公司申请的专利USP:2005026022-A1提出关闭进气阀，外加负载，消耗残留氧气，从而降低阴极电位，起到保护电堆的目的。Bekkedahl于2002年申请的专利USP:6913845-B2，提出了一种“短路”的解决策略。该策略通过在电堆中的每个单电池之间设置一个分路器，从而提高每个单电池承受阴极高电位的能力。例如通过旋转的或者热控制的弹簧致动短路机构可以仅在燃料电池堆的启动和关闭期间“短路”燃料电池堆中的每个单电池。Dine于2001年申请了专USP:6514635-B2，提出了通过部分关闭阳极排气回收系统，切断外部电路的主要负载，停止阴极的空气供给，用外加负载减少或限制电池电压，从而降低阴极电位。当停止燃料供应时，继续阳极气体循环，利用存在的氧气将氢气转化为水，一直持续到将所有氢气移除。
实用新型内容
针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是基于质子交换膜燃料电池启停过程的衰减机理，提供一种燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，控制质子交换膜在电动汽车启动、停止过程的运行参数，提高车用质子交换膜燃料电池的耐久性与可靠性。
为实现上述技术目的，本实用新型采用以下的技术方案：燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，包括质子交换膜燃料电池堆、燃料电控阀门、压力调节器、三通阀门、逆变器、短路电控开关、可调虚拟负载、空气压力传感器、氢气压力传感器、空气排气门电控阀门、空气进气压缩机、燃料循环泵、控制器；
所述质子交换膜燃料电池堆由电池堆体、电池正极、空气出口、空气流道、空气进口、燃料出口、燃料流道、燃料进口、电池负极构成；
氢气供给与燃料进口连接，中间依次串联燃料电控阀门、压力调节器、三通阀门，燃料出口与三通阀门连接，中间串联燃料循环泵，所述氢气压力传感器安装在燃料流道内壁；
空气供给与空气进口连接，中间串联空气进气压缩机，空气出口安装空气排气门电控阀门；
所述电池正极与电池负极分别安装在逆变器正端口与负端口，电池正极与电池负极还并联一条支路，并联支路由短路电控开关与可调虚拟负载串联构成；
所述控制器输入端与电池堆体阴极电位传感器连接，检测电池堆体的阴极电位，控制器输入端还与空气压力传感器、氢气压力传感器连接，检测质子交换膜燃料电池堆的空气流道与燃料流道的压力，控制器的输出分别与控制端口K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7连接；
K1是燃料循环泵的控制端口；
K2是燃料电控阀门的控制端口；
K3是压力调节器的控制端口；
K4是短路电控开关的控制端口；
K5是可调虚拟负载的控制端口；
K6是空气排气门电控阀门的控制端口；
K7是空气进气压缩机的控制端口。
所述质子交换膜燃料电池堆是将燃料的化学能转换为电能，为电动汽车提供电力。
所述燃料电控阀门用于控制燃料供给的流量。
所述压力调节器用于调节燃料供给的压力。
所述三通阀门用于将燃料和没有参加反应的燃料重新混合，送入质子交换膜燃料电池堆中。
所述逆变器是将燃料电池产生的直流电转换为交流电。
所述短路电控开关由继电器构成，用于控制可调虚拟负载的导通或者断开。
所述可调虚拟负载用于调节启动过程可能产生的过电位，虚拟负载的值可根据过电位的大小进行调节。
所述空气压力传感器用于检测质子交换膜燃料电池堆空气侧的供给压力，由压力传感器构成。
所述氢气压力传感器主要用于检测质子交换膜燃料电池堆燃料供给侧的供给压力，由压力传感器构成。
所述空气排气门电控阀门用于控制排气门的开度。
所述空气进气压缩机用于将常压的空气进行压缩，送至质子交换膜燃料电池堆的空气侧，加大空气供给压力，为电化学反应提供更多的氧化剂。
所述燃料循环泵用于将常压的空气进行压缩，送至质子交换膜燃料电池堆的燃料侧，加大燃料供给压力，为电化学反应提供更多的还原剂。
所述控制器由高性能芯片构成，将检测到的信号，经过控制算法获得控制信号，分别送至K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7。
由于采用上述技术方案，本实用新型具有至少以下有益效果：
(1)本实用新型在质子交换膜燃料电池堆启停过程中，采用了接入可调虚拟负载的方法有效减小电池过电位等问题，进一步采用模糊控制算法获得更优的虚拟负载值，有效减小电池堆启停过程中的衰减；
(2)本实用新型在燃料进气侧采用反馈模糊控制算法，控制燃料进气的压力调节阀，使得燃料供给更加平稳。
附图说明
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：
图1是本实用新型实施例的系统结构图；
图2是本实用新型实施例中质子交换膜燃料电池堆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1和图2所示，燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，包括质子交换膜燃料电池堆1、燃料电控阀门2、压力调节器3、三通阀门4、逆变器5、短路电控开关6、可调虚拟负载7、空气压力传感器8、氢气压力传感器9、空气排气门电控阀门10、空气进气压缩机11、燃料循环泵12、控制器13；
所述质子交换膜燃料电池堆1由电池堆体101、电池正极102、空气出口103、空气流道104、空气进口105、燃料出口106、燃料流道107、燃料进口108、电池负极109构成；
氢气供给与燃料进口108连接，中间依次串联燃料电控阀门2、压力调节器3、三通阀门4，燃料出口106与三通阀门4连接，中间串联燃料循环泵12，所述氢气压力传感器9安装在燃料流道107内壁；
空气供给与空气进口105连接，中间串联空气进气压缩机11，空气出口103安装空气排气门电控阀门10；
所述电池正极102与电池负极109分别安装在逆变器5正端口与负端口，电池正极102与电池负极109还并联一条支路，并联支路由短路电控开关6与可调虚拟负载7串联构成；
所述控制器13输入端与电池堆体101阴极电位传感器连接，检测电池堆体101的阴极电位，控制器13输入端还与空气压力传感器8、氢气压力传感器9连接，分别检测质子交换膜燃料电池堆1的空气流道104与燃料流道107的压力，控制器13的输出分别与控制端口K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7连接。
启动过程控制包括如下步骤：
第一步：控制器13控制K6，关闭空气排气门电控阀门10；
第二步：控制器13控制K2，打开燃料电控阀门2；
第三步：控制器13控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关6与可调虚拟负载7；
第四步：控制器13控制K6、K7，打开空气排气门电控阀门10与空气进气压缩机11；
第五步：控制器13控制K1、K2、K3，打开燃料电控阀门2，控制压力调节器3与燃料循环泵12，保持燃料流道107内的氢气压力平稳；
所述第三步：控制器13控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关6与可调虚拟负载7，具体虚拟负载大小的控制方案采用开环模糊控制：
模糊控制器的控制结构为2输入、单输出结构：
输入变量x1：阴极电位；
输入变量x2：阳极残余氢气浓度；
输出量为虚拟负载的控制量u，控制接入虚拟负载的大小；
输入输出变量论域和量化因子：
输入变量x1、输入变量x2的基本论域设计为(-200V，+200V)，然后将两个输入量分为5个语言变量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、负中(NM)、负大(NB)，两个输入量的5个语言变量在基本论域(-200V，+200V)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；
输出变量u基本论域为(-80kW，+80kW)，然后将这个变化量分为5个语言变量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、负中(NM)、负大(NB)；输出变量的5个语言变量在基本论域(-80kW，+80kW)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；
模糊控制规则的设计：
设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，模糊控制规则表为：
解模糊：
解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊；
所述第五步：控制器13控制K1、K2、K3，打开燃料电控阀门2，控制压力调节器3与燃料循环泵12，保持燃料流道107内的氢气压力平稳；其具体压力控制方案为闭环模糊控制，采集压力误差信号与压力误差信号的变换量，通过模糊控制算法获得压力调节器3控制量信号：
模糊控制器的控制结构为2输入、单输出结构：
输入变量e1：压力误差；
输入变量e2：压力误差变化率；
输出量为压力调节器3控制量信号y，
各输入变量的模糊分割为：
输入变量e1：[PL(正大),ZE(零),NL(负大)]
输入变量e2：[PL(正大),ZE(零),NL(负大)]
输出变量y：采用T-S模糊模型，输出值是精确值，无需模糊分割；
模糊推理：
T-S模糊模型采用“if-then”规则定义模糊规则，具体T-S模糊控制规则为Rm，
其中，m为模糊系统的模糊集合为控制规则总数，m＝1,2,...,18，为模糊系统的模糊集合，i为模糊集合数，i＝1,2,3，即正大、零、负大，j为输入变量个数，j＝1,2；与为模糊系统参数，范围为(0，1)，ym为根据模糊控制规则得到的输出，输入部分是模糊的，输出部分是确定的，T-S模糊推理表示输出为输入的线性组合；本实用新型输入变量x＝[x1,x2]，首先根据模糊规则计算各输入变量的隶属度：
式中，分别为隶属度函数的中心和宽度；
模糊计算与输出：
将隶属度进行模糊计算，采用模糊算子为连乘算子：
根据模糊计算结果计算模糊模型的输出值y：
停止过程控制包括如下步骤：
第一步：控制制器13控制K2，先关闭燃料电控阀门2，再控制K1、K3，关闭燃料循环泵12与压力调节器3；
第二步：控制器13控制K7，先关闭空气进气压缩机11，再控制K6，后关闭空气排气门电控阀门10；
控制器13控制K2，打开燃料电控阀门2；
第三步：控制器13控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关6与可调虚拟负载7；具体虚拟负载大小的控制方案亦采用开环模糊控制，开环模糊控制方案与启动过程中第三步的开环模糊控制方案相同。
本实用新型在质子交换膜燃料电池堆启停过程中，采用了接入可调虚拟负载的方法有效减小电池过电位等问题，进一步采用模糊控制算法获得更优的虚拟负载值，有效减小了电池堆启停过程中的衰减；通过在燃料进气侧采用反馈模糊控制算法，控制燃料进气的压力调节阀，使得燃料供给更加平稳，大大提高了车用质子交换膜燃料电池的耐久性与可靠性。
以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域内的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (1)

1.燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池堆(1)、燃料电控阀门(2)、压力调节器(3)、三通阀门(4)、逆变器(5)、短路电控开关(6)、可调虚拟负载(7)、空气压力传感器(8)、氢气压力传感器(9)、空气排气门电控阀门(10)、空气进气压缩机(11)、燃料循环泵(12)、控制器(13)；
所述质子交换膜燃料电池堆(1)由电池堆体(101)、电池正极(102)、空气出口(103)、空气流道(104)、空气进口(105)、燃料出口(106)、燃料流道(107)、燃料进口(108)、电池负极(109)构成；
氢气供给与燃料进口(108)连接，中间依次串联燃料电控阀门(2)、压力调节器(3)、三通阀门(4)，燃料出口(106)与三通阀门(4)连接，中间串联燃料循环泵(12)，所述氢气压力传感器(9)安装在燃料流道(107)内壁；
空气供给与空气进口(105)连接，中间串联空气进气压缩机(11)，空气出口(103)安装空气排气门电控阀门(10)；
所述电池正极(102)与电池负极(109)分别安装在逆变器(5)正端口与负端口，电池正极(102)与电池负极(109)还并联一条支路，并联支路由短路电控开关(6)与可调虚拟负载(7)串联构成；
所述控制器(13)输入端与电池堆体(101)阴极电位传感器连接，检测电池堆体(101)的阴极电位，控制器(13)输入端还与空气压力传感器(8)、氢气压力传感器(9)连接，检测质子交换膜燃料电池堆(1)的空气流道(104)与燃料流道(107)的压力，控制器(13)的输出分别与控制端口K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7连接；
K1是燃料循环泵(12)的控制端口；
K2是燃料电控阀门(2)的控制端口；
K3是压力调节器(3)的控制端口；
K4是短路电控开关(6)的控制端口；
K5是可调虚拟负载(7)的控制端口；
K6是空气排气门电控阀门(10)的控制端口；
K7是空气进气压缩机(11)的控制端口。
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