專利名稱：一種燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，涉及燃料電池系統(tǒng)空氣端管理以及電流調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
目前，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的電流需求(所謂“需求 電流”是指動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)的輸出電流要求)突然增大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)空氣端的管理主要分為兩種策略一種是將電流的變化看作外部擾動(dòng)，而非輸入變量，不對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種控制策略由于空氣端的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，提供的空氣量小于所需空氣量，從而產(chǎn)生“缺氧”現(xiàn)象。另一種是通過(guò)負(fù)載調(diào)節(jié)器(Load Governor)對(duì)需求電流適當(dāng)調(diào)節(jié),確保燃料電池系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)“缺氧”現(xiàn)象，但是這種調(diào)節(jié)方式的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)的電流需求突然減小時(shí)，對(duì)系統(tǒng)空氣端的管理通常是將空壓機(jī)控制電壓直接降至新的電流需求對(duì)應(yīng)的電壓值，從而導(dǎo)致剩余空氣未被利用而損失了一部分的可用電能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，在滿足需求空氣量的同時(shí)，提高系統(tǒng)效率、延長(zhǎng)使用壽命、改善響應(yīng)時(shí)間以及降低計(jì)算負(fù)荷。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是—種燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，當(dāng)需求電流由Itjld增大到I-，判斷當(dāng)前的需求電流I-是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”，若是，則將當(dāng)前的需求電流I-降至臨界電流值Irait;反之，則將當(dāng)前的需求電流Idail作為電流控制的目標(biāo)值，直接施加于燃料電池電堆；當(dāng)需求電流由Itjld減小到I-，保持系統(tǒng)的其他輸入不變，將空壓機(jī)控制電壓直接降至當(dāng)前的需求電流I-對(duì)應(yīng)的電壓值，根據(jù)空氣流量拉取電流Ist。進(jìn)一步，所述判斷當(dāng)前的需求電流Idail是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”，是通過(guò)燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)當(dāng)前的需求電流I-是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”。所述需求電流由DC/DC轉(zhuǎn)換器控制，DC/DC轉(zhuǎn)換器作為電流調(diào)節(jié)裝置。所述臨界電流值Irait由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型確定，若
Icrit ^ Itradeoff Iold+S (I dem-I0id)，則需求電流降至臨界電流值Irait,并保持一段時(shí)間，再將電流拉至需求電流值I-;若I
crit〈 Itradeoff Iold+S (Idem-Itjld)，則需求電流由Ittit提高到Itradeoff,同時(shí)，空壓機(jī)和/或背壓閥的控制電壓相應(yīng)提高Au = (Aucp, Aubpv)；其中，Itradtjff為折衷的拉取電流值，常數(shù)s為可標(biāo)定的參數(shù)，Aucp, Aubpv分別表示
空壓機(jī)控制信號(hào)增量和背壓閥控制信號(hào)增量。
Γ — 0.233 X 4F所述拉取電流L - λο^ηοΛ. Mo^ ·，取 < =2.0其中，I2為過(guò)氧比，IW1為電堆片數(shù)，Mfl2為氧氣摩爾質(zhì)量，Wair為空氣流量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)該發(fā)明設(shè)計(jì)是基于電流調(diào)節(jié)的燃料電池空氣端管理策略。當(dāng)需求電流增加時(shí)，可以利用事先存儲(chǔ)在ROM中的模型的仿真結(jié)果得知該需求電流是否會(huì)引起“缺氧”。如果無(wú)“缺氧”，則DC/DC直接拉取該電流值，從而使得燃料電池系統(tǒng)對(duì)需求電流的響應(yīng)大大加快。當(dāng)需求電流減少時(shí)，DC/DC根據(jù)當(dāng)前電堆內(nèi)多余的空氣量和最優(yōu)過(guò)氧比拉取電流并存儲(chǔ)備用，從而提高系統(tǒng)效率。


圖I為燃料電池系統(tǒng)控制框圖。I-整車(chē)需求電流Ideni ；
2-需求空氣流量3-需要DC/DC拉取的電流I
crit Itradeoff 4-空壓機(jī)控制器信號(hào)U1 ;5-DC/DC 控制器信號(hào) U2 ；6-實(shí)際空氣流量Wcp。圖2為本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)空氣端控制策略流程圖。圖3為電流需求突然增大時(shí)的控制策略圖，其中，(a)表示
Icrit ^ Itradeoff Iold+S (Idem-I0Id)的情況，(b)表示 Icrit < Itradeoff = I0Id+S (Idem-I0Id)的情況。圖4為電流需求突然減小時(shí)的控制策略圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、供氫系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成，將DC/DC轉(zhuǎn)換器作為電流調(diào)節(jié)裝置。當(dāng)電流需求由Itjld增大到Idem時(shí)，也就是當(dāng)主控制器(如整車(chē)控制器)產(chǎn)生較大的需求電流信號(hào)后，保持系統(tǒng)的其他輸入不變，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)當(dāng)前的需求電流I-是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”。如果通過(guò)燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)不會(huì)產(chǎn)生“缺氧”現(xiàn)象，則DC/DC轉(zhuǎn)換器將需求電流作為電流控制目標(biāo)值，直接施加于燃料電池電堆，其中燃料電池電堆電氣輸出是DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入，DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流控制通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)無(wú)電流調(diào)節(jié)。若需求的電流值會(huì)產(chǎn)生“缺氧”現(xiàn)象，首先由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出某一臨界電流值Irait,這一臨界值為不會(huì)產(chǎn)生“缺氧”現(xiàn)象的最大電流值。如果由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型得出的Irait滿足以下關(guān)系式Icrit ^ !tradeoff — I0ld+S (Idem_I0ld)⑴其中，Itradraff為折衷的拉取電流值，常數(shù)s為可標(biāo)定的參數(shù)，其大小在O至I變化，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)而定，本例中取為O. 5。此時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器須將需求電流降至臨界電流值Irait，DC/DC轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的這一電流臨界值保持一段時(shí)間后，進(jìn)一步將電流拉至需求電流值I-。該保持時(shí)間由燃料電池空氣管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(如進(jìn)入電堆的空氣流量動(dòng)態(tài))決定。由于該電流值可以通過(guò)模型離線仿真獲得并可以以表格的形式存儲(chǔ)在微控制器的ROM中，因此，這種控制方案對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有很大的實(shí)用性。同時(shí)，保持其他控制信號(hào)不變，從而簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)(圖3(a))。如果臨界電流值過(guò)小，即由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型得出的Irait滿足以下關(guān)系式Icrit〈 Itradeoff — I0id+S (Idem-I0Id)⑵此時(shí)表明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)慢。因此，將DC/DC所拉電流值Irait提高到Itratoff,同時(shí)，空壓機(jī)和/或背壓閥的控制電壓相應(yīng)提高Au = (Aucp, Aubpv),其中，Aucp> Aubpv分別表示空壓機(jī)控制信號(hào)增量和背壓閥控制信號(hào)增量，最優(yōu)的△!!由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型決定(圖3 (b))，從而提高空氣流量和壓力。當(dāng)電流需求由Itjld減小到I-時(shí)，因?qū)嶋H空氣流量高于所需空氣流量，不再會(huì)有“缺氧”現(xiàn)象出現(xiàn)，但是電流需求的突然減小，加之管路的動(dòng)態(tài)特性，將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入燃料電池的空氣量不可能同需求電流一樣快速減小，其瞬態(tài)過(guò)程(圖4)中的額外空氣量可資利用。在此過(guò)程中，保持系統(tǒng)的其他輸入不變，將空壓機(jī)控制電壓直接降至當(dāng)前的需求電流I-對(duì)應(yīng)的電壓值，控制DC/DC調(diào)節(jié)器根據(jù)空氣流量拉取適量電流Ist， 從而有效利用系統(tǒng)中多余的空氣量，將系統(tǒng)產(chǎn)生的這部分額外能量存儲(chǔ)到能量緩沖器中(圖2)。拉取電流Ist與現(xiàn)有流量的關(guān)系為
Γ — 0.233 X 4F ηλSt — ^o2 -ncen -M02 · mr，取夂=2.0其中，I2為過(guò)氧比，IW1為電堆片數(shù)，Mtj2為氧氣摩爾質(zhì)量，ffair為空氣流量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。本發(fā)明中所使用的燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型主要包括空壓機(jī)動(dòng)態(tài)模型、燃料電池電堆陰極動(dòng)態(tài)模型、氣體管路動(dòng)態(tài)模型、燃料電池電堆陽(yáng)極動(dòng)態(tài)模型、質(zhì)子交換膜動(dòng)態(tài)模型、電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)模型。空壓機(jī)動(dòng)態(tài)模型根據(jù)力矩平衡方程建立，空壓機(jī)出口流量由空壓機(jī)靜態(tài)特性表確定。氣體管路動(dòng)態(tài)模型根據(jù)氣體質(zhì)量守恒定律確定。燃料電池電堆陰、陽(yáng)極動(dòng)態(tài)模型主要考慮反應(yīng)氣體組分平衡，反應(yīng)氣體的消耗速率以及產(chǎn)物生成速率遵循法拉第定理。質(zhì)子交換膜動(dòng)態(tài)模型考慮膜中水的傳遞現(xiàn)象。電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)模型主要考慮燃料電池開(kāi)路電壓、陰陽(yáng)極活化過(guò)電勢(shì)以及歐姆損失。在整個(gè)燃料電池模型中，電流信號(hào)、空壓機(jī)控制信號(hào)和背壓閥開(kāi)度信號(hào)為模型輸入量。模型輸出為電堆電壓和過(guò)氧比。燃料電池是否產(chǎn)生“缺氧”現(xiàn)象可通過(guò)該模型的過(guò)氧比輸出最小值是否小于I來(lái)判斷。臨界電流值為將需求電流值逐漸減小，直到由模型預(yù)測(cè)出的過(guò)氧比最小值不低于I所對(duì)應(yīng)的電流值。這一臨界電流值的計(jì)算過(guò)程是在線完成的，其計(jì)算量較非線性在線優(yōu)化要小。上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，其特征在于 當(dāng)需求電流由Itjld增大到I-，判斷當(dāng)前的需求電流Idrai是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”，若是，則將當(dāng)前的需求電流I-降至臨界電流值Irait;反之，則將當(dāng)前的需求電流I-作為電流控制的目標(biāo)值，直接施加于燃料電池電堆； 當(dāng)需求電流由Itjld減小到I-，保持系統(tǒng)的其他輸入不變，將空壓機(jī)控制電壓直接降至當(dāng)前的需求電流Idrai對(duì)應(yīng)的電壓值，根據(jù)空氣流量拉取電流Ist。
2.如權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，其特征在于所述判斷當(dāng)前的需求電流I-是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”，是通過(guò)燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)當(dāng)前的需求電流Ideffl是否會(huì)引起系統(tǒng)“缺氧”。
3.如權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，其特征在于所述需求電流由DC/DC轉(zhuǎn)換器控制，DC/DC轉(zhuǎn)換器作為電流調(diào)節(jié)裝置。
4.如權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，其特征在于所述臨界電流值Icrit由燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型確定， 若 Icrit ^ Itradeoff 工 Cid+S(Ideffl-Ioid)，則需求電流降至臨界電流值Ittit,并保持一段時(shí)間，再將電流拉至需求電流值I—; 若 Icrit〈 Itradeoff Iold+S (Idem-Iold)，則需求電流由Irait提高到Itratoff,同時(shí)，空壓機(jī)和/或背壓閥的控制電壓相應(yīng)提高Au = (Aucp, Aubpv)； 其中，Itradeoff為折衷的拉取電流值，常數(shù)s為可標(biāo)定的參數(shù)，Δ ucp, Δ Ubpv分別表示空壓機(jī)控制信號(hào)增量和背壓閥控制信號(hào)增量。
5.如權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，其特征在于所述拉取電流
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池系統(tǒng)空氣端控制方法，當(dāng)需求電流由Iold增大到Idem，判斷當(dāng)前的需求電流Idem是否引起系統(tǒng)“缺氧”，若是，則將當(dāng)前的需求電流Idem降至臨界電流值Icrit；反之，則將當(dāng)前的需求電流Idem作為電流控制的目標(biāo)值，直接施加于燃料電池電堆；當(dāng)需求電流由Iold減小到Idem，保持系統(tǒng)的其他輸入不變，將空壓機(jī)控制電壓直接降至當(dāng)前的需求電流Idem對(duì)應(yīng)的電壓值，根據(jù)空氣流量拉取電流Ist。本發(fā)明的控制方法既可以加快響應(yīng)時(shí)間，又可以充分利用空氣流量，提高系統(tǒng)效率。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102891329SQ20111020221
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者周蘇, 紀(jì)光霽, 劉冀晨, 章桐 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)