專利名稱：一種車用pemfc壓力控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
PEMFC 即質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)的英文縮寫。PEMFC發(fā)電在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極， 陰極為電源正極。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修方便，工作時也沒有噪音等優(yōu)點，非常適宜用作車載動力源。PID (比例-積分-微分)控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。PID控制算法被測參數(shù)(模擬量溫度、壓力、流量)由傳感器變換成統(tǒng)一的標準信號后輸入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，再把比較后的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變進給量，以達到自動調(diào)節(jié)的目的。階段國內(nèi)車用PEMFC壓力控制多采用氫氣和空氣單路獨立PID控制，經(jīng)研究表明 當保持溫度和陰極進氣壓力基本恒定，僅提高陽極氫氣的壓力時，PEMFC的發(fā)電性能并沒有明顯的變化；當保持溫度和陽極進氣壓力基本恒定，提高陰極壓力時，電池的性能明顯改善。但是，考慮到質(zhì)子交換膜的安全，陰極壓力只能略高于陽極壓力，一般不超過0.02MPa， 而且兩側(cè)壓力控制不論在上升階段、穩(wěn)態(tài)階段還是在下降階段，都要求保持同升和同降。根據(jù)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)壓力的這一控制特性，提出一種控制算法實現(xiàn)兩側(cè)壓力的協(xié)調(diào)控制是非常重要的，但現(xiàn)有的車載PEMFC壓力控制系統(tǒng)普遍存在算法復雜、實時性較差等技術(shù)問題。中國專利文獻公開了一種車用燃料電池發(fā)動機控制方法及裝置[申請?zhí)?CN200410061457. X]，其特征在于，其燃料電池發(fā)動機控制器是由氫氣供給系統(tǒng)，空氣供給和加濕系統(tǒng)，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，安全報警系統(tǒng)，通訊監(jiān)控系統(tǒng)和控制器等，其中氫氣供給系統(tǒng)負責提供一定壓力和流量的氫氣，氫氣進入電堆后將在表面附有催化及的質(zhì)子交換膜上與交換膜另一側(cè)的氧氣發(fā)生反應，產(chǎn)生電能，熱量和水?？刂破鞲鶕?jù)實時采集的功率為依據(jù)，調(diào)節(jié)氫氣入口壓力，在保證氫氣供應量的同時，防止壓力過高，對電堆產(chǎn)生破壞。上述方案在一定程度上提高了車用PEMFC的性能，但是該發(fā)明沒有解決電堆兩側(cè)壓力的協(xié)調(diào)控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，該車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)采用一種變輸入PID控制算法，實現(xiàn)陽極和陰極兩側(cè)壓力的協(xié)調(diào)控制。
本發(fā)明通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)一種車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，設(shè)置于車用 PEMFC壓力系統(tǒng)上，車用PEMFC壓力系統(tǒng)包括燃料電池堆、連接于燃料電池堆氫氣進出口的氫氣供氣裝置、連接于燃料電池堆空氣進出口的空氣供氣裝置，所述的PEMFC壓力控制系統(tǒng)包括用于控制上述氫氣供氣裝置的氫氣壓力控制電路和用于控制上述空氣供氣裝置的空氣壓力控制電路，在所述的氫氣進口和空氣進口分別設(shè)有氫氣壓力傳感器和空氣壓力傳感器，所述的空氣壓力控制電路包括空氣PID控制器和與空氣PID控制器輸入端連接的中間控制器，上述的氫氣壓力傳感器和空氣壓力傳感器均與中間控制器連接，所述空氣PID 控制器與空氣供氣裝置連接，所述的中間控制器能夠?qū)錃鈮毫鞲衅骱涂諝鈮毫鞲衅鬏斔蛠淼膲毫χ颠M行差值計算并進行分析處理后輸出相應的控制信號給空氣PID控制器， 所述的空氣PID控制器能夠根據(jù)上述的控制信號控制空氣供氣裝置進而控制燃料電池堆空氣進出口的流量。該車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中氫氣供氣裝置和空氣供氣裝置能向燃料電池堆不斷的供應氣體并提供一定的壓力，在氫氣進口和空氣進口分別設(shè)有氫氣壓力傳感器和空氣壓力傳感器，用于檢測氫氣和氧氣輸入燃料電池堆產(chǎn)生的壓力，將檢測到的氣體壓力值分別傳給中間控制器，該中間控制器對檢測到的壓力值進行差值計算并進行分析判斷其壓力差值是否超出設(shè)定值，并輸出對應的控制信號給空氣PID控制器，空氣PID控制器則根據(jù)中間控制器輸出的相應控制信號控制空氣供氣裝置進而控制燃料電池堆空氣進口的流量，從而實現(xiàn)兩側(cè)氣體的協(xié)調(diào)控制。在上述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中，在所述中間控制器判斷氫氣壓力和空氣壓力的差值在設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器輸送給空氣PID控制器的輸入量為r(kT)= [R-y (kT) ] L+y (kT)，其中y (kT)為空氣壓力采樣值，R為壓力控制的最終目標值，L為壓力上升速度設(shè)定值。其L值越小控制越穩(wěn)定，可以根據(jù)上升速度和控制精度要求適當選擇，但當兩側(cè)壓力差在設(shè)定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對上升速度更為重要，L值的選取相對來說應小些。在上述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中，在所述中間控制器判斷氫氣壓力和空氣壓力的差值超出設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器輸送給空氣PID控制器的輸入量r (kT)= [7!1(1^)+70(1^)]/2，其中7!1(1^)為氫氣壓力采樣值，yO(kT)為氧氣壓力采樣值。在上述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中，所述空氣供氣裝置包括依次連接的空氣過濾器、高速風機、加濕器和空氣流量控制閥，所述的空氣流量控制閥輸出端與燃料電池堆空氣進口連接，燃料電池堆空氣出口與空氣尾氣處理器連接，所述的空氣流量控制閥的輸入端與上述的空氣PID控制器電連接。該空氣供氣裝置中空氣首先通過空氣過濾器過濾掉可能含有的雜質(zhì)，將較為純凈的空氣通過高速風機后變成具有一定速度和壓力的氣體，然后經(jīng)過加濕器進行加濕，變成較為適合的狀態(tài)進入燃料電池堆，純凈濕潤空氣中的氧氣在燃料電堆中與氫氣發(fā)生反應時產(chǎn)生電能，其尾氣通過空氣尾氣處理器處理后排出。其中空氣流量控制閥控制燃料電池堆空氣進口的空氣進氣流量，協(xié)調(diào)兩側(cè)壓力差并使之保持在一定的范圍內(nèi)，從而提高PEMFC的發(fā)電性能。在上述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中，所述氫氣供氣裝置包括依次連接的氫氣壓縮氣罐、高壓閥、高壓減壓閥和氫氣流量控制閥，氫氣流量控制閥的輸出端與燃料電池堆氫氣進口連接，燃料電池堆氫氣出口與氫氣尾氣處理器連接。氫氣供氣裝置中氫氣先儲存在氫氣壓縮氣罐中，再通過一個高壓閥，輸出的高壓氫氣是不能直接進入燃料電池堆的，因此高壓氫氣先經(jīng)過高壓減壓閥將壓力降低到合適的范圍，再輸入到燃料電池堆，并與燃料電池堆中氧氣發(fā)生反應。其中氫氣流量控制閥是用于控制氫氣進入電堆的流量，調(diào)整兩側(cè)氣體的壓力差。在上述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)中，所述氫氣壓力控制電路包括氫氣PID控制器，所述的氫氣PID控制器輸入端與所述的氫氣壓力傳感器連接，氫氣PID控制器輸出端與氫氣流量控制閥電連接。該氫氣壓力傳感器將檢測到的壓力信號傳送給氫氣PID控制器， 氫氣PID控制器經(jīng)過分析判斷將信號傳給氫氣流量控制閥，控制氫氣流量閥的開度，從而控制輸入燃料電池堆的氫氣流量。現(xiàn)有技術(shù)相比，本車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明是在氫氣和空氣單路獨立PID控制中另加一個中間控制器，將兩單路獨立PID控制連接起來，通過中間控制器判斷兩側(cè)的壓力差，控制陰極壓力略高于陽極壓力， 采用了兩種控制策略的結(jié)合，確保了當PEMFC發(fā)電系統(tǒng)在功率變化很大時，系統(tǒng)控制不存在超調(diào)問題，從而實現(xiàn)了電堆兩側(cè)壓力的協(xié)調(diào)控制，進一步改善了電池的性能。2、本發(fā)明采用變輸入雙路協(xié)調(diào)控制不僅更好地滿足了電堆壓力的控制特性，保證電堆運行的高效性和安全性，而且也解決了上升速度和超調(diào)量之間的矛盾。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、氫氣供氣裝置；2、空氣供氣裝置；3、氫氣壓力控制電路；4、空氣壓力控制電路；5、燃料電池堆；6、氫氣尾氣處理器；7、空氣尾氣處理器；8、氫氣壓力傳感器；9、空氣壓力傳感器；10、中間控制器；11、空氣PID控制器；12、氫氣PID控制器；13、氫氣；14、氫氣壓縮氣罐；15、高壓閥；16、高壓減壓閥；17、氫氣流量控制閥；18、空氣；19、空氣過濾器； 20、高速風機；21、加濕器；22、空氣流量控制閥。
具體實施例方式以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述， 但本發(fā)明并不限于這些實施例。如圖1所示，本車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，設(shè)置于車用PEMFC壓力系統(tǒng)上，車用 PEMFC壓力系統(tǒng)包括燃料電池堆5、連接于燃料電池堆5氫氣進出口的氫氣供氣裝置1、連接于燃料電池堆5空氣進出口的空氣供氣裝置2，其氫氣供氣裝置1包括依次連接的空氣過濾器19、高速風機20、加濕器21和空氣流量控制閥22，該空氣流量控制閥22輸出端與燃料電池堆5空氣進口連接，燃料電池堆5空氣出口與空氣尾氣處理器7連接；其氫氣供氣裝置1 包括依次連接的氫氣壓縮氣罐14、高壓閥15、高壓減壓閥16和氫氣流量控制閥17，氫氣流量控制閥17的輸出端與燃料電池堆5氫氣進口連接，燃料電池堆5氫氣出口與氫氣尾氣處理器6連接。其PEMFC壓力控制系統(tǒng)包括用于控制上述氫氣供氣裝置1的氫氣壓力控制電路3和用于控制上述空氣供氣裝置2的空氣壓力控制電路4，空氣壓力控制電路4包括空氣PID控制器11和與空氣PID控制器11輸入端連接的中間控制器10，氫氣壓力控制電路 3包括氫氣PID控制器12，在燃料電池堆5的氫氣進口和空氣進口分別設(shè)有氫氣壓力傳感器8和空氣壓力傳感器9，其氫氣壓力傳感器8和空氣壓力傳感器9均與中間控制器10連接，與中間控制器10輸出端連接的空氣PID控制器11與空氣供氣裝置2中的空氣流量控制閥22電連接，其氫氣PID控制器12輸入端與氫氣壓力傳感器8連接，氫氣PID控制器12 輸出端與氫氣流量控制閥17電連接。該車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，氫氣供氣裝置1和空氣供氣裝置2能向燃料電池堆5 不斷的供應氣體并提供一定的壓力，空氣供氣裝置2中空氣18首先通過空氣過濾器19過濾掉可能含有的雜質(zhì)，將較為純凈的空氣通過高速風機20后變成具有一定速度和壓力的氣體，然后經(jīng)過加濕器21進行加濕，變成較為適合的狀態(tài)進入燃料電池堆5的空氣進口，其空氣進口設(shè)有的空氣壓力傳感器9檢測空氣的壓力值；氫氣供氣裝置1中氫氣13先儲存在氫氣壓縮氣罐14中，再通過一個高壓閥15，輸出的高壓氫氣是不能直接進入燃料電池堆 5的，因此高壓氫氣先經(jīng)過高壓減壓閥16將壓力降低到合適的范圍，再輸入到燃料電池堆 5的氫氣進口，其氫氣進口設(shè)有的氫氣壓力傳感器8用于檢測氫氣的壓力值，該氫氣壓力傳感器8將檢測到的壓力信號傳送給氫氣PID控制器12，氫氣PID控制器12經(jīng)過分析判斷將信號傳給氫氣流量控制閥17，控制氫氣流量閥的開度，從而控制輸入燃料電池堆5的氫氣流量。氫氣壓力傳感器8和空氣壓力傳感器9分別與中間控制器10連接，該中間控制器 10能對檢測到的氫氣和空氣壓力值進行差值計算并進行分析判斷其壓力差值是否超出設(shè)定值，若氫氣壓力和空氣壓力的差值在設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器10輸送給空氣PID控制器11的輸入量為r(kT)=[尺1(1^)凡+70^)，其中70^)為空氣壓力采樣值，R為壓力控制的最終目標值，L為壓力上升速速設(shè)定值，其L值越小控制越穩(wěn)定，可以根據(jù)上升速度和控制精度要求適當選擇，但當兩側(cè)壓力差在設(shè)定范圍內(nèi)時，系統(tǒng)穩(wěn)定性相對上升速度更為重要，L值的選取相對來說應小些；若氫氣壓力和空氣壓力的差值超出設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器10輸送給空氣PID控制器11的輸入量r(kT) = [7!1(1^)+70(1^)]/2，其中7!1(1^) 為氫氣壓力采樣值，yO(kT)為氧氣壓力采樣值。其中空氣PID控制器11控制空氣供氣裝置 2中的空氣流量控制閥22的開度，從而控制燃料電池閥的空氣進氣流量，即調(diào)節(jié)其輸入量 r(KT)的數(shù)值，最后，氫氣和純凈濕潤空氣中的氧氣進入燃料電池堆5中并在燃料電池堆5 中發(fā)生反應產(chǎn)生電能，其尾氣分別通過空氣尾氣處理器7和氫氣尾氣處理器6處理后排出。 傳遞空氣流量控制信號的通訊可以用CAN總線，也可以用其他通訊模式，比如SCI、RS232、 RS485等。通過以上兩種控制策略的結(jié)合，確保了當PEMFC發(fā)電系統(tǒng)在功率變化很大時，系統(tǒng)控制不存在超調(diào)問題，從而實現(xiàn)兩側(cè)氣體的協(xié)調(diào)控制。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管本文較多地使用了氫氣供氣裝置1、空氣供氣裝置2、氫氣壓力控制電路3、空氣壓力控制電路4、燃料電池堆5、氫氣尾氣處理器6、空氣尾氣處理器7、氫氣壓力傳感器8、 空氣壓力傳感器9、中間控制器10、空氣PID控制器11、氫氣PID控制器12、氫氣13、氫氣壓縮氣罐14、高壓閥15、高壓減壓閥16、氫氣流量控制閥17、空氣18、空氣過濾器19、高速風機20、加濕器21、空氣流量控制閥22等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權(quán)利要求
1.一種車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，設(shè)置于車用PEMFC壓力系統(tǒng)上，車用PEMFC壓力系統(tǒng)包括燃料電池堆(5)、連接于燃料電池堆( 氫氣進出口的氫氣供氣裝置(1)、連接于燃料電池堆(5)空氣進出口的空氣供氣裝置O)，所述的PEMFC壓力控制系統(tǒng)包括用于控制上述氫氣供氣裝置(1)的氫氣壓力控制電路C3)和用于控制上述空氣供氣裝置( 的空氣壓力控制電路G)，其特征在于，在所述的氫氣進口和空氣進口分別設(shè)有氫氣壓力傳感器(8) 和空氣壓力傳感器(9)，所述的空氣壓力控制電路(4)包括空氣PID控制器(11)和與空氣 PID控制器(11)輸入端連接的中間控制器(10)，上述的氫氣壓力傳感器(8)和空氣壓力傳感器(9)均與中間控制器(10)連接，所述空氣PID控制器(11)與空氣供氣裝置(2)連接， 所述的中間控制器(10)能夠?qū)錃鈮毫鞲衅?8)和空氣壓力傳感器(9)輸送來的壓力值進行差值計算并進行分析處理后輸出相應的控制信號給空氣PID控制器(11)，所述的空氣PID控制器(11)能夠根據(jù)上述的控制信號控制空氣供氣裝置( 進而控制燃料電池堆 (5)空氣進出口的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述中間控制器 (10)判斷氫氣壓力和空氣壓力的差值在設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器(10)輸送給空氣PID控制器(11)的輸入量為r(kT) = [1 1(1^)]1^(1^)，其中7(1^)為空氣壓力采樣值，R為壓力控制的最終目標值，L為壓力上升速度設(shè)定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述中間控制器(10)判斷氫氣壓力和空氣壓力的差值超出設(shè)定范圍內(nèi)時，中間控制器(10)輸送給空氣 PID控制器(11)的輸入量r(kT) = [7!1(1^)+70(1^)]/2，其中7!1(1^)為氫氣壓力采樣值， yO(kT)為氧氣壓力采樣值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣供氣裝置( 包括依次連接的空氣過濾器(19)、高速風機(20)、加濕器和空氣流量控制閥(22)，所述的空氣流量控制閥0 輸出端與燃料電池堆( 空氣進口連接，燃料電池堆 (5)空氣出口與空氣尾氣處理器(7)連接，所述的空氣流量控制閥02)的輸入端與上述的空氣PID控制器(11)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣供氣裝置(1)包括依次連接的氫氣壓縮氣罐(14)、高壓閥(15)、高壓減壓閥(16)和氫氣流量控制閥(17)，氫氣流量控制閥(17)的輸出端與燃料電池堆(5)氫氣進口連接，燃料電池堆 (5)氫氣出口與氫氣尾氣處理器(6)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣壓力控制電路C3)包括氫氣PID控制器(12)，所述的氫氣PID控制器(1 輸入端與所述的氫氣壓力傳感器⑶連接，氫氣PID控制器(12)輸出端與氫氣流量控制閥(17)電連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種車用PEMFC壓力控制系統(tǒng)，屬于汽車技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有技術(shù)中電堆兩側(cè)壓力存在不協(xié)調(diào)控制的問題。該系統(tǒng)設(shè)置于車用PEMFC壓力系統(tǒng)上，該壓力系統(tǒng)包括燃料電池堆、連接于燃料電池堆氫氣進出口的氫氣供氣裝置、連接于燃料電池堆空氣進出口的空氣供氣裝置，PEMFC壓力控制系統(tǒng)包括氫氣壓力控制電路和空氣壓力控制電路，氫氣進口和空氣進口分別設(shè)有氫氣壓力傳感器和空氣壓力傳感器，空氣壓力控制電路包括空氣PID控制器和與空氣PID控制器輸入端連接的中間控制器，氫氣壓力傳感器和空氣壓力傳感器均與中間控制器連接，空氣PID控制器與空氣供氣裝置連接。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)陽極和陰極兩側(cè)壓力的協(xié)調(diào)控制。
文檔編號H01M8/04GK102324536SQ20111021036
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者丁勇, 孫文凱, 李傳海, 李志成, 由毅, 褚磊民, 趙福全 申請人:浙江吉利控股集團有限公司, 浙江吉利汽車研究院有限公司