本發(fā)明涉及燃料電池控制，尤其是一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，傳統(tǒng)的化學(xué)能源造成的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，尋找替代能源的呼聲也日益強(qiáng)烈。燃料電池作為一項(xiàng)非常有前景的能源技術(shù)，具有效率高、排放低等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池是一種化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池是以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量和水。采用以氫為燃料的燃料電池，可以等溫的按照化學(xué)式將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，從而可以作為汽車動力替代傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)為汽車提供驅(qū)動力。

2、近年來，國內(nèi)氫燃料電池向大功率方向發(fā)展趨勢明顯，單堆額定功率已突破400kw，但對燃料電池系統(tǒng)的額定功率需求還可能進(jìn)一步提高。由多個電堆組成的大功率燃料電池系統(tǒng)可顯著提高整個系統(tǒng)的功率等級與可靠性，在重載、長距離運(yùn)輸?shù)雀吖β市枨髨鼍爸杏休^大的應(yīng)用潛力。氫氣系統(tǒng)為燃料電池提供充足的燃料，同時要達(dá)到燃料電池所需要的壓力，通過氫氣循環(huán)裝置保證電堆內(nèi)氫氣的過量系數(shù)，使得反應(yīng)更充分，同時將電堆內(nèi)的水帶出，使得燃料電池系統(tǒng)能穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行。所以一個好的氫氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對于燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有至關(guān)重要的作用，并且對提高燃料電池發(fā)動機(jī)壽命、可靠性乃至電堆內(nèi)部水管理等都有著至關(guān)重要的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)及控制方法，可以根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)各堆之間的氫氣分配，滿足大功率燃料電池不同工況下的氫循環(huán)量需求，可以實(shí)現(xiàn)對電堆工況動態(tài)變化時的快速響應(yīng)，更快速有效地對氫氣流量和壓力進(jìn)行控制，提高了燃料電池系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，能夠提升大功率燃料電池系統(tǒng)的工作效率和使用壽命。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

3、一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，所述大功率燃料電池包含多個電堆組，各電堆組并聯(lián)用于供電，所述電堆組均包含多個電堆單元，各個電堆單元逐一串聯(lián)；所述燃料電池的氫氣系統(tǒng)包括儲氫罐、減壓閥、截止閥、比例閥、泄壓閥、排水閥、引射器、氫循環(huán)泵和汽水分離器；氫氣系統(tǒng)還包括氫氣供給回路，氫氣供給回路包括多個能根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)各電堆單元之間氫氣分配的支路，每個支路均設(shè)有氫循環(huán)泵和比例閥。

4、所述支路的數(shù)量為兩個，每個支路各有一個氫循環(huán)泵和比例閥，根據(jù)大功率燃料電池的不同工況來調(diào)節(jié)各堆之間的氫氣分配。

5、所述氫氣供給回路采用氫循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的氫循環(huán)方式來滿足不同工況下的氫循環(huán)量需求，以提高燃料電池的系統(tǒng)效率。

6、在電堆單元的氫氣供給回路處，順序設(shè)置儲氫罐、減壓閥、截止閥、引射器、比例閥；電堆單元的輸入端處設(shè)有氫進(jìn)壓力傳感器，電堆單元的輸出端處設(shè)有氫出壓力傳感器和汽水分離器。

7、當(dāng)引射器工作在低工況點(diǎn)時，氫氣系統(tǒng)通過打開氫循環(huán)泵來提高氫循環(huán)量，當(dāng)工作在高工況點(diǎn)時，如果引射器能力允許，則氫氣系統(tǒng)關(guān)閉氫循環(huán)泵；通過氫循環(huán)泵補(bǔ)償引射器能力不足的區(qū)域，以彌補(bǔ)引射器工作范圍窄的缺陷。

8、大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，包括氫氣進(jìn)氣控制策略和氫循環(huán)控制策略，所述氫氣進(jìn)氣控制策略采用帶前饋的pid進(jìn)氣控制策略，以目標(biāo)氫進(jìn)壓力與傳感器測得的氣壓的差值為輸入信號，根據(jù)pid算法計(jì)算比例閥占空比增量，再結(jié)合電堆電流及排水閥開度計(jì)算前饋補(bǔ)償量，相加得實(shí)際采用的比例閥占空比增量。

9、氫氣進(jìn)氣控制策略通過計(jì)算所得的比例閥占空比增量來控制比例閥，以實(shí)現(xiàn)對電堆工況動態(tài)變化時的快速響應(yīng)，更快速有效地對氫氣流量和壓力進(jìn)行控制。

10、用于計(jì)算比例閥占空比增量的pid算法為pid控制算法，根據(jù)目標(biāo)值與測量值間的誤差計(jì)算被控對象的控制量，核心公式為：

11、

12、式中，u(t)為控制量輸出值，e(t)為目標(biāo)值與測量值的誤差；kp,ti,td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。

13、所述氫循環(huán)控制策略用于動態(tài)地調(diào)節(jié)氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速。

14、所述氫循環(huán)控制策略具體為：在小負(fù)載時，氫循環(huán)泵為氫循環(huán)過程的主驅(qū)動設(shè)備，隨著負(fù)載逐漸增加，把氫循環(huán)過程的主驅(qū)動設(shè)備調(diào)整為引射器，同時氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速降低，以滿足不同負(fù)載工況下的氫循環(huán)量需求。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果：

16、1、大功率燃料電池包括多個電堆組，各所述電堆組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)供電，所述電堆組均包含多個電堆單元，各個所述電堆單元逐一串聯(lián)，提高了燃料電池系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

17、2、采用并聯(lián)式氫氣供給系統(tǒng)，氫氣供給回路包括兩條支路，每個支路各有一個比例閥，可以根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)各堆之間的氫氣分配。

18、3、采用氫循環(huán)泵與引射器結(jié)合的氫循環(huán)方案，每個支路各有一個氫循環(huán)泵，分別與干路上的引射器并聯(lián)，通過氫循環(huán)泵補(bǔ)償引射器能力不足的區(qū)域，能夠滿足大功率燃料電池不同工況下的氫循環(huán)量需求。

19、4、大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)控制方法采用帶前饋的pid進(jìn)氣控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對電堆工況動態(tài)變化時的快速響應(yīng)，更快速有效地對氫氣流量和壓力進(jìn)行控制。

技術(shù)特征：

1.一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，其特征在于：所述大功率燃料電池包含多個電堆組，各電堆組并聯(lián)用于供電，所述電堆組均包含多個電堆單元，各個電堆單元逐一串聯(lián)；所述燃料電池的氫氣系統(tǒng)包括儲氫罐、減壓閥、截止閥、比例閥、泄壓閥、排水閥、引射器、氫循環(huán)泵和汽水分離器；氫氣系統(tǒng)還包括氫氣供給回路，氫氣供給回路包括多個能根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)各電堆單元之間氫氣分配的支路，每個支路均設(shè)有氫循環(huán)泵和比例閥。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，其特征在于：所述支路的數(shù)量為兩個，每個支路各有一個氫循環(huán)泵和比例閥，根據(jù)大功率燃料電池的不同工況來調(diào)節(jié)各堆之間的氫氣分配。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，其特征在于：所述氫氣供給回路采用氫循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的氫循環(huán)方式來滿足不同工況下的氫循環(huán)量需求，以提高燃料電池的系統(tǒng)效率。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，其特征在于：在電堆單元的氫氣供給回路處，順序設(shè)置儲氫罐、減壓閥、截止閥、引射器、比例閥；電堆單元的輸入端處設(shè)有氫進(jìn)壓力傳感器，電堆單元的輸出端處設(shè)有氫出壓力傳感器和汽水分離器。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)，其特征在于：當(dāng)引射器工作在低工況點(diǎn)時，氫氣系統(tǒng)通過打開氫循環(huán)泵來提高氫循環(huán)量，當(dāng)工作在高工況點(diǎn)時，如果引射器能力允許，則氫氣系統(tǒng)關(guān)閉氫循環(huán)泵；通過氫循環(huán)泵補(bǔ)償引射器能力不足的區(qū)域，以彌補(bǔ)引射器工作范圍窄的缺陷。

6.大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括氫氣進(jìn)氣控制策略和氫循環(huán)控制策略，所述氫氣進(jìn)氣控制策略采用帶前饋的pid進(jìn)氣控制策略，以目標(biāo)氫進(jìn)壓力與傳感器測得的氣壓的差值為輸入信號，根據(jù)pid算法計(jì)算比例閥占空比增量，再結(jié)合電堆電流及排水閥開度計(jì)算前饋補(bǔ)償量，相加得實(shí)際采用的比例閥占空比增量。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：氫氣進(jìn)氣控制策略通過計(jì)算所得的比例閥占空比增量來控制比例閥，以實(shí)現(xiàn)對電堆工況動態(tài)變化時的快速響應(yīng)，更快速有效地對氫氣流量和壓力進(jìn)行控制。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：用于計(jì)算比例閥占空比增量的pid算法為pid控制算法，根據(jù)目標(biāo)值與測量值間的誤差計(jì)算被控對象的控制量，核心公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述氫循環(huán)控制策略用于動態(tài)地調(diào)節(jié)氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述氫循環(huán)控制策略具體為：在小負(fù)載時，氫循環(huán)泵為氫循環(huán)過程的主驅(qū)動設(shè)備，隨著負(fù)載逐漸增加，把氫循環(huán)過程的主驅(qū)動設(shè)備調(diào)整為引射器，同時氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速降低，以滿足不同負(fù)載工況下的氫循環(huán)量需求。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種大功率燃料電池氫氣系統(tǒng)及控制方法，大功率燃料電池包含多個電堆組，各所述電堆組并聯(lián)實(shí)現(xiàn)供電，所述電堆組均包含多個電堆單元，各個所述電堆單元逐一串聯(lián)，氫氣系統(tǒng)根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)各堆之間的氫氣分配；采用氫循環(huán)泵與引射器并聯(lián)的氫循環(huán)方式，可滿足大功率燃料電池不同工況下的氫循環(huán)量需求；控制方法采用帶前饋的PID進(jìn)氣控制策略和氫循環(huán)控制策略，所述進(jìn)氣控制策略可以實(shí)現(xiàn)對電堆工況動態(tài)變化時的快速響應(yīng)，更快速有效地對氫氣流量和壓力進(jìn)行控制，所述氫循環(huán)控制策略可以滿足不同負(fù)載工況下的氫氣流量需求；本發(fā)明提高了燃料電池系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，能夠提升大功率燃料電池系統(tǒng)的工作效率和使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：王亞雄,張智權(quán),梁非凡,歐凱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8