一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法。

背景技术

氢能源是一种二次能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。随着能源危机和环境污染问题日益严重，国内外加快了对清洁、环保、无污染、可持续的氢能源技术及其应用场景的研究脚步。燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，是氢能源最广泛的利用形式，除了燃料电池汽车、轨道车之外，企业们不断开发燃料电池在交通领域的想象力，以拓宽燃料电池的应用场景。近些年，燃料电池在电动自行车和轻型摩托车领域应用也越来越广泛，主要用于为电动自行车和轻型摩托车的铅酸电池供电以及为整车驱动供电。

为了提高轻型摩托车燃料电池的工作效率，在使用过程中需要对燃料电池进出口的压力及流量进行控制。但是目前对于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法还不够完善，相关行业的技术背景不充分。大部分厂家的做法是采用开环粗略控制，即只粗略控制燃料电池进口处的氢气压力及氢气流量，忽略燃料电池出口处氢气压力及水汽压力的控制。这种控制系统及方法没有保证氢气的充分反应，降低了燃料电池的工作效率，减少了燃料电池的使用寿命。

发明内容

为了解决目前大部分厂家的做法是采用开环粗略控制，即只粗略控制燃料电池进口处的氢气压力及氢气流量，忽略燃料电池出口处氢气压力及水汽压力的控制的问题，本申请通过以下实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法。

本申请第一方面公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统，所述控制系统包括：燃料电池电堆、控制器、传感模块及执行模块，所述燃料电池电堆包括端板及多块燃料电池，所述控制器连接所述传感模块及所述执行模块，所述控制器用于处理所述传感模块获取的数据，并控制所述执行模块的运行；

所述传感模块包括：铅酸电池电压传感器、铅酸电池电流传感器、燃料电池电压传感器、燃料电池电流传感器、电堆入口压力传感器及电堆出口压力传感器；

所述执行模块包括：流量控制阀及背压阀；

所述铅酸电池电压传感器用于获取铅酸电池的电压信息；

所述铅酸电池电流传感器用于获取所述铅酸电池的电流信息；

所述燃料电池电压传感器用于获取燃料电池的工作电压信息；

所述燃料电池电流传感器用于获取所述燃料电池的工作电流信息；

所述电堆入口压力传感器安装在所述燃料电池电堆的入口处，用于获取所述燃料电池电堆入口处的氢气压力值；

所述电堆出口压力传感器安装在所述燃料电池电堆的出口处，用于获取所述燃料电池电堆出口处的氢气压力值和水汽压力值；

所述流量控制阀安装在所述燃料电池电堆的入气管路处，用于控制进入所述燃料电池电堆的氢气压力和氢气流量；

所述背压阀安装在所述燃料电池电堆的出气管路处，所述背压阀为常闭状态，在开启后能够将所述燃料电池电堆内多余的气体排出；

所述控制器中配置有以下控制流程：

S1、根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值；

S2、根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率；

S3、根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀的开度；

S4、根据所述燃料电池电堆入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀，其中，如果所述氢气压力值大于预设第一阈值，则关闭所述流量控制阀；

S5、根据所述燃料电池电堆出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀，其中，如果所述氢气压力值和水汽压力值相加的值大于预设第二阈值，则开启所述背压阀。

可选的，所述预设第一阈值的大小为0.05MPa，所述预设第二阈值的大小为0.06MPa。

可选的，所述控制系统还包括：电堆温度传感器及风扇；

所述电堆温度传感器安装在所述燃料电池电堆内部，用于获取所述燃料电池电堆的工作温度；

所述风扇安装在所述燃料电池电堆外侧，用于根据所述燃料电池电堆的工作温度及所述燃料电池的输出功率，输出不同功率的风力。

可选的，所述背压阀每隔30S定时开启，开启时长为20ms。

本申请第二方面公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制方法，所述控制方法应用于控制器，所述控制器位于本申请第一方面公开的一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统中，所述控制方法包括：

S1、根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值；

S2、根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率；

S3、根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀的开度；

S4、根据所述燃料电池电堆入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀，其中，如果所述氢气压力值大于预设第一阈值，则关闭所述流量控制阀；

S5、根据所述燃料电池电堆出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀，其中，如果所述氢气压力值和水汽压力值相加的值大于预设第二阈值，则开启所述背压阀。

可选的，所述控制方法还包括：

获取电堆温度传感器检测到的燃料电池电堆的工作温度；

根据所述燃料电池电堆的工作温度及燃料电池的输出功率，确定风扇的输出功率。

可选的，所述控制方法还包括：

控制所述背压阀每隔30S定时开启，并控制开启时长为20ms。

可选的，所述控制方法还包括：

根据所述铅酸电池的电压信息，判断所述铅酸电池是否出现过压故障及铅酸电池电压传感器是否出现故障；

根据所述铅酸电池的电流信息，判断所述铅酸电池是否出现过流故障及铅酸电池电流传感器是否出现故障；

根据所述燃料电池的工作电压信息，判断所述燃料电池是否出现过压故障及燃料电池电压传感器是否出现故障；

根据所述燃料电池的工作电流信息，判断所述燃料电池是否出现过流故障及燃料电池电流传感器是否出现故障；

根据所述燃料电池电堆的工作温度，判断所述燃料电池是否出现过温故障及电堆温度传感器是否出现故障。

可选的，所述控制方法还包括：

如果所述铅酸电池出现过压故障、所述铅酸电池电压传感器出现故障、所述铅酸电池出现过流故障、所述铅酸电池电流传感器出现故障、所述燃料电池出现过压故障、所述燃料电池电压传感器出现故障、所述燃料电池出现过流故障、所述燃料电池电流传感器出现故障、所述燃料电池出现过温故障或者电堆温度传感器出现故障，则关闭所述流量控制阀、开启所述风扇及所述背压阀，并使所述燃料电池停止工作。

本申请实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法，所述控制系统包括：燃料电池电堆、控制器、传感模块及执行模块，所述控制器用于处理所述传感模块获取的数据，并控制所述执行模块的运行；执行模块包括流量控制阀及背压阀；流量控制阀安装在所述燃料电池电堆的入气管路处，用于控制进入所述燃料电池电堆的氢气压力和氢气流量；背压阀安装在所述燃料电池电堆的出气管路处，为常闭状态，在开启后能够将所述燃料电池电堆内多余的气体排出。控制方法包括：根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值；根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率；根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀的开度；根据所述燃料电池电堆入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀；根据所述燃料电池电堆出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀。利用上述控制系统及控制方法解决了目前只粗略控制燃料电池进口处的氢气压力及氢气流量，忽略燃料电池出口处氢气压力及水汽压力的控制的问题，本申请根据控制器从传感器中获取的数据，控制流量控制阀与背压阀在不同情况下的开启与关闭，保证了燃料电池堆在工作状态下，其内的氢气可以充分反应，从而能够根据不同的行驶状况，合理的控制整车能量分配，保证燃料电池系统可靠、稳定运行，提高车辆续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。

图1为本申请实施例公开的一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种基于轻型摩托车燃料电池的控制方法的工作流程示意图。

具体实施方式

为了解决目前大部分厂家的做法是采用开环粗略控制，即只粗略控制燃料电池进口处的氢气压力及氢气流量，忽略燃料电池出口处氢气压力及水汽压力的控制的问题，本申请通过以下实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法。

本申请第一实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统，参见图1所示的结构示意图，所述控制系统包括：燃料电池电堆1、控制器2、传感模块及执行模块，所述燃料电池电堆1包括端板及多块燃料电池，所述控制器2连接所述传感模块及所述执行模块，所述控制器2用于处理所述传感模块获取的数据，并控制所述执行模块的运行。

具体的，所述控制器2由电路板、壳体和接插件组成，主要用于采集所述燃料电池和所述铅酸电池工作的电流、电压信息，采集所述燃料电池电堆1的温度、入口气体压力和出口气体压力值，并进行分析计算，根据分析计算结果，控制执行模块进行相关操作，从而达到控制燃料电池运行、判断处理故障和安全管理的作用，所述控制器2通过硬线使能，控制背压阀10打开和关闭，通过PWM控制，实现流量控制阀9等比例开启和关闭以及风扇11的不同功率输出。

具体的，所述燃料电池电堆1由多块燃料电池和端板组成，主要用于为电动自行车和轻型摩托车的铅酸电池供电以及为整车驱动供电，所述燃料电池即为单电池，所述单电池又分为双极板或流场板、垫圈或密封圈、膜电极，膜电极又分为质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。所述多块燃料电池用于给进入电堆的空气和氢气提供电化学反应场所，通过氧化反应和还原反应，最终产生电能和水。

所述传感模块包括：铅酸电池电压传感器3、铅酸电池电流传感器4、燃料电池电压传感器5、燃料电池电流传感器6、电堆入口压力传感器7及电堆出口压力传感器8。

所述执行模块包括：流量控制阀9及背压阀10。

所述铅酸电池电压传感器3用于获取铅酸电池的电压信息。

所述铅酸电池电流传感器4用于获取所述铅酸电池的电流信息。

具体的，所述铅酸电池电压传感器3和铅酸电池电流传感器4安装在所述铅酸电池附近，所述铅酸电池正极供电线垂直穿过所述铅酸电池电流传感器4，所述铅酸电池电压传感器3和铅酸电池电流传感器4主要用于判断铅酸电池的工作状态，通过SOC算法计算出铅酸电池的荷电状态值，然后根据荷电状态值结合能量分配算法控制燃料电池的输出功率和工作条件。

其中，所述的能量分配算法是指根据所述铅酸电池的荷电状态值来为燃料电池选择合适的工作档位，依据燃料电池输出功率把燃料电池的工作状态分为4档，根据铅酸电池的荷电状态值，确定燃料电池的工作档位。

所述燃料电池电压传感器5用于获取燃料电池的工作电压信息。

所述燃料电池电流传感器6用于获取所述燃料电池的工作电流信息。

具体的，所述燃料电池电压传感器5和燃料电池电流传感器6安装于燃料电池电堆1附近，根据燃料电池特性曲线，监控燃料电池的工作状态。

所述电堆入口压力传感器7安装在所述燃料电池电堆1的入口处，用于获取所述燃料电池电堆1入口处的氢气压力值。

所述电堆出口压力传感器8安装在所述燃料电池电堆1的出口处，用于获取所述燃料电池电堆1出口处的氢气压力值和水汽压力值。

具体的，测量电堆入口处的氢气压力和出口处的混合气体压力，通过算法控制和标定计算流量控制阀9的开度和背压阀10的开启关闭条件，提高氢气利用率、保证燃料电池工作需要的背压、对电堆起到保护作用，延长电堆使用寿命。

所述流量控制阀9安装在所述燃料电池电堆1的入气管路101处，用于控制进入所述燃料电池电堆1的氢气压力和氢气流量。

具体的，通过流量控制阀控制算法及脉宽调制技术控制所述流量控制阀9按照一定的比例开启和关闭，控制进入所述燃料电池电堆1的氢气压力和氢气流量，为燃料电池稳定的电化学反应提供基础条件。

其中，所述的电化学反应是指进入电堆的氢气由于电解质和催化剂的作用，发生氧化反应，分解为氢离子和电子，电子通过外部电路给负载供电，氢离子穿过质子交换膜与氧气在阴极产生还原反应，结合生成水。所述的流量控制阀控制算法是指根据燃料电池的工作档位，查表确定流量控制阀9的开度，通过所述燃料电池电堆1的氢气压力和氢气流量，判断是否关闭流量控制阀9。

所述背压阀10安装在所述燃料电池电堆1的出气管路102处，所述背压阀10为常闭状态，在开启后能够将所述燃料电池电堆1内多余的气体排出。

具体的，所述背压阀10属于执行器部件，受控于控制器2，通过背压阀控制算法判断是否开启或关闭所述背压阀10，通过硬线使能的方式控制所述背压阀10开启或关闭，所述背压阀10一般处于关闭状态，为电堆提供一定背压，压力过高或在定时的情况下短暂开启，进行排气，起到对电堆的保护作用。

其中，所述的背压阀控制算法为每隔30S，定期开启所述背压阀10，开启时间为20ms。

所述控制器2中配置有以下控制流程：

S1、根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值。

具体的，使用铅酸电池电压传感器3和铅酸电池电流传感器4测量所述铅酸电池的电压、电流，判断铅酸电池的工作状态，通过算法和标定计算出铅酸电池的荷电状态值，根据荷电状态值结合能量分配算法控制燃料电池的输出功率和工作条件。

S2、根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率。

S3、根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀9的开度。

S4、根据所述燃料电池电堆1入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀9，其中，如果所述氢气压力值大于预设第一阈值，则关闭所述流量控制阀9，作为示例，所述预设第一阈值的大小为0.05MPa。

S5、根据所述燃料电池电堆1出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀10，其中，如果所述氢气压力值和水汽压力值相加的值大于预设第二阈值，则开启所述背压阀10，作为示例，所述预设第二阈值的大小为0.06MPa。

进一步的，所述控制系统还包括：电堆温度传感器12及风扇11。

所述电堆温度传感器12安装在所述燃料电池电堆1内部，用于获取所述燃料电池电堆1的工作温度。

所述风扇11安装在所述燃料电池电堆1外侧，用于根据所述燃料电池电堆1的工作温度及所述燃料电池的输出功率，输出不同功率的风力。

具体的，通过所述燃料电池电堆1的工作温度要求和所述风扇11的控制算法，控制风扇的输出功率和转速，所述风扇11为可调节风扇，用于给燃料电池电堆1产生电化学反应提供氧气和合适的温度。

具体的，用燃料电池电压传感器5、燃料电池电流传感器6和电堆温度传感器12测量燃料电池输出的电压、电流、温度，通过算法和标定计算绘制出燃料电池特性曲线，根据燃料电池工作条件和温度，控制可调节风扇工作，保证燃料电池稳定的工作条件，提高燃料电池工作效率，保证电堆的安全可靠。

进一步的，所述背压阀10每隔30S定时开启，开启时长为20ms。

本申请第二实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制方法，所述控制方法应用于控制器2，所述控制器2位于如本申请第一实施例公开的一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统中，参见图2所示的工作流程示意图，所述控制方法包括：

S1、根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值。

S2、根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率。

S3、根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀9的开度。

具体的，根据所述燃料电池的输出功率，将所述燃料电池的工作状态分为四个工作档位，所述工作档位与所述铅酸电池的荷电状态值对应；根据所述铅酸电池的荷电状态值，确定对应的所述燃料电池的工作档位；根据所述燃料电池的工作档位，确定所述流量控制阀9的开度。

S4、根据所述燃料电池电堆1入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀9，其中，如果所述氢气压力值大于预设第一阈值，则关闭所述流量控制阀9，作为示例，所述预设第一阈值的大小为0.05MPa。

S5、根据所述燃料电池电堆1出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀10，其中，如果所述氢气压力值和水汽压力值相加的值大于预设第二阈值，则开启所述背压阀10，作为示例，所述预设第二阈值的大小为0.06MPa。

本申请实施例公开了一种基于轻型摩托车燃料电池的控制系统及控制方法，所述控制系统包括：燃料电池电堆1、控制器2、传感模块及执行模块，控制器2用于处理所述传感模块获取的数据，并控制所述执行模块的运行，所述执行模块包括流量控制阀9及背压阀10，流量控制阀9控制进入所述燃料电池电堆1的氢气压力和氢气流量，背压阀10为常闭状态，在开启后能够将所述燃料电池电堆1内多余的气体排出。控制方法包括：根据所述铅酸电池的电压信息及所述铅酸电池的电流信息，获取铅酸电池的荷电状态值。根据所述燃料电池的工作电压信息及所述燃料电池的工作电流信息，获取燃料电池的输出功率。根据所述燃料电池的输出功率及所述铅酸电池的荷电状态值，确定所述流量控制阀9的开度。根据所述燃料电池电堆1入口处的氢气压力值，判断是否关闭所述流量控制阀9。根据所述燃料电池电堆1出口处的氢气压力值和水汽压力值，判断是否开启所述背压阀10。利用上述控制系统及控制方法解决了目前只粗略控制燃料电池进口处的氢气压力及氢气流量，忽略燃料电池出口处氢气压力及水汽压力的控制的问题，本申请根据控制器从传感器中获取的数据，控制流量控制阀9与背压阀10在不同情况下的开启与关闭，保证了燃料电池堆在工作状态下，其内的氢气可以充分反应，从而能够根据不同的行驶状况，合理的控制整车能量分配，保证燃料电池系统可靠、稳定运行，提高车辆续航能力。

进一步的，所述控制方法还包括：

获取电堆温度传感器12检测到的燃料电池电堆1的工作温度。

根据所述燃料电池电堆1的工作温度及燃料电池的输出功率，确定风扇11的输出功率。

进一步的，所述控制方法还包括：

控制所述背压阀10每隔30S定时开启，并控制开启时长为20ms。

进一步的，所述控制方法还包括：

根据所述铅酸电池的电压信息，判断所述铅酸电池是否出现过压故障及铅酸电池电压传感器3是否出现故障。

根据所述铅酸电池的电流信息，判断所述铅酸电池是否出现过流故障及铅酸电池电流传感器4是否出现故障。

根据所述燃料电池的工作电压信息，判断所述燃料电池是否出现过压故障及燃料电池电压传感器5是否出现故障。

根据所述燃料电池的工作电流信息，判断所述燃料电池是否出现过流故障及燃料电池电流传感器6是否出现故障。

根据所述燃料电池电堆1的工作温度，判断所述燃料电池是否出现过温故障及电堆温度传感器12是否出现故障。

在一种实施情况下，所述控制方法还包括故障诊断方法，即系统上电后逐步对故障进行诊断，根据传感器数据，分析是否存在传感器故障和燃料电池工作故障。

进一步的，所述控制方法还包括：

如果所述铅酸电池出现过压故障、所述铅酸电池电压传感器3出现故障、所述铅酸电池出现过流故障、所述铅酸电池电流传感器4出现故障、所述燃料电池出现过压故障、所述燃料电池电压传感器5出现故障、所述燃料电池出现过流故障、所述燃料电池电流传感器6出现故障、所述燃料电池出现过温故障或者电堆温度传感器出现12故障，则关闭所述流量控制阀9、开启所述风扇11及所述背压阀10，并使所述燃料电池停止工作。

在一种实施情况下，所述控制方法还包括安全管理方法，即如果出现铅酸电池过流、过压故障，燃料电池过流、过压故障，燃料电池过温故障，传感器故障等，则关闭流量控制阀、开启风扇、打开背压阀，停止燃料电池工作。所述控制方法拥有故障管理策略，根据传感器数据，分析是否存在传感器故障和燃料电池工作故障，对相关故障进行安全处理，提高系统安全性和可靠性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。