一种防喘振燃料电池空气供给控制方法及系统、装置

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，具体涉及一种防喘振燃料电池空气供给控制方法及系统、装置。

背景技术

燃料电池是一种以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，将燃料电池化学能直接转换成电能的电化学装置，它不受卡诺循环的限制，只要给电堆提供足够的氢气和氧气，燃料电池就能源源不断发出电能，而且燃料电池比能量高、无污染、零排放和能量转换效率高等特点，因此世界各国都在积极开发燃料电池技术。目前高速离心式空压机由于体积小、噪音小、流量大等特点，广泛应用在燃料电池系统上。然而由于高速离心式空压机自身结构的缺陷，导致燃料电池系统在工作时，空压机很容易出现喘振现象，燃料电池系统无法正常工作。

每台离心式压缩机在不同转速n下都对应着一条出口压力P与流量Q之间的曲线，随着流量的减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区，压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘振。

目前的现有技术中一般使用旁路系统，通过PID控制单元控制旁路阀实现流量调节，但燃料电池空压机系统具有流量、压力复杂耦合的特点，现有PID控制方案不能实现流量、压力的稳定控制，很大程度上限制了空压机的防喘振效果。同时，目前常用的防喘振阀以及旁路阀，都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点，同时车用燃料电池运行工况复杂，负载需求变化快，传统PID控制算法往往不能精确快速满足电堆需求的空气流量，也会极大降低空压机的防喘振效果。

现有技术中期望通过流量和压力值进行非喘振限幅流量值和压力值输入至PI控制器控制空压机转速和流量，蝶阀角度控制空压机其他压力。但是实际情况中，燃料电池空气供给系统中空压机转速和蝶阀（背压阀）开度与电堆入口流量和压力亦具有复杂耦合特点。而且离心式空压机在低转速情况下压比不高，实际电堆在低功率情况下需要一定的压力和流量的空气。当把转速提高之后压比虽然增大流量也急剧增大，造成电堆空气过量系数太高造成电堆膜干。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种防喘振燃料电池空气供给控制方法及系统、装置。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种防喘振燃料电池空气供给控制方法，根据电堆输出电流X，单位A，计算电堆过氧比电流

判断空压机在该转速下的排气压力即电堆入口压力值与非喘振压力区间的关系；

空压机转速W，喘振保护线压力值P

判断当前电堆入口流量值与该功率下所需流量范围的关系；

如当前电堆入口流量值大于或小于该功率下所需流量范围，则调节电堆入口流量，并直至电堆入口流量满足所需求的范围为止；

在空压机当前转速下，判断电堆入口压力值是否达到系统可调节的上限或者下限；

如果电堆入口压力值达到系统可调节的上限或者下限，则降低或提高空压机转速，重复进行空气供给工况调节，直至空压机在调节转速下电堆入口压力值满足电堆功率所需范围内；

循环递进调节；重复步骤一至步骤三，进行空气供给工况调节，直至空压机在调节转速下电堆入口压力值满足电堆功率所需范围内；

该方法包括以下步骤：

S1、计算燃料电池堆需求功率；

S2、计算电堆所需空气流量Q、压力P；

S3、计算空压机当前工况的喘振保护线压力值P

S4、比较当前电堆入口压力是否小于喘振保护线压力值P

S5、判断当前电堆入口压力值是否在当前所需压力范围内，若是，进行下一步S6，若不是，进行步骤S11；

S6、判断当前电堆入口流量值是否在当前所需流量范围内，若是，进行下一步S7，若不是，进行步骤S15；

S7、空压机保持当前工作状态，电控阀、旁路阀保持当前工作状态

S8、输入BP-PID模块调节电控阀开度；

S9、判断当前电控阀开度是否已达上限，若是，进行下一步S10，若不是，返回步骤S4；

S10、系统故障，结束运行；

S11、判断电堆入口压力是否大于当前所需压力，若是，进行下一步S12，若不是，进行步骤S14；

S12、判断当前电控阀开度是否已达上限，若是，进行下一步S13，若不是，输入BP-PID模块增加电控阀开度，并返回步骤S5；

S13、输入BP-PID模块降低空压机转速，并返回步骤S3；

S14、判断当前电控阀是否已达下限，若是，输入BP-PID模块提高空压机转速，并返回步骤S3，若不是，输入BP-PID模块减小电控阀开度，并返回步骤S5；

S15、判断当前电堆入口流量值是否大于所需流量，若是，进行步骤S16，若不是，进行步骤S19；

S16、输入BP-PID模块增大旁路阀开度；

S17、判断旁路阀是否达到上限，若是，进行下一步S18，若不是，进行步骤S5；

S18、输入BP-PID模块降低空压机转速，并返回步骤S3；

S19、输入BP-PID模块减小旁路阀开度；

S20、判断旁路阀是否达到下限，若是，则输入BP-PID模块提高空压机转速，并返回步骤S3，若不是，则返回步骤S6。

在上述技术方案的基础上，如空压机在该转速下电堆入口压力值大于该转速下喘振保护线压力值P

如空压机在该转速下电堆入口压力值小于该转速下限流保护线压力P

在上述技术方案的基础上，如当前电堆入口流量值大于该功率下所需流量范围，则从输入BP-PID模块调节信号，使旁路电控阀的开度增大，并直至满足电堆入口流量Q

如当前电堆入口流量值小于该功率下所需流量范围，则从输入BP-PID模块调节信号，使旁路电控阀的开度减小，并直至满足燃料电池入口流量Q

在上述技术方案的基础上，系统包括：

数据模块，根据电堆电流X和电堆过氧比γ，计算电堆需求功率下的所需空气流量和压强，以及实际空气流量需求量，并比较判断空气流量、压力、空压机转速实时状态；

指令控制模块，用于下达控制指令，调节电堆入口空气流量和/或空压机转速；

BP神经网络模块，用于耦合空气流量、压力、空压机转速参数并处理后发出控制信号给指令控制模块。

在上述技术方案的基础上，空气供给系统还包括耦合模块和解耦模块，耦合模块用于处理供气系统的工况参数；解耦模块用于分发系统调节指令。

在上述技术方案的基础上，系统设有开度反馈装置，开度反馈装置根据连续可调的最大开度反馈给指令控制模块，指令控制模块根据系统最大可控量选择发送调节指令。

在上述技术方案的基础上，一种防喘振燃料电池空气供给装置，装置包括依次连通的空气过滤器、空压机、中冷器、增湿器和电控阀，其中空气过滤器和空压机之间设有第一流量计，空压机和中冷器之间设有第一温压传感器，电控阀和中冷器之间通过旁路连通且设有旁路阀，中冷器和旁路阀之间设有第二流量计；电控阀为尾排总阀，旁路阀为尾排支路控制阀；电堆入口端设有第二温压传感器，电堆出口端设有第三温压传感器。

在上述技术方案的基础上，第一流量计用于测量空压机入口端空气流量，第二流量计用于测量旁路阀的空气流量；第一温压传感器、第二温压传感器和第三温压传感器用于测量其对应通路中空气的温度和压力。

在上述技术方案的基础上，第一流量计和/或第二流量计为差压式流量计为转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计中的一种；电控阀和/或旁路阀直动式电磁阀、分步直动式电磁阀或先导式电磁阀中的一种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明中的一种防喘振燃料电池空气供给控制方法与现有技术相比，可适应燃料电池工况自动避免空压机喘振，始终保证电堆最佳工作需求。

（2）本发明中的一种防喘振燃料电池空气供给控制方法，在空压机转速、电堆入口压力和流量之间耦合调节，实现三个参数的复杂调节控制。

（3）本发明中的一种防喘振燃料电池空气供给系统，根据多条件多参数的合成控制方法输出指令以保证工作特性，使得流量、压力、空压机转速联动式调节，实现真正的复杂耦合状态下的实时调节。

（4）本发明中的一种防喘振燃料电池空气供给装置，在首要满足电堆的功率需求前提下，实现实时监控、微调、无极连续地调整供气供给系统的工作的状态，使得空压机工作在高效无喘振状态。

附图说明

图1为本发明实施例中燃料电池空气供给控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例中燃料电池空气供给系统耦合调节原理图；

图3为本发明实施例中一种防喘振燃料电池空气供给装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中空压机的喘振压力-流量特性曲线。

图中：1-空气过滤器，21-第一流量计，22-第二流量计，3-空压机，41-温压传感器，42-温压传感器，43-温压传感器，5-中冷器，61-电控阀，62-旁路阀，7-增湿器，8-电堆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参见图1所示本发明实施例中燃料电池空气供给控制方法流程示意图，以及图3所示一种防喘振燃料电池空气供给装置的结构示意图，一种防喘振燃料电池空气供给控制方法，该方法包括：

步骤一：空压机流量调节；

一种防喘振燃料电池空气供给控制方法，根据电堆输出电流X，单位A，计算电堆过氧比电流

判断空压机在该转速下的排气压力即电堆入口压力值与非喘振压力区间的关系；

空压机转速W，喘振保护线压力值P

喘振保护线压力值P

具体地，根据燃料电池堆的需求功率发出指令，计算需求空气流量Q

保正满足电堆8工况需求的压力和流量前提下，根据空压机3的喘振参数（已经事先获取并记录在控制存储元件中），进行如下调节：

判断燃料电池入口压力值是否处于电堆8在该功率下所需压力的范围内，以及判断燃料电池入口流量值是否也处于该功率范围内。

如果上述判断条件成立，说明当前工况下的电堆8供气状态正常，没有出现空压机3喘振，可以保持空压机3在该转速下工作，电控阀61、旁路阀62保持在该开度下。

当不满足上述判断条件，参见图2所示为本发明实施例中燃料电池空气供给系统耦合调节原理图，此时的工况调节具有多参数耦合特性，例如如果控制系统起始调节压力P或流量Q任意一个，压力P和流量Q由于互相影响且彼此满足流体力学的物理关系，都会影响电堆的工作状态参数，此时必要的、及时的多参数耦合判断，并且从中做优选、做出合理的调节措施是本申请技术的核心构思和创造点，下面结合附图部分做具体说明。

参见图4所示本发明实施例中空压机的喘振压力-流量特性曲线。其中喘振保护线压力值P

步骤二：电堆入口流量调节；

判断当前电堆入口流量值与该功率下所需流量范围的关系；

如当前电堆入口流量值大于或小于该功率下所需流量范围，则调节电堆入口流量，并直至电堆入口流量满足所需求的范围为止。

具体地当燃料电池电堆入口压力值不在该功率下所需压力范围时，首先判断电堆入口压力值是否大于或者小于该功率下所需压力范围内。

计算空压机3在该转速下、工作在非喘振区域内的喘振保护线压力值P

如空压机在该转速下电堆入口压力值大于该转速下喘振保护线压力值P

如空压机在该转速下电堆入口压力值小于该转速下限流保护线压力P

特别的，进一步地需要判断电控阀61是否到达其开度上限或者下限，从而降低或提高空压机3转速，由于高空压机3转速的改变，需要根据新的工作状态进入循环调节阶段，并按需要进行多次空压机3转速调节，从而使空压机3在该转速下电堆入口压力值满足电堆8在该功率下所需范围内。如果空压机3在当前转速下电堆入口压力值大于喘振保护线压力值P

步骤三：空压机转速调节；

在空压机3当前转速下，判断电堆入口压力值是否达到系统可调节的上限或者下限；

如果电堆入口压力值达到系统可调节的上限或者下限，则降低或提高空压机转速，重复进行空气供给工况调节，直至空压机在调节转速下电堆入口压力值满足电堆功率所需范围内

如当电堆入口流量值大于该功率下所需流量范围，则从输入BP-PID模块调节信号，使旁路电控阀的开度增大，并直至满足电堆入口流量Q

具体地如当电堆入口流量值大于该功率下所需流量范围，则从输入BP-PID模块调节信号，使旁路电控阀62的开度增大，并直至满足燃料电池入口流量满足所需求的范围为止。

如当前电堆入口流量值小于该功率下所需流量范围，则从输入BP-PID模块调节信号，使旁路电控阀的开度减小，并直至满足燃料电池入口流量Q

步骤四：循环递进调节；

重复步骤一至步骤三，进行空气供给工况调节，直至空压机在调节转速下电堆入口压力值满足电堆功率所需范围内。重复进行空气供给工况调节，直至空压机3在调节转速下电堆8入口压力值满足电堆功率所需范围内。

对于本实施例中的一种防喘振燃料电池空气供给装置，具体地如空压机在该转速下电堆8入口压力值大于在该转速下工作在非喘振区域内的喘振保护线压力值P

如空压机在该转速下电堆入口压力值小于在该转速下工作在非喘振区域内的限流保护线压力值P

一种防喘振燃料电池空气供给系统，该系统包括：

数据模块，根据电堆电流X和电堆过氧比γ，计算电堆需求功率下的所需空气流量和压强，以及实际空气流量需求量，并比较判断空气流量、压力、空压机转速实时状态；

指令控制模块，用于下达控制指令，调节电堆入口空气流量和/或空压机转速；

BP神经网络模块，用于耦合空气流量、压力、空压机转速参数并处理后发出控制信号给指令控制模块。

空气供给系统还包括耦合模块和解耦模块，耦合模块用于处理供气系统的工况参数；解耦模块用于分发系统调节指令。

一种防喘振燃料电池空气供给系统还设有开度反馈装置，开度反馈装置根据连续可调的最大开度反馈给指令控制模块，指令控制模块根据系统最大可控量选择发送调节指令。

如果开度反馈装置检测到空气供给系统已经达到连续可调的最大开度，即电控阀61和/或旁路阀62达到了最大流量控制范围，则指令控制模块根据系统已达最大可控量选择发送调节指令，具体的，当电控阀61达到最大开度，系统已经无法增大调节，则指令控制模块发送系统故障指令；当旁路阀62达到最大开度且无法增大调节，则指令控制模块发送降低空压机3转速指令，根据调节后的空压机3转速，进入前述重复判断、调节，系统直至满足空压机非喘振工况或出现系统故障指令。

参见图3所示为本发明实施例中一种防喘振燃料电池空气供给装置的结构示意图，一种防喘振燃料电池空气供给装置包括依次连通的空气过滤器1、空压机3、中冷器5、增湿器7和电控阀61，其中空气过滤器1和空压机3之间设有第一流量计21，空压机3和中冷器5之间设有第一温压传感器41，电控阀61和中冷器5之间通过旁路连通且设有旁路阀62，中冷器5和旁路阀62之间设有第二流量计22；

电堆8入口端设有第二温压传感器42，电堆8出口端设有第三温压传感器43。

第一流量计21用于测量空压机3入口端空气流量，第二流量计22用于测量旁路阀62的空气流量；第一温压传感器41、第二温压传感器42和第三温压传感器43用于测量其对应通路中空气的温度和压力。

第一流量计21和/或第二流量计22为差压式流量计为转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计中的一种。

电控阀61和/或旁路阀62直动式电磁阀、分步直动式电磁阀或先导式电磁阀中的一种。电控阀61为尾排总阀，旁路阀62为尾排支路控制阀，旁路阀62控制所在支路管中的流量大小。

电控阀61是电堆尾气排放管路的总阀门，控制尾排总流量的大小。当电控阀61减小或增大阀门的开度时将会影响包括旁路阀62和电堆在内各个分支气路的压强和流量，因此具有负载的多维度多参数调节特性。

参见图1所示本发明实施例中燃料电池空气供给控制方法流程示意图，本实施例中的调节流程如下：

S1、计算燃料电池堆需求功率；

S2、计算电堆所需空气流量Q、压力P；

S3、计算空压机当前工况的喘振保护线压力值P

S4、比较当前电堆入口压力是否小于喘振保护线压力值P

S5、判断当前电堆入口压力值是否在当前所需压力范围内，若是，进行下一步S6，若不是，进行步骤S11；

S6、判断当前电堆入口流量值是否在当前所需流量范围内，若是，进行下一步S7，若不是，进行步骤S15；

S7、空压机保持当前工作状态，电控阀61、旁路阀62保持当前工作状态

S8、输入BP-PID模块调节电控阀61开度；

S9、判断当前电控阀61开度是否已达上限，若是，进行下一步S10，若不是，返回步骤S4；

S10、系统故障，结束运行；

S11、判断电堆入口压力是否大于当前所需压力，若是，进行下一步S12，若不是，进行步骤S14；

S12、判断当前电控阀61开度是否已达上限，若是，进行下一步S13，若不是，输入BP-PID模块增加电控阀61开度，并返回步骤S5

S13、输入BP-PID模块降低空压机转速，并返回步骤S3；

S14、判断当前电控阀61是否已到下限，若是，输入BP-PID模块提高空压机转速，并返回步骤S3，若不是，输入BP-PID模块减小电控阀61开度，并返回步骤S5；

S15、判断当前电堆入口流量值是否大于所需流量，若是，进行步骤S16，若不是，进行步骤S19；

S16、输入BP-PID模块增大旁路阀62开度；

S17、判断旁路阀62是否达到上限，若是，进行下一步S18，若不是，进行步骤S5；

S18、输入BP-PID模块降低空压机转速，并返回步骤S3；

S19、输入BP-PID模块减小旁路阀62开度；

S20、判断旁路阀62是否达到下限，若是，则输入BP-PID模块提高空压机转速，并返回步骤S3，若不是，则返回步骤S6。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。