燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法
【专利摘要】本发明提供一种燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，其中包括：功率电流采集模块、控制对象选择模块、空压机控制单元模块和旁路阀控制模块；功率电流采集模块记录当前燃料电池功率给控制对象选择模块，电流给空压机控制模块和旁路阀控制模块；控制对象选择模块根据采集到的功率和自身设定功率界限输出控制对象的选择信号；空压机控制模块在燃料电池高功率条件下，控制空压机在正常工作情况，按照设定的过氧比控制燃料电池入口的流量；旁路阀控制模块在燃料电池低功率条件下，控制旁路阀的“开度”保证燃料电池的入口流量符合设定的过氧比系数。本发明的在不需要过多增加新的工艺设备或改变工艺流程下，仅通过增加旁路系统，防止燃料电池机车系统中空压机的喘振。
【专利说明】燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种防止燃料电池机车低功率运行时空压机喘振方法，属于燃料电池【技术领域】。
【背景技术】
[0002]燃料电池是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能转变成电能的连续发电装置。由于燃料电池功率密度和能量密度高，清洁高效，功率范围宽广，在微型电源、移动电源、车用发动机、固定电站等各个领域都有着广泛的应用前景，因此受到世界各国的广泛重视。美国、日本、加拿大、欧洲各国都在积极开发燃料电池技术，目前世界上几乎所有大汽车制造商都在开发燃料电池电动汽车，中国也研制出首辆燃料电池机车。然而因为燃料机车上的空压机的喘振现象，导致了燃料电池机车在低功率输出时不可避免引起空压机的喘振。
[0003]中国专利[CN 101303030A]的防喘振系统虽然能够有效的保证空压机工作在非喘振区域，但是它只是对单一的空压机系统而言，对于燃料电池机车整个系统却不适合。根据燃料电池机车的数据手册可以看出如果不采用任何措施，燃料电池在低功率条件下的工作点是在空压机的喘振区域内，即研究的方向不是单一的怎样防止空压机跌落喘振区，而是怎样既保证空压机工作在非喘振区，又可以使燃料电池机车在低功率条件下工作。
[0004]加拿大的巴拉德能源系统公司提出了在空压机增设旁路的方案，当燃料电池机车在低功率条件下运行是，空压机继续工作在正常区域而此时过量的空气通过旁路回流装置进入到空压机入口处。虽然此方法保证燃料电池机车低功率运行时，空压机始终工作在正常区域的问题，但是旁路中单一的开关只能保证空压机出口的空气流量以固定的比例进入燃料电池中，对燃料电池的过氧比无法调节，可能使燃料电池无法工作在最佳过氧比的条件下。
[0005]针对上述旁路中单一开关的不足，可以增设多旁路系统的方案，设置η条旁路，通过控制η个旁路开关的开闭，是旁路有2"种流量值，从而调节进入燃料电池的空气流量调节过氧比。同时中国专利[CN 1397857Α]中含η个流体通道的阀体的机电一体数码式压力/流量调节装置可以很好的解决空压机旁路不能调节燃料电池过氧比的问题。无论采用哪一个方法都是需要控制η的阀门，所以在后面的内容中用“多旁路”系统代指旁路系统，用“开度”表示旁路系统中阀门的打开的“个数”。
[0006]由于目前的针对单一空压机防喘振系统都需要增加新的工艺设备或改变工艺流程的情况下实现，具有系统设计复杂，实现复杂，运行成本高等缺点并且单一的空压机防喘振系统在燃料电池机车整个系统低功率时对整个燃料电池机车系统而言不能正常工作。在低功率时对于燃料电池机车系统中的空压机防喘振系统的还在没有一套完整的控制体系。
【发明内容】
[0007]本发明的目的主要是在克服现有技术的不足，提供一种实施方案简单、不需要过多增加新的工艺设备或改变工艺流程、可靠性高、运行成本低的防止燃料电池机车系统中空压机的喘振的方法。
[0008]为了达到上述目的，本发明的是这样实现的:燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，包括燃料电池功率电流采集模块、控制对象选择模块、空压机控制单元模块和旁路阀控制模块；燃料电池功率电流采集模块记录当前燃料电池功率给控制对象选择模块，电流给空压机控制模块和旁路阀控制模块；所述控制对象选择模块根据采集到的功率和自身设定功率界限输出控制对象的选择信号:当选择空压机作为主要控制对象时，通过控制模块中的函数关系单元、偏差运算单元以及PID控制单元输出对空压机的控制信号；当旁路系统作为主要控制对象时，通过控制模块中的函数关系单元、偏差运算单元、PID控制单元以及数模转换单元输出旁路阀的控制信号。
[0009]功率、电流采集模块记录当前燃料电池的输出功率情况。
[0010]控制对象选择模块，根据燃料电池机车当前的输出功率，确定需要控制的主要对象是空压机还是旁路阀。
[0011]空压机控制模块，控制空压机的转数使空压机始终工作在非喘振区域。
[0012]旁路阀控制模块，控制旁路阀开度调节燃料电池的过氧比。
[0013]上述功率、电流采集模块主要是将当前的采集到输出功率或电流分别给控制对象选择模块和空压机控制模块或者旁路阀控制模块。
[0014]控制对象选择模块主要由功率设置单元和比较单元组成，可以设置空压机工作在非喘振区域内。燃料电池能提供的最小功率值，在于当前采集到的功率值对比，输出主要控制对象选着信号。功率设置单元主要是用于设置在空压机工作在非喘振区域内，燃料电池能提供的最小功率值，可根据机车的技术手册设置。比较单元主要是将采集到的当前燃料电池功率值与设置的最小功率值比较，根据比较的结果给出控制的主要对象，当前燃料电池功率值大于最小功率值时，主要控制对象为空压机；当前燃料电池功率值小于最小功率值时，主要控制对象为旁路阀。
[0015]空压机控制模块主要由一个函数关系转换单元、偏差运算单元和PID控制单元构成，空压机控制模块工作时，将设定的过氧比，经过函数关系单元计算出流量，作为PID控制单元的参考流量，在通过偏差运算单元计算出设定的参考流量与实际流量的偏差，输入给PID控制单元输出空压机的控制信号，控制空压机工作在正常工作区域。控制函数关系电流、空气流量、过氧比之间的函数关系，将当前燃料电池输出电流和设定的过氧比换算成对应的流量关系，作为PID控制单元的参考流量。偏差运算单元则是计算出设定的草考流量与实际流量的偏差作为PID控制单元的输入。PID控制单元主要是控制空压机使燃料电池在高功率时按照设定的过氧比给燃料电池提供空气，在低功率时以设定的流量输出空气而不考虑对过氧比的控制。
[0016]旁路阀控制模块，主要由一个函数关系转换单元、偏差运算单元、PID控制单元和一个数模转换单元构成，旁路阀控制模块工作时，将设定的过氧比，经过函数关系单元计算出流量，作为PID控制单元的参考流量，在通过偏差运算单元计算出设定的参考流量与实际流量的偏差，输入给PID控制单元，在经过模数转换单元输出旁路阀的控制信号，控制进入燃料电池的空气流量。转换单元、偏差运算单元与空压机控制模块中的转换单元、偏差运算单元相同，PID控制单元主要功能是输出旁路阀的开闭信号，无论是采用η条旁路系统还是采用专利[CN 1397857A]中含η个流体通道的阀体的机电一体数码式压力/流量调节装置都需要动作η个阀门，所以模数转换单元就是将PID控制单元的输出结果转换为一个η位数字信号控制η个阀门。
[0017]本发明和现有技术相比具有以下优点:燃料电池空压机防喘振的控制方法和系统，不过多增加工艺设备和不改变工艺流程的情况下，仅通过增设“多旁路”系统，控制阀门的“开度”，既能使燃料电池在低功率条件下正常工作，又能使空压机不会跌落到喘振区，防止空压机喘振。从而提高工作效率，且燃料电池空压机防喘振的系统结构简单、可靠性高、运行成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例提供的一种燃料电池空压机防喘振的方法的流程图；
[0019]图2是本发明实施例提供的一种燃料电池空压机防喘振系统的示意图；
[0020]图3是本发明实施例提供的一种燃料电池空压机防喘振系统的电路原理图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明更加容易理解，下面结合附图对本发明作进一步阐述，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
[0022]如图1所示，本发明实施例提供了一种燃料电池机车空压机防喘振方法，包括如下步骤:
[0023]功率、电流采集模块将采集到的当前燃料电池功率给控制对象选择模块，电流给空压机控制模块和旁路阀控制模块。
[0024]设置空压机工作在非喘振区域内，燃料电池能提供的最小功率。具体的最小功率值可以根据机车数据手册获得，也可以根据实际情况乘以一个安全系数。
[0025]控制对象选择模块根据燃料电池机车当前的输出功率，确定主要的控制对象，判断当前燃料电池输出功率是否大于或等于设定值，若大于或等于执行步骤[0027]，如小于则执行步骤[0028]；
[0026]设定燃料电池机车系统的过氧比。
[0027]当燃料电池当前输出功率大于或等于设定的最小值时，旁路控制模块，旁路阀全部关闭，旁路系统不工作；空压机控制模块，根据设定的过氧比通过PID控制模块控制空压机，使其按照设定过氧比供气。
[0028]当燃料电池当前输出功率小于设定的最小值时，空压机控制模块，控制空压机以恒定的输出流量(正常工作区域)工作；旁路控制模块，通过PID控制单元和数模转换单元控制旁路系统阀门“开度”，使进入燃料电池中的空气流量满足设定的过氧比。
[0029]上述方法通过检测燃料电池输出功率，确定燃料电池的空气流量主要由空压机还是由旁路阀控制。通过电流、过氧比、流量之间的函数关系，确定燃料电池需求的空气流量，在通过PID控制单元控制空压机、旁路系统，从而使燃料电池机车在低功率运行时，空压机始终工作在正常区域。
[0030]如图2所示，本发明提供了一种燃料电池机车空压机防喘振系统，包括功率、电流采集模块210，控制对象选择模块220、空压机控制模块230和旁路阀控制模块240。[0031]功率、电流采集模块210用于实时采集燃料电池的输出功率和电流。
[0032]控制对象选择模块220用于判断燃料电池机车的工作情况，选择控制对象。同时设置判断条件的临界值。选择条件是，当燃料电池当前输出功率大于或等于设定的临界值时，主要通过控制空压机来调节燃料电池的入口空气流量；当燃料电池当前输出功率小于设定的临界值时，主要通过控制旁路阀来调节燃料电池的入口空气流量。
[0033]空压机控制模块230主要根据对象选择模块的信号和设定的过氧比信息对空压机的控制，保证空压机工作在正常工作区域并且使燃料电池工作在设定过氧比条件下。
[0034]旁路阀控制模块240也主要根据对象选择模块的信号和设定的过氧比信息对旁路阀的“开度”的控制，使燃料电池工作在设定过氧比条件下用于对旁路系统的控制。
[0035]其中，功率、电流采集模块210包括功率采集单元211和电流此采集单元212。信息分别送给了控制对象选择模块220、空压机控制模块230和旁路阀控制模块240。
[0036]由图3可以看出功率采集单元211将当前的功率值是传输给了控制对象选择模块220中的比较单元222，电流采集单元212将当前的电流值传递给了空压机控制模块230和旁路阀控制模块240中的函数关系单元231、241。
[0037]控制对象选择模块220包括功率设置单元221和比较单元222。功率设置单元221设置模块判断的临界值，比较单元主222要是判断当前系统的运行状态，输出后续的控制信号。
[0038]在系统运行前通过功率设置单元221，首先设置空压机正常工作时，燃料电池能够正常工作的最小功率值。将设定的功率值与由功率采集单元211采集到的当前功率值输入给比较单元222。比较单元222处理后输出结果:“1”表示当前功率值大于或等于设定值(机车工作在高功率状态)；“0”表示当前功率值小于设定值(机车工作在低功率状态)。如图3所示，然后将结果输入给空压机控制模块230和旁路阀控制模块240中的函数关系单元 231、241。
[0039]空压机控制模块230主要包括函数关系单元231、偏差运算单元232和PID控制单元233。函数关系单元231主要是根据当前采集到的电流值和设定的过氧比系数273计算出燃料电池需求的空气流量值。偏差运算单元232主要是计算参考流量和实际流量之间的偏差。PID控制单元233则是通过算法对计算出空压机的控制信号，控制空压机。
[0040]旁路阀控制模块240主要包括函数关系单元241、偏差运算单元242、PID控制单元243和模数转换单元244。函数关系单元241主要是根据当前采集到的电流值和设定的过氧比系数373计算出燃料电池需求的空气流量值。偏差运算单元242主要是计算参考流量和实际流量之间的偏差。PID控制单元243则是通过算法对计算出旁路阀系统的控制信号。模数转换单元244则是将PID控制模块243得到的控制信号转换为数字量，数字量的每一位控制着相应对应的阀门。
[0041]当空压机控制模块230中的函数关系单元231接收到控制对象选择模块220中比较单元222中的信号是“I”时，此时空压机可以工作在正常的工作区域内，将函数关系单元231的计算结果和流量采集单元271的数值送入偏差运算单元232，计算出在设定的过氧比系数373对应的流量与实际的流量的偏差，然后将偏差结果送到PID控制单元233，通过算法控制空压机，使空压机既能再正常的工作区域内工作，又能时保持设定的过氧比供气。
[0042]同时旁路阀控制模块240接收到比较单元222的结果是“I”时，此时旁路阀控制模块中的函数关系单元241、偏差运算单元242、PID控制单元243都不工作，只是给模数转换单元244送入一个常量O，让其输出控制旁路阀门全部关闭。这样空气流量主要空压机控制模块230控制。
[0043]当空压机控制模块230中的函数关系单元240接收到比较单元222中的信号是“O”时，此时空压机控制模块230的作用是控制空压机保持在的工作区域对流量控制不作要求，所以此时函数关系单元231不进行运算只是输出一个事先设定好的空气流量值(能后保证空压机工作在正常的区域，可以根据机车的系统手册或者实验数据得到)。偏差运算单元232接收到空气流量值和流量采集单元271的数据，计算出在设定的过氧比系数对应的流量与实际的流量的偏差，然后将偏差结果送到PID控制单元233，通过算法控制空压机，使空压机在设定的流量下能够工作在正常的工作区域。
[0044]相应的，此时旁路阀控制模块231从比较单元222收到的信号为“0”，燃料电池的入口流量主要由旁路阀控制。首先旁路阀控制模块240中的函数关系单元241把设定的过氧比和从电流采集单元212接收到电流换算成对应的空气流量值，然后和流量采集单元272中的实际流量值传输偏差运算单元242，得到的偏差值进入PID控制单元243，通过算法得到旁路阀的“开度”，在通过模数转换单元244得到的对应的数字量，去控制每一个阀门。这样使将空压机多余的空气通过旁路系统回到空压机的入口处，保证了燃料电池空气侧入口流量与设定的过氧比系数对应。
[0045]从本系统可以看出，当燃料电池机车工作在高功率时，空压机不会跌入喘振区，且燃料电池空气侧入口流量主要由空压机控制，当燃料电池机车工作在低功率时，燃料电池空气侧入口流量主要是有旁路阀控制。本发明燃料电池机车空压机防喘振系统，结构简单、可靠性高，可方便实现燃料电池低功率工作时空压机防喘振且燃料电池空气流量的控制，增强了整个机车空气系统的稳定性；且不需要增加新的工艺和设备、运行成本低。
【权利要求】
1.燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，其特在于:包括燃料电池功率电流采集模块、控制对象选择模块、空压机控制单元模块和旁路阀控制模块；燃料电池功率电流采集模块记录当前燃料电池功率给控制对象选择模块，电流给空压机控制模块和旁路阀控制模块；所述控制对象选择模块根据采集到的功率和自身设定功率界限输出控制对象的选择信号:当选择空压机作为主要控制对象时，通过控制模块中的函数关系单元、偏差运算单元以及PID控制单元输出对空压机的控制信号；当旁路系统作为主要控制对象时，通过控制模块中的函数关系单元、偏差运算单元、PID控制单元以及数模转换单元输出旁路阀的控制信号。
2.根据权利要求1所述的燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，其特点在于:所述的控制对象选择模块，可以设置空压机工作在非喘振区域内，燃料电池能提供的最小功率值，再与当前采集到的功率值对比，输出主要控制对象选着信号。
3.根据权利要求1所述的燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，其特点在于:所述的空压机控制模块工作时，将设定的过氧比，经过函数关系单元计算出流量，作为PID控制单元的参考流量，再通过偏差运算单元计算出设定的参考流量与实际流量的偏差，输入给PID控制单元输出空压机的控制信号，控制空压机工作在正常工作区域。
4.根据权利要求1所述的燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法，其特点在于:所述的旁路阀控制模块工作时，将设定的过氧比，经过函数关系单元计算出流量，作为PID控制单元的参考流量，在通过偏差运算单元计算出设定的参考流量与实际流量的偏差，输入给PID控制单元，在经过模数转换单元输出旁路阀的控制信号，控制进入燃料电池的空气流量。
【文档编号】F04D29/66GK103727074SQ201310671985
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月7日 优先权日:2013年12月7日
【发明者】赵兴强, 陈维荣, 刘志祥, 李奇, 郭爱, 戴朝华, 张雪霞 申请人:西南交通大学, 成都瑞顶特科技实业有限公司