一种燃料电池发动机空压控制系统及方法与流程

本发明涉及燃料电池发电装置领域，具体涉及一种燃料电池发动机空压控制系统及方法。

背景技术：

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的装置，膜电极是燃料电池发动机的核心，在膜电极的阳极，氢气穿透多孔性材料，在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，变为带正电的离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极，在膜电极的阴极，氧气通过穿透多孔性材料，在催化剂表面发生电化学反应得到电子，形成负离子，在阴极端的形成的负离子和阳极端迁移过来的正离子发生反应，反应生成水。膜电极两端用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电路回路。

为了保证燃料电池电堆中的化学反应能够连续稳定进行，系统需能连续向电堆提供一定压力和流量的空气，而燃料电池发动机控制的核心是控制和氧气发生电化学反应的反应条件，产生电能，为了保证燃料电池发动机的安全稳定氧气运行，氧气压力的精准控制就显得尤为重要。

现有技术尚存在一些不足：目前氧气压力的控制都是开环控制，开环控制实际值与理想值有较大偏差；且不能实时快速响应系统所需氧气压力。

技术实现要素：

本发明提供一种燃料电池发动机空压控制系统及方法，能够实现闭环控制氧气压力，减小实际值与理想值的偏差，提高对氧气压力控制的精度，同时能够快速响应系统所需的氧气压力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种燃料电池发动机空压控制系统，包括空气供给模块和压力控制模块，所述空气供给模块包括依次相连的空压机、加湿器、燃料电池电堆、背压阀和汽水分离器，所述压力控制模块包括依次串接的压力传感器、信号采样电路、滤波电路、模/数转换电路和控制器，所述压力传感器为电流型传感器，设于燃料电池电堆的空气入口处，压力传感器采集的电流信号依次经过信号采样电路、滤波电路和模/数转换电路后传输至控制器处理，控制器分别与空压机和背压阀通讯连接，用于控制空压机的转速及背压阀的开度。

作为上述方案的优选，所述控制器内写有pid控制程序，控制器根据目标空气压力值调整空压机的转速，然后通过压力传感器采集的压力信号进行pid调节，生成pid调节后的指令，并将该指发送给背压阀。

作为上述方案的优选，所述控制器通过can通信总线分别与空压机和背压阀通讯连接。

一种燃料电池发动机空压控制方法，包括以下步骤：

s1、启动空气供给模块，使得空气能够依次进入空压机、加湿器、燃料电池电堆，并在燃料电池电堆中与氢气发生电化学反应，产生电能；

s2、控制器根据当前所需的目标空气压力值，对照设置在空压机上的空压机转速表通过can通信将空压机调节至合适转速；

s3、压力传感器将采集到的当前燃料电池电堆入口压力值传输至控制器，控制器根据压力传感器传输来的压力信息进行pid调节，增大或减小背压阀的开度。

作为上述方案的优选，在步骤s3中，控制器对压力传感器传送来的压力信号进行分析和计算，经由计算燃料电池电堆入口实际空气压力值与目标空气压力值之差，根据差值通过pid控制程序生成开度控制指令，并将指令发送给背压阀，进而控制实际的燃料电池电堆入口空气压力与目标空气相压力一致。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

1、通过对空压机转速和背压阀开度的联合调节，使得燃料电池电堆入口处压力值与系统所需压力设定值偏差减小，进而使系统运行更加稳定；

2、通过设置在燃料电池电堆空气入口处的压力传感器和控制器内的pid控制程序，实现了背压阀的pid闭环控制，进一步减小燃料电池电堆入口处压力值与系统所需压力设定值的偏差，更进一步地提高了系统运行的稳定性；

3、控制器通过can总线与空压机和背压阀通信连接，使得控制系统调节速度更快、控制精度更高，进而使得压力控制模块能够快速响应空气供给模块所需的空气压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明燃料电池发动机空压控制系统的结构示意图；

图2为本发明燃料电池发动机空压控制系统的工作原理示意图；

图3为本发明燃料电池发动机空压控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，本发明提供一种燃料电池发动机空压控制系统，包括空气供给模块和压力控制模块，所述空气供给模块包括依次相连的空压机101、加湿器102、燃料电池电堆104、背压阀(电子节气门)105和汽水分离器106；所述压力控制模块包括依次串接的压力传感器201、信号采样电路202、滤波电路203、模/数转换电路204和控制器205；所述压力传感器201为电流型传感器，设于燃料电池电堆104的空气入口处，压力传感器201采集的电流信号依次经过信号采样电路202、滤波电路203和模/数转换电路204后传输至控制器205处理，控制器205通过can通信总线分别与空压机101和背压阀105通讯连接，用于控制空压机101的转速及背压阀105的开度。

所述控制器205内写有pid控制程序，空压机上安装有空压机转速表，控制器205根据目标空气压力值，对照空压机转速表调整空压机101至合适转速，然后通过压力传感器201采集的压力信号进行pid调节，生成pid调节后的指令，并将该指发送给背压阀105。

一种燃料电池发动机空压控制方法，包括以下步骤：

s1、启动空气供给模块，使得空气能够依次进入空压机、加湿器、燃料电池电堆，并在燃料电池电堆中与氢气发生电化学反应，产生电能；

s2、控制器根据当前所需的目标空气压力值，对照设置在空压机上的空压机转速表通过can通信将空压机调节至合适转速；

s3、压力传感器将采集到的当前燃料电池电堆入口压力值传输至控制器，控制器根据压力传感器传输来的压力信息进行pid调节，增大或减小背压阀的开度。

在步骤s3中，控制器对压力传感器传送来的压力信号进行分析和计算，经由计算燃料电池电堆入口实际空气压力值与目标空气压力值之差，根据差值通过pid控制程序生成开度控制指令，并将指令发送给背压阀，进而控制实际的燃料电池电堆入口空气压力与目标空气相压力一致。

工作原理如下：

当燃料电池发动机启动时，空气进入空压机101，经空压机101加压后变成具有一定流量和压力的气体，随后进入加湿器102，加湿器102对进入其内的干燥气体进行加湿，湿润空气进入燃料电池电堆104内，空气中的氧气与氢气发生电化学反应，并产生电能，燃料电池电堆104反应后的尾气随水汽一同出堆，经设置在燃料电池电堆104尾气出口处的背压阀105后进入汽水分离器106，汽水分离器106将气与水分离，分别用于燃料电池的循环利用。

在此过程中，电流型压力传感器201采集燃料电池电堆104空气入口处的电流信号，并经过信号采样电路202，将电流信号转换为电压信号，再经过滤波电路203和模/数转换电路204后，传输至控制器205处理，控制器205根据当前所需的目标空气压力值，对照空压机转速表通过can通信将空压机101调节到合适转速，然后对压力传感器201实时采集的压力信号进行分析和计算，将燃料电池电堆104入口实际空气压力值与目标空气压力值进行对比，根据差值的大小通过pid控制程序生成开度控制指令，并将指令发送给背压阀105，调节背压阀105的开度，进而控制实际的燃料电池电堆入口空气压力与目标空气压力相一致，以保证给燃料电池电堆稳定地供氧气。

本实施例中，压力传感器的型号为dg2101-a-(-0.1～0.2)/a，控制器可以采用型号mc9s12xep100，pid调节器的型号为yftc-0110，信号采样电路的芯片型号采用lm2902，滤波电路采用lc滤波电路，为现有技术，空压机、加湿器、燃料电池电堆、背压阀、汽水分离器均为现有技术，本实施例中不对其内部结构做赘述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。