燃料电池系统的内部状态估计及控制方法及系统与流程

本发明属于燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法及系统。

背景技术：

1、氢能燃料电池汽车是具有广阔发展前景的新能源汽车，其具有加氢时间短、续驶里程长的诸多优点。燃料电池系统通常包含燃料电池电堆和外围氢气、空气、冷却等零部件系统，电堆包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、双极板等，由于1片的理论电压为1.23v，其通常通过几百片并联实现大功率输出。随着燃料电池发动机向重卡应用方向拓展，为了满足商用车重卡动力性需求，发动机功率需达到200～300kw级别，为了在满足电堆的氢气计量比需求的同时，提高燃料电池的效率，基于引射器的氢循环系统成为行业的热点和重点。但由于引射器的回流比对工作参数的敏感性较高，在电堆阳极侧流阻产生变化后，导致影响回流比的稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法及系统，至少部分的解决现有技术中存在的影响回流比的稳定性问题。

2、第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，所述燃料电池系统包括引射器和电堆，方法包括：

3、获取引射器混流出口和引射器回流口的压力差；

4、基于压力差得到电堆内流道水淹状态表征值s；

5、根据压力差得到引射器的回流比值kact；

6、根据水淹状态s计算需求回流比ktar；

7、基于回流比值kact和需求回流比ktar控制燃料电池的主氢喷和旁通氢喷流量。

8、可选的，s表示液态水在液态水和气态水的集合中占的比例，s＝1，表示流道中都是液态水，s＝0，表示流道中都是水蒸气。

9、可选的，回流比值kact根据预标定的压差-回流比map图查表获得。

10、可选的，所述根据水淹状态s计算需求回流比ktar，包括：

11、所述需求回流比ktar基于理论计算获得理论回流比ktar，γ，以及通过预设定的s-ktar，s标定数据表获得ktar，s，ktar＝max(ktar，s，ktar，γ)。

12、可选的，所述基于回流比值kact和需求回流比ktar控制燃料电池的主氢喷和旁通氢喷流量，包括：

13、控制主氢喷占空比，增大氢喷流量，达到需求回流比，同时为了满足入口压力稳定，同步降低旁通氢喷流量，所述主氢喷和旁通氢喷均与电堆的氢气入口连通。

14、第二方面，本公开实施例提供了一种燃料电池系统，使用第一方面任一所述的方法，包括：包括电堆、引射器、旁通氢喷和主氢喷，旁通氢喷的出口和引射器的出口均与电堆的氢气入口连通，旁通氢喷的入口和主氢喷的入口汇集到氢气管路，引射器的入口与主氢喷出口连通，所述氢气管路上设置第一压力传感器、所述电堆的氢气入口设置第二压力传感器，所述主氢喷和引射器的入口之间设置第三压力传感器，所述引射器的回流口处设置第四压力传感器。

15、可选的，旁通氢喷占空比基于第一pi计算结果、第一前馈计算结果和第二pi计算结果控制，所述第一pi计算结果基于燃料电池吹扫阀开关状态得到，所述第一前馈计算结果基于第一压力传感器检测的压力值p1、当前旁通氢喷占空比和第二压力传感器检测的压力值p2得到，所述第二pi计算结果基于计算值e1得到，所述计算值e1基于需求功率p2，ref和第二压力传感器检测的压力值p2得到。

16、可选的，主氢喷占空比基于第二前馈结果和第三pi计算结果得到。

17、可选的，所述第二前馈结果基于第三压力传感器检测的压力值p3、第一压力传感器检测的压力值p1和当前主氢喷占空比得到，所述第三pi计算结果基于计算值e2得到，所述计算值e2基于第一压力传感器检测的压力值p1和计算压力p3，tgt得到。

18、可选的，所述计算压力p3，tgt基于需求功率p3，ref和计算压力p3，cor得到，所述计算压力p3，cor为对计算值e3进行回流比计算得到，所述计算值e3为对燃料电池水淹状态估计得到。

19、本发明提供的燃料电池系统的内部状态估计及控制方法及系统。其中该燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，通过监控引射器混流出口和回流口的压力差，估计电堆内部水淹状态和回流量状态，根据水淹状态恢复和电堆正常运行所需的回流比相比较，获得实时的回流比控制需求，并协调主氢喷和旁通氢喷实现回流比控制，从而保证回流比的稳定性，从而达到保证燃料电池系统的可靠性和耐久性的目的。

技术特征：

1.一种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，所述燃料电池系统包括引射器和电堆，其特征在于，方法包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，其特征在于，s表示液态水在液态水和气态水的集合中占的比例，s＝1，表示流道中都是液态水，s＝0，表示流道中都是水蒸气。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，其特征在于，回流比值kact根据预标定的压差-回流比map图查表获得。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，其特征在于，所述根据水淹状态s计算需求回流比ktar，包括：

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，其特征在于，所述基于回流比值kact和需求回流比ktar控制燃料电池的主氢喷和旁通氢喷流量，包括：

6.一种燃料电池系统，使用权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，包括：包括电堆、引射器、旁通氢喷和主氢喷，旁通氢喷的出口和引射器的出口均与电堆的氢气入口连通，旁通氢喷的入口和主氢喷的入口汇集到氢气管路，引射器的入口与主氢喷出口连通，所述氢气管路上设置第一压力传感器、所述电堆的氢气入口设置第二压力传感器，所述主氢喷和引射器的入口之间设置第三压力传感器，所述引射器的回流口处设置第四压力传感器。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，旁通氢喷占空比基于第一pi计算结果、第一前馈计算结果和第二pi计算结果控制，所述第一pi计算结果基于燃料电池吹扫阀开关状态得到，所述第一前馈计算结果基于第一压力传感器检测的压力值p1、当前旁通氢喷占空比和第二压力传感器检测的压力值p2得到，所述第二pi计算结果基于计算值e1得到，所述计算值e1基于需求功率p2,ref和第二压力传感器检测的压力值p2得到。

8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，主氢喷占空比基于第二前馈结果和第三pi计算结果得到。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二前馈结果基于第三压力传感器检测的压力值p3、第一压力传感器检测的压力值p1和当前主氢喷占空比得到，所述第三pi计算结果基于计算值e2得到，所述计算值e2基于第一压力传感器检测的压力值p1和计算压力p3,tgt得到。

10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述计算压力p3,tgt基于需求功率p3,ref和计算压力p3,cor得到，所述计算压力p3,cor为对计算值e3进行回流比计算得到，所述计算值e3为对燃料电池水淹状态估计得到。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法及系统。其中，种燃料电池系统的内部状态估计及控制方法，所述燃料电池系统包括引射器和电堆，方法包括：获取引射器混流出口和引射器回流口的压力差；基于压力差得到电堆内流道水淹状态表征值s；根据压力差得到引射器的回流比值k<subgt;act</subgt;；根据水淹状态s计算需求回流比k<subgt;tar</subgt;；基于回流比值k<subgt;act</subgt;和需求回流比k<subgt;tar</subgt;控制燃料电池的主氢喷和旁通氢喷流量。通过监控引射器混流出口和回流口的压力差，估计电堆内部水淹状态，根据水淹状态恢复和所需的回流比相比较，获得实时的回流比控制需求，并协调主氢喷和旁通氢喷实现回流比控制，达到保证燃料电池系统的可靠性和耐久性的目的。

技术研发人员：赵兴旺,王鹏,盛有冬,李飞强,方川
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15