一种燃料电池系统氢气压力控制方法与流程

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种燃料电池系统氢气压力控制方法。

背景技术：

1、氢燃料电池系统是一种将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的发电装置，其基本原理是氢气经过催化剂作用，分解为质子和电子，其中质子经过质子交换膜与氧气反应生成水，而电子通过外部电路从正极流向负极从而输出电能。在系统运行过程中，若进入燃料电池系统中的空气和氢气压力差过大，会对质子交换膜造成不可逆损伤，导致燃料电池性能下降，甚至质子交换膜破损，造成氢气泄露的危险。

2、基于此，公开号为cn115939466a的发明专利公开了一种氢燃料电池系统中空气和氢气压力控制方法、系统及装置，该专利中的氢气控制方法通过pid算法计算各个时刻氢气的进气阀开度，从而调整氢气实际压力，确保空气实际压力与氢气实际压力的压差稳定。

3、但是，燃料电池系统在运行期间的排气或排水过程中会存在瞬间泄压的情况，使得系统内存在较大的压力波动，此时若仍然采用固定增益的pid控制算法会存在响应速度较慢和误差较大的问题，无法将系统内的压力波动控制在要求的范围内。

技术实现思路

1、本发明提供一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种燃料电池系统氢气压力控制方法，包括如下步骤：

4、s1、实时获取燃料电池系统中的氢气目标出口压力和氢气实际出口压力，并根据燃料电池系统在不同工作状态下的压力变化特点计算各个时刻的氢气进气阀开度值y(j)；

5、s11、当燃料电池系统处于运行期间的非排气非排水状态或处于运行期间正常功率模式下的排水状态时，采用公式(1)的pid算法控制氢气进气阀开度值y(j)：

6、

7、式中：e(j)为当前氢气目标压力与当前氢气实际压力之间的差值，n为符合积分计算时间段内的总步长数，kp、ki、kd分别可调参数，δt为运行步长；

8、s12、当燃料电池系统处于运行期间低功率模式下的排水状态时，采用公式(2)的梯形增量模式控制氢气进气阀开度值y(j)：

9、

10、式中：yp0为排水阀开启前的氢气进气阀开度值，tp为低功率排水期间氢气进气阀的工作时间，kp1为排水期间的氢气进气阀开度值的升载斜率，kp2为排水期间的氢气进气阀开度值的降载斜率；

11、s2、根据计算出的氢气进气阀开度值，对燃料电池系统中的氢气压力进行实时控制。

12、进一步，所述步骤s1还包括如下步骤：s13、当燃料电池系统处于运行期间的排气期间状态时，采用公式(3)的三角形增量模式控制氢气进气阀开度值y(j)：

13、

14、式中：yq0为排气阀开启前的tq0时刻的氢气进气阀开度值，tq为排气期间氢气进气阀的工作时间，kq1为排气期间氢气进气阀开度值的升载斜率，kq2为排气期间氢气进气阀开度值的降载斜率。

15、进一步，所述步骤s13中，排气期间氢气进气阀开度值的降载斜率kq2＝升载斜率kq1。

16、进一步，所述步骤s12中，排水期间氢气进气阀开度值的降载斜率kp2＝升载斜率kp1。

17、进一步，在步骤s11中，非排气非排水状态的可调参数kp和kd的取值小于正常功率模式下的排水状态的可调参数kp和kd的取值。

18、进一步，在步骤s11中，当燃料电池系统处于正常功率模式下的排水状态时，首先记录排水开启时刻的氢气进气阀开度值yz0，然后采用pid算法控制该运行状态下的氢气进气阀开度值y(j)，并在排水阀关闭后的0.1秒内，控制氢气进气阀开度值y(j)≤yz0。

19、进一步，所述步骤s1还包括如下步骤：s14、当燃料电池系统处于开机过程状态时，同时开启氢气进气阀、排气阀和排水阀，从而执行开机吹扫，开机吹扫期间采用公式(1)的pid算法控制氢气进气阀开度值y(j)；当达到设定的开机吹扫时间，则关闭氢气进气阀、排气阀和排水阀。

20、进一步，在即将达到设定的开机吹扫时间时，提前按照开机过程的降载斜率kj1将氢气进气阀开度值下降至0。

21、进一步，设定至少两轮开机吹扫，并设定相邻两轮开机吹扫的时间间隔；当上一轮开机吹扫结束且即将满足设定的时间间隔时，提前按照开机过程的升载斜率kj2升高氢气进气阀开度值；当达到设定的时间间隔，则同时开启排气阀和排水阀，并采用公式(1)的pid算法控制氢气进气阀开度值y(j)，由此开启下一轮的开机吹扫。

22、和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：

23、1、本发明针对燃料电池系统在不同工作状态下的压力变化特点，制定了不同的控制方法，从而能够精准、快速地调节氢气进气阀开度值，由此提高了系统响应速度和控制精度，将系统内的压力波动控制在要求的范围内。

24、2、当燃料电池系统处于运行期间低功率模式下的排水状态时，采用特殊的梯形增量模式控制氢气进气阀开度值，当燃料电池系统处于运行期间的排气期间状态时，采用特殊的三角形增量模式控制氢气进气阀开度值，两种特殊的算法可分别适应低功率排水或排气期间系统氢气压力的特定变化情况，从而克服采用pid算法出现响应速度慢的滞后现象。

技术特征：

1.一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：所述步骤s1还包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：所述步骤s13中，排气期间氢气进气阀开度值的降载斜率kq2＝升载斜率kq1。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：所述步骤s12中，排水期间氢气进气阀开度值的降载斜率kp2＝升载斜率kp1。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：在步骤s11中，非排气非排水状态的可调参数kp和kd的取值小于正常功率模式下的排水状态的可调参数kp和kd的取值。

6.如权利要求1所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：在步骤s11中，当燃料电池系统处于正常功率模式下的排水状态时，首先记录排水开启时刻的氢气进气阀开度值yz0，然后采用pid算法控制该运行状态下的氢气进气阀开度值y(j)，并在排水阀关闭后的0.1秒内，控制氢气进气阀开度值y(j)≤yz0。

7.如权利要求1所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：所述步骤s1还包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：在即将达到设定的开机吹扫时间时，提前按照开机过程的降载斜率kj1将氢气进气阀开度值下降至0。

9.如权利要求8所述的一种燃料电池系统氢气压力控制方法，其特征在于：设定至少两轮开机吹扫，并设定相邻两轮开机吹扫的时间间隔；当上一轮开机吹扫结束且即将满足设定的时间间隔时，提前按照开机过程的升载斜率kj2升高氢气进气阀开度值；当达到设定的时间间隔，则同时开启排气阀和排水阀，并采用公式(1)的pid算法控制氢气进气阀开度值y(j)，由此开启下一轮的开机吹扫。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池系统氢气压力控制方法，涉及燃料电池技术领域，该评估方法包括如下步骤：S1、实时获取燃料电池系统中的氢气目标出口压力和氢气实际出口压力，并根据燃料电池系统在不同工作状态下的压力变化特点计算各个时刻的氢气进气阀开度值y(j)；S2、根据计算出的氢气进气阀开度值，对燃料电池系统中的氢气压力进行实时控制。本发明针对燃料电池系统在不同工作状态下的压力变化特点，制定了不同的控制方法，从而能够精准、快速地调节氢气进气阀开度值，由此提高了系统响应速度和控制精度，将系统内的压力波动控制在要求的范围内。

技术研发人员：王健伟,杨福清,宋光吉,苏亮,唐静,郝凯歌,卢涛,蒋欣源
受保护的技术使用者：厦门金龙联合汽车工业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16