一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，其中方法具体包括以下步骤：根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速。与现有技术相比，本发明专利技术具有可消除在流量控制环节和压力控制环节的不良影响等优点。压力控制环节的不良影响等优点。压力控制环节的不良影响等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置


[0001]本专利技术涉及气动控制与新能源
，尤其是涉及一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置。

技术介绍

[0002]随着社会的发展与科技进步，能源与环境问题日渐受到工业生产的高度重视，人们对清洁能源的需求迫在眉睫。氢气是一种理想的新能源气体，具有来源广泛、储量丰富、无污染、能量密度高、可再生的优点。燃料电池作为一种将氢气的化学能转换为电能的高效能量转换装置得到广泛的应用，其中质子交换膜燃料电池在新能源汽车领域更是广受青睐，单目前氢燃料电池汽车并未得到和传统燃油汽车一样程度的普及，其中一个原因是车载燃料电池动力系统的输氢供氢技术不够成熟。
[0003]现有车载供氢主流方式是采用气罐储存的高压氢气经过减压后输送给燃料电池电堆。氢气瓶向电堆供给的氢气流量大小应与负载需求成正相关，如果供氢流量过大会导致氢气浪费，流量过小会无法满足功率需求；同时，燃料电池阳极流道的压力需求也随负载的变化而变化，这就需要合理控制电堆入口处的压力，而压力直接受供气流量影响；另外在控制气体流量的同时还需考虑其中氢气的纯度。目前车载燃料电池系统普遍采用的循环供氢模式存在氮气累积现象，因此还需要根据负载需求对循环泵的控制策略及控制律进行合理设计。
[0004]现有供氢系统输氢管路多采用两级减压方式，对存储氢气初始压力为70MPa的高压气罐来说，氢气从气罐放出后经瓶口组合阀中的一级减压阀降低到5～10MPa左右，经二级减压阀进一步降低到燃料电池气体工作所需压力，再经节流阀或比例阀等微调元件(用于精确调节进入电堆氢气的压力或流量)后进入燃料电池电堆。这里的二级减压阀是定值减压阀，而且由于电堆在不同负载时对应的理想阳极气压也不同，因此二级减压阀出口压力常留出一定的余量，这种情况下当电堆要求的阳极气压较小时，处于电堆与二级减压阀中间的微调元件两端会有较大的压差，加剧了节流损伤与发热，同时压差的波动也会影响微调元件的精度。
[0005]因此，现有的供氢系统输氢管道中，在流量控制和压力控制上均存在大量不足，目前并未有可以对上述环节进行控制的控制方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法和装置。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，包括以下步骤：
[0009]根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；
[0010]根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；
[0011]根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速。
[0012]进一步地，所述比例减压阀的出口压力的控制方法如下：
[0013]控制比例减压阀的出口压力的具体表达式如下：
[0014][0015]其中，p
re
表示比例减压阀的出口压力，p
sm
表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。
[0016]进一步地，所述流量控制阀的开度控制方法如下：
[0017]控制流量控制阀的开度的具体表达式如下：
[0018][0019][0020]其中，u
x
表示流量控制阀的开度，A
max
表示节流口面积最大值，p
re
表示比例减压阀的出口压力，p
sm
表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，R
g
表示氢气的气体常数；C
d
表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。
[0021]进一步地，所述给定氢气摩尔流量信号通过带前馈补偿器的PID控制器根据燃料电池电堆期望阳极气压和燃料电池电堆实际阳极气压获取。
[0022]进一步地，所述氢气循环泵的转速的控制方法如下：
[0023]控制氢气循环泵的转速的具体表达式如下：
[0024]ω
bl
＝K
bl
I+ω
min
[0025]其中，ω
bl
表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ω
min
表示循环泵允许的最小转速；K
bl
表示比例系数。
[0026]一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆。该装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0028]本专利技术首先对比例减压阀进行了控制，确保流量控制阀进出口压力比值保持稳定，既保证了输送足够流量所需的压力储备，又保证了流量控制阀前后压差不会过大从而避免了节流损失和发热的加剧。并对流量控制阀根据实时压力信息和负载电流下的给定氢气摩尔流量信号进行了控制，保证实际流量符合根据负载需求设定的给定流量。还对氢气循环泵的转速进行控制，从而达到控制循环回路氢气流量，使阳极进气维持一定过量比的目的。
附图说明
[0029]图1为本专利技术的控制系统示意图。
[0030]图2为本专利技术的带有具体控制参数的控制系统示意图。
[0031]图3为本专利技术基于数学模型建立的车载质子交换膜燃料电池供氢系统仿真模型框图。
[0032]图4为本专利技术在变负载工况下的质子交换膜燃料电池阳极流道气压跟踪曲线。
[0033]图5为本专利技术在变负载工况下的质子交换膜燃料电池阳极流道气压跟踪细节。
[0034]图6为本专利技术在变负载工况下阳极回路中的氮含量变化曲线。
[0035]图7为本专利技术在变负载工况下管路中的气体流量响应曲线。
[0036]图8为本专利技术在变负载工况下管路中的气体流量响应细节。
具体实施方式
[0037]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0038]本实施例提供了一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，整体控制框图如图1所示，图中实线表示气体的传输路径，虚线表示信号的传输路径。供氢系统硬件部分包括高压氢罐及瓶阀(瓶阀包括一级减压阀)、比例减压阀(电控减压阀)、流量控制阀、输氢管路、质子交换膜燃料电池阳极流道、循环泵、排气阀等，实际中还设有加湿器和冷却器等设备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，供氢系统中包括输氢管路，氢气在输氢管路中依次通过比例减压阀和流量控制阀，并与氢气循环泵循环的氢气混合后输入燃料电池电堆，其特征在于，包括以下步骤：根据流量控制阀进出口压力比值和流量控制阀出口的压力，控制比例减压阀的出口压力；根据比例减压阀的出口压力、流量控制阀出口的压力和某一负载电流下的给定氢气摩尔流量信号，控制流量控制阀的开度；根据负载需求的燃料电池电堆电流大小，控制氢气循环泵的转速。2.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述比例减压阀的出口压力的控制方法如下：控制比例减压阀的出口压力的具体表达式如下：其中，p
re
表示比例减压阀的出口压力，p
sm
表示流量控制阀出口的压力，K表示流量控制阀进出口压力的期望比值。3.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述流量控制阀的开度控制方法如下：控制流量控制阀的开度的具体表达式如下：量控制阀的开度的具体表达式如下：其中，u
x
表示流量控制阀的开度，A
max
表示节流口面积最大值，p
re
表示比例减压阀的出口压力，p
sm
表示流量控制阀出口的压力，表示给定氢气摩尔流量信号，R
g
表示氢气的气体常数；C
d
表示流量控制阀阀口流量修正系数，与阀口结构有关；T表示温度；k表示氢气绝热系数；M表示氢气的摩尔质量。4.根据权利要求3所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述给定氢气摩尔流量信号通过带前馈补偿器的PID控制器根据燃料电池电堆期望阳极气压和燃料电池电堆实际阳极气压获取。5.根据权利要求1所述的一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制方法，其特征在于，所述氢气循环泵的转速的控制方法如下：控制氢气循环泵的转速的具体表达式如下：ω
bl
＝K
bl
I+ω
min
其中，ω
bl
表示氢气循环泵的转速，I表示电堆电流；ω
min
表示循环泵允许的最小转速；
K
bl
表示比例系数。6.一种车载供氢系统氢气流量负载匹配控制装置，供氢系统中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晶，张力，明平文，訚耀保，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：