变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法，在变海拔环境模拟舱中，设有依次连接的空气滤清模块、空气压缩模块、中冷模块、加湿模块、虚拟电堆模块、背压模块Ⅰ、背压模块Ⅱ和尾排模块；各个模块之间还设有传感器；在上位机中，设有用于计算虚拟电堆空气流量、压力损耗及输出功率的变海拔模型；采集各传感器信息的状态采集模块；用于实现燃料电池空气供给系统控制策略的控制模块。本发明专利技术为变海拔燃料电池空气供给系统控制策略开发提供可靠验证与实验结果参考；空气供给系统整体性的测试验证，避免了分析效率较低，可靠性较差的缺点，可以进行复杂工况的测试。虚拟电堆的应用减少了测试开发成本、时间。时间。时间。

【技术实现步骤摘要】
变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法


[0001]本专利技术提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法，属于燃料电池


技术介绍

[0002]近年来，随着国际社会对保护环境和节约能源的关注日益增加，氢能作为新兴的清洁能源技术，具有清洁、热值高等优点。质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)是氢能开发应用的重要形式，具有高效、无污染、低噪声等优点。但是由于燃料电池是复杂、非线性、大时滞的强耦合系统，其动力性、安全性、经济性受多方面因素影响，所以需要为燃料电池设计、安全、高效的控制方法与管理策略。
[0003]燃料电池系统的动态输出性能往往由空气供给系统决定，在变海拔环境下，大气压力、大气温度、大气密度的降低导致空气供给系统的影响进一步增大。氧气过量比(Oxygen excess ration，OER)是空气供给系统重要参数，OER是指供给的空气质量流量与负载需求的空气质量流量之比。OER对于空气供给系统控制尤为重要，因此准确地控制OER有利于提高燃料电池系统的效率、安全性和使用寿命。
[0004]在OER控制的开发过程中，需要测试燃料电池系统稳态、瞬态工作状态等情况是否有所优化以验证所采用的控制策略。但是，目前完全基于硬件的燃料电池控制器开发时间长、成本高，并且需要安全级别很高的涉氢实验室，大大提高了控制策略的开发、验证难度。完全基于软件的控制器开发时间短、成本相对较低，但是高度依赖于模型的精度，无法全面反应空气路各部件相应特性，并验证所开发的控制策略的优劣。
[0005]在变海拔环境下，由于大气压力、温度、密度的降低，导致在OER控制过程中，空气压缩机的运行曲线很有可能超过喘振安全范围，系统压力会出现周期性震荡现象，导致质子交换膜受损，进而导致燃料电池故障。
[0006]现有技术中，通过两个模型搭建模块用于建立燃料电池模型、初始控制策略模型，两个硬件仿真模块用于运行燃料电池模型及控制策略，一个控制模块(200)用于连接两个硬件仿真模块并优化初始控制策略模型。能够实现对燃料电池控制策略模型的实时仿真验证，并在仿真结果的基础上对控制策略进行调整优化，最终实现无需手动编写和修改代码的基础上实现快速开发燃料电池的控制策略。
[0007]该测试方法精度高度依赖于所搭建的燃料电池系统经验模型精度，而在变海拔环境下，由于外界大气压力、温度、湿度等条件的变化，燃料电池空气供给系统压力、流量动态响应，电堆极化曲线等均会产生较大变化，所以单一模型并不能准确描述变海拔情况下的燃料电池真实运行情况进而导致测试的控制策略效果无法保证。海拔变化带来的大气压力和温度的下降会导致空气压缩机在控制策略下运行在喘振区，导致空气供给系统压力、流量周期性震荡，甚至引起燃料电池故障，但系统经验模型并不能有效表征这一情况，使得控制策略的验证不全面、不充分。
[0008]另外，还有燃料电池增压器变海拔模拟测试系统，通过依次连接的进气压力调节
模块、待测增压器安装台、增压中冷模块(30)、电堆空气阻力模拟模块、排气压力调节模块，来对燃料电池增压器工作环境进行模拟，实现测试不同海拔条件下，增压器在燃料电池系统中的真实响应特性。其优势在于利用进气压力调节模块调节进气温度与压力，模拟不同海拔的大气环境；通过电堆空气阻力模拟模块代替真实电堆，可以在常规增压器性能试验系统进行改装拓展，不需要额外涉氢安全防爆设施，减少成本。
[0009]该技术通过电堆的空气消耗随电流、气流状态等参量变化而变化，所以固定结构的电堆空气阻力模拟模块并不能准确表征不同工况下的燃料电池电堆空气消耗情况。在燃料电池空气供给系统中，从增压器、管路到中冷器再到加湿器均对进堆空气压力、流量产生影响，单独对增压器的测试对验证所提出的控制策略帮助有限，从而无法对燃料电池空气供给系统功能进行更全面分析，无法对控制策略进行优化。

技术实现思路

[0010]针对上述技术问题，本专利技术提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统及方法，以解决现有技术中对燃料电池空气供给系统测试验证忽略变海拔环境影响的缺陷，并实现空气供给系统整体功能分析需求，提高分析效率与可靠性。
[0011]具体的技术方案为：
[0012]首先提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，包括：
[0013]在变海拔环境模拟舱中，设有依次连接的空气滤清模块、空气压缩模块、中冷模块、加湿模块、虚拟电堆模块、背压模块Ⅰ、背压模块Ⅱ和尾排模块；
[0014]在上位机中，设有用于计算虚拟电堆空气流量、压力损耗及输出功率的变海拔模型；采集各传感器信息的状态采集模块；用于实现燃料电池空气供给系统控制策略的控制模块。
[0015]具体的，在变海拔环境模拟舱中，空气滤清模块，用于过滤进口空气；
[0016]空气压缩模块，用于加压进口空气，使空气进堆流量符合控制策略需求；
[0017]中冷模块，用于冷却因压缩而被过度加热的空气，使空气进堆温度符合控制策略需求；
[0018]加湿模块，用于加湿空气，使空气进堆湿度符合控制策略需求；
[0019]虚拟电堆模块，根据变海拔模型传递的压力差与流量差，调节背压模块Ⅱ，使得经背压模块Ⅰ的空气压力、流量符合实际情况；
[0020]背压模块Ⅰ，用于调节虚拟电堆阴极压力，使空气进堆压力符合控制策略需求；
[0021]背压模块Ⅱ，用于调节经虚拟电堆的空气流量差与压力差，使空气参数变化符合实际情况；
[0022]尾排模块，用于排出加压空气，完成燃料电池空气供给系统循环；
[0023]在空气滤清模块与空气压缩模块之间安装第一组传感器，包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器，用于测量变海拔环境是否达到预设指标；
[0024]在空气压缩模块和中冷模块之间安装第二组传感器，包括压力传感器、温度传感器和流量传感器，结合第一组传感器数据，用于评估空气压缩模块工作状况；
[0025]在中冷模块和加湿模块之间安装第三组传感器，包括压力传感器和温度传感器，结合第二组传感器数据，用于评估中冷模块的工作状态；
[0026]在加湿模块和虚拟电堆之间安装第四组传感器，包括湿度传感器、流量传感器和压力传感器，其中湿度传感器和流量传感器数据用于评估加湿模块的工作状态，压力传感器用于评估背压模块Ⅰ的工作状态；
[0027]在虚拟电堆和背压模块Ⅰ之间安装第五组传感器，包括压力传感器、流量传感器，用于评估虚拟电堆工作状态。
[0028]具体的，在上位机中，状态采集模块，用于收集来自各传感器的压力、流量、温度和湿度信息，分析各模块工作状态、控制策略实现情况，预警危险情况及时控制系统停机；
[0029]变海拔模型，用于通过设定的海拔、负载信息计算虚拟电堆应产生的压力、流量损失，并传输至虚拟电堆模块；
[0030]变海拔模型可以选择现有技术中的模型，如申请号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，其特征在于，包括：在变海拔环境模拟舱中，设有依次连接的空气滤清模块(10)、空气压缩模块(20)、中冷模块(30)、加湿模块(40)、虚拟电堆模块(50)、背压模块Ⅰ(60)、背压模块Ⅱ(80)和尾排模块(70)；各个模块之间还设有传感器；在上位机中，设有用于计算虚拟电堆空气流量、压力损耗及输出功率的变海拔模型(300)；采集各传感器信息的状态采集模块(100)；用于实现燃料电池空气供给系统控制策略的控制模块(200)；其中，在变海拔环境模拟舱中，空气滤清模块(10)，用于过滤进口空气；空气压缩模块(20)，用于加压进口空气，使空气进堆流量符合控制策略需求；中冷模块(30)，用于冷却因压缩而被过度加热的空气，使空气进堆温度符合控制策略需求；加湿模块(40)，用于加湿空气，使空气进堆湿度符合控制策略需求；虚拟电堆模块(50)，根据变海拔模型(300)传递的压力差与流量差，调节背压模块Ⅱ(80)，使得经背压模块Ⅰ(60)的空气压力、流量符合实际情况；背压模块Ⅰ(60)，用于调节虚拟电堆阴极压力，使空气进堆压力符合控制策略需求；背压模块Ⅱ(80)，用于调节经虚拟电堆的空气流量差与压力差，使空气参数变化符合实际情况；尾排模块(70)，用于排出加压空气，完成燃料电池空气供给系统循环。2.根据权利要求1所述的变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，其特征在于，所述的传感器的具体设置为：在空气滤清模块(10)与空气压缩模块(20)之间安装第一组传感器(1)，包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和流量传感器，用于测量变海拔环境是否达到预设指标；在空气压缩模块(20)和中冷模块(30)之间安装第二组传感器(2)，包括压力传感器、温度传感器和流量传感器，结合第一组传感器(1)数据，用于评估空气压缩模块(20)工作状况；在中冷模块(30)和加湿模块(40)之间安装第三组传感器(3)，包括压力传感器和温度传感器，结合第二组传感器(2)数据，用于评估中冷模块(30)的工作状态；在加湿模块(40)和虚拟电堆之间安装第四组传感器(4)，包括湿度传感器、流量传感器和压力传感器，其中湿度传感器和流量传感器数据用于评估加湿模块(40)的工作状态，压力传感器用于评估背压模块Ⅰ(60)的工作状态；在虚拟电堆和背压模块Ⅰ(60)之间安装第五组传感器(5)，包括压力传感器、流量传感器，用于评估虚拟电堆工作状态。3.根据权利要求1所述的变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，其特征在于，在上位机中，状态采集模块(100)，用于收集来自各传感器的压力、流量、温度和湿度信息，分析各模块工作状态、控制策略实现情况，预警危险情况及时控制系统停机；变海拔模型(300)，用于通过设定的海拔、负载信息计算虚拟电堆应产生的压力、流量损失，并传输至虚拟电堆模块(50)；控制模块(200)，用于控制空气供给系统各组件，执行所设计的燃料电池控制策略，包括对空气压缩模块(20)、中冷模块(30)、加湿模块(40)和背压模块Ⅰ(60)的控制，用以调节
进堆空气压力、流量、温度和湿度；控制模块(200)根据状态采集模块(100)传递的信息执行反馈控制，依据采集的信息和变海拔模型(300)的计算结果评估控制策略的优劣，并用于后续的控制策略优化之中。4.根据权利要求1所述的变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，其特征在于，所述的变海拔模型(300)根据实物电堆实验中采用的燃料电池进行标定，拟合方程如下式所示：其中，ΔP为经过燃料电池电堆前后的压差，ΔW为经过燃料电池电堆前后的流量差，h为设定的海拔高度，I
st
为设定的负载电流，a0～a3、b0～b3、c0～c3、d0～d3为待标定的参数。5.根据权利要求1所述的变海拔条件下燃料电池空气供给系统模拟测试系统，其特征在于，所述的变海拔模型(300)根据状态采集模块(100)传递的信...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏中宝，蒋非凡，李明阳，王彦波，潘凤文，何洪文，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：