一种基于分区监控的燃料电池控制系统技术方案

本发明专利技术的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，包括分区电流传感器、燃料电池控制器和燃料电池辅助器；分区电流传感器设置于燃料电池电堆内部，用于实时采集燃料电池电堆内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给燃料电池控制器；燃料电池控制器用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将控制信号通过通讯方式传输给燃料电池辅助器以及负载，负载用于接收燃料电池控制器的控制信号并消耗电堆能量；燃料电池辅助器用于根据控制信号调整燃料电池电堆的操作条件。本发明专利技术可以优化系统控制促进反应均匀性提升燃料电池的可靠性与耐久性，避免局部的反极和局部热点等状况发生。和局部热点等状况发生。和局部热点等状况发生。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分区监控的燃料电池控制系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池系统控制
，具体涉及一种基于分区监控的燃料电池控制系统。
[0002]背景介绍
[0003]燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化率高、无污染、噪音低的优点。燃料电池单电池由极板和膜电极组成，多个单电池堆叠成燃料电池电堆，通过控制输入燃料电池电堆的空气介质、氢气介质及散热介质使燃料电池工作到满足当前负载和输出特性的状态。由于燃料电池内部是一个多物理场耦合工作的环境，内部的水热及介质管理非常复杂，需要系统对燃料电池的操作条件以及负载输出做出精确的控制，但是燃料电池内部的状态很难被观测到，给燃料电池系统的控制造成了极大的困难。目前，在燃料电池控制方面缺乏对电堆有效的检测器件和方法，目前实现系统集成应用的有包括电压巡检、整堆交流阻抗等，但这些不能直接反映出电堆内部的状态，电堆内部电流分布以及温度分布的状态，也不能够及时的进行反馈控制，会造成内部反应不均匀和材料衰减不均匀，当燃料电池加减载、开关机、低温启动等特定输出工况，也不能进行反馈控制，燃料电池会因剧烈工况或极端工况导致电堆内部的损坏，影响到系统的可靠性与耐久性。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的基于分区监控的燃料电池控制系统，克服现有燃料电池控制系统中所存在的问题是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决现有燃料电池控制系统不能直接反映电堆内部状态、不能及时进行反馈控制等问题，提出了一种基于分区监控的燃料电池控制系统。
[0005]本专利技术提供了一种基于分区监控的燃料电池控制系统，包括分区电流传感器、燃料电池控制器和燃料电池辅助器；所述分区电流传感器设置于燃料电池电堆内部，用于实时采集燃料电池电堆内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器；所述燃料电池控制器用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将所述控制信号通过通讯方式传输给所述燃料电池辅助器以及负载，所述负载用于接收所述燃料电池控制器的控制信号并消耗电堆能量；所述燃料电池辅助器用于根据所述控制信号调整燃料电池电堆的操作条件。
[0006]更进一步的，所述分区电流传感器设置于靠近燃料电池电堆两侧端板处或燃料电池电堆中部，且设置于燃料电池电堆的两片极板之间。
[0007]更进一步的，所述分区电流传感器设有配水口和配气口，所述配水口与燃料电池电堆配水口相通，所述配气口与燃料电池电堆配气口相通。
[0008]更进一步的，所述分区电流传感器包括分区采集模块、采集电路模块和数据处理模块，所述分区采集模块用于分区采集燃料电池电堆极板每个分区块内的电流值与温度值，并传输给所述采集电路模块；所述采集电路模块用于计算处理所述分区采集模块中采集到的电流值与温度值，转换为对应的电流信号与温度信号，并传输给所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于处理所述电流信号与温度信号，将所述电流信号与温度信号转换为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器。
[0009]更进一步的，所述反馈信号包括电流分布的最大值信号、电流分布的最小值信号、电流分布的方差信号、温度分布的最大值信号、温度分布的最小值信号和温度分布的方差信号。
[0010]更进一步的，所述反馈信号中电流分布的指标包括基于电流分布方差的电流密度分布评估参数σ
c
和基于电流分布最大值、电流分布最小值的电流密度分布评估参数θ
c
，σ
c
和θ
c
的计算公式如下：
[0011][0012]其中，b为常数系数，N为分区个数，J
n
为每个分区的平均电流密度，为所有分区电流密度的平均值，J
max
为整板内分区电流密度的最大值，J
min
为整板内分区电流密度的最小值，其中，σ
c
和θ
c
越大，电流密度分布均匀性越差；σ
c
和θ
c
越小，电流密度分布均匀性越好。
[0013]更进一步的，所述燃料电池控制器的控制信号包括燃料电池工作条件控制信号和负载工况控制信号。
[0014]更进一步的，所述燃料电池控制器的控制算法包括最优控制算法和模型估计算法。
[0015]更进一步的，所述燃料电池电堆控制信号包括电堆的电流密度控制信号、气体计量比控制信号、氢空工作压力控制信号、氢空入口湿度控制信号、水路入口温度控制信号和水路进出口温差控制信号。
[0016]更进一步的，所述操作条件包括空气泵转速、循环泵转速、节气门开度、比例阀开度、尾排阀频次、旁通阀开度、水泵转速、节温器开度和风扇转速。
[0017]本专利技术通过将分区电流传感器集成于燃料电池电堆内部，从而监测燃料电池电堆极板平面内电流分布情况及温度分布情况，经数据处理后的反馈信号实时传送给燃料电池控制器，燃料电池控制器根据处理后的电流分布数据以及温度分布数据反馈信号，实时调整燃料电池电堆的操作条件、输出工况，使燃料电池电堆的水热管理状态达到最佳，可以使燃料电池平面内电化学反应更加均匀，电流分布与温度分布更加均匀，避免局部的反极和局部热点等极端状况的发生，提升燃料电池的可靠性与耐久性，还可以有效防止燃料电池电堆工作过程中反极现象的发生，避免因电池反极造成燃料电池电堆的不可逆损伤与破坏。
附图说明
[0018]图1是本专利技术实施例一种基于分区监控的燃料电池控制系统结构示意图；
[0019]图2是本专利技术实施例分区电流传感器安装在电堆内结构示意图；
[0020]图3是本专利技术实施例一种基于分区监控的燃料电池控制系统控制原理结构图。
[0021]图中：1、分区电流传感器，1
‑
1、配水口，1
‑
2、配气口，1
‑
3、分区采集模块，1
‑
4、采集电路模块，1
‑
5、数据处理模块，2、燃料电池控制器，3、燃料电池辅助器，4、燃料电池电堆，5、极板，6、燃料电池电堆配水口，7、燃料电池电堆配气口。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。
[0023]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0024]一种基于分区监控的燃料电池控制系统，如图1
‑
3所示，包括分区电流传感器1、燃料电池控制器2和燃料电池辅助器3；分区电流传感器1设置于燃料电池电堆4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，包括分区电流传感器(1)、燃料电池控制器(2)和燃料电池辅助器(3)；所述分区电流传感器(1)设置于燃料电池电堆(4)内部，用于实时采集燃料电池电堆(4)内分区的电流值与温度值，并将采集到的电流值与温度值处理为反馈信号，通过通讯方式传输给所述燃料电池控制器(2)；所述燃料电池控制器(2)用于接收反馈信号，根据反馈信号与控制目标进行计算生成控制信号，并将所述控制信号通过通讯方式传输给所述燃料电池辅助器(3)以及负载，所述负载用于接收所述燃料电池控制器(2)的控制信号并消耗电堆能量；所述燃料电池辅助器(3)用于根据所述控制信号调整燃料电池电堆(4)的操作条件。2.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)设置于靠近燃料电池电堆(4)两侧端板处或燃料电池电堆(4)中部，且设置于燃料电池电堆(4)的两片极板(5)之间。3.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)设有配水口(1
‑
1)和配气口(1
‑
2)，所述配水口(1
‑
1)与燃料电池电堆配水口(6)相通，所述配气口与燃料电池电堆配气口(7)相通。4.根据权利要求1所述的一种基于分区监控的燃料电池控制系统，其特征在于，所述分区电流传感器(1)包括分区采集模块(1
‑
3)、采集电路模块(1
‑
4)和数据处理模块(1
‑
5)，所述分区采集模块(1
‑
3)用于分区采集燃料电池电堆极板(5)每个分区块内的电流值与温度值，并传输给所述采集电路模块(1
‑
4)；所述采集电路模块(1
‑
4)用于计算处理所述分区采集模块(1
‑
3)中采集到的电流值与温度值，转换为对应的电流信号与温度信号，并传输给所述数据处理模...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚荣华，韩福江，潘旭，孟轩宇，韩雪松，
申请(专利权)人：国创氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：