面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略技术方案

本发明专利技术提供一种面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，采用空气系统控制策略通过控制空压机转速和电子节气门开度，满足燃料电池系统的空气供应需求，氢气系统控制策略通过控制比例阀

【技术实现步骤摘要】
面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略


[0001]本专利技术属于船用燃料电池控制
，具体涉及一种面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略
。

技术介绍

[0002]随着全球经济的高速发展，贸易运输的需求不断扩大
。
航运作为全球物流的一个重要组成部分，承担了世界
80%
以上的贸易运输
。
然而，航运贸易的大规模发展也造成了污染物和温室气体的大量排放
。
船舶行业的未来目标之一就是减少船舶排放物的影响，以响应国际海事组织关于温室气体和污染物排放的法规
。
因此，减少航行时燃料的消耗和污染物的排放成为现在交通运输业的主要问题
。
随着国家“双碳”目标的提出，为了应对日益严峻的海洋环境污染
、
温室气体引起的全球气候变化，以燃料电池动力系统为代表的新能源船舶成为现在及未来重要的研究方向
。
[0003]近年来，具有高电流密度
、
高效率
、
能量转换效率高
、
噪音小
、
可靠性高
、
无腐蚀性和低排放等特性的燃料电池技术受到越来越多的关注
。
燃料电池被认为是化石燃料能源系统非常有效的一个替代品，主要原因是它们非常的环保，不排放有害物质，燃料电池是一种利用氢气和氧气发电的电化学装置，它与电池最大的不同在于它们不需要充电，能够安静稳定的运行，用氢作为燃料时其产物只有电流和水，也被称作零排放发动机，因此燃料电池作为船舶动力源具有极诱人的发展前景
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的实际需求，本专利技术的目的是提供一种面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，能够实现对船用燃料电池系统的有效控制
。
[0005]其主要包括空气系统控制策略
、
氢气系统控制策略
、
热管理系统控制策略和故障诊断控制策略，空气系统控制策略通过控制空压机转速和电子节气门开度，满足燃料电池系统的空气供应需求，氢气系统控制策略通过控制比例阀
、
氢循环泵和排水阀，实现对氢气系统的控制，热管理系统控制策略通过控制电子节温器开度和冷却液循环泵转速使电堆进出口水温维持在目标值，同时结合
PI
控制，能够快速响应燃料电池系统目标工作温度需求，并且使燃料电池能够在船用工况下以较大功率运行，故障诊断控制策略分为通讯故障
、
空气系统故障
、
氢气系统故障
、
热管理系统故障
、
电堆故障和燃料电池系统故障，根据不同故障，设置了四个字节的故障码，故障码的每一位都有明确的故障定义，上层控制算法中的其他模块将根据故障诊断模块输出的故障码进行相应的控制
。
[0006]本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：一种面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，其特征在于：根据船舶航行典型工况，将船舶的功率需求作为输入信号，通过船用燃料电池系统控制管理策略，用以实现燃料电池系统高效管控；包括空气系统控制策略
、
氢气系统控制策略
、
热管理系统控制策略和故障诊断控
制策略
。
[0007]进一步地，在所述空气系统控制策略中，空压机采用标定查表的方式来控制，根据船用工况的需求功率，转为负载电流，根据当前电流需求以及过氧比，计算出空气流量需求，然后通过
Map
图查表方式得到空压机转速；电堆压力对电子节气门开度的变化非常敏感，在喘振线附近，节气门微小的角度变化就可能造成空压机喘振，节气门在开机吹扫和关机吹扫过程中都是开度全开，在电堆正常运行或降载过程中采用
PI
控制，以阴极出口压力和目标压力之间的偏差为输入信号，经过
PI
控制，输出电子节气门开度，通过协同控制空压机的转速和节气门的开度，使空气流量和空气压力达到目标值
。
[0008]进一步地，在所述氢气系统控制策略中，以船用工况的负载电流为输入，通过阳极目标压力曲线
、
氢循环泵转速和引射器流量与负载电流对应关系
、
排水阀特性曲线，分别得出阳极目标压力
、
氢循环泵转速
、
引射器流量
、
排水阀开启周期和开启时长，对比例阀
、
氢循环泵
、
引射器和排水阀进行相应的查表和
PI
控制，其中比例阀以阳极目标压力和实际压力的差值为输入信号，经过
PI
控制，输出比例阀开度；排水阀在电堆正常工作时进入常规排水模式，每次排水开启时间为 1s
，排水间隔与目标功率相关，功率越大，排水间隔越短，当单节电压过低时，进入强制排水模式，排水间隔缩短至
5s
，有利于阳极生成水的排出
。
[0009]进一步地，在所述热管理系统控制策略中，主要包括冷却液循环泵
、
电子节温器和
PTC
加热器的控制，冷却液循环泵以电堆进出口冷却水实际温差和设定温差为输入信号，经过
PI
控制，输出冷却液循环泵转速；电子节温器以冷却水出堆温度为判断信号决定冷却回路是否开启；
PTC
加热器以环境温度和冷却水出堆温度为判断信号决定是否开启辅助加热，通过上述控制策略能够快速响应燃料电池系统目标工作温度需求，使燃料电池能够在船用工况下以较大功率运行
。
[0010]上述热管理系统控制策略，为提高系统的冷却效率和适应船用工况，设计了低温冷却回路
、
高温冷却回路和基于海水换热系统，海水通过换热系统得到设定温度的低温冷却水和高温冷却水，分别进入对应的冷却回路，低温冷却水通过三个支路分别冷却
DCDC
变换器
、
中冷器和空压机，之后冷却水汇入高温冷却回路，同高温冷却水一起冷却电堆
。
温度传感器实时传输冷却水出入堆温度，
PTC
加热器在冷却水出堆温度过低时辅助加热，冷却水出堆温度
≤60℃
，
PTC 加热器辅助加热，冷却水出堆温度加热至
70℃
时
PTC
加热器停止加热
。
节温器以冷却水出堆温度作为判断信号决定冷却回路是否开启，冷却水出堆温度
≥70℃
时冷却回路开启，进入海水换热系统；冷却水出堆温度
≤65℃
时，关闭系统冷却回路；
65℃<
冷却水出堆温度
<70℃,
节温器维持之前的开闭状态，开启状态时，冷却液循环泵使冷却液从电堆内部带走多余的热量，并将热量带到换热器处
。
冷却液循环泵通过采集冷却水出入堆温度，采用...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，其特征在于：根据船舶航行典型工况，将船舶的功率需求作为输入信号，通过船用燃料电池系统控制管理策略，用以实现燃料电池系统高效管控；包括空气系统控制策略
、
氢气系统控制策略
、
热管理系统控制策略和故障诊断控制策略
。2.
根据权利要求1所述的面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，其特征在于：在所述空气系统控制策略中，空压机采用标定查表的方式进行控制，根据船用工况的需求功率，转为负载电流，根据当前电流需求以及过氧比，计算出空气流量需求，然后通过
Map
图查表方式得到空压机转速；电子节气门采用
PI
控制，以阴极出口压力和目标压力之间的偏差为输入信号，经过
PI
控制，输出电子节气门开度，通过协同控制空压机的转速和节气门的开度，使空气流量和空气压力达到目标值
。3.
根据权利要求1所述的面向工况自适应的船用燃料电池系统控制管理策略，其特征在于：在所述氢气系统控制策略中，以船用工况的负载电流为输入，通过阳极目标压力曲线
、
氢循环泵转速和引射器流量与负载电流对应关系
、
排水阀特性曲线，分别得出阳极目标压力
、
氢循环泵转速
、
引射器流量
、
排水阀开启周期和开启时长，对比例阀
、
氢循环泵
、
引射器和排水阀进行相应的查表和
PI
控制，其中比例阀以阳极目标压力和实际压力的差值为输入信号，经过

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，张智权，欧凯，叶望城，钟顺彬，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：