一种车用PEMFC压力控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种车用PEMFC压力控制系统，属于汽车技术领域。它解决了现有技术中电堆两侧压力存在不协调控制的问题。该系统设置于车用PEMFC压力系统上，该压力系统包括燃料电池堆、连接于燃料电池堆氢气进出口的氢气供气装置、连接于燃料电池堆空气进出口的空气供气装置，PEMFC压力控制系统包括氢气压力控制电路和空气压力控制电路，氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，空气压力控制电路包括空气PID控制器和与空气PID控制器输入端连接的中间控制器，氢气压力传感器和空气压力传感器均与中间控制器连接，空气PID控制器与空气供气装置连接。该系统能够实现阳极和阴极两侧压力的协调控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车
，涉及一种车用PEMFC压力控制系统。
技术介绍
PEMFC 即质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)的英文缩写。PEMFC发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极， 阴极为电源正极。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修方便，工作时也没有噪音等优点，非常适宜用作车载动力源。PID (比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制算法被测参数(模拟量温度、压力、流量)由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。阶段国内车用PEMFC压力控制多采用氢气和空气单路独立PID控制，经研究表明 当保持温度和阴极进气压力基本恒定，仅提高阳极氢气的压力时，PEMFC的发电性能并没有明显的变化；当保持温度和阳极进气压力基本恒定，提高阴极压力时，电池的性能明显改善。但是，考虑到质子交换膜的安全，阴极压力只能略高于阳极压力，一般不超过0.02MPa， 而且两侧压力控制不论在上升阶段、稳态阶段还是在下降阶段，都要求保持同升和同降。根据PEMFC发电系统压力的这一控制特性，提出一种控制算法实现两侧压力的协调控制是非常重要的，但现有的车载PEMFC压力控制系统普遍存在算法复杂、实时性较差等技术问题。中国专利文献公开了一种车用燃料电池发动机控制方法及装置，其特征在于，其燃料电池发动机控制器是由氢气供给系统，空气供给和加湿系统，冷却水循环系统，安全报警系统，通讯监控系统和控制器等，其中氢气供给系统负责提供一定压力和流量的氢气，氢气进入电堆后将在表面附有催化及的质子交换膜上与交换膜另一侧的氧气发生反应，产生电能，热量和水。控制器根据实时采集的功率为依据，调节氢气入口压力，在保证氢气供应量的同时，防止压力过高，对电堆产生破坏。上述方案在一定程度上提高了车用PEMFC的性能，但是该专利技术没有解决电堆两侧压力的协调控制的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有的技术存在上述问题，提出了一种车用PEMFC压力控制系统，该车用PEMFC压力控制系统采用一种变输入PID控制算法，实现阳极和阴极两侧压力的协调控制。本专利技术通过下列技术方案来实现一种车用PEMFC压力控制系统，设置于车用 PEMFC压力系统上，车用PEMFC压力系统包括燃料电池堆、连接于燃料电池堆氢气进出口的氢气供气装置、连接于燃料电池堆空气进出口的空气供气装置，所述的PEMFC压力控制系统包括用于控制上述氢气供气装置的氢气压力控制电路和用于控制上述空气供气装置的空气压力控制电路，在所述的氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，所述的空气压力控制电路包括空气PID控制器和与空气PID控制器输入端连接的中间控制器，上述的氢气压力传感器和空气压力传感器均与中间控制器连接，所述空气PID 控制器与空气供气装置连接，所述的中间控制器能够对氢气压力传感器和空气压力传感器输送来的压力值进行差值计算并进行分析处理后输出相应的控制信号给空气PID控制器， 所述的空气PID控制器能够根据上述的控制信号控制空气供气装置进而控制燃料电池堆空气进出口的流量。该车用PEMFC压力控制系统中氢气供气装置和空气供气装置能向燃料电池堆不断的供应气体并提供一定的压力，在氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器和空气压力传感器，用于检测氢气和氧气输入燃料电池堆产生的压力，将检测到的气体压力值分别传给中间控制器，该中间控制器对检测到的压力值进行差值计算并进行分析判断其压力差值是否超出设定值，并输出对应的控制信号给空气PID控制器，空气PID控制器则根据中间控制器输出的相应控制信号控制空气供气装置进而控制燃料电池堆空气进口的流量，从而实现两侧气体的协调控制。在上述的车用PEMFC压力控制系统中，在所述中间控制器判断氢气压力和空气压力的差值在设定范围内时，中间控制器输送给空气PID控制器的输入量为r(kT)= L+y (kT)，其中y (kT)为空气压力采样值，R为压力控制的最终目标值，L为压力上升速度设定值。其L值越小控制越稳定，可以根据上升速度和控制精度要求适当选择，但当两侧压力差在设定范围内时，系统稳定性相对上升速度更为重要，L值的选取相对来说应小些。在上述的车用PEMFC压力控制系统中，在所述中间控制器判断氢气压力和空气压力的差值超出设定范围内时，中间控制器输送给空气PID控制器的输入量r (kT)= /2，其中7!1(1^)为氢气压力采样值，yO(kT)为氧气压力采样值。在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述空气供气装置包括依次连接的空气过滤器、高速风机、加湿器和空气流量控制阀，所述的空气流量控制阀输出端与燃料电池堆空气进口连接，燃料电池堆空气出口与空气尾气处理器连接，所述的空气流量控制阀的输入端与上述的空气PID控制器电连接。该空气供气装置中空气首先通过空气过滤器过滤掉可能含有的杂质，将较为纯净的空气通过高速风机后变成具有一定速度和压力的气体，然后经过加湿器进行加湿，变成较为适合的状态进入燃料电池堆，纯净湿润空气中的氧气在燃料电堆中与氢气发生反应时产生电能，其尾气通过空气尾气处理器处理后排出。其中空气流量控制阀控制燃料电池堆空气进口的空气进气流量，协调两侧压力差并使之保持在一定的范围内，从而提高PEMFC的发电性能。在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述氢气供气装置包括依次连接的氢气压缩气罐、高压阀、高压减压阀和氢气流量控制阀，氢气流量控制阀的输出端与燃料电池堆氢气进口连接，燃料电池堆氢气出口与氢气尾气处理器连接。氢气供气装置中氢气先储存在氢气压缩气罐中，再通过一个高压阀，输出的高压氢气是不能直接进入燃料电池堆的，因此高压氢气先经过高压减压阀将压力降低到合适的范围，再输入到燃料电池堆，并与燃料电池堆中氧气发生反应。其中氢气流量控制阀是用于控制氢气进入电堆的流量，调整两侧气体的压力差。在上述的车用PEMFC压力控制系统中，所述氢气压力控制电路包括氢气PID控制器，所述的氢气PID控制器输入端与所述的氢气压力传感器连接，氢气PID控制器输出端与氢气流量控制阀电连接。该氢气压力传感器将检测到的压力信号传送给氢气PID控制器， 氢气PID控制器经过分析判断将信号传给氢气流量控制阀，控制氢气流量阀的开度，从而控制输入燃料电池堆的氢气流量。现有技术相比，本车用PEMFC压力控制系统具有以下优点1、本专利技术是在氢气和空气单路独立PID控制中另加一个中间控制器，将两单路独立PID控制连接起来，通过中间控制器判断两侧的压力差，控制阴极压力略高于阳极压力， 采用了两种控制策略的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种车用ＰＥＭＦＣ压力控制系统，设置于车用ＰＥＭＦＣ压力系统上，车用ＰＥＭＦＣ压力系统包括燃料电池堆（５）、连接于燃料电池堆（５）氢气进出口的氢气供气装置（１）、连接于燃料电池堆（５）空气进出口的空气供气装置（２），所述的ＰＥＭＦＣ压力控制系统包括用于控制上述氢气供气装置（１）的氢气压力控制电路（３）和用于控制上述空气供气装置（２）的空气压力控制电路（４），其特征在于，在所述的氢气进口和空气进口分别设有氢气压力传感器（８）和空气压力传感器（９），所述的空气压力控制电路（４）包括空气ＰＩＤ控制器（１１）和与空气ＰＩＤ控制器（１１）输入端连接的中间控制器（１０），上述的氢气压力传感器（８）和空气压力传感器（９）均与中间控制器（１０）连接，所述空气ＰＩＤ控制器（１１）与空气供气装置（２）连接，所述的中间控制器（１０）能够对氢气压力传感器（８）和空气压力传感器（９）输送来的压力值进行差值计算并进行分析处理后输出相应的控制信号给空气ＰＩＤ控制器（１１），所述的空气ＰＩＤ控制器（１１）能够根据上述的控制信号控制空气供气装置（２）进而控制燃料电池堆（５）空气进出口的流量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：褚磊民，李志成，孙文凯，李传海，由毅，丁勇，赵福全，
申请(专利权)人：浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江吉利控股集团有限公司，
类型：发明
国别省市：33