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一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法

阅读：457发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法，在水冷型燃料电池中，基于电堆所带负载的实际情况，通过实时控制电堆阴极侧空气过量系数，实现对电堆单片电池之间电压均衡性的控制，延长了电堆的使用寿命；该水冷PEMFC空气过量系数控制系统包括：PEMFC电堆、电子负载、电流传感器、数据采集卡、上位机、控制器、质量流量计。本发明实时调节阴极侧空气过量系数，能够较好的保证了PEMFC单片电池之间的电压均衡性，提升了电堆的响应速度，是在保持水冷型PEMFC系统阴极空气过量系数在允许调节的范围内的前提下，提供了一种较为简单、可靠性高、通用性强的空气过量系数控制方法，确保了电堆运行中各单片电池之间保持较好的电压均衡状态。，下面是一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种水冷PEMFC空气过量系数控制方法，其特征在于，该水冷PEMFC空气过量系数控制方法包括以下步骤：
步骤一，水冷型燃料电池系统工作时，调节电子负载到电堆允许的某一电流值I1，调节空气过量系数为λ1，记录各单片电池电压值，上位机计算每一时刻采集的单片电池电压数据，计算电压均衡性Cv；
步骤二，保持电流I1不变，调节空气过量系数λ共m次，记录每一次得到的Cvm，将得到得每一组Cv与λ的关系进行曲线拟合，得到关系曲线Cv＝f(λ)；
步骤三，在电堆输出电流允许范围内调节电堆输出电流n次，重复上述操作过程步骤一和步骤二，得到输出电流In条件下的Cv与λ的关系曲线Cv＝fn(λ)；
步骤四，利用平滑曲线对得到的不同电流值对应的Cv与λ的关系曲线中的最小值点Cv，min与所对应的λ值构成的离散点进行曲线拟合，得到Cv最小条件下的电堆输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；
步骤五，将得到的曲线λ＝g(I)作为水冷PEMFC 阴极侧空气过量系数控制策略依据，上位机根据目标电流值对应的空气过量系数计算实际需要的空气流量，然后将流量信号下发至控制器，动态调节空气流量，实现对水冷PEMFC单片电池电压均衡性的直接控制。
2.如权利要求1所述的水冷PEMFC空气过量系数控制方法，其特征在于，质子交换膜燃料电池PEMFC电压均衡性定义为:在某一输出条件下，质子交换膜燃料电池各单片电池电压与平均电压之间的偏离程度，即Cv，
其中Vi为单片电池电压，i为电池序号数，为单片电池平均电压。
3.如权利要求1所述的水冷PEMFC空气过量系数控制方法，其特征在于，PEMFC电堆阴极侧空气过量系数λ的设定值要满足电堆参数中的允许范围。
4.如权利要求1所述的水冷PEMFC空气过量系数控制方法，其特征在于，PEMFC电堆输出电流的设定要不大于电堆允许的最大输出电流值。
5.一种如权利要求1所述的水冷PEMFC空气过量系数的控制方法，其特征在于，该水冷PEMFC空气过量系数的控制方法水冷PEMFC空气过量系数控制系统，包括：PEMFC电堆、电子负载、电流传感器、数据采集卡、上位机、控制器、质量流量计；
质量流量计，连接PEMFC电堆，用于调节PEMFC电堆所需的空气流量；
电流传感器，用于感受PEMFC电堆电流信息，并能将检测感受到的信息变换成为电信号输出至电子负载和数据采集卡；
电子负载，与电流传感器连接，用于调节PEMFC电堆的输出电流值；
数据采集卡，与PEMFC电堆和电流传感器连接，用于将实时采集的电流值经过A\D转换送入上位机；
上位机，与数据采集卡连接，接收数据采集卡转换的电流值，用于实时计算电堆输出电流需要消耗的空气流量值并与相应电流下最佳空气过量系数λ相乘，确定实际需要送入电堆的空气量；
控制器，与上位机连接，用于接收上位机的空气流量信号，控制质量流量计，调节所需的空气流量。

说明书全文

一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法。

背景技术

[0002] 随着全球变暖问题的日益加剧和世界环境的不断恶化，新能源的利用备受重视。燃料电池由于其高效、洁净、无噪声、功率范围广等优点，被视为一种极具发展前景的新能源技术。其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快速、无污染等特点，已被广泛应用于移动电源、家用电源、混合动力车辆、分布式电站等相关领域中。

[0003] PEMFC系统在实际运行中需要根据负载的变化及电堆本身的运行情况等条件，对反应气体的流量、压力等相关参数进行实时调节，具有多输入、多输出的强非线性，强耦合性，明显的滞后性和随机性等特点。

[0004] 当被驱动负载发生变化时，电堆电流会相应的变化，此时如果阴极空气供给量处于过低或者过高的状态下，那么空气在流经电堆阴极入口后，分配到每一个单片电池时的流速、压力则会产生较为明显的差别，在相应的工作电流下，各个单片电池对氧化剂的消耗量则会不同，从而造成各单片电池之间性能的差异，从外部表现来看则是各个单片电池的输出电压的差别。而且相较于电堆阳极侧氢气供给子系统，阴极侧空气供应子系统的响应速度较慢，在处于负载变化速率较快的暂态状态下，空气的供给极易出现不足或者超限的问题，这样也势必造成单片电池之间的电压均衡性较差，并且难以解决，大大影响电堆的使用寿命。

[0005] 目前国内外已经开展了有关上述现象的研究，并针对“氧饥饿”和系统净输出功率提出了系统过氧比(Oxygen Excess Ratio，OER)的概念，但具体的研究成果仍相对较少。

[0006] 在现有的控制方法中，最优控制、神经网络控制、预测控制等控制方法已应用于基于氧饥饿现象动态模型设计的控制器中，但都只是考虑了如何避免氧饥饿现象，对氧气超限供给对系统功耗的影响，以及单片电池之间的电压均衡问题并未做考虑。

发明内容

[0007] 本发明实施例的目的在于提供一种水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法，旨在解决现有燃料电池空气过量系数控制方法存在的无法实现单片电池之间电压均衡的问题。

[0008] 本发明实施例是这样实现的，一种水冷PEMFC空气过量系数控制方法，该水冷PEMFC空气过量系数控制方法包括以下步骤：

[0009] 步骤一，水冷型燃料电池系统工作时，调节电子负载到电堆允许的某一电流值I1，调节空气过量系数为λ1，记录各单片电池电压值，计算单片电池电压均衡性Cv；

[0010] 步骤二，重复调节参数空气过量系数λ共m次，记录每一次得到的Cvm，Cv与λ的关系进行曲线拟合，得到关系曲线Cv＝f(λ)；

[0011] 步骤三，在电堆输出电流允许范围内调节电堆输出电流n次，重复上述操作过程，得到输出电流In条件下的Cv与λ的关系曲线Cv＝fn(λ)；

[0012] 步骤四，取得到的不同电流值对应的Cv与λ的关系曲线中的Cv最小值点Cvmin与所对应的λ值进行曲线拟合，得到Cv最小条件下的电堆输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；

[0013] 步骤五，将得到的曲线λ＝g(I)作为水冷PEMFC阴极侧空气过量系数控制策略依据，实时调节空气过量系数，实现对水冷PEMFC单片电池电压均衡性的直接控制。

[0014] 进一步，质子交换膜燃料电池PEMFC电压均衡性定义为:在某一输出条件下，质子交换膜燃料电池各单片电池电压与平均电压之间的偏离程度，即Cv，其中Vi为单片电池电压，i为电池序号数，为单片电池平均电
压。

[0015] 进一步，PEMFC电堆阴极侧空气过量系数λ的设定值要满足电堆参数中的允许范围。

[0016] 进一步，PEMFC电堆输出电流的设定要不大于电堆允许的最大输出电流值。

[0017] 进一步，该水冷PEMFC空气过量系数控制方法的水冷PEMFC空气过量系数控制系统，包括：PEMFC电堆、电子负载、电流传感器、数据采集卡、上位机、控制器、质量流量计；

[0018] 质量流量计，连接PEMFC电堆，用于调节PEMFC电堆所需的空气流量；

[0019] 电流传感器，用于感受PEMFC电堆电流信息，并能将检测感受到的信息变换成为电信号输出至电子负载和数据采集卡；

[0020] 电子负载，与电流传感器连接，用于调节PEMFC电堆的输出电流值；

[0021] 数据采集卡，与PEMFC电堆和电流传感器连接，用于将实时采集的电流值经过A\D转换送入上位机；

[0022] 上位机，与数据采集卡连接，接收数据采集卡转换的电流值，用于实时计算电堆输出电流需要消耗的空气流量值并与相应电流下最佳空气过量系数λ相乘，确定实际需要送入电堆的空气量；

[0023] 控制器，与上位机连接，用于接收上位机的空气流量信号，控制质量流量计，调节所需的空气流量。

[0024] 本发明提供的水冷PEMFC空气过量系数控制系统及方法，在水冷型燃料电池中，基于所带负载的实际情况，控制电堆阴极侧空气过量系数，实现对电堆单片电池电压均衡性的控制，改善电堆的使用寿命，在现有通用的燃料电池测试平台上测试相应水冷型电堆的最佳空气过量系数曲线即可，无需增加额外的辅助设备，运行成本得到较好的控制；同时，提供的水冷型质子交换膜燃料电池空气过量系数控制系统将空气过量系数λ实时调节，与现有的常规控制系统相比无特殊设备，结构简单，易于实现。

[0025] 本发明根据系统所带负载的实际情况，实时调节阴极侧空气过量系数，能够较好的保证PEMFC单片电池之间的电压均衡性，提升电堆的响应速度，进而延长电堆的使用寿命，是在保持水冷型PEMFC系统阴极空气过量系数在允许调节的范围内的前提下，提供了一种较为简单、可靠性高、通用性强的空气过量系数控制方法，确保了电堆运行中各单片电池之间保持较好的电压均衡状态，进而延长了PEMFC电堆的使用寿命。附图说明

[0026] 图1是本发明实施例提供的水冷PEMFC空气过量系数控制方法流程图；

[0027] 图2是本发明实施例提供的水冷PEMFC空气过量系数控制系统结构示意图；

[0028] 图3是本发明实施例中点电流为定值I1时，Cv＝f(λ)曲线示意图；

[0029] 图4是本发明实施例中通过实验测试得到的燃料电池输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；

[0030] 图5是本发明实施例利用λ＝g(I)控制空气流量与定过量系数λ情况下，电堆动态加载时电压均衡性Cv对比曲线图；

[0031] 图中：1、PEMFC电堆；2、电子负载；3、电流传感器；4、数据采集卡；5、上位机；6、控制器；7、质量流量计。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0033] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

[0034] 如图1所示，本发明实施例的水冷PEMFC空气过量系数控制方法包括以下步骤：

[0035] S101：水冷型燃料电池系统工作时，调节电子负载到电堆允许的某一电流值I1，调节空气过量系数为λ1，记录各单片电池电压值，计算单片电池电压电压均衡性Cv；

[0036] S102：重复调节参数空气过量系数λ共m次，记录每一次得到的Cvm，Cv与λ的关系进行曲线拟合，得到关系曲线Cv＝f(λ)；

[0037] S103：在电堆输出电流允许范围内调节电堆输出电流n次，重复上述操作过程，得到输出电流In条件下的Cv与λ的关系曲线Cv＝fn(λ)；

[0038] S104：取得到的不同电流值对应的Cv与λ的关系曲线中的Cv最小值点Cvmin与所对应的λ值进行曲线拟合，得到单片电池电压Cv最小条件下的电堆输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；

[0039] S105：将得到的曲线λ＝g(I)作为水冷PEMFC阴极侧空气过量系数控制策略依据，实时调节空气过量系数，实现对水冷PEMFC单片电池电压均衡性的直接控制。

[0040] 图3是本发明实施例的点电流为定值I1时，不同λ情况下，实际测试得到的电堆各单片电池电压均衡性曲线Cv＝f(λ)示意图；图4是本发明实施例中通过实验测试得到的燃料电池输出电流值I与空气过量系数λ的关系曲线λ＝g(I)；图5是本发明实施例利用λ＝g(I)控制空气流量与定过量系数λ情况下，电堆动态加载时电压均衡性Cv对比曲线图，可以看出在电堆输出电流动态加载过程中，以动态过量系数λ＝g(I)控制空气流量，可以更好的控制电堆各单体电池电压均衡性；

[0041] 如图2所示，本发明实施例的水冷PEMFC空气过量系数控制系统主要包括：PEMFC电堆1、电子负载2、电流传感器3、数据采集卡4、上位机5、控制器6、质量流量计7；

[0042] 质量流量计7，连接PEMFC电堆1，用于调节PEMFC电堆1所需的空气流量；

[0043] 电流传感器3，用于感受PEMFC电堆1电流信息，并能将检测感受到的信息变换成为电信号输出至电子负载2和数据采集卡4；

[0044] 电子负载2，与电流传感器3连接，用于调节PEMFC电堆1的输出电流值；

[0045] 数据采集卡4，与PEMFC电堆1和电流传感器3连接，用于将实时采集的电流值经过A\D转换送入上位机5；

[0046] 上位机5，与数据采集卡4连接，接收数据采集卡4转换的电流值，用于实时计算电堆输出电流需要消耗的空气流量值并与相应电流下最佳空气过量系数λ相乘，确定实际需要送入电堆的空气量；

[0047] 控制器6，与上位机5连接，用于接收上位机5的空气流量信号，控制质量流量计7，精确调节所需的空气流量。

[0048] 本发明实施例的具体工作原理：

[0049] 当PEMFC电堆1正常工作时，通过调节电子负载2改变PEMFC电堆1的输出电流值，模拟PEMFC在实际运行当中负载的变化；数据采集卡4将实时采集的电流值经过A\D转换送入上位机5；上位机5实时计算电堆输出电流需要消耗的空气流量值并与相应电流下最佳空气过量系数λ相乘，确定实际需要送入电堆的空气量；上位机5将所需空气流量的信号发送到控制器6，控制质量流量计7，精确调节所需的空气流量；数据采集卡4在燃料电池整个运行过程中，实时采集PEMFC电堆1中各单片电池的电压，对系统的保护装置提供监测信息。

[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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