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CN114725436A - 一种燃料电池空气系统的控制方法 - Google Patents

一种燃料电池空气系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池空气系统控制方法,该方法不同于传统的基于稳态点构建变载路径的控制方法,而是在动态变载过程中以经济性最优为控制目标,通过求解目标函数或者基于规则的方法求解得到经济性最优的动态变载路径,实现了燃料电池空气系统的经济性最优化控制。

Description

一种燃料电池空气系统的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域,具体涉及一种燃料电池空气系统的控制方法。
背景技术
燃料电池系统的空气尾气为高压气体,为了提高燃料电池系统效率,通常会采用空压机-膨胀机一体的气体压缩及能量回收方案,但由于目前的空压机-膨胀机为同轴设计,导致在电流较低时,空气压力低,回收效率差。燃料电池系统在运行过程中,通常包含稳态运行点和动态变载过程,通常的,动态变载过程一般是通过在离散的稳态运行点间连续跳转实现的,但这种控制方式没有充分考虑动态变载过程的效率最优问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种燃料电池空气系统的控制方法,能够实现动态变载过程的经济性最优化控制。
本发明所称的燃料电池空气系统,包括流量计、空压机、燃料电池电堆、调压阀、膨胀机;所述流量计和空压机设置在燃料电池电堆的空气入堆管路上,所述调压阀和膨胀机设置在燃料电池电堆的空气尾排管路上;所述膨胀机和空压机同轴设置,并利用回收的能量辅助空压机工作。
本发明的提供的控制方法包括:
S1:接收目标功率,并将目标功率对应的空气系统的运行参数确定为目标点;
S2:判断目标功率和当前功率之间稳态点的数量;若具有两个以上的稳态点,执行步骤S31,若只有一个稳态点,则执行步骤S41,若没有稳态点,执行步骤S51;
S31:通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;
S32:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点;
S41:将空气系统的运行参数变载至最接近目标功率的稳态点,再变载至目标点;
S51:将空气系统的运行参数直接变载至目标点。
具体的,步骤S2中所称的稳态点是由燃料电池系统预先标定的多个离散点,例如从10kW~100kW每隔10kW标定一个稳态点,当处于稳态点时,燃料电池系统运行参数保持恒定,例如电流密度或功率、空气压力及流量、氢气压力、电堆出口和入口的水温、膜内水含量等,并且能长时间保持电压稳定。
其中,所述目标函数优化算法是指以空压机和膨胀机消耗的能量作为目标,以燃料电池电堆内部水热管理的可控性作为边界条件构建目标函数,求解目标函数的最优解。具体的,目标函数是指:
Figure 826901DEST_PATH_IMAGE002
其中J是∆t=t1-t0时间内消耗的能量,P(t)是空压机功耗PACMP与膨胀机功耗PTurbo的差值,其中t0时刻空压机位于初始运行点,t1时刻空压机位于目标点。PACMP与PTurbo可以按照常规的理论公式或经验公式确定,本发明对此不作特殊的限制。
基于规则的方法具体是指在空压机MAP图上通过预设的几何方法确定经济性最优的中间点。优选的,该几何方法是指:作目标参数等效率线的切线,以及当前参数至目标参数等效率线的垂线,取所述切线和垂线的交点作为中间点。
作为替代,所述步骤S41通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;然后执行步骤S42:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点。
同样作为替代,所述步骤S51通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;然后执行步骤S52:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点。应当理解,替代方案能够进一步动态变载过程的效率最优,同时也在一定程度上增加了系统控制方法的复杂性。
通过本发明提供的上述控制方法,燃料电池空气系统在动态变载过程中以经济性最优为控制目标,通过求解目标函数或者基于规则的方法求解得到经济性最优的动态变载路径,实现了燃料电池空气系统的经济性最优化控制。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述,本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本公开示例性实施例中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了燃料电池空气系统的基本构成;
图2示出了实施例中控制方法的流程图;
图3示出了实施例中控制方法对应的动态变载路径图。
附图标记说明:1-流量计;2-空压机;3-分配阀;4-燃料电池电堆、5-调压阀;6-膨胀机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整,并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括,即“包括但不限于”。除非特别申明,术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
图1示出了燃料电池空气系统的基本构成。如图1所示,燃料电池空气系统包括流量计1、空压机2、分配阀3、燃料电池电堆4、调压阀5、膨胀机6。
其中,流量计1、空压机2、分配阀3设置在燃料电池电堆4的空气入堆管路上,用于向燃料电池电堆4提供电化学反应所需的空气;调压阀5和膨胀机6设置在燃料电池电堆4的空气尾排管路上,膨胀机6利用燃料电池电堆4排出的高压空气尾气回收能量,和空压机2同轴设置。
除上述组件以外,燃料电池空气系统通常还包括中冷器、增湿器、气液分离器等组件,以及温度传感器、压力传感器等,本领域技术人员能够根据实际需要进行配置,本发明对此不做赘述。
图2示出了本发明控制方法的一个具体实施例。如图2所示,该具体实施例中的控制方法包括以下步骤:
S1:接收目标功率,并将目标功率对应的空气系统的运行参数确定为目标点;
S2:判断目标功率和当前功率之间稳态点的数量;若具有两个以上的稳态点,执行步骤S31,若只有一个稳态点,则执行步骤S41,若没有稳态点,执行步骤S51;
S31:通过基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点,具体是指:作目标点所处等效率线的切线,以及当前参数至目标点所处等效率线的垂线,取所述切线和垂线的交点作为中间点;
S32:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点;
S41:将空气系统的运行参数变载至最接近目标功率的稳态点,再变载至目标点;
S51:将空气系统的运行参数直接变载至目标点。
图3以一个具体应用场景为例进行说明。图3给出了空压机的MAP图,其中n1、n2、n3表示等转速线,k1、k2、k3表示等效率线。在一个具体应用场景下,目标功率和当前功率之间具有2个稳态点B1、B2,如按照现有技术中的控制方法,则通常执行A-B1-B2-C的变载路径。按照以上具体实施例提供的控制方法,由于具有两个稳态点,执行步骤S31,通过切线和垂线的交点确定了中间点D,然后在步骤S32中首先从当前点A变载至中间点D,再变载至目标点C。
以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述燃料电池空气系统包括流量计、空压机、燃料电池电堆、调压阀、膨胀机;所述流量计和空压机设置在燃料电池电堆的空气入堆管路上,所述调压阀和膨胀机设置在燃料电池电堆的空气尾排管路上;所述膨胀机和空压机同轴设置,并利用回收的能量辅助空压机工作;
所述控制方法包括以下步骤:
S1:接收目标功率,并将目标功率对应的空气系统的运行参数确定为目标点;
S2:判断目标功率和当前功率之间稳态点的数量;若具有两个以上的稳态点,执行步骤S31,若只有一个稳态点,则执行步骤S41,若没有稳态点,执行步骤S51;
S31:通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;
S32:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点;
S41:将空气系统的运行参数变载至最接近目标功率的稳态点,再变载至目标点;
S51:将空气系统的运行参数直接变载至目标点。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述目标函数优化算法是指以空压机和膨胀机消耗的能量作为目标,以燃料电池电堆内部水热管理的可控性作为边界条件构建目标函数,求解目标函数的最优解。
3.根据权利要求2所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述目标函数是指:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中J是∆t=t1-t0时间内消耗的能量,P(t)是空压机功耗PACMP与膨胀机功耗PTurbo的差值,其中t0时刻空压机位于初始运行点,t1时刻空压机位于目标点。
4.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述基于规则的方法是指在空压机MAP图上通过预设的几何方法确定经济性最优的中间点。
5.根据权利要求4所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述几何方法是指:作目标点所处等效率线的切线,以及当前参数至目标点所处等效率线的垂线,取所述切线和垂线的交点作为中间点。
6.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S41通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;然后执行步骤S42:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点。
7.根据权利要求1所述的燃料电池空气系统的控制方法,其特征在于,所述步骤S51通过目标函数优化算法或者基于规则的方法求解确定经济性最优的中间点;然后执行步骤S52:将空气系统的运行参数变载至中间点,再变载至目标点。
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