CN115020767B - 一种燃料电池系统控制方法、燃料电池系统及计算机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种燃料电池系统控制方法、燃料电池系统及计算机，获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。本发明通过氢气浓度下降会造成单片电压下降，以此识别氢气侧氮气与其他杂气累积时间的原理，使排气阀本身学习关闭时间，进而能够根据不同的情况，更新排气阀的开关周期，保证氢气侧氮气及其他杂气及时排出。

Description

一种燃料电池系统控制方法、燃料电池系统及计算机

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池系统控制方法、燃料电池系统及计算机。

背景技术

燃料电池是一种电化学反应装置，由氢气和氧气分别在两个半电极内发生反应生成水，将化学能转化为电能，同时伴随着效率损失而转化为热能。燃料电池堆是由多片燃料电池单片按照负极-正极-负极-正极如此重复的方式进行串联而成的，相邻两片燃料电池单片用双极板进行隔离。在双极板一侧表面形成有氢气供给流道且与氢气反应电极接触，在双极板另一侧表面形成有氧气供给流道且与氧气反应电极接触，在双极板中间形成有冷却液供给通道，不同介质流道间，用密封材料进行密封。

燃料电池系统在运行过程中，为提高氢气利用率，一般氢气侧是半封闭状态，由排气阀间断开启排出氢气侧的氮气以及其他杂气，但随着氢气侧与氧气侧产生的浓度差，氧气侧的氮气会通过质子交换膜渗透到氢气侧，同时，燃料电池系统中应用的氢气也不是100％纯氢，因此在排气阀关闭阶段，氢气侧氮气及其他杂气会累积，导致氢气浓度下降，进而影响燃料电池性能，如若不及时排出，氢气浓度会持续下降，造成燃料电池系统局部欠气，损害燃料电池的寿命。

现有燃料电池系统通过采用台架标定排气阀按照固定的开启-关闭时间周期进行工作，但由于电堆内的气体浓度、质子膜的厚度及空隙会随着电堆的运行时间变化，同时不同的氮气的渗透速率以及不同的氢气纯度也会导致杂气在单位时间内累计量不同，造成排气阀按照固定时间周期进行开启-关闭时，无法及时排气，进而降低了燃料电池的寿命。

发明内容

现有技术通过固定周期性开启排气阀对燃料电池系统氢气侧进行排气，不能够及时应对燃料电池内部的各种变化，容易造成排气不及时的情况，因此，本发明提供了一种燃料电池系统控制方法、燃料电池系统及计算机，以解决现有技术出现的燃料电池排气不及时的问题，使燃料电池系统的排气阀的开关周期根据各自状态灵活变动。

本发明的技术内容如下：

一种燃料电池系统控制方法，包括以下步骤：

获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；

根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

进一步地，所述根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气，包括：

若所述当前平均单片电压大于平均单片电压最低阈值和当前最低单片电压大于最低单片电压最低阈值时，按照第一周期开关与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气。

进一步地，所述根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气，还包括：

若所述当前平均单片电压不大于平均单片电压最低阈值和当前最低单片电压不大于最低单片电压最低阈值时，比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间与排气阀在第一周期内的关闭时间。

进一步地，当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间不小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期开关与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气。

进一步地，当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气。

进一步地，所述按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气时，包括：将累计关闭时间记录为Tn，并将记录次数记为n+1。

进一步地，所述按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气时，还包括：预设排气阀学习次数，比较所述记录次数与排气阀学习次数。

进一步地，当所述记录次数等于排气阀学习次数时，计算排气阀的关闭时间，并通过该关闭时间更新第一周期内的关闭时间，按照更新后的第一周期开关与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气。

进一步地，当所述记录次数不等于排气阀学习次数时，返回重新获取燃料电池系统下一个当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在下一个单次开关周期内的累计关闭时间，重新获取比较结果并根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

根据上述的一种燃料电池系统控制方法，本发明提供了一种燃料电池系统，所述系统包括：

获取单元，用于获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

第一比较单元，用于比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值；

第二比较单元，用于比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间与排气阀在第一周期内的关闭时间；

第一控制单元，用于当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

第三比较单元，用于比较所述记录次数与排气阀学习次数；

计算单元，用于当所述记录次数等于排气阀学习次数时，计算排气阀的关闭时间；

第二控制单元，用于根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

根据上述的一种燃料电池系统控制方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行时，实现上述任一项所述燃料电池系统控制方法的操作。

本发明的有益效果至少包括：通过氢气浓度下降会造成单片电压下降，以此识别氢气侧氮气与其他杂气累积时间的原理，使排气阀本身学习关闭时间，进而能够根据不同的情况，更新排气阀的开关周期，保证氢气侧氮气及其他杂气及时排出，使得最低单片电压和平均单片电压值恢复到正常范围内，可以有效的减缓燃料电池系统衰减速率，延长燃料电池系统使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种燃料电池系统控制方法的流程示意框图。

图2为本发明实施例1的一种燃料电池排水排气装置的结构示意图。

图3为本发明实施例2的一种燃料电池排水排气控制方法的流程示意框图。

图4为本发明实施例3的一种燃料电池系统的流程示意框图。

其中，图2中各结构的标记为：

1-电堆空气入口；2-电堆空气出口；3-电堆；4-氢气喷射器；5-排气阀；6-排水阀；7-尾排管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1所示，本实施例提供了一种燃料电池系统控制方法，包括以下步骤：

I：获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

II：比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；

III：根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

若当前平均单片电压大于单片电压最低阈值和当前最低单片电压大于最低单片电压最低阈值时，按照第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀，排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气。

反之，即比较累计关闭时间与第一周期内的关闭时间，若累计关闭时间小于第一周期内的关闭时间，即按照第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀，排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气；若累计关闭时间不小于第一周期内的关闭时间，即强制按照第一周期内的开启时间开启排气阀，排出氢气侧氮气及其他累计杂气。

然后再通过比较排气阀学习次数及多次单次开关周期分别累计关闭时间的次数，进一步地判别排气阀需要再次学习或根据多次累计关闭时间及学习次数，更新第一周期内的关闭时间，将之作为新的第一周期，使得排气阀根据此周期进行开关，直到燃料电池系统检测到其他需要排气阀再次进行学习的情况。

根据图2所示，本实施例应用在燃料电池排水排气装置上，该装置包括有电堆3、电堆空气入口1、电堆空气出口2、氢气喷射器4、排气阀5、排水阀6和尾排管7，氢气喷射器4与电堆3连接，电堆3与排气阀5、排水阀6连接，排气阀5和排水阀6并联连接，后与尾排管7连接，电堆空气出口2与尾排管7连接。

上述装置的氢气喷射器4用于给电堆3补气和控制氢压，排气阀5用于排出氢气侧累计氮气及其他杂气，排水阀6用于排出电堆氢气侧生成水，尾排管7用于联通外界环境，把电堆排出气体和水倒流到环境中。

本实施例的燃料电池系统控制方法，是通过氢气浓度下降会造成单片电压下降，进而识别出氢气侧氮气及其他杂气累积时间，使得排气阀本身学习关闭时间，进而能够根据不同的情况，更新排气阀的关闭时间，再更新排气阀的第一周期，使排气阀通过实时更新后的第一周期进行开启及关闭，保证燃料电池系统电堆氢气侧的氮气及其他杂气及时排出，

实施例2

根据实施例1的燃料电池控制方法，本实施例具体提供了一种燃料电池系统控制方法，该方法通过实施例1的燃料电池排水排气装置实现，控制排气阀通过自学习的方法，可以根据不同的情况进行排气阀的开启记关闭，包括以下步骤：

读取燃料电池系统当前平均单片电压V1及当前最低单片电压V2，并记录排气阀单次开关周期内累计关闭时间t4；

判断当前平均单片电压V1是否大于平均单片电压最低阈值V3，和判断当前最低单片电压V2是否大于最低单片电压最低阈值V4，得到比较结果；

若当前平均单片电压V1大于单片电压最低阈值V3和当前最低单片电压V2大于最低单片电压最低阈值V4时，按照第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀，排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气。

第一周期包括关闭时间t1和开启时间t2，为通过台架预先进行标定的值。

若当前平均单片电压不大于单片电压最低阈值和当前最低单片电压不大于最低单片电压最低阈值时，比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间t4与排气阀在第一周期内的关闭时间t1。

当排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间t4不小于排气阀在第一周期内的关闭时间t1时，按照第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀，排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气。

当排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间t4小于排气阀在第一周期内的关闭时间t1时，按照第一周期内的开启时间强制开启与燃料电池系统电堆连接的排气阀，排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气。

同时，将累计关闭时间记录为Tn，Tn＝t4，并将记录次数记为N＝n+1，n≥1；

预设排气阀学习次数为A，A＞1，比较所述记录次数与排气阀学习次数，即判断是否N＝A+1。

当N＝A+1时，计算并更新第一周期内的关闭时间t1，t1＝(T1+T2+T3+…+Tn)/A，在该实施例中，设置n＝1，计算出t1，更新完第一周期后，按照更新后的第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气。

当N≠A+1时，返回获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间这一步骤，重新获取下一个当前平均单片电压即当前最低单片电压，并记录与燃料电池系统电堆连接的排气阀在下一个单次开关周期内的累计关闭时间，重新比较当前平均单片电压是否大于平均单片电压最低阈值，和比较当前最低单片电压是否大于最低单片电压最低阈值，直至当前平均单片电压V1大于平均单片电压最低阈值V3与当前最低单片电压V2大于最低单片电压最低阈值V4时或t4≥t1时，结束排气阀该次学习进程，排气阀按第一周期的开启时间及关闭时间排出电堆氢气侧氮气与其他累计杂气。

本实施例中的其他杂气指的是燃料电池运行中产生的诸如Cox、SOx等其他气体。

在本实施例中，结合图3所示，通过燃料电池排水排气装置结合排水阀使用。

首先，预设电堆水含量目标值为W2，及排水阀周期性开启时间t3。

其次，排水阀通过下述步骤进行实施控制：

获取燃料电池系统当前电流、目标电流，令当前电流、目标电流分别为I1、I2，目标电流来着整车需求功率计算或试验数据；

比较当前电流I1是否等于目标电流I2，当当前电流I1等于目标电流I2时，即等待t1时间后读取燃料电池系统当前电堆水含量W1，当当前电流I1不等于目标电流I2时，即重新获取燃料电池系统下一个当前电流及目标电流；

比较当前电堆水含量W1是否小于或等于电堆水含量目标值W2，当当前电堆水含量W1小于或等于电堆水含量目标值W2时，周期性开启排水阀t3时间，通过尾排管排出燃料电池系统电堆氢气侧的水，当当前电堆水含量W1大于电堆水含量目标值W2时，强制开启排水阀t3时间，通过尾排管排出燃料电池电堆氢气侧的水；

最后，结合本实施例提供的燃料电池系统控制方法，实现燃料电池系统排水排气的功能。

在燃料电池系统电堆氢气侧进行排水排气后，判断是否接收到燃料电池系统的关机指令，若是，燃料电池关机；若否，返回继续获取燃料电池系统当前电流I1、目标电流I2，重新控制燃料电池系统进行排水排气。

本实施例中电压阈值、目标水含量值，及排水阀、排气阀的关闭与开启时间值，及排气阀学习次数值的对照关系可来自实验数据或建模统计数据，本实施例考虑到发动机运行一定时间后会衰减，电堆正常运行时单片电压值会有所降低，所以燃料电池系统平均单片电压最低阈值V3、最低单片电压最低阈值V4,会随着发动机运行自标定，标定方法可以为运行数据统计或建模统计数据，以此来保证燃料电池平均单片电压最低阈值V3、最低单片电压最低阈值V4的有效性。

实施例3

结合实施例2及图4所示，本实施例通过了一种燃料电池系统，所述系统包括：

获取单元，用于获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

第一比较单元，用于比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值；

第二比较单元，用于比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间与排气阀在第一周期内的关闭时间；

第一控制单元，用于当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

第三比较单元，用于比较所述记录次数与排气阀学习次数；

计算单元，用于当所述记录次数等于排气阀学习次数时，计算排气阀的关闭时间；

第二控制单元，用于根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

实施例4

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行时，实现上述实施例1中任一项所述燃料电池系统控制方法的操作。

本发明通过上述多个实施例来保证排气阀自我学习关闭时间，进而保证燃料电池系统电堆氢气侧氮气与其他杂气的及时排出，使得最低单片电压和平均单片电压值恢复到正常范围内，有效减缓发动机衰减速率，延长发动机使用寿命，使排气阀使用时，灵活应变各种状况，既不增加燃料电池系统结构的复杂性，又能节约成本，达到排气的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值，得到比较结果；

根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气；

若所述当前平均单片电压大于平均单片电压最低阈值和当前最低单片电压大于最低单片电压最低阈值时，按照第一周期开关与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

若所述当前平均单片电压不大于平均单片电压最低阈值和当前最低单片电压不大于最低单片电压最低阈值时，比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间与排气阀在第一周期内的关闭时间；

当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间不小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期开关与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

第一周期包括关闭时间t1和开启时间t2，为通过台架预先进行标定的值；

其中，所述“按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气”，包括：

将累计关闭时间记录为Tn，并将记录次数记N＝n+1，n≥1；

预设排气阀学习次数为A，A＞1，比较所述记录次数与排气阀学习次数，即判断是否N＝A+1；

当N＝A+1时，计算并更新第一周期内的关闭时间t1，t1＝(T1+T2+T3+…+Tn)/A，更新完第一周期后，按照更新后的第一周期开关与燃料电池系统电堆连接的排气阀排出燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他累计杂气；

当N≠A+1时，返回获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间这一步骤，重新获取下一个当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与燃料电池系统电堆连接的排气阀在下一个单次开关周期内的累计关闭时间，重新比较当前平均单片电压是否大于平均单片电压最低阈值，和比较当前最低单片电压是否大于最低单片电压最低阈值，直至当前平均单片电压V1大于平均单片电压最低阈值V3与当前最低单片电压V2大于最低单片电压最低阈值V4时或t4≥t1时，结束排气阀该次学习进程，排气阀按第一周期的开启时间及关闭时间排出电堆氢气侧氮气与其他累计杂气。

2.一种燃料电池系统，实现权利要求1所述燃料电池系统控制方法，其特征在于：所述系统包括：

获取单元，用于获取燃料电池系统当前平均单片电压及当前最低单片电压，并记录与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间；

第一比较单元，用于比较所述当前平均单片电压与平均单片电压最低阈值、比较当前最低单片电压与最低单片电压最低阈值；

第二比较单元，用于比较排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间与排气阀在第一周期内的关闭时间；

第一控制单元，用于当所述排气阀在单次开关周期内的累计关闭时间小于排气阀在第一周期内的关闭时间时，按照第一周期内的开启时间开启与所述燃料电池系统电堆连接的排气阀排出所述燃料电池系统电堆内氢气侧氮气及其他杂气；

第三比较单元，用于比较所述记录次数与排气阀学习次数；

计算单元，用于当所述记录次数等于排气阀学习次数时，计算排气阀的关闭时间；

第二控制单元，用于根据比较结果按周期排出燃料电池系统氢气侧氮气及其他杂气。

3.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，其特征在于：所述指令由处理器加载并执行时，实现权利要求1所述燃料电池系统控制方法的操作。