一种燃料电池系统快速升温的控制方法与流程

本发明属于燃料电池，涉及一种燃料电池系统快速升温的控制方法。

背景技术：

1、由于能源的危机和环境的污染，燃料电池以其高效、清洁等优势受到了广泛关注。质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、可低温运行、可靠性高、零排放等优点，目前应用前景广阔。

2、为了满足产业化的需求，燃料电池系统必须能完成在各种环境下的启动，启动的关键因素之一在于前一阶段的停机吹扫。而吹扫的好坏跟电堆工作温度有密切相关，电堆温度过高会加剧吹扫过程的流体不均匀分配导致局部过干进而影响启动性能，严重时对电堆产生损害。电堆温度过低会增大液态水和膜态水的移除难度，吹扫不充分造成水分残留，不利于存储和低温启动。在燃料电池系统运行期间会存在一种工况，当系统启动后不久后就收到了关机指令，此时由于系统运行时间短、功率小，水温较低，如果直接进行吹扫，一方面所需吹扫时间长、消耗大量的氢气。另一方面，吹扫不充分，电堆内含水量大，影响下次启动。

3、现有燃料电池的控制方法在实际应用上存在一定问题，目前对低温燃料电池升温的方式，单纯采用ptc进行升温，对于大功率燃料电池来说此种方法升温速度较慢，不利于车用燃料电池系统。目前大部分方法没有考虑吹扫前的快速预热，理论上无论是低温还是常温，合理的温度控制都是有助于吹扫的成功率。另外系统吹扫阶段，不易过多消耗整车电量，也不易过多向整车输送过多电量。如果系统按照正常运行计量比运行，如想要获得较大加热功率，系统净功率输出大，不利于吹扫阶段整车策略和硬件的制定。除此之外，目前系统可实现快速升温方法都是系统中增加旁通，增加了控制难度和系统复杂度。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池系统快速升温的控制方法，包括以下步骤：

2、设定空压机固定转速和背压密封阀的固定开度，依据流量计测量的实时空气流量计算目标加载电流，

3、依据目标加载电流，确定氢气入堆压力、水泵转速和回流泵转速；

4、若电堆实时电压的数值>设定电堆电压阈值时，将目标加载电流作为燃料电池系统的最大加载电流进行发电；

5、若实时电堆电压数值≤设定电堆电压阈值时，通过可变参数的pid控制器，对目标电流进行实时调节，使燃料电池系统的电堆电压以阈值电压进行发电，直到燃料电池系统的水温到达目标温度。

6、进一步地：所述目标电流计算公式如下：

7、

8、故目标电流i为：

9、

10、式中，wcp为空气质量流量；i为电堆电流；为摩尔质量；f为费南德常数；ε为空气计量比，ε取1。

11、进一步的，当燃料电池的电堆430节时，设定阈值电堆电压采用60v。

12、进一步的，所述通过可变参数的pid控制器，对目标电流进行实时调节的过程如下：

13、当电堆电压与设定阈值电堆电压之间的差值>30时，增大kp的值、减小kd的值，ki取0；

14、当30≥电堆电压与设定阈值电堆电压之间的差值≥5时，减小kp的值，对ki和kd的值进行标定；

15、当电堆电压与设定阈值电堆电压之间的差值<5时，增大kp的值和ki的值，对kd的值进行标定。

16、进一步的，所述燃料电池包括多个单体串联的燃料电池，所述燃料电池发热量由下式估算：

17、q＝(v0-vcell)*icell*n  (3)

18、icell＝i*a  (4)

19、式中，q为电堆即时发热功率；v0为单片电池参考电压；vcell为单片电池实时电压；icell为系统即时电流；n为电堆总片数；i为单位活性面积电流；a为电堆活性面积。

20、本发明提供的一种燃料电池系统快速升温的控制方法，具有以下优点：在不增加系统流程复杂度和控制难度的条件下，通过固定节气门和空压机角度，利用空气流量实时值进行加载电流的计算和调控。设定电压阈值，设计一种可变参数的pid控制器，调节电堆拉载电流保证电堆电压的稳定在安全值。解决了上述问题，提高了升温速率，还可有效避免空压机喘振，电堆不会发生反极的风险。

技术特征：

1.一种燃料电池系统快速升温的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速升温的控制方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速升温的控制方法，其特征在于：当燃料电池的电堆430节时，设定阈值电堆电压采用60v。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池系统快速升温的控制方法，其特征在于：所述通过可变参数的pid控制器，对目标电流进行实时调节的过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统快速升温的控制方法，其特征在于：所述燃料电池包括多个单体串联的燃料电池，所述燃料电池发热量由下式估算：

技术总结本发明一种燃料电池系统快速升温的控制方法，包括以下步骤：设定空压机固定转速和背压密封阀的固定开度，依据流量计测量的实时空气流量计算目标加载电流，依据目标加载电流，确定氢气入堆压力、水泵转速和回流泵转速；若电堆实时电压的数值>设定电堆电压阈值时，将目标加载电流作为燃料电池系统的最大加载电流进行发电；若实时电堆电压数值≤设定电堆电压阈值时，通过可变参数的PID控制器，对目标电流进行实时调节，使燃料电池系统的电堆电压以阈值电压进行发电，直到燃料电池系统的水温到达目标温度。该控制方法不会对电堆产生不可逆损伤，可有效提升吹扫效率，降低启动风险。技术研发人员：赵振瑞,吕平,韩猛,姜帅,徐敬彬,丁鹏,李东明受保护的技术使用者：新源动力股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25