[发明专利]基于功率优化的空冷燃料电池热管理系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于功率优化的空冷燃料电池热管理系统，包括空冷燃料电池、直流风机、LabVIEW上位机、DAQ数据采集卡、温度采集模块、电压电流采集模块，用电设备、直流电机驱动模块和直流电源；所述空冷燃料电池、温度采集模块、LabVIEW上位机、DAQ数据采集卡依次连接；所述用电设备连接空冷燃料电池；所述DAQ数据采集卡还通过电压电流采集模块与空冷燃料电池连接；所述直流电机驱动模块与直流电源、直流风机和DAQ数据采集卡分别连接。本发明能有效提高空冷燃料电池输出功率。

技术领域

本发明涉及空冷燃料电池控制领域，具体涉及一种基于功率优化的空冷燃料电池热管理系统及方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其高效率，高能量密度，无噪声及污染等优点已经成为清洁能源重点发展方向，且逐渐应用于汽车，叉车，船舶，可再生能源系统，甚至涉及航空等领域。燃料电池的应用在我国也逐渐向移动装置，军事，运输，空间等多领域多方向发展。我国在燃料电池汽车技术的研发力度上也不断加强，在发展目标中也不断追求大规模，高电堆比功率，长耐久性等特点。空冷质子交换膜燃料电池作为质子交换膜燃料电池的一种，由于其便携，结构简单，发电成本低等特点受到燃料电池市场的广泛青睐。

影响质子交换膜燃料电池输出性能的因素有阴极氧气压强、阳极氢气压强、电堆温度，环境温度，膜内水含量等。其中燃料电池电堆温度对输出功率的影响很大，且电堆温度直接影响膜内水含量。由于空冷燃料电池阴极压强与环境压强一致，且阳极压强变化范围不大可以忽略，膜内水含量作为内部隐含状态量不可直接测得，电堆温度是优化空冷燃料电池输出功率的首要因素。目前研究人员在通过调节电堆温度以提高空冷燃料电池输出功率的研究上鲜有涉及，且在基于功率最大化的空冷燃料电池最佳工作温度寻优策略上也少有涉猎。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于功率优化的空冷燃料电池热管理系统及方法，能有效提高空冷燃料电池输出功率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于功率优化的空冷燃料电池热管理系统，包括空冷燃料电池、直流风机、LabVIEW上位机、DAQ数据采集卡、温度采集模块、电压电流采集模块，用电设备、直流电机驱动模块和直流电源；所述空冷燃料电池、温度采集模块、LabVIEW上位机、DAQ数据采集卡依次连接；所述用电设备连接空冷燃料电池；所述DAQ数据采集卡还通过电压电流采集模块与空冷燃料电池连接；所述直流电机驱动模块与直流电源、直流风机和DAQ数据采集卡分别连接。

进一步的，所述空冷燃料电池通过减压阀连接氢气源。

进一步的，所述直流电机驱动模块采用L298N。

进一步的，所述DAQ数据采集卡通过PCI总线与计算机相连并与LabVIEW上位机进行信号传输。

进一步的，所述温度采集模块由K型热电偶与STM32微控制器组成，通过USB与计算机相连并与LabVIEW上位机进行信号传输。

一种基于功率优化的空冷燃料电池热管理方法，包括两个部分：

第一部分：基于功率最大化的空冷燃料电池最佳工作温度寻优策略，通过控制空冷燃料电池风机开度扰动电堆温度变化，观察燃料电池恒定电流下输出功率的变化进而确定恒定电流下燃料电池最佳工作温度值；

第二部分：根据确定的最佳工作温度值作为参考值设计热管理控制器形成闭环回路以追踪最佳工作温度值。

进一步的，所述当空冷燃料电池电堆温度追踪在最佳工作温度，此时若工况电流发生变化时，新的最佳工作温度值需重新确定并追踪，具体为：判断空冷燃料电池工况电流是否变化，如工况变化，则执行第一部分确定最佳工作温度，如工况没有改变，则判断此时最佳工作温度是否确定，如最佳工作温度已确定，则执行第二部分进行最佳工作温度追踪，如最佳工作温度未确定，则执行第一部分以确定最佳工作温度。