[发明专利]一种燃料电池系统的动态控制方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池系统的动态控制方法，所述的动态控制方法包括加载控制过程和减载控制过程；所述的加载控制过程包括：通过需求功率和功率加载变化率查询逻辑表确定性能系数，根据性能系数大小控制空压机的空气计量比、空氢压差目标值、排水阀工作能量阈值和排水阀开启时间；所述的减载控制过程包括：通过减载变化率控制空压机的降速斜率和排水阀工作状态，排出多余水分，维持空氢压差稳定。有效解决了动态加载过程中，电堆内氢气压力分布不均、空气流量不足以及瞬间产水过多造成局部水淹等问题；同时，有效解决动态减载过程中出现的由于减载计量比等条件的下降而无法及时排水等技术问题。

技术领域

本发明属于燃料电池动态控制技术领域，涉及一种燃料电池系统的动态控制方法，尤其涉及一种包括动态加载控制和动态减载控制的燃料电池系统的动态控制方法。

背景技术

当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。能源是人类活动的物质基础，是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是衡量国家综合实力和人民生活水平的重要指标。从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济高速发达的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。在能源供应稳定的前提下世界经济取得了较大规模的增长。但是，能源带来经济增长、科技进步的同时，也带来了一系列人类无法避免的能源安全危机。正是由于包括资源短缺、能源争夺以及能源过度使用造成的环境污染等问题，人类的生存与发展正面临威胁。而解决能源问题一个方面依赖于不断发现新能源，另一方面则是节能。节能包括两个方面：一是提高能源利用效率，二是减少能量消耗量。节能已经成为衡量一个国家能源利用好坏的一项综合性指标，也是一个国家科学技术水平高的重要标志。因此开发高效、洁净、安全、环保的新能源受到越来越多国家的关注。

燃料电池是一种新型的电化学发电装置，它打破了通过热机过程实现发电的模式，即用燃料燃烧取其热量的传统发电模式，而是以燃料通过电解质进行化学反应的方式，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。其优势在于：(1)能量的转化效率高；(2)环境友好；(3)可靠性高；(4)无噪声；(5)灵活性高。

但目前的燃料电池中存在着动态加载过程中，电堆内氢气压力分布不均、空气流量不足以及瞬间产水过多造成局部水淹等问题，在动态减载过程中，会出现由于减载计量比等条件的下降而无法及时排出减载前的产水等问题；同时，由于负载瞬间降低导致氢压骤增而引起的氢空压差过大的风险。

CN110069033A公开了一种全功率燃料电池电动汽车的空压机双层预测控制方法，上层预测器通过实时预测车速，计算获取对应车速下燃料电池汽车所需要的功率，将上层预测器计算出的燃料电池所需提供的功率通过燃料电池阴极流量模型计算出燃料电池空压机所需输出的空气流量，并作为底层预测控制器的参考流量。底层预测控制器根据该参考流量，预测燃料电池空压机所需输出的空气流量，同时得到空压机的控制电压，进而实现对空压机输出流量的控制，满足燃料电池堆反应需要的氧气量。但是该方案中无法解决当整车功率变化较快情况下所造成的电堆内部局部气体分布不均的问题。

CN102891329A公开了一种燃料电池系统空气端控制方法，当需求电流由I_old增大到I_dem，判断当前的需求电流I_dem是否引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流I_dem降至临界电流值I_crit；反之则将当前的需求电流I_dem作为电流控制的目标值，直接施加于燃料电池电堆；当需求电流由I_old减小到I_dem，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流I_dem对应的电压值，根据空气流量拉取电流I_st。但该方案中，对于空气流量的供应主要考虑的是需求电流命令，如果需求电流可能造成电堆“缺氧”，则进行限制实际电流输出，当空压机供气量满足需求后，再进行进一步的电流拉载。此过程会出现响应较慢的情况。