一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及燃料电池风扇控制领域，特别涉及一种空冷型质子交换膜燃料电池风 扇的转速调节方法。
【背景技术】
[0002] 根据冷却特点不同，质子交换膜燃料电池可分为空气冷却和循环水冷却两种类 型。空冷型燃料电池结构简单，在小型电源系统中应用前景广阔。空冷型燃料电池的风扇 一方面依靠气流给燃料电池降温，另一方面给燃料电池阴极提供燃料氧气。当燃料电池材 料与结构确定后，风扇转速的调节将直接关系到燃料电池在运行过程中的寿命与效率。燃 料电池的内部温度直接影响燃料电池的性能，过高的温度可能导致燃料电池失水，甚至膜 破裂。现有的技术通过控制PID控制调节风扇转速使燃料电池温度维持在合理水平，较少 注意燃料电池工作温度对燃料电池效率的影响，以及负载突变对阴极氧气的供给和风扇转 速突变对质子膜电导率的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的主要目的在于提供一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其使得燃 料电池根据不同的环境温度与输出电流密度，工作在合适的温度点，提高燃料电池的效率。
[0004] 本发明的另一目的在于提供一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其中该方 法能够减少输出负载突变，可能导致的风量供应不足，以及风扇转速突变导致的燃料电池 电导率的突变影响输出电能质量以及燃料电池的寿命。
[0005] 为达到以上发明目的，本发明提供一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其 包括如下步骤：
[0006] (1)通过温度传感器测量环境温度Te与燃料电池内部温度Tp;
[0007] (2)通过电流传感器测定燃料电池的输出电流，测量电流值为It;
[0008] (3)根据步骤（2)测量得到的It，燃料电池的面积Ap，计算得到燃料电池的电流密 度Ip=IVAp;以及
[0009] (4)根据步骤（3)获得的Ip，步骤⑴测量得到的Te,计算燃料电池在测量 的环境温度与输出电流密度下的参考工作温度为：Tr= (AdlV+AdlV+AdTe+Ad^Ip3+ (BdTeiBdTeiBfTe+B。）*Ip2+ (CfTe+C。）Wp+DfTe+D。其中Te为环境温度，单位为摄氏 度，Ip为燃料电池输出的电流密度，单位为A/CM2其他系数的取值见下表：
【主权项】
1. 一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 通过温度传感器测量环境温度Te与燃料电池内部温度Tp ; (2) 通过电流传感器测定燃料电池的输出电流，测量电流值为It ; (3) 根据步骤（2)测量得到的It，燃料电池的面积Ap，计算得到燃料电池的电流密度 Ip=It/Ap ;以及 (4) 根据步骤（3)获得的Ip，步骤⑴测量得到的Te,计算燃料电池在测量的 环境温度与输出电流密度下的参考工作温度为：Tr= (A^lV+AdlV+AdTe+Ad *Ip3+ (BdTeiBdTeiBfTe+B。）*Ip2+ (CfTe+C。）Φ?ρ+DfTe+D。其中 Te 为环境温度，单位为摄氏 度，Ip为燃料电池输出的电流密度，单位为A/CM2其他系数的取值见下表：
'2/根据权利要求1所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还 包括步骤（5):根据步骤⑶的Ip和步骤（1)的Te,计算出风扇转速最低的百分比为： Fmin=a2*Ip2+al*Ip+aO+bl*Te+bO,其中：100〈a2〈140; -45〈a2〈-10; 10〈a0〈20; 0· 2〈bl〈0. 3， -6〈bO〈_2Fmin的单位为风扇额定转速的％。
3.根据权利要求1或2所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包 括： 步骤（6)根据步骤（4)计算出的度Tr，以及步骤（1)测量得到的Tp，计算燃料电池温 度误差E=Tr-Tp ; 步骤（7)根据步骤（6)计算出的温度误差E计算误差变化率EC， EC(k) = (l-a)*(E(k)-E(k-l))+a*EC(k-l)，其中，k为本次值，k-l为上一次的值，开始 的时候EC=0, E=O ;a为设定的系数，0〈a〈0. 5 ; 步骤（8)根据实时的温度误差E以及误差变化率EC，计算风扇转速的参考值： PO(k)=KP*E(k); DO(k)=KD*EC(k); Il(k)=Il(k-l)+KI*E(k) IO(k)=II (k) (I0_min<ll(k)<I0_max), IO(k)=I0_max (Il (k)>I0_max), IO(k)=I0_min (I0_min>ll(k)), PIDO(k) =PO(k)+DO(k)+10 (k), 其中，k为本次值，KP为设定的比例系数，KD为设定的微分系数，KI为设定的积分系数， Il为IO运算过程中用到的一个中间值，Il的初始值为0, I〇_min为F_min，I0_max为100。
4. 根据权利要求1或2所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包 括步骤（9):根据步骤（3)计算得到的Ip，计算风扇转速调节的前馈控制调节值为Fd=W*Ip, 其中系数W的取值为：25〈W〈50, Fd单位为额定转速的％。
5. 根据权利要求1或2所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包 括步骤（10):根据步骤（8)计算的风扇调节参考值PIDO以及步骤（9)获得前馈控制的风扇 参考值，风扇的实际调节参考值为FT=Fd+PID0。
6. 根据权利要求2所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包括 步骤（11):根据步骤（5)选定风扇调节参考的最小限定值F_min，计算风扇实际调节参考值 的一次修订值=FTl FTl (k)=FT(k), F_min (k)<FT (k)<T_max ； FTl (k) =F_min, F_min (k) >FT (k)； FTl (k)=F_max, FT (k)>F_max ； 其中k为本次值，F_max=100,对应风扇的额定转速。
7. 根据权利要求6所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包括 步骤（12):根据步骤（11)得到的风扇调节实际值FTl (k)计算风扇调节值的二次修正值 FT2, 当 FTl(k)>FT2(k-l)时， FT2(k)=FTl(k)，FTl (k)-FT2(k-1)〈RATE ; FT2(k)=FTl(k-1) +RATE, FTl(k)-FT2(k-1)>RATE ； 当 FTl(k)彡 FT2(k-l)时， FT2(k)=FTl(k)，FT2 (k-1)-FTl(k)〈RATE ; FT2(k)=FTl(k-1) -RATE，FT2(k-1)-FTl(k)>RATE ; 其中k为本次值，k-1为上次值，RATE为设定的每秒钟允许风扇转速最大加速度百分 t匕，1〈RATE〈10。
8. 根据权利要求7所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，还包括 步骤（13 ):将步骤（12 )中得到的风扇转速设定百分比FT2输出给所述燃料电池风扇的转速 控制器。
9. 根据权利要求1所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，其中 A3=-0. 0043, A2=0. 2519, Al=-4. 5971, A0=63. 3516;B3=0.0059, B2=-〇. 3527, Bl=7. 6114, B0=-155. 8212, Cl=-2. 16, C0=133. 243, Dl=O. 96, DO=O. 74。
10. 根据权利要求7所述的空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其特征在于，其中 a2=129. 8, al=-39. 56, a0=10. 18, bl=0. 2857, b0=-5, W=25, RATE=6。
【专利摘要】一种空冷型燃料电池风扇的转速调节方法，其包括步骤：通过温度传感器测量环境温度Te与燃料电池内部温度Tp；通过电流传感器测定燃料电池的输出电流，测量电流值It；计算得到燃料电池的电流密度Ip=It/Ap；以及计算燃料电池工作温度Tr=（A3*Te3+A2*Te2+A1*Te+A0）*Ip3+（B3*Te3+B2*Te2+B1*Te+B0）*Ip2+（C1*Te+C0）*Ip+D1*Te+D0其中Te为环境温度，Ip为燃料电池输出的电流密度。该方法使得燃料电池根据不同的环境温度与输出电流密度，控制燃料电池风扇转速，使燃料电池工作在合适的温度点Tr，提高燃料电池效率，减少负载突变，延长燃料电池寿命。
【IPC分类】H01M8-04, F04D27-00
【公开号】CN104728145
【申请号】CN201310717028
【发明人】左彬, 赵锋, 李骁
【申请人】武汉众宇动力系统科技有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月23日