电动车辆、控制器及其甲醇制氢电池的控制系统与方法与流程

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种甲醇制氢电池的控制方法。此外，本发明还涉及一种甲醇制氢电池的控制系统。另有，本发明还涉及一种具有该控制系统的控制器。本发明还涉及一种具有该控制器的电动车辆。

背景技术：

众所周知，甲醇重整制氢甲醇制氢电池有两个主要的化学反应环节，即甲醇自热重整制氢气和氢气通过质子交换膜与氧气结合发电，上述两个反应都需要工作在一个合适催化剂活性温度下的环境。

甲醇重整制氢甲醇制氢电池的工作原理主要为，首先在燃料室内发生氧化反释放大量的热量，并给重整室加热；重整室内甲醇与水一起发生重整反应生成氢气和小量一氧化碳，重整反应过程需要吸收大量的热量。重整室内产生的氢气与一氧化碳导入电堆内，通过质子交换膜，催化剂的作用下与氧气发生反应并释放电能和热量。而当外部需求功率发生变化时，需要重新调整甲醇重整制氢甲醇制氢电池的外部的输入与对内容热量循环的精确管理；而功率调节过程是一个非常精确和复杂的响应过程。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种甲醇制氢电池的控制方法，该控制方法可以解决了甲醇制氢电池功率调节慢、调节过程容易导致甲醇制氢电池失去热平衡导致停机、温度控制失控导致反应室内催化剂失去活性导致降低甲醇制氢电池的使用寿命的问题；本发明的另一目的是提供一种控制系统；本发明还提供一种具有该控制系统的控制器；本发明还提供一种具有该控制器的电动车辆。

为实现上述目的，本发明提供一种用于电动车辆的甲醇制氢电池的控制方法，包括如下步骤：

检测是否收到功率调节指令，若是，则进入下一步；

根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率。

相对于上述背景技术，本发明提供的甲醇制氢电池的控制方法，当接收到功率调节指令时，则控制甲醇制氢电池的功率进行调节，将甲醇制氢电池的初始功率调节至所需功率；而本发明的核心在于，在这一调节过程中，利用预设变化量逐级多次调节；即，在初始功率至所需功率的变化过程中，并非一蹴而就，而是在初始功率与所需功率之间设置多个等级，并且每一次变化仅仅达到预设的等级即可，并且进行多次调节，从而使得初始功率至所需功率的过程为逐步实现，这样一来，便能够有效控制甲醇制氢电池的热平衡，实现对甲醇制氢电池的温度控制，避免因失控而导致反应室内催化剂失去活性导致降低的问题。

优选地，所述根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率的步骤包括：

逐级多次调节甲醇水溶液的用量以及氧气量。

优选地，当所述功率调节指令具体为功率上调指令时，所述根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率的步骤具体包括：

所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，稳定预设时间之后，再进行下一级功率调节。

优选地，当所述功率调节指令具体为功率下调指令时，所述根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率的步骤具体包括：

所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，直接进行下一级功率调节。

本发明提供一种用于电动车辆的甲醇制氢电池的控制系统，包括：

检测模块：用于检测是否收到功率调节指令；

调节模块：用于当检测收到功率调节指时，根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率。

优选地，还包括：

甲醇调节控制模块：用于逐级多次调节甲醇水溶液的用量；

氧气调节控制模块：用于逐级多次调节氧气量。

优选地，还包括：

稳定控制模块：用于当所述功率调节指令具体为功率上调指令，且所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，稳定预设时间之后，再进行下一级功率调节。

优选地，还包括：

持续控制模块：用于当所述功率调节指令具体为功率下调指令，且所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，直接进行下一级功率调节。

本发明还提供一种控制器，包括如上述所述的控制系统。

本发明还提供一种电动车辆，包括如上述所述的控制器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的甲醇制氢电池的控制方法的流程图；

图2为甲醇制氢电池的工作原理图；

图3为本发明实施例所提供的上调功率等级图；

图4为图3中所对应的各变量的时序曲线图；

图5为图3中所对应的甲醇制氢电池的系统变量图；

图6为本发明实施例所提供的下调功率等级图；

图7为图6中所对应的各变量的时序曲线图；

图8为图6中所对应的甲醇制氢电池的系统变量图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1图8，图1为本发明实施例所提供的甲醇制氢电池的控制方法的流程图；图2为甲醇制氢电池的工作原理图；图3为本发明实施例所提供的上调功率等级图；图4为图3中所对应的各变量的时序曲线图；图5为图3中所对应的甲醇制氢电池的系统变量图；图6为本发明实施例所提供的下调功率等级图；图7为图6中所对应的各变量的时序曲线图；图8为图6中所对应的甲醇制氢电池的系统变量图。

本发明提供的一种用于电动车辆的甲醇制氢电池的控制方法，主要包括如下步骤：

S1、检测是否收到功率调节指令，若是，则进入下一步；

S2、根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率。

如说明书附图1可知，针对甲醇制氢电池，甲醇与水的混合溶液在甲醇制氢电池的重整室内各点的温度不一致，主要进行如下反应：

重整反应：CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂

分解反应：CH₃OH→CO+2H₂

水气置换：CO+H₂O→CO₂+2H₂

并且以上反应均为吸热反应；

反应后的H₂，CO₂与CO导流至甲醇制氢电池的电堆内，其中H₂与质子交换膜的作用生成离子并与阴极O₂反应生成H₂O，并释放电能和热量，反应完成后的剩余混合气体(包含H₂，CO₂与CO)导入燃烧室内与O₂反应生成H₂O，CO₂并释放大量的热量。

电堆内的发电化学反应与燃烧室内的氧化反应分别都能放出大量热，通过热交换器的热能交换使其热量满足重整室内化学反应所需的热量。

通过上述可知，由于热量(温度)的控制非常复杂，通过热交换器传给重整室内的温度在各点都是不一样；且甲醇水的控制和氧气的控制无法做到精准控制，尤其是氧气的控制，空气中的含氧量与海拔和环境等有关。另外甲醇水溶液与氧气无法做到无级调节，因此，实际应用一旦系统达到稳态发电后再去调节功率很容易使系统失去平衡停机。

本发明的核心在于，在初始功率至所需功率的变化过程中，并非一蹴而就，而是在初始功率与所需功率之间设置多个等级，并且每一次变化仅仅达到预设的等级即可，并且进行多次调节，从而使得初始功率至所需功率的过程为逐步实现，这样一来，便能够有效控制甲醇制氢电池的热平衡，实现对甲醇制氢电池的温度控制，避免因失控而导致反应室内催化剂失去活性导致降低的问题。

举例来说，以5千瓦甲醇制氢电池为例，功率往上调节分为五级，见说明书附图3的功率设定曲线图，甲醇制氢电池每个千瓦为一个等级。在功率达到设定目标功率时，设定一个较短的时间校核系统热平衡状态后才允许进入下一个功率调节。

当然，在上述例子中，预设变化量为每一个千瓦，并分为5个等级，且调节五次；然而根据实际需要，预设变化量以及等级还可以有其他不同设置方式，本文将不赘述。

本发明中，甲醇制氢电池的输入为甲醇水溶液和氧气，输出为水，二氧化碳和电能。中间通过对热能的控制，使吸热反应所需的热量等于放热反应所放出的热量，系统达到一个热量的稳态平衡，系统输出稳定的功率。

从控制理论分析，假设系统热平衡处于稳态，控制目标为输出功率，实际的控制对象为甲醇水溶液和氧气。也就是说，根据功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率的步骤其实也就是逐级多次调节甲醇水溶液的用量以及氧气量的步骤。

以5千瓦甲醇制氢电池为例，对应于上述功率调节时，甲醇水溶液用量的调节可以通过控制器内事先设定的五级用量来控制；氧气量的调节通过鼓风机的风速与风阀来控制，控制器内部预先存取了分级控制的风量参数。系统参数具有自适应自学习功能。

本发明甲醇制氢电池的电堆在不同的地方使用时，第一次使用时开启自学习模式，通过第一次调节固化参数。

本发明的功率调节过程如果是越级调节，例如从1千瓦调节到5千瓦，在调节过程自动先调节到2千瓦，再依次调节到5千瓦。且每个等级的调节都有一个短时t₃～t₂的热稳态调节时间。

本发明的甲醇制氢电池在功率上调时的各变量时序曲线如说明书附图4所示，t₁时间接收到功率上调指令，甲醇制氢电池将甲醇入口阀门增大单位量，进入重整室的甲醇增加，此时参与重整反应的甲醇水溶液增加，吸收的热量增加，相应的温度开始下降，生产出的氢气和一氧化碳也相应的逐步增加，导入电堆的氢气增加；由于电堆从重整室→电堆→燃烧室存在比较长的路径，气体的扩散速度受内部气压差决定，因此反应存在时差，重整室内温度达到最低，通过经验设计，保证该温度点不会使整个系统失去热平衡；随着氢气的增加，但是氧气含量保持不变，因此输出不会有明显的增加。电堆内有大量未完全反应氢气流入燃烧室并与氧气反应产生大量的热量，随着氢气的不断加入其多余的热量又重新是重整室从最低温度点往上升，温度提高到最高点时间为t_x，在该温度点下增大氧气量，此时由于电堆内氢气和氧气都增加了，因此电功率快速上升，功率上升过程从电堆中排除的氢气量减少，燃烧室热量减少，导致重整室温度下降。而功率在t₁至t₂之间具备功率上升跟随曲线A，并且t₂时刻与设定功率相重合；甲醇制氢电池的温度从下降→上升→下降这一过程中使电堆达到新的温度和功率平衡。系统在功率上调过程中的变量变化分析流程如说明书附图5所示。

本发明的甲醇制氢电池在功率下调时的各变量时序曲线如说明书附图6，t₁时间接收到功率下调指令，具体的将功率过程中的时序图如说明书附图7所示。甲醇制氢电池将甲醇入口阀门减少单位量，进入重整室的甲醇减少，此时参与重整反应的甲醇水溶液减少，吸收的热量减少，相应的温度开始上升，生产出的氢气和一氧化碳也相应的减少，导入电堆的氢气减少，由于电堆从重整室→电堆→燃烧室存在比较长的路径，气体的扩散速度受内部气压差决定，因此反应存在时差，重整室内温度达到最高，此时为t_x时刻，通过经验设计，保证该温度点不会使整个系统失去热平衡；随着氢气的减少，但是氧气含量保持不变，电堆内的氢气基本被氧气反应消耗掉，随着氢气的减少输出功率不断减少。电堆内未完全反应氢气量越来越少，燃烧室参与氧气反应的氢气和一氧化碳也越来越少，燃烧室温度下降，此时重整室内的温度从最高点缓慢下降直到达到控制的稳定工作范围内的温度点，时间为t₂，此时减少氧气的进气量，准备进入下一阶段的降功率过程。而功率在t₁至t₂之间具备功率下降跟随曲线B，并且t₂时刻与设定功率相重合；甲醇制氢电池的温度从上升→下降这一过程中使电堆达到新的温度和功率平衡。系统在功率上调过程中的变量变化分析流程如说明书附图8。

本发明的升功率控制与降功率控制在热交换管理有所不同；升功率过程下降→上升→下降，降功率过程为上升→下降，前者存在震荡运行，稍有控制偏差系统容易失控，因此在每次调节功率后需要一个t₃～t₂的时间稳定系统的工作状态，而后者则可以持续调节。

下面对本发明实施例提供的用于电动车辆的甲醇制氢电池的控制系统进行介绍，下文描述的控制系统与上文所述的控制方法可以相互对照。

本发明提供的用于电动车辆的甲醇制氢电池的控制系统，包括：

检测模块：用于检测是否收到功率调节指令；

调节模块：用于当检测收到功率调节指时，根据所述功率调节指令将甲醇制氢电池的初始功率按照预设变化量逐级多次调节至所需功率。

优选地，还包括：

甲醇调节控制模块：用于逐级多次调节甲醇水溶液的用量；

氧气调节控制模块：用于逐级多次调节氧气量。

优选地，还包括：

稳定控制模块：用于当所述功率调节指令具体为功率上调指令，且所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，稳定预设时间之后，再进行下一级功率调节。

优选地，还包括：

持续控制模块：用于当所述功率调节指令具体为功率下调指令，且所述甲醇制氢电池的功率调节至所述初始功率与所述所需功率之间的任意一级功率时，直接进行下一级功率调节。

除此之外，本发明还提供一种控制器，包括上述的控制系统。

本发明还提供一种电动车辆，包括上述的控制器。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的电动车辆、控制器及其甲醇制氢电池的控制系统与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。