一种带循环泵的燃料电池阳极压强与流量自调节方法与流程

本发明涉及一种燃料电池辅助系统，特别涉及一种燃料电池阳极氢气供应系统。

背景技术：

燃料电池是由于通过电化学反应把化学能转换成电能，且将燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，因此具有高效率，无噪声，无污染等优点。从节约能源和保护生态环境的角度上，燃料电池是最具有发展前途的发电技术。如今，质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其应用前景十分广阔，且作为汽车动力的研究已取得了实质性的进展。氢气作为燃料电池的燃料，储存在车载储氢瓶中，通过供气装置导入电池电堆的阳极进行电化学反应。考虑到环保和安全性问题，电堆中反应不完全的氢气不能直接排放到大气中。且本着提高能源利用率的思想，在电堆阳极处增加氢气循环泵，将多余的氢气进行循环利用，这样既能提高氢气的利用率，又有利于电堆水管理，保证电池平稳高效运行。

质子交换膜燃料电池的阳极气体压强和流量对燃料电池的使用效率和使用寿命具有重要意义。当氢气供应系统供给的氢气过量时，虽然燃料电池反应充分，但是氢气循环泵所消耗的功率增加，降低电池输出效率。同时过多的氢气会使电堆阳极压强升高，导致阴阳极压差增大，影响质子交换膜的寿命；当氢气供应系统供给的氢气不足于燃料电池所需要的氢气量，会使燃料电池产生“燃料饥饿”现象，以致燃料电池寿命降低，严重情况下甚至会破坏膜电极使燃料电池报废。因此，在保持燃料电池阳极氢气循环利用的同时对其阳极压强与流量进行有效控制是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明提出了一种带氢气循环泵的燃料电池阳极压强与流量自调节方法，实时控制燃料电池阳极的压强与流量，使燃料电池稳定工作。

本发明的一种带循环泵的燃料电池阳极压强与流量自调节方法，燃料电池氢气供应系统包括高压储氢罐、流量控制阀、供气歧管、回流歧管、氢气循环泵和燃料电池阳极流道；

所述流量控制阀控制高压储氢罐流入到供气歧管中的氢气流量；

所述供气歧管一端连接所述流量控制阀和所述氢气循环泵输出端，所述供气歧管输另一端连接所述燃料电池阳极流道；

所述回流歧管两端分别连接燃料电池阳极流道和氢气循环泵输入端；

压强控制器控制流量控制阀的输出流量，进而调节燃料电池阳极压强，所述压强控制器输入燃料电池电流值、阳极压强测量值和阳极压强期望值，计算所述流量控制阀驱动电压；

流量控制器调节氢气循环泵的输出流量，进而调节燃料电池阳极流量，所述流量控制器输入燃料电池电流值、氢气循环泵实际流量和氢气循环泵期望流量，计算所述氢气循环泵驱动电压。

所述氢气循环泵期望流量以流量控制阀的输出流量作为参数，通过函数计算得到。

所述压强控制器利用阳极压强期望值和阳极压强测量值的偏差和偏差率，根据压强模糊规则对压强控制器调节因子进行修正。

所述流量控制器利用氢气循环泵期望流量和氢气循环泵实际流量的偏差和偏差率，根据流量模糊规则对流量控制器调节因子进行修正。

所述压强模糊规则和所述流量模糊规则的模糊蕴含关系算法是mamdani算法，所述压强模糊规则和所述流量模糊规则对模糊量进行清晰化处理时用的是面积中心法，选用三角形隶属度函数作为所述压强控制器和流量控制器的隶属度函数。

所述燃料电池氢气供应系统还包括排氢阀，所述排氢阀设置在回流歧管末端，定时排气以维持氢气供应系统中的氢气浓度。

本发明还涉及一种适用于前述方法的控制电路，其特征在于：

包括mpc5554芯片、流量控制阀驱动电路、氢气循环泵驱动电路、压强传感器和流量传感器，mpc5554芯片通过模拟量i/o口与压强传感器和流量传感器相连，mpc5554芯片通过数字i/o口输出模拟电压信号控制流量控制阀驱动电路和氢气循环泵驱动电路。

氢气循环泵驱动电路包括ir2110驱动芯片和半桥式控制电路；

mpc5554芯片的第一和第二引脚输出两路相反的氢气循环泵脉冲控制信号，分别与ir2110驱动芯片的两个引脚相连，mpc5554芯片的第三和第四引脚输出pwm控制信号连接半桥式控制电路的两个igbt元器件。

本发明还涉及一种燃料电池，使用前述方法或者一种适用于前述方法的控制电路控制电路。

本发明还涉及一种车辆，使用前述方法或者一种适用于前述方法的控制电路控制电路。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

本发明针对燃料电池氢气供应系统的压强和流量进行控制，对燃料电池在不同输出电流下的流量控制阀驱动电压和氢气循环泵驱动电压进行调节，控制燃料电池阳极压强和流量的大小，以满足燃料电池外界负载的功率需求，保持燃料电池稳定运行。

所述氢气循环泵期望流量以流量控制阀的输出流量作为参数，通过函数计算得到。实现压强控制器和流量控制器相互关联，实现压强和流量调整动态响应。利用两套模糊控制器对燃料电池阳极压强与流量进行控制，并设计了相应的模糊规则。该模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，并且抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性和较佳的容错性。

附图说明

图1是本发明燃料电池氢气供应系统总体构造示意图；

图2是本发明燃料电池氢气供应系统控制器原理示意图；

图3是本发明燃料电池流量控制阀控制的阳极压强示意图；

图4是本发明燃料电池氢气循环泵控制的流量示意图；

图5是本发明燃料电池氢气循环泵驱动电路示意图。

附图标记说明：

1-流量控制阀；2-供气歧管；3-回流歧管；4-氢气循环泵；5-排氢阀。

具体实施方式

下面将结合附图来对本发明的具体实施方式进行详细的介绍。

如图1所示，本发明提出的燃料电池氢气供应系统包括高压储氢罐、流量控制阀1、供气歧管2、回流歧管3、氢气循环泵4、排氢阀5和燃料电池阳极流道，氢气供应系统总体构造示意图如图1所示。

流量控制阀控制高压储氢罐流入到供气歧管中的氢气流量；

供气歧管一端连接流量控制阀和氢气循环泵输出端，供气歧管输另一端连接燃料电池阳极流道。流入供气歧管的气体包括从流量控制阀中通过的气体和从氢气循环泵中回流的气体；

回流歧管两端分别连接燃料电池阳极流道和氢气循环泵输入端，将燃料电池阳极未完全反应的气体通过氢气循环泵重新导入到供气歧管中。

排氢阀设置在回流歧管末端，定时排气以维持氢气供应系统中的氢气浓度。

燃料电池阳极流道近似为恒温，且氢气在阴阳极之间无泄漏。燃料电池在稳定工作状态下燃料电池阳极流道和回流歧管中的混合气湿度保持恒定，可以计算混合气中水蒸气的分压。氢气循环泵接收阳极流道流出的未反应完全的氢气，按照一定流量输入到供气歧管中，使氢气循环利用。氢气循环泵流率和氢气循环泵效率可由氢气循环泵实验数拟合得到。

本发明针对上述带氢气循环泵的燃料电池氢气供应系统，对燃料电池在不同输出电流下的流量控制阀1的驱动电压和氢气循环泵4的驱动电压进行调节，实现对燃料电池阳极流道的压强和流量的控制，以满足燃料电池外界负载的功率需求，保持燃料电池稳定运行。

本发明涉及两套模糊控制器，模糊控制器原理示意图如图2所示。

压强控制器通过控制流量控制阀的驱动电压来控制流量控制阀的输出流量，进而调节燃料电池阳极压强，压强控制器输入燃料电池电流值、阳极压强测量值和阳极压强期望值，计算流量控制阀驱动电压。

具体的，利用阳极压强期望值和阳极压强测量值的偏差和偏差率，根据压强模糊规则对控制器调节因子k1进行修正。根据历史实验数据，建立燃料电池电流和控制阀驱动电压在最佳燃料电池工作效率下的映射关系，将输入的燃料电池实时电流值转换为对应的流量控制阀驱动电压，作为氢气供应系统中流量控制阀控制电压的输入值。

流量控制器通过控制氢气循环泵的驱动电压来调节氢气循环泵的输出流量，进而调节燃料电池阳极流量，流量控制器输入燃料电池电流值、氢气循环泵实际流量和氢气循环泵期望流量，计算氢气循环泵驱动电压。

具体的，利用氢气循环泵期望流量和氢气循环泵实际流量的偏差和偏差率，根据流量模糊规则对控制器调节因子k2进行修正。根据历史实验数据，建立燃料电池电流和氢气循环泵驱动电压在最佳燃料电池工作效率下的映射关系，将输入的燃料电池实时电流值转换为对应的氢气循环泵驱动电压，作为氢气供应系统中氢气循环泵驱动电压的输入值。

压强控制器通过控制流量控制阀的输出流量调节燃料电池阳极压强，而氢气循环泵期望流量以流量控制阀的输出流量作为参数，通过函数计算得到，该函数由本领域技术人员根据调节需求和实际燃料电池数据确定。优选地，流量控制阀的输出流量乘以循环比率作为氢气循环泵期望流量，进而调节氢气循环泵的输出流量。其中循环比率是数值定值，该定值由本领域技术人员根据调节需求和实际燃料电池数据确定。可见压强控制器的控制调节的流量控制阀的输出流量影响流量控制器的氢气循环泵的输出流量。此外由于阳极气体源于流量控制阀的输出流量与氢气循环泵的输出流量之和，可见流量控制器的氢气循环泵的输出流量也影响到压强控制器输入参数——阳极压强测量值的。由此可见两套控制器并非相互独立，而是相互影响的，实现压强和流量调整动态响应。

本发明的压强模糊规则用于压强控制器，其模糊输入量为燃料电池阳极压强期望值和阳极压强测量值的偏差和偏差值导数，即压强偏差率，输出为压强控制器的调节因子k1。

流量模糊规则用于流量控制器，其模糊输入量为氢气循环泵期望流量和氢气循环泵实际流量的偏差和偏差值导数，即流量偏差率，输出为流量控制器的调节因子k2。

本发明在经过多次实验经验总结和数据处理中归纳出压强偏差、压强偏差率(流量偏差和流量偏差率)与控制器调节因子k间的关系，即当系统压强偏差绝对值|e(t)|和偏差率较大时，应取较大的k以使系统响应加快；当系统压强偏差绝对值|e(t)|和偏差率中等时，应取较小的k，以使系统响应具有较小的超调值；当系统压强偏差绝对值|e(t)|和偏差率较小时，应取较大的k，以使系统具有较好的稳态性能，其中系统压强偏差绝对值和偏差率的大、中、小表明了相对大小程度，而具体数值由本领域技术人员结合实际情况确定，k的较大和较小表明了相当程度，，而具体数值由本领域技术人员结合实际情况确定。

设模糊输入中压强偏差e(t)的模糊论域为[-3*10^4,3*10^4]、流量偏差的模糊论域为[-6*10^(-3),6*10^(-3)]，压强偏差率ec(t)的模糊论域为[-3*10^4,3*10^4]、流量偏差率的模糊论域为[-6*10^6,6*10^6]，压强控制器的模糊输出调节因子k1的模糊论域为[-3*10^(-6),3*10^(-6)]、流量控制器的模糊输出调节因子k2的模糊论域为[-9*10^4,9*10^4]。选定7个模糊子集：负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、零(z)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)，均用于涵盖输入量与输出量的论域。选用三角形隶属度函数作为本模糊控制器的隶属度函数。

两套控制器的模糊规则相同，其调节因子k的具体模糊规则如下：

进一步的经过模糊推理后，选用面积中心法进行反模糊化得到模糊输出k。两套模糊控制器以49条模糊规则对控制器的调节因子k进行设定及在线调整，使燃料电池在工况变化时对流量控制阀开度和氢气循环泵转速进行修正，达到阳极压强和流量自调节的效果，所达到的阳极压强和流量控制示意图如图3和图4所示。

本发明还涉及基于mpc5554芯片和ir2110芯片的燃料电池阳极氢气压强与流量调节控制器硬件电路，该硬件电路包括阳极氢气循环利用的燃料电池、mpc5554芯片、流量控制阀驱动电路、氢气循环泵驱动电路、压强流量传感器和pc上位机。mpc5554芯片通过usb接口与pc上位机端相连，pc上位机通过串口与mpc5554芯片进行交互；mpc5554芯片通过模拟量i/o口与压强流量传感器相连以实时读取燃料电池阳极压强和流量，并通过数字i/o口输出模拟电压信号控制流量控制阀驱动电路和氢气循环泵驱动电路输出pwm值，以实现对燃料电池流量控制阀开度和氢气循环泵转速的控制，从而进一步地对燃料电池阳极压强和流量进行调节。

本发明中流量控制阀控制信号可直接通过mpc5554芯片直接输出相应pwm信号进行控制；氢气循环泵额定工作电压范围为200-300v，本发明设计的氢气循环泵驱动电路包括ir2110驱动芯片、200v-300v直流电源、半桥式控制电路。mpc5554芯片data16和data17引脚输出两路相反的氢气循环泵脉冲控制信号，分别与ir2110驱动芯片的hin和vin引脚相连。vcc引脚和vdd接15v电源供电，ho和lo引脚输出pwm控制信号连接半桥式控制电路的两个igbt元器件，驱动电路示意图如图5所示。

将所设计的模糊控制器算法程序导入到mpc5554芯片中，mpc5554芯片通过与之相连的压强流量传感器获得阳极压强测量值实时数据，与程序中所设定的阳极压强期望值的偏差作为模糊控制器的输入值。mpc5554芯片根据模糊控制器的输出值向ir2110驱动芯片输出相应的脉冲控制信号，进而实时调节流量控制阀的开度和氢气循环泵的转速使燃料电池阳极压强与流量保持期望目标值。