用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置与流程

本发明涉及电子信息技术领域，特别是涉及用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置。

背景技术：

目前，质子交换膜氢燃料电池发动机以其特有的燃料效率高、环境适用好、可靠性高、噪声低、零排放等优点，而备受关注。与现有的内燃机汽车相比，使用质子交换膜氢燃料电池作为动力源的电动汽车(即质子交换膜氢燃料电池电动汽车)，其具有的有害气体的排放量减少99％，二氧化碳的生成量减少75％，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。

质子交换膜氢燃料电池堆，是质子交换膜氢燃料电池发动机的动力源，其由多个膜电极单体串联构成，其中，每个膜电极单体的理想输出电压uo计算公式为：

在上述公式(1)中，分别为氢、氧和水蒸气的压力，eo为氢燃料电池堆膜电极单体的理想标准电动势，r为通用气体常数，t为氢燃料电池堆工作温度，f为法拉第常数。

由公式(1)可以看出：氢燃料电池堆膜电极单体的输出电压uo由两部分构成，第一部分为膜电极单体的理想标准电动势eo，eo的数值主要由膜电极单体的材料特性决定；第二部分为膜电极单体的环境变量因素，主要由工作温度t、氢气压力氧气压力等环境变量的数值决定。

目前，通过质子交换膜氢燃料电池电动汽车的示范运行，发现作为车用质子交换膜氢燃料电池堆关键部件的膜电极，其劣化模式包括以下两种:

1、频繁的启动停止引起的质子交换膜电极的高电位问题，造成催化剂碳载体的腐蚀；

2、反复加减速引起的质子交换膜电极的电位循环问题，造成催化剂铂颗粒粗大化。

因此，目前迫切需要研发出一种技术，其能够针对车用工况条件下，有效缓解质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极的劣化模式中的膜电极高电位和电位循环问题，缓解氢燃料电池堆中膜电极的性能衰减，提升氢燃料电池堆的整体工作寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置，其能够针对车用工况条件下，有效缓解质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极的劣化模式中的膜电极高电位和电位循环问题，缓解氢燃料电池堆中膜电极的性能衰减，提升氢燃料电池堆的整体工作寿命，有利于推广应用，具有重大的实践意义。

为此，本发明提供了一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置，包括膜电极单体电压检测单元、氢燃料电池主控单元、空气泵、温度压力传感器和电流传感器，其中：

质子交换膜氢燃料电池堆，由多个膜电极单体串联构成；

质子交换膜氢燃料电池堆的输出正极通过电流传感器与负载的正极端相连接，质子交换膜氢燃料电池堆的输出负极与负载的负极端相连接；

电流传感器，用于采集所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

多个温度压力传感器，分别安装在质子交换膜氢燃料电池堆的里面，用于实时采集所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

膜电极单体电压检测单元，分别与每个膜电极单体的两端相连接，用于采集每个膜电极单体的实时工作电压值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

空气泵，用于将外部的氧气输入到所述质子交换膜氢燃料电池堆中，以提供氢燃料电池堆工作所需要的氧气；

氢燃料电池主控单元，分别与电流传感器、温度压力传感器和膜电极单体电压检测单元相连接，用于接收所述电流传感器发来的所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，接收所述温度压力传感器发来的所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，以及接收所述膜电极单体电压检测单元发来的每个膜电极单体的实时工作电压值；

所述氢燃料电池主控单元，还与空气泵相连接，用于根据预设的操作控制规则，对应调整空气泵的转速，从而调节质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量供给。

其中，所述预设的操作控制规则，具体如下：

所述氢燃料电池主控单元，根据所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，以及根据所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，计算获得所述质子交换膜氢燃料电池堆中具有的全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit和电压下限阈值umin_limit；

同时，所述氢燃料电池主控单元，还根据所述膜电极单体电压检测单元发来的每个膜电极单体的实时工作电压值，直接获得全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax和最低值umin，并通过求平均值操作，计算获得全部膜电极单体的实时工作电压平均值uav；

如果全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax大于全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit，并且全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最低值umin小于全部膜电极单体的电压下限阈值umin_limit，判断此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的膜电极单体出现了异常情况，氢燃料电池主控单元进入停机报警状态，实时向外报警，否则，继续执行预设的空气泵转速调节操作。

其中，所述预设的空气泵转速调节操作为：如果全部膜电极单体实时工作电压平均值uav大于全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit，说明此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的空气流量供给过高，则发送控制信号给空气泵，下调空气泵的转速；

如果全部膜电极单体实时工作电压平均值uav小于全部膜电极单体的电压下限阈值umin_limit，说明此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的空气流量供给过低，则发送控制信号给空气泵，上调空气泵的转速。

其中，所述膜电极单体电压检测单元通过can通讯总线与所述氢燃料电池主控单元相连接。

其中，所述氢燃料电池主控单元为嵌入式控制单元、可编程控制器plc、中央处理器cpu、数字信号处理器dsp或者单片机mcu。

此外，本发明还提供了用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法，包括以下步骤：

步骤一、氢燃料电池主控单元通过adc接口读取氢燃料电池堆的温度压力传感器采集的实时数值和电流传感器采集输出的电流实时数值；

步骤二、如果氢燃料电池堆温度压力传感器数值或电流传感器的输出电流数值异常，则氢燃料电池堆主控单元进入停机报警状态；如果没有以上异常情况，则继续执行下面的步骤三；

步骤三、氢燃料电池主控单元根据温度压力传感器的实时数值和电流传感器的输出电流实时数值，计算氢燃料电池堆中全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit和下限阈值umin_limit；

步骤四、氢燃料电池主控单元通过can总线接收膜电极单体电压检测单元上报的每个膜电极单体的实时工作电压数据u0～un；

步骤五、氢燃料电池主控单元根据膜电极单体实时工作电压数据u0～un，获得全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax和最低值umin，并通过求平均值操作，计算获得全部膜电极单体的实时工作电压平均值uav；

步骤六、如果出现umax大于umax_limit并且umin小于umin_limit的异常情况，则说明该氢燃料电池堆中的膜电极单体本身已经存在异常，氢燃料电池主控单元进入停机报警状态；如果没有以上情况，则进入步骤七；

步骤七、如果uav大于umax_limit，则说明此时氢燃料电池堆中的空气流量供给过高，氢燃料电池主控单元通过气泵控制接口，下调空气泵转速；

步骤八、如果uav小于umin_limit，则说明此时氢燃料电池堆中的空气流量供给过低，氢燃料电池主控单元通过气泵控制接口，上调空气泵的转速；

步骤九、控制流程重新返回步骤一，如此循环反复执行，直至停止退出。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法及装置，其能够针对车用工况条件下，有效缓解质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极的劣化模式中的膜电极高电位和电位循环问题，缓解氢燃料电池堆中膜电极的性能衰减，提升氢燃料电池堆的整体工作寿命，有利于推广应用，具有重大的实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置的结构方框图；

图2为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法的流程图；

图3为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的主控mcu的电路图；

图4为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的模数转换器的电路图；

图5为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的can通讯总线收发器的电路图；

图6为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的多个隔离光耦的电路图；

图7为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的差分放大器的电路图；

图8为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的can通讯总线滤波器的电路图；

图9为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置中膜电极单体电压检测单元具有的can通讯总线tvs保护二极管的电路图。

具体实施方式

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

参见图1，本发明提供了一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置，包括膜电极单体电压检测单元、氢燃料电池主控单元、空气泵、温度压力传感器和电流传感器，其中：

质子交换膜氢燃料电池堆，由多个膜电极单体串联构成；例如，由图1所示的n个膜电极单体e1～en串联构成(n为质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极单体的总数，为大于零的自然数)；

质子交换膜氢燃料电池堆的输出正极通过电流传感器与负载(例如电动汽车的牵引电机驱动器)的正极端相连接，质子交换膜氢燃料电池堆的输出负极与负载的负极端相连接；

电流传感器，用于采集所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

多个温度压力传感器，分别安装在质子交换膜氢燃料电池堆的里面，用于实时采集所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

膜电极单体电压检测单元，分别与每个膜电极单体的两端(即正电极端和负电极端)相连接，用于采集每个膜电极单体的实时工作电压值，然后发送给氢燃料电池主控单元；

例如，参见图1所示，n个膜电极单体(e1～en)的正电极端和负电极端(c0～cn)，依次接入膜电极单体电压检测单元，该膜电极单体电压检测单元负责采集氢燃料电池堆中所有的膜电极单体e1～en的实时工作电压值，并上报给氢燃料电池主控单元；

空气泵，用于将外部的氧气(例如外部空气中的氧气)输入到所述质子交换膜氢燃料电池堆中，以提供氢燃料电池堆工作所需要的氧气；

氢燃料电池主控单元，分别与电流传感器、温度压力传感器和膜电极单体电压检测单元相连接，用于接收所述电流传感器发来的所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，接收所述温度压力传感器发来的所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，以及接收所述膜电极单体电压检测单元发来的每个膜电极单体的实时工作电压值；

所述氢燃料电池主控单元，还与空气泵相连接，用于根据预设的操作控制规则，对应调整空气泵的转速，从而调节质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量供给。

对于本发明，所述预设的操作控制规则，具体如下：

所述氢燃料电池主控单元，根据所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，以及根据所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值，计算获得所述质子交换膜氢燃料电池堆中具有的全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit和电压下限阈值umin_limit；

同时，所述氢燃料电池主控单元，还根据所述膜电极单体电压检测单元发来的每个膜电极单体的实时工作电压值，直接获得全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax和最低值umin，并通过求平均值操作，计算获得全部膜电极单体的实时工作电压平均值uav；

如果全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax大于全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit，并且全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最低值umin小于全部膜电极单体的电压下限阈值umin_limit，判断此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的膜电极单体出现了异常情况，氢燃料电池主控单元进入停机报警状态，实时向外报警(例如通过触发声光报警器进行声光报警)，否则，继续执行预设的空气泵转速调节操作；

所述预设的空气泵转速调节操作为：如果全部膜电极单体实时工作电压平均值uav大于全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit，说明此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的空气流量供给过高，则发送控制信号给空气泵，下调空气泵的转速；

如果全部膜电极单体实时工作电压平均值uav小于全部膜电极单体的电压下限阈值umin_limit，说明此时所述质子交换膜氢燃料电池堆中的空气流量供给过低，则发送控制信号给空气泵，上调空气泵的转速。

对于本发明，需要说明的是，对于全部的多个膜电极单体，其中的电压上限阈值umax_limit和电压下限阈值umin_limit的计算方法是根据前述的公式(1)和测试台架的负载试验数据得出，膜电极单体电压的上下限阈值与氢燃料电池堆材料、氢燃料电池堆型号、温度压力数值、输出电流数值等参数相关。

在本发明中，需要说明的是，全部膜电极单体的电压下限阈值umin_limit的计算公式为：umin_limit＝umin-(uav-umin)。

全部膜电极单体的电压上限阈值umaxlimit的计算公式为：umaxlimit＝umax+(umax-uav)。

全部膜电极单体的最佳工作点电压值ubest的计算公式为：ubest＝(umin_limit+umax_limit)/2。

在实际应用中，很难实现对于氢燃料电池堆中的水蒸气压力的测量，所以在台架测试中不测量水蒸气压力的数据。

例如，以一种氢燃料电池堆为例，说明全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit和电压下限阈值umin_limit、最佳工作点电压值ubest等数值的计算情况。参见下表1所示。

表1：

在本发明中，具体实现上，所述氢燃料电池主控单元，还用于当所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，以及所述质子交换膜氢燃料电池堆中每个膜电极单体里面的温度值以及氢、氧的压力值，存在异常情况时，进入停机报警状态，实时向外报警(例如通过触发声光报警器进行声光报警)。

需要说明的是，当所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，以及所述质子交换膜氢燃料电池堆中每个膜电极单体里面的温度值以及氢、氧的压力值，超过对应预设的数值上限或下限时，说明存在异常情况。

具体实现上，所述预设的空气泵转速调节操作，优选为：通过调节空气泵的转速，使得质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极单体的实时工作电压值(通过膜电极单体电压检测单元读取)能够平衡在最佳工作点附近。

如前所述，全部膜电极单体的最佳工作点电压值ubest的计算公式为：ubest＝(umin_limit+umax_limit)/2。

在本发明中，具体实现上，所述膜电极单体电压检测单元通过控制器局域网can通讯总线与所述氢燃料电池主控单元相连接，从而可以可靠、快速地将每个膜电极单体的实时工作电压值发送给氢燃料电池主控单元。

需要说明的是，对于本发明，根据前面所述的公式(1)以及从质子交换膜氢燃料电池控制系统的观点看，前面提及的膜电极的两种劣化模式中，质子交换膜电极的高电位和电位循环问题，所造成的催化剂碳载体腐蚀和铂颗粒粗大化问题，可以采用优化调节质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量供给的控制方式，以达到使质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极单体的实时工作电压值能够平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆中膜电极的性能衰减，提升燃料电池堆的整体工作寿命。

在本发明中，具体实现上，所述氢燃料电池主控单元可以为专用的嵌入式控制单元、可编程控制器plc、中央处理器cpu、数字信号处理器dsp或者单片机mcu。

需要说明的是，对于本发明，其通过首先检测质子交换膜氢燃料电池堆的温度压力传感器实时数值和输出电流实时数值，计算出氢燃料电池堆的膜电极单体的电压上限阈值和下限阈值，然后再检测氢燃料电池堆的膜电极单体的实时电压值，最后根据氢燃料电池堆中膜电极单体实时工作电压值的最高值和最低值、膜电极单体的实时工作电压值的平均值，与膜电极单体的电压上限阈值和下限阈值相比较，根据比较结果，去控制质子交换膜氢燃料电池堆空气泵的转速值，以达到在车用工况条件下，实时优化调节质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量供给，使氢燃料电池堆膜电极单体工作电压能够平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆膜电极性能衰减，提升质子交换膜氢燃料电池堆工作寿命。

图2为本发明提供的用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法的流程图。

对于本发明，还包括用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节方法，包括以下步骤：

步骤一、氢燃料电池主控单元通过adc接口读取氢燃料电池堆的温度压力传感器采集的实时数值(包括所述质子交换膜氢燃料电池堆的温度值以及氢、氧的压力值)和电流传感器采集输出的电流实时数值(即所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值)；

步骤二、如果氢燃料电池堆温度压力传感器数值或电流传感器的输出电流数值异常，则氢燃料电池堆主控单元进入停机报警状态；如果没有以上异常情况，则继续执行下面的步骤三；

需要说明的是，当所述质子交换膜氢燃料电池堆的输出电流值，以及所述质子交换膜氢燃料电池堆中每个膜电极单体里面的温度值以及氢、氧的压力值，超过对应预设的数值上限或下限时，说明存在异常情况。

步骤三、氢燃料电池主控单元根据温度压力传感器的实时数值和电流传感器的输出电流实时数值，计算氢燃料电池堆中全部膜电极单体的电压上限阈值umax_limit和下限阈值umin_limit。其中，膜电极单体电压上下限阈值的计算方法是根据公式(1)和测试台架的负载试验数据得出，膜电极单体的电压上下限阈值与氢燃料电池堆材料、氢燃料电池堆型号、温度压力数值、输出电流数值等参数相关；以上已经进行说明，在此不再累述。

步骤四、氢燃料电池主控单元通过can总线接收膜电极单体电压检测单元上报的每个膜电极单体的实时工作电压数据u0～un(n为质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极单体的总数)；

步骤五、氢燃料电池主控单元根据膜电极单体实时工作电压数据u0～un，获得全部膜电极单体具有的实时工作电压值的最高值umax和最低值umin，并通过求平均值操作，计算获得全部膜电极单体的实时工作电压平均值uav；

步骤六、如果出现umax大于umax_limit并且umin小于umin_limit的异常情况，则说明该氢燃料电池堆中的膜电极单体本身已经存在异常，氢燃料电池主控单元进入停机报警状态；如果没有以上情况，则进入步骤七；

步骤七、如果uav大于umax_limit，则说明此时氢燃料电池堆中的空气流量供给过高，氢燃料电池主控单元通过气泵控制接口，下调空气泵转速；

步骤八、如果uav小于umin_limit，则说明此时氢燃料电池堆中的空气流量供给过低，氢燃料电池主控单元通过气泵控制接口，上调空气泵的转速；

步骤九、控制流程重新返回步骤一，如此循环反复执行，直至系统停机退出。

对于本发明，其具有的膜电极单体电压检测单元的电路如图3至图9所示所示。

膜电极单体电压检测单元采用mc912xep100作为主控mcu，并采用aqw214光电耦合器作为隔离选择通道mux。膜电极单体电压检测单元电路中隔离光耦aqw214的导通状态，受mc912xep100主控mcu的gpio选通脉冲控制，当mc912xep100的gpio管脚为高电平时，光耦aqw214导通，燃料电堆单体膜电压检测输入端c00_in～c63_in按照mcu选通脉冲的mux时序，经隔离光耦的导通管脚依次进入差分放大器opa的in+和in-，差分放大器的输出接到高速模数转换器ad7321的输入管脚vin0，mc912xep100主控mcu通过cs/pk5、sck/pt5、din/pt7、dout/pt6管脚高速读取经ad7321采集转换的膜电极单体的电压数据值，并通过can通讯总线收发器ctm1051kt，上报给氢燃料电池主控单元。

与现有技术相比较，本发明具有以下的有益技术效果：

1、质子交换膜氢燃料电池堆的输出伏安特性不仅与输出电流有关，而且与氢燃料电池堆材料、氢燃料电池堆型号、温度压力数值等参数密切相关，因此，本发明比现有技术中采用的方法更合理、更准确。

2、现有技术中采用的方法没有涉及氢燃料电池堆膜电极单体电压检测的内容，无法对氢燃料电池堆关键部件膜电极劣化模式中的膜电极高电位和电位循环实施监控。而对于本发明，能够实时检测膜电极单体的电压运行数据，并能够根据氢燃料电池堆中膜电极单体实时工作电压值的最高值和最低值、膜电极单体的实时工作电压值的平均值，与膜电极单体的电压上限阈值和下限阈值相比较，根据相比较的结果，去控制氢燃料电池堆空气泵的转速值，因此，本发明能够在车用工况条件下，实时优化调节氢燃料电池堆的空气流量供给，使氢燃料电池堆膜电极单体工作电压能够平衡在最佳工作点附近，从而缓解氢燃料电池堆膜电极性能衰减，提升质子交换膜氢燃料电池堆工作寿命。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种用于质子交换膜氢燃料电池堆的空气流量调节装置，其能够针对车用工况条件下，有效缓解质子交换膜氢燃料电池堆中膜电极的劣化模式中的膜电极高电位和电位循环问题，缓解氢燃料电池堆中膜电极的性能衰减，提升氢燃料电池堆的整体工作寿命，有利于推广应用，具有重大的实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。