一种氢气减压供气和循环调控系统优化方法、控制器、通道切换调控方法及电池系统与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种氢气减压供气和循环调控系统优化方法、控制器、通道切换调控方法及电池系统。


背景技术：

2.质子交换膜氢燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)发动机通过氢气燃料和空气中的氧气之间高效的电化学反应取代化石燃料在内燃机中的低效燃烧，产生电能直接驱动无尾管排放的氢燃料电池车辆。其极高的能源转化效率、零排放特性和迅速加充燃料的能力成为下一代新能源汽车的理想目标，并在近年得到迅猛发展。在未来几十年里，燃料电池发动机将成为长距离运行和重载车辆以及城市中的商用和出租车的主流动力系统。目前质子交换膜氢燃料电池中采用氢气引射器的阳极供回氢系统可以满足对电堆工作过程的过量氢气回收循环。鉴于单个引射器的工作区间较窄，多个不同尺寸的引射器组合使用的方法被提出用来提高燃料电池电堆的工作范围区间，如专利申请“cn112072145b-氢气减压调控系统、方法、设备、电池系统及设计方法”所示。此专利中多引射器氢气减压循环系统通过优化设计每个引射器的尺寸来扩大燃料电池电堆的功率覆盖范围。但是，其应用过程中，为响应燃料电池输出功率变化，不同大小多个引射器,或多个引射器/氢气泵供气通道在氢气循环系统切换时由于氢气流量和压力的瞬间变化，会对燃料电池的膜电极造成压力冲击，造成轻微疲劳积累伤害。同时，燃料电池阳极压力和阴极压力必须保持稳定在一定压差以内。当燃料电池供氢系统引射器切换时，多引射器系统出口(阳极入口)压力波动过大，阴极压力难以动态平衡。两者均会加剧氢燃料电池使用寿命的衰减。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够保障氢气减压调控系统中氢气减压供气和循环通道切换工况下氢气压力稳定性以及供气快速响应的需要的氢气减压循环调控系统的优化方法、控制器、调控系统、通道切换调控方法及电池系统
4.为了实现上述目的，本技术实施例采用如下技术方案：
5.一种氢气减压循环调控系统的优化方法，所述优化系统应用于燃料电池氢气减压循环调控系统中的控制器，用来控制氢气在不同气道之间切换过程中系统出口压力的稳定性；所述方法包括：
6.根据多个氢气减压供气和循环通道切换时所述氢气减压供气和循环通道入口压力的变化数据建立系统压力二阶动态响应模型；所述系统压力二阶动态响应模型可表示为：其中m，c，k分别代表该动态系统的质量，振动系数和弹性系数；
7.根据多氢气减压供气和循环通道系统的多个氢气减压供气和循环通道转换试验数据，通过拟合算法辨识压力二阶动态响应模型的参数m，c，k；获取系统压力响应的振幅ζ、
系统频率ωn及增益，实现对多氢气减压供气和循环通道系统压力动态响应特性的精准模拟；所述传递函数可表示为：
[0008][0009]
根据所述压力二阶动态响应模型的参数m，c，k，调节燃料电池氢气减压调控系统中压力/流量调节装置的pwm信号用以控制不同脉冲频率及多个所述氢气减压供气和循环通道开启关闭时长，配合不同的占空比开度，实现所述燃料电池氢气减压调控系统压力的稳定。
[0010]
其中，所述氢气减压供气和循环通道为引射器、氢气循环泵、氢气直通通道。
[0011]
进一步的，所述氢气减压调控系统中多个氢气减压供气和循环通道为：
[0012]
由多个并联的氢气循环引射器组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0013]
由一个或多个氢气循环引射器与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0014]
由一个或多个氢气循环引射器与氢气循环泵组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0015]
由一个或多个氢气循环泵与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0016]
或由以上不同方式组合变换而成的其他形式的多通道氢气循环系统。
[0017]
进一步的，所述多个并联的氢气循环引射器组成的多个氢气减压供气和循环通道可以由多个并联的单喷嘴引射器，或一个或多个嵌套式多喷嘴引射器实现。
[0018]
本技术还提供了一种基于前述的氢气减压循环调控系统的优化方法的控制器，
[0019]
所述控制器用于根据所述燃料电池氢气减压循环调控系统输出功率的需求对所述燃料电池氢气减压调控系统中各元件进行调控；
[0020]
所述控制器中集成了权利要求1中所述的燃料电池氢气减压循环调控系统的优化方法。
[0021]
本技术还提供了一种基于前述控制器的氢气减压调控系统，包括供氢设备、氢燃料电池电堆，还包括多个并列设置的供氢和氢气循环结构、控制器；所述供氢和氢气循环结构为一体化或分置的结构；所述供氢和氢气循环结构前端连接供氢设备，后端连通氢燃料电池电堆；所述供氢和氢气循环结构包含并行的供氢和氢气循环结构；多个所述供氢和氢气循环结构的各可控单元均与控制器连接；所述供氢和氢气循环结构包括氢气减压供气和循环通道与设置在所述氢气减压供气和循环通道前端的压力/流量调节装置。。
[0022]
可选的，所述嵌套式多喷嘴引射器结构为包括依次连通的卷吸室定截面混合室和扩展室；
[0023]
所述卷吸室内设置有主流道；所述主流道内套设有次流道；所述主流道连通外部喷嘴；所述次流道连通内部喷嘴；
[0024]
所述卷吸室一侧设置有流体吸入口，吸入流体给所述卷吸室。
[0025]
可选的，所述单喷嘴引射器结构包括卷吸室，混合室和扩散室，其中，卷吸室内包含一个文丘里喷嘴，所述引射器包括一个主级流体入口，一个次级流体入口，和一个引射器出口。
[0026]
进一步的，所述氢气减压供气和循环通道为引射器、氢气循环泵、或氢气直通通
道。
[0027]
本技术还提供了一种基于前述的氢气减压调控系统的通道切换调控方法，包括：使用氢气减压循环系统中氢气减压供气和循环通道切换时的气体压力动态变化数据建立动态系统模型并找出最优的系统响应控制参数；根据所述优化的系统控制参数，调节压力/流量调节装置的pwm信号以控制不同脉冲频率及开启关闭时长，配合不同的占空比开度，实现系统压力的稳定；通过控制器内软件的更新和优化来控制燃料电池电堆动态工况下阳极入口处的压力稳定性。
[0028]
本技术还提供了一种燃料电池系统，包括前述的控制器的氢气减压循环调控系统。
[0029]
本技术使用多引射器氢气减压循环系统中引射器切换时的气体压力动态变化数据建立动态系统模型并找出最优的系统响应控制参数；根据所述优化的系统控制参数，调节压力/流量调节装置的pwm信号以控制不同脉冲频率及开启关闭时长，配合不同的占空比开度，实现系统压力的稳定；该优化的动态控制方法可以通过控制器内软件的更新和优化来控制燃料电池电堆动态工况下阳极入口处的压力稳定性。
附图说明
[0030]
图1是本发明涉及的具有多引射器和直通通道的氢燃料电池供氢减压循环系统示意图；
[0031]
图2是本发明大引射器切换至小引射器系统压力动态响应示意图；
[0032]
图3是本发明小引射器切换至大引射器系统压力动态响应示意图；
[0033]
图4是本发明氢气循环系统多引射器切换阳极入口压力波动示意图；
[0034]
图5是本发明氢气循环系统多引射器切换阳极入口压力波动示意图；
[0035]
图6是本发明嵌套式引射器内部切换至外部喷时系统压力变化示意图；
[0036]
图7是本发明嵌套式多喷嘴引射器结构示意图。
[0037]
图8是本发明涉及的多通道氢气减压循环系统中单个引射器结构的示意图。
[0038]
图9是本发明适用的由多个并联的氢气循环引射器组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0039]
图10是本发明适用的由一个或多个氢气循环引射器与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0040]
图11是本发明适用的由一个或多个氢气循环引射器与氢气循环泵组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0041]
图12是本发明适用的由一个或多个氢气循环泵与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0043]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0044]
应注意到：相似的标号和字母在下面附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0045]
在本发明描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0047]
根据本技术的一个方面，提供了一种氢气减压循环调控系统的优化方法，所述优化系统应用于燃料电池氢气减压循环调控系统中的控制器，用来控制氢气在不同气道之间切换过程中系统出口压力的稳定性所述方法包括：
[0048]
根据多个氢气减压供气和循环通道切换时所述氢气减压供气和循环通道入口压力的变化数据建立系统压力二阶动态响应模型；所述系统压力二阶动态响应模型可表示为：其中m，c，k分别代表该动态系统的质量，振动系数和弹性系数；
[0049]
根据多氢气减压供气和循环通道系统的多个氢气减压供气和循环通道转换试验数据，通过拟合算法辨识压力二阶动态响应模型的参数m，c，k；获取系统压力响应的振幅ζ、系统频率ωn及增益，实现对多氢气减压供气和循环通道系统压力动态响应特性的精准模拟；所述传递函数可表示为：
[0050][0051]
根据所述压力二阶动态响应模型的参数m，c，k，调节燃料电池氢气减压循环调控系统中压力/流量调节装置的pwm信号用以控制不同脉冲频率及多个所述氢气减压供气和循环通道开启关闭时长，配合不同的占空比开度，实现所述燃料电池氢气减压循环调控系统压力的稳定。
[0052]
可选的，所述氢气减压供气和循环通道为引射器、氢气循环泵、氢气直通通道。
[0053]
可选的，所述氢气减压循环调控系统中多个氢气减压供气和循环通道为：
[0054]
如图9所示，由多个并联的氢气循环引射器组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0055]
如图10所示，由一个或多个氢气循环引射器与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0056]
如图11所示，由一个或多个氢气循环引射器与氢气循环泵组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0057]
如图12所示，由一个或多个氢气循环泵与氢气直通道组成的多个氢气减压供气和循环通道；
[0058]
或由以上不同方式组合变换而成的其他形式的多通道氢气循环系统；也就是说本技术的氢气减压循环调控系统的优化方法适用于上述不同组合形式的多通道氢气减压循环系统。
[0059]
进一步的，所述多个并联的氢气循环引射器组成的多个氢气减压供气和循环通道
可以由多个并联的单喷嘴引射器，或一个嵌套式多喷嘴引射器实现，优选的采用嵌套式多喷嘴引射器实现。
[0060]
其中，上述氢气循环引射器的尺寸可以固定或可变，不同通道并联的引射器尺寸可以相同或不同。多个并连通道前端各有一个压力/流量控制装置来自由调节不同气道的入口压力和流量。
[0061]
本发明的另一方面提供了一种基于上述的氢气减压循环调控系统的优化方法的控制器，
[0062]
所述控制器用于根据所述燃料电池氢气减压循环调控系统输出功率的需求对所述燃料电池氢气减压循环调控系统中各元件进行调控；
[0063]
所述控制器中集成了上述的燃料电池氢气减压循环调控系统的优化方法。即所述控制器内含有氢气供气通道切换时压力二阶动态响应模型，此模型通过计算流体动力学模型模拟和实验获取。运用此模型产生最优氢气供气通道切换的控制策略以降低压力变化；所述控制器在使用时根据燃料电池输出功率变化自动切换不同的引射器或者供气通道并使用引射器/通道切换时的优化的控制策略；其中所述的最优氢气供气通道切换的控制策略通过协调的引射器或者供气通道开启和关闭时间，以及速度来决定。所述控制器根据内置的控制策略和燃料电池当前的工作状况，决定所述氢气减压循环系统的零部件开始或关闭工作；根据所述控制策略，各压力/流量调节装置的pwm信号可以单独完成不同脉冲频率的开启关闭时长，通过配合不同的占空比开度，调节参与切换的供气通道开启和关闭时间以及速度来实现系统出口压力的稳定。
[0064]
本发明的又一方面提供了一种基于上述控制器的氢气减压循环调控系统，包括供氢设备、氢燃料电池电堆，还包括多个并列设置的供氢和氢气循环结构、控制器；
[0065]
所述供氢和氢气循环结构为一体化或分置的结构；
[0066]
所述供氢和氢气循环结构前端连接供氢设备，后端连通氢燃料电池电堆；
[0067]
所述供氢和氢气循环结构包含并行的供氢和氢气循环结构；
[0068]
多个所述供氢和氢气循环结构的各可控单元均与控制器连接；
[0069]
所述供氢和氢气循环结构包括氢气减压供气和循环通道与设置在所述氢气减压供气和循环通道前端的压力/流量调节装置。。
[0070]
具体的，以两个引射器并联的氢气减压循环调控系统为例(即图1所示)。对氢气减压循环调控系统的优化方法进行说明，用来保障引射器切换工况下氢气压力稳定性以及供气快速响应的需要，本专利采用以下方法：
[0071]
通过对氢气减压引射循环系统引射器切换过程中的压力动态变化进行数字建模、仿真模拟和实验验证，并在此基础上进行优化控制。根据多个引射器切换时引射器入口压力的变化建立系统压力二阶动态响应模型：
[0072][0073]
其中，m，c，k分别代表该动态系统的质量，振动系数和弹性系数。
[0074]
根据多引射器实际系统的引射器转换试验数据，通过拟合算法辨识压力动态变化模型的参数m，c，k。获取系统压力响应的振幅ζ、系统频率ωn及增益，实现对多引射器系统压力动态响应特性的精准模拟。系统的传递函数可以表示为
[0075][0076]
在系统动态模拟软件matlab/simulink环境下搭建系统动态仿真模型，采用先进的控制方法，对系统压力二阶动态模型进行优化控制。具体使用前馈控制加pid反馈控制的方法，在燃料电池功率变化需求切换引射器情况时，实现系统引射器入口压力从当前值快速的响应至目标值，减小对阳极入口压力波动的影响。
[0077]
如图2所示，图1中显示的氢气减压循环调控系统中大引射器a切换至小引射器b，引射器入口压力从3.5bara上升至10bara，通过优化控制，压力响应时间为原有时间的33％。
[0078]
如图3所示，图1中显示的氢气减压循环调控系统小引射器b切换至大引射器a，引射器入口压力从10bara下降至3.5bara，通过优化控制，压力响应时间降低至原有时间的18％。
[0079]
本发明的氢气减压循环调控系统采用一一对应的多个流量压力调节装置来控制各个氢气减压供气和循环通道的入口压力和流量变化。通过精准控制不同氢气减压供气和循环通道在燃料电池输出功率增加或减小时的开、关时间，改善氢循环系统多引射器系统入口压力的动态响应延迟和出口处的压力变化。通过优化方法调整多个氢气减压供气和循环通道之间互相切换时对压力流量调节装置的控制策略，实现系统对压力控制的快速响应。
[0080]
进一步的，本发明中一体化结构包括氢气减压供气和循环通道与设置在所述氢气减压供气和循环通道前端的压力/流量调节装置，每个氢气减压供气和循环通道前均设置压力/流量调节装置要比共用压力/流量调节装置对燃料电池阳极入口压力波动控制要好。还是以图1中的氢气减压循环调控系统为例，图4和图5为双引射器氢气循环系统采用单个和两个压力流量调节装置，燃料电池阳极入口压力波动对比。当大引射器a切换至小引射器b，具有两个调节装置的系统压力波动在15kpa以内，低于单个调节装置的45kpa。反之小切换至大引射器，具有两个调节装置的系统压力波动在42kpa以内，低于单个调节装置的100kpa。
[0081]
进一步的，如图7所示，所述引射器为同轴嵌套式多喷嘴引射器；该结构通过将多个喷嘴集成一体，共享混合室扩展室。此设计减少了并联多引射器的体积，该结构包括依次连通的卷吸室8、定截面混合室9和扩展室10；
[0082]
所述卷吸室8内设置有主流道5；所述主流道5内套设有次流道6；所述主流道连通外部喷嘴1-1；所述次流道6连通内部喷嘴1-2；主流道5作为独立的流道与外部喷嘴1-1连通，提供主流体给外部喷嘴1-1；次流道6作为独立的流道与内部喷嘴接通，提供主流体给内部喷嘴1-2；所述卷吸室8一侧设置有流体吸入口，吸入流体给所述卷吸室8。本发明采用此嵌套式多喷嘴结构的引射器能够保证在更宽的燃料电池功率范围内满足燃料电池氢气过量系数的要求。
[0083]
采用嵌套式多喷嘴结构的引射器控制方法，在关闭内部喷嘴1-2，打开外部喷嘴1-1的动态过程中，采用错峰和延时的多喷嘴优化方法，可以有效的减小氢气体积和流量的变化，达到更稳定的系统出口压力，通过创新性的嵌套式的方法，使用一个引射器来达到原来结构中两个引射器的工作效果，同时在动态过程中产生更小的系统压力波动。
[0084]
其中，所述外部喷嘴1-1的孔径与所述内部喷嘴1-2的孔径不同，且所述外部喷嘴1-1的孔径大于所述内部喷嘴1-2的孔径。
[0085]
进一步的，所述外部喷嘴1-1与所述内部喷嘴1-2共用所述卷吸室8、所述定截面混合室9和所述扩展室10，且位于同一中心轴线。
[0086]
进一步的，所述嵌套式多喷嘴引射器，在不同的燃料电池功率下使用不同的流道和喷嘴供应氢气；
[0087]
当所述燃料电池工作功率大于临界功率时，使用所述主流道5供应高压氢气给所述外部喷嘴1-1；
[0088]
当所述燃料电池工作功率小于临界功率时，使用所述次流道6供应高压氢气给所述内部喷嘴1-2。
[0089]
进一步的，对于任何功率的燃料电池，通过嵌套式多喷嘴结构的多引射器设计，实现功率范围的阶梯式扩展。
[0090]
采用同轴嵌套式多喷嘴引射器，当燃料电池需求功率(引射器入口氢气质量流量)变化时，引射器入口压力随着喷嘴直径变化而改变，但由于共用其他内部腔室，优化压力流量调节装置动态控制后，燃料电池阳极入口压力波动在切换过程中可以忽略不计(如图6)，保持恒定1.8bara。嵌套式双喷嘴引射器切换过程中的控制方法和实际压力波动效果如图6所示。
[0091]
本嵌套式多喷嘴引射器虽然也是多引射器的结构，但其所示的两个喷嘴共享混合室和扩展室，减少了不同引射器流体体积的变化和切换时带来的出口压力波动。使用前述的优化方法，可以更有效地消除燃料电池阳极氢燃料气体的压力变化。
[0092]
如图8所示，本技术单喷嘴引射器结构包括卷吸室，混合室和扩散室，其中，卷吸室内包含一个文丘里喷嘴，所述引射器包括一个主级流体入口，一个次级流体入口，和一个引射器出口。其优化控制方法类似与采用嵌套式多喷嘴结构的引射器控制方法，在此不再赘述。
[0093]
本技术还提供了一种通道切换调控方法，该方法基于前述的氢气减压循环调控系统使用。该方法包括：使用多引射器氢气减压循环系统中引射器切换时的气体压力动态变化数据建立动态系统模型并找出最优的系统响应控制参数；根据所述优化的系统控制参数，调节压力/流量调节装置的pwm信号以控制不同脉冲频率及开启关闭时长，配合不同的占空比开度，实现系统压力的稳定；该优化的动态控制方法可以通过控制器内软件的更新和优化来控制燃料电池电堆动态工况下阳极入口处的压力稳定性。
[0094]
本技术还提供了一种燃料电池系统，包括以上所述的控制器的氢气减压循环调控系统。
[0095]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。