一种阴极开放式PEMFC混合能源系统及控制方法

本发明涉及了一种pemfc混合能源系统，具体涉及一种阴极开放式pemfc混合能源系统及控制方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池（后简称pemfc，proton exchange membrane fuel cell）是氢燃料电池的一种，依据散热方式的不同，可以区分为阴极开放式及阴极封闭式。其中阴极开放式pemfc直接使用风扇吹入空气并进行强制对流散热，因此具有较为简单的结构以及更低的成本，适用于低功率运行的场合。

2、尽管阴极开放式pemfc结构较为简单，但仍然需要辅助控制装置实时监测电堆的工作状态，并依据用户需求以及系统当前工作状态实时调整电堆执行机构如风扇、电磁阀等的运行参数，同时还需要保护电堆工作在合理安全的区间内，防止其因过热、过流和欠压等原因造成电堆不可逆的损伤。此外，外部环境的变化或是使用时间的累积会导致电堆性能的衰退，所以需要控制器记录电堆运行的历史数据，推算电堆的寿命以及活化程度，而这有赖于更高算力的芯片。同时，pemfc的动态响应较慢，负载变化剧烈时，高频的电流变化会导致电堆寿命加速降低，所以往往需要一个辅助能源与电堆组成一个混合能源系统，以弥补燃料电池响应速度不足的缺陷，同时延长电堆的使用寿命。

3、现有的pemfc控制器所使用的控制芯片算力低，无法满足更高性能算法的需求，难以进行二次开发；目前控制器从硬件上仅仅考虑单独电堆运行时的工作场景，没有考虑与其他辅助能源耦合时的工作场景，无法进行二次扩展，同时也没有考虑与辅助能源耦合时的控制方法。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种阴极开放式pemfc混合能源系统及控制方法。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一、一种阴极开放式pemfc混合能源系统，包括：

4、pemfc混合能源单元，用于驱动负载运行并监测自身的运行数据。

5、信号采集电路，用于采集pemfc混合能源单元的运行数据。

6、驱动控制电路，用于控制pemfc混合能源单元。

7、实时控制单元，用于控制信号采集电路和驱动控制电路。

8、顶层计算单元，用于从实时控制单元获取pemfc混合能源单元的运行数据并进行pemfc混合能源单元的运行状态的控制。

9、所述的pemfc混合能源单元包括定压减压阀、常闭开关电磁阀、若干散热风扇、理想二极管模块、两个继电器、两个分压分流器、氢气瓶、常开开关电磁阀、阴极开放式pemfc电堆、锂电池、两个n沟道场效应管、充电dc/dc模块和输出dc/dc模块，氢气瓶的氢气出口端依次通过定压减压阀和常闭开关电磁阀连通至阴极开放式pemfc电堆的氢气入口端，阴极开放式pemfc电堆的氢气出口端连通至常开开关电磁阀作为排气阀，将废气排至大气，阴极开放式pemfc电堆的电源输出端依次连接理想二极管模块、第一个电堆输出继电器、第一个电堆输出分压分流器、输出dc/dc模块、第二个总输出继电器和第二个总输出分压分流器后连接至负载；若干散热风扇安装在阴极开放式pemfc电堆附近并朝向阴极开放式pemfc电堆；理想二极管模块可以防止电流倒灌。

10、锂电池的输出端分别通过充电支路和放电支路连接至输入dc/dc模块的输入口，放电支路上连接有一个n沟道场效应管，充电支路上依次连接有另一个n沟道场效应管和充电dc/dc模块，充电支路上的n沟道场效应管的门极通过反相器连接至放电支路上的n沟道场效应管的门极，两个n沟道场效应管组成一个互补开关电路，此时给互补开关电路输入一个高电平信号，将使得锂电池处于放电状态，输入一个低电平信号将使锂电池处于充电状态。

11、所述的pemfc混合能源单元还包括氢气压力计、第一ntc测温电阻、第二ntc测温电阻和氢气浓度传感器，氢气压力计安装在氢气瓶的氢气出口端并用于计量燃料的量，第一ntc测温电阻和第二ntc测温电阻分别安装在阴极开放式pemfc电堆的内部和外部，第二ntc(negative temperature coefficient)测温电阻位于远离阴极开放式pemfc电堆的位置处，氢气浓度传感器安装在pemfc混合能源单元的外部环境中并靠近常闭开关电磁阀。

12、所述的信号采集电路分别连接pemfc混合能源单元的氢气压力计、两个分压分流器、第一ntc测温电阻、第二ntc测温电阻和氢气浓度传感器；所述的驱动控制电路分别连接pemfc混合能源单元的常闭开关电磁阀、若干散热风扇、两个继电器、常开开关电磁阀、充电dc/dc模块和输出dc/dc模块，信号采集电路和驱动控制电路分别连接实施控制单元，实时控制单元连接顶层计算单元。

13、顶层计算单元和实时控制单元通过控制器局域网can(controller areanetwork)总线通信连接；实时控制单元通过模数转换器adc(anlog to digtialconverter)采样接口和信号采集电路相连，实时控制单元通过脉冲宽度调制pwm(pulsewidth modulation)、输入输出系统i/o(input output system)、数模转换器dac(digtialto anlog converter)接口和驱动控制电路相连，对电磁阀、散热风扇、继电器、dc/dc模块进行控制。

14、二、一种阴极开放式pemfc混合能源系统的控制方法，包括：

15、s1、顶层计算单元通过can总线发送启动指令至实时控制单元，实时控制单元控制信号采集电路进行数据采集，实时控制单元通过pemfc混合能源单元的氢气压力计采集氢气瓶的氢气出口端的氢气压力，通过氢气浓度传感器采集pemfc混合能源单元的环境氢气浓度，根据采集的氢气压力和环境氢气浓度监测pemfc混合能源单元是否满足启动条件，若不满足则控制pemfc混合能源单元关机，若满足则继续进行步骤s2。

16、s2、通过驱动控制电路使能锂电池的放电电路，进而获取锂电池的开路电压 v oc，从而计算获得锂电池的初始荷电状态(state of charge) soc0，然后依次打开第一个电堆输出继电器和第二个总输出继电器，使能充电dc/dc模块和输出dc/dc模块，设置为恒压输出模式，然后将pemfc混合能源单元连接负载。

17、锂电池的初始荷电状态 soc0通过半经验公式计算获得，具体如下：

18、 v oc= a soc03+ b soc02+ c soc0+ d

19、其中， a、 b、 c和 d分别表示四个通过实验数据预先拟合的系数。

20、s3、通过驱动控制电路打开常闭开关电磁阀，通过氢气瓶通入氢气，每隔预设时间段打开常开开关电磁阀，排出阴极开放式pemfc电堆的废气，此时阴极开放式pemfc电堆开始运行。

21、s4、通过实时控制单元控制信号采集电路进行数据采集，信号采集电路通过氢气压力计采集氢气压力，通过两个分压分流器采集阴极开放式pemfc电堆输出的电压电流和pemfc混合能源单元的总输出电压电流，通过第一ntc测温电阻和第二ntc测温电阻分别采集阴极开放式pemfc电堆的内部温度和环境温度，通过氢气浓度传感器采集环境氢气浓度。

22、s5、将步骤s2中获得的锂电池的初始荷电状态 soc0以及步骤s4中信号采集电路采集的各个数据通过can总线传输至顶层计算单元并对pemfc混合能源单元进行温度控制和能量分配控制。

23、s6、在pemfc混合能源单元的控制过程中，根据信号采集电路采集的各个数据循环监测pemfc混合能源单元是否满足正常运行条件，若满足则返回步骤s3继续进行控制，若不满足则控制pemfc混合能源单元进行停机流程直至关机，实现阴极开放式pemfc混合能源系统的控制。

24、所述的步骤s1中，pemfc混合能源单元的启动条件包括：氢气压力在预设压力范围内，检测氢气瓶内燃料是否充足，同时环境氢气浓度在预设正常浓度内，检测当前氢气是否泄露；若其中一个或两个条件不满足时，则不满足启动条件。

25、所述的步骤s5中，对pemfc混合能源单元进行温度控制如下：

26、s5.1a、实时控制单元采集 k时刻阴极开放式pemfc电堆的内部温度 t st( k)、输出电压 v st( k)和输出电流 i st( k)，同时从顶层计算单元中获取预先存储的当前工作条件下的最优参考温度 t ref 。

27、s5.2a、根据步骤s5.1a中获取的最优参考温度 t ref、 k时刻阴极开放式pemfc电堆的内部温度 t st( k)、输出电压 v st( k)和输出电流 i st( k)，利用离散pid(proportion integraldifferential)控制算法获得散热风扇的控制占空比 u duty来控制散热风扇，进而调整散热风扇的转速，使得阴极开放式pemfc电堆的内部温度控制在最优参考温度 t ref。

28、s5.3a、当阴极开放式pemfc电堆的内部温度超过预设最大电堆温度时，通过驱动控制电路控制各个散热风扇至最大转速，在各个散热风扇的最大转速下，若阴极开放式pemfc电堆的内部温度始终超过预设最大电堆温度，则控制pemfc混合能源单元进行停机流程，保护阴极开放式pemfc电堆。

29、所述的步骤s5中，对pemfc混合能源单元进行能量分配控制如下：

30、s5.1b、实时控制单元采集 k时刻阴极开放式pemfc电堆的输出电压 v st( k)和输出电流 i st( k)以及pemfc混合能源单元的总输出电压 v o( k)和总输出电流 i o( k)，计算获得 k时刻锂电池的输出电流 i bat( k)；根据 k时刻锂电池的输出电流 i bat( k)和锂电池的初始荷电状态 soc0估计 k时刻锂电池的荷电状态 soc( k)，具体如下：

31、

32、其中， i bat( i)表示 i时刻锂电池的输出电流， t s表示电流采样时间。

33、 k时刻锂电池的输出电流 i bat( k)具体如下：

34、 i bat( k)= v o( k) i o( k)/ η o- v st( k) i st( k)/ v bat( k)

35、 v bat( k)= v st( k)

36、其中， η o表示输出dc/dc模块的典型转化效率； v bat( k)表示 k时刻锂电池的输出电压。

37、s5.2b、每隔1s采集一次pemfc混合能源单元的总输出电压和总输出电流。从而获得pemfc混合能源单元的总输出功率，将pemfc混合能源单元当前 k时刻1s前的总输出功率作为当前 k时刻pemfc混合能源单元的需求功率 p o( k)，同时从顶层计算单元中获取预先存储的阴极开放式pemfc电堆的最大效率功率 p st eff，根据 k时刻锂电池的荷电状态 soc( k)、pemfc混合能源单元的需求功率 p o( k)以及阴极开放式pemfc电堆的最大效率功率 p st eff，按照控制策略进行能量分配控制，具体如下：

38、当 p o( k)＜ p st eff， soc( k)＜ soc bat max，使能锂电池充电，设置锂电池的充电功率为 p bat charge= p st eff- p o( k)，输出dc/dc模块不受限。

39、当 p o( k)＜ p st eff， soc( k)≥ soc bat max，使能锂电池放电，输出dc/dc模块不受限。

40、当 p st eff＜ p o( k)＜ p st max， soc( k)＞ soc bat max，使能锂电池放电，输出dc/dc模块不受限。

41、当 p st eff＜ p o( k)＜ p st max， soc bat min＜ soc( k)＜ soc bat max，使能锂电池放电，输出dc/dc模块不受限。

42、当 p st eff＜ p o( k)＜ p st max， soc( k)＜ soc bat min，使能锂电池充电，设置锂电池的充电功率为 p bat charge= p st max- p o( k)，输出dc/dc模块不受限；

43、当 p st max＜ p o( k)＜ p st max+ p bat max， soc( k)＞ soc bat max，使能锂电池放电，输出dc/dc模块不受限。

44、当 p st max＜ p o( k)＜ p st max+ p bat max， soc bat min＜ soc( k)＜ soc bat max，使能锂电池充电，设置锂电池的充电功率为0，输出dc/dc模块的输出功率限制在最大输出功率为 p st max内。

45、其中， soc bat max和 soc bat min分别表示锂电池的最大和最小安全荷电状态； p st max表示阴极开放式pemfc电堆的输出功率， p bat max表示锂电池的最大输出功率。

46、根据能量分配控制调节锂电池的充放电模式及充电参数，调节总输出dc/dc模块的输出电流。

47、所述的步骤s6中，pemfc混合能源单元的正常运行条件包括：氢气压力在预设压力范围内，阴极开放式pemfc电堆输出的电压高于预设电堆截止电压，pemfc混合能源单元的总输出电压高于预设总输出截止电压，阴极开放式pemfc电堆的内部温度低于预设最大电堆温度，环境温度低于预设最大环境温度，环境氢气浓度在预设正常浓度内，若其中一个或多个条件不满足时，则不满足正常运行条件。

48、所述的步骤s6中，控制pemfc混合能源单元的停机流程如下：

49、通过驱动控制电路关闭常闭开关电磁阀，断开燃料供应，打开常开开关电磁阀，将电堆内残余氢气排出，控制各个散热风扇以最大转速运行，然后关闭第二个总输出继电器，直至锂电池的充电电流减小至0，同时阴极开放式pemfc电堆内的氢气反应完毕，最后关闭第一个电堆输出继电器，完成停机流程。

50、本发明的有益效果是：

51、1）针对现有的pemfc控制器所使用的控制芯片算力低，无法满足更高性能算法的需求，难以进行二次开发等问题，本方案在实时控制器的基础上增加一个顶层计算单元，顶层计算单元与实时控制器通过can总线通信，可以实时获取电堆的运行数据，运行更高性能的算法，规划混合能源系统的运行状态。

52、2）针对电堆动态响应慢，高频电流需求电堆寿命衰退的问题，本方案提出一种新型混合能源拓扑，将锂电池以半主动耦合的方式与电堆输出相连，弥补电堆动态响应慢的缺点，降低对电堆的高频电流需求。

53、3）针对传统电堆控制器安全保护措施少，传感器采集数据不全面，没有考虑与混合能源系统扩展的问题，本方案提出了一种新型电堆控制器硬件架构，包含更多传感器以及更多执行器，综合考虑了混合能源系统以及传感器冗余问题，进一步的，分别提出了电堆温度控制和能量分配控制方法以使得电堆运行效率更优，运行寿命更长，运行更加安全。

54、总之，本发明能够实时监控系统运行状态，调节电堆运行于高效率工作点，弥补电堆响应速度不足的缺点，并减少对电堆的高频响应需求，延长电堆寿命，保护电堆工作在合理安全的区间内，防止其因过热、过流和欠压等原因造成电堆不可逆的损伤；增加的顶层计算单元便于进行二次开发。

55、此外，本技术方案能够为电堆的智能化运行提供一种通用的技术解决方案，便于进行系统扩展及二次开发，具有较大的商业价值。