[發明專利]一種車載供氫系統氫氣流量負載匹配控制方法和裝置

在審

• 申請號: 202210079920.1
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114464848A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 李晶;張力;明平文;訚耀保
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M8/04746
• 分類號: H01M8/04746;H01M8/04089;H01M8/0438
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳源源

本發明涉及一種車載供氫系統氫氣流量負載匹配控制方法和裝置，供氫系統中包括輸氫管路，氫氣在輸氫管路中依次通過比例減壓閥和流量控制閥，并與氫氣循環泵循環的氫氣混合后輸入燃料電池電堆，其中方法具體包括以下步驟：根據流量控制閥進出口壓力比值和流量控制閥出口的壓力，控制比例減壓閥的出口壓力；根據比例減壓閥的出口壓力、流量控制閥出口的壓力和某一負載電流下的給定氫氣摩爾流量信號，控制流量控制閥的開度；根據負載需求的燃料電池電堆電流大小，控制氫氣循環泵的轉速。與現有技術相比，本發明具有可消除在流量控制環節和壓力控制環節的不良影響等優點。

技術領域

本發明涉及氣動控制與新能源技術領域，尤其是涉及一種車載供氫系統氫氣流量負載匹配控制方法和裝置。

背景技術

隨著社會的發展與科技進步，能源與環境問題日漸受到工業生產的高度重視，人們對清潔能源的需求迫在眉睫。氫氣是一種理想的新能源氣體，具有來源廣泛、儲量豐富、無污染、能量密度高、可再生的優點。燃料電池作為一種將氫氣的化學能轉換為電能的高效能量轉換裝置得到廣泛的應用，其中質子交換膜燃料電池在新能源汽車領域更是廣受青睞，單目前氫燃料電池汽車并未得到和傳統燃油汽車一樣程度的普及，其中一個原因是車載燃料電池動力系統的輸氫供氫技術不夠成熟。

現有車載供氫主流方式是采用氣罐儲存的高壓氫氣經過減壓后輸送給燃料電池電堆。氫氣瓶向電堆供給的氫氣流量大小應與負載需求成正相關，如果供氫流量過大會導致氫氣浪費，流量過小會無法滿足功率需求；同時，燃料電池陽極流道的壓力需求也隨負載的變化而變化，這就需要合理控制電堆入口處的壓力，而壓力直接受供氣流量影響；另外在控制氣體流量的同時還需考慮其中氫氣的純度。目前車載燃料電池系統普遍采用的循環供氫模式存在氮氣累積現象，因此還需要根據負載需求對循環泵的控制策略及控制律進行合理設計。

現有供氫系統輸氫管路多采用兩級減壓方式，對存儲氫氣初始壓力為70MPa的高壓氣罐來說，氫氣從氣罐放出后經瓶口組合閥中的一級減壓閥降低到5～10MPa左右，經二級減壓閥進一步降低到燃料電池氣體工作所需壓力，再經節流閥或比例閥等微調元件(用于精確調節進入電堆氫氣的壓力或流量)后進入燃料電池電堆。這里的二級減壓閥是定值減壓閥，而且由于電堆在不同負載時對應的理想陽極氣壓也不同，因此二級減壓閥出口壓力常留出一定的余量，這種情況下當電堆要求的陽極氣壓較小時，處于電堆與二級減壓閥中間的微調元件兩端會有較大的壓差，加劇了節流損傷與發熱，同時壓差的波動也會影響微調元件的精度。

因此，現有的供氫系統輸氫管道中，在流量控制和壓力控制上均存在大量不足，目前并未有可以對上述環節進行控制的控制方法。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種車載供氫系統氫氣流量負載匹配控制方法和裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種車載供氫系統氫氣流量負載匹配控制方法，供氫系統中包括輸氫管路，氫氣在輸氫管路中依次通過比例減壓閥和流量控制閥，并與氫氣循環泵循環的氫氣混合后輸入燃料電池電堆，包括以下步驟：

根據流量控制閥進出口壓力比值和流量控制閥出口的壓力，控制比例減壓閥的出口壓力；

根據比例減壓閥的出口壓力、流量控制閥出口的壓力和某一負載電流下的給定氫氣摩爾流量信號，控制流量控制閥的開度；

根據負載需求的燃料電池電堆電流大小，控制氫氣循環泵的轉速。

進一步地，所述比例減壓閥的出口壓力的控制方法如下：

控制比例減壓閥的出口壓力的具體表達式如下：

其中，p_re表示比例減壓閥的出口壓力，p_sm表示流量控制閥出口的壓力，K表示流量控制閥進出口壓力的期望比值。