一种用于燃料电池的电堆模拟器及其参数获取方法与流程

本技术涉及新能源发电，具体涉及一种用于燃料电池的电堆模拟器及其参数获取方法。

背景技术：

1、氢燃料电池是利用氢气和氧气在一定温度下和催化剂作用下，分别在电堆的阳极和阴极发生电化学反应，通过电荷的定向移动形成电流来工作的。作为化学能和电能转换的场所，电堆会在阳极消耗氢气、阴极消耗氧气，并在阴极生成液态水，同时产生热量，是燃料电池发电系统的核心部件。

2、燃料电池的发电控制主要通过控制电堆阴极空气流量、阳极氢气压力和电堆反应温度实现，即在不同的目标电流下，空气供给系统、氢气供给系统和冷却系统需调节各自的被控部件的参数以满足不同输出要求。现有方法一般采用发电测试的方法，即向电堆通入氢气和空气使之发电来确定各电流点的工作参数，需消耗大量能源，且电堆处于发电工作状态，参数调节不当会造成系统损坏，增加了系统开发的成本和风险。

3、现有燃料电池氢、空系统标定参数获取主要有两种方式：一是搭建燃料电池电堆及各子系统仿真模型，通过模型计算给出离线map的初步计算结果，再通过在线标定的方式进行修正；另一种是直接进行发电测试，逐点测试各标定参数数值，将测试结果写入控制程序数据表。

4、现有燃料电池氢、空系统标定参数获取方式均存在一定的局限性。如采用搭建仿真模型的方式，其计算结果与真实值之间往往存在较大的误差，通常会偏离目标值20%以上，导致基础map作用大幅减弱，且缺少了子系统非发电状态运行测试环节，不利于系统功能的实现；若直接采用在线发电测试，需在程序开发阶段设置大量pid控制环节，标定工作量大幅增加的同时，参数可复现性差，且电堆因参数不正确造成的运行风险始终存在，不利于产品的批量化开发。

技术实现思路

1、为了解决上述技术缺陷之一，本技术实施例中提供了一种用于燃料电池的电堆模拟器及其参数获取方法。

2、根据本技术实施例的第一个方面，提供了一种用于燃料电池的电堆模拟器，包括氢气系统、空气系统、电源系统、控制系统以及对外接口，其中，

3、对外接口包括氢气入口、氢气出口、空气入口、空气出口、加湿水补充口、电源接口和通讯接口，其中，氢气入口和出口与氢气系统连接，空气入口和出口与空气系统连接，电源接口与电源系统连接，通讯接口与控制系统连接；

4、氢气系统包括第一温度传感器、第一压力传感器、第一氢气流量传感器、第一电磁比例阀、第二氢气流量传感器、第二电磁比例阀、加湿器、补水箱、第一背压阀、第二压力传感器以及相关连接管路；

5、空气系统包括第二温度传感器、第三压力传感器、第一空气流量传感器、第三电磁比例阀、第二空气流量传感器、第四电磁比例阀、第二背压阀以及相关连接管路。

6、在本技术一个可选的实施例中，在氢气系统中，流体经氢气入口进入电堆模拟器后，先经过第一温度传感器、第一压力传感器、第一氢气流量传感器、第一电磁比例阀，然后分成两股，一股经过第二氢气流量传感器和第二电磁比例阀排到外部，另一股经加湿器、第一背压阀和第二压力传感器后排到外部。

7、在本技术一个可选的实施例中，在空气系统中，流体经空气入口进入电堆模拟器后，先经过第二温度传感器、第三压力传感器、第一空气流量传感器、第三电磁比例阀，然后分成两股，一股经过第二空气流量传感器和第四电磁比例阀排到外部，另一股经第二背压阀排到外部。

8、在本技术一个可选的实施例中，所述电源系统外接220vac电源，内置电源转换装置。

9、在本技术一个可选的实施例中，所述控制系统用于采集及控制电堆模拟器的内部信号，并与上位机通讯，实现信息交互。

10、根据本技术实施例的第二个方面，提供了一种电堆模拟器的参数获取方法，包括以下步骤：

11、获取电堆模拟器氢气系统的内置参数；

12、根据电堆模拟器氢气系统的内置参数标定燃料电池氢气系统的参数；

13、获取电堆模拟器空气系统的内置参数；

14、根据电堆模拟器空气系统的内置参数标定燃料电池空气系统的参数。

15、在本技术一个可选的实施例中，所述获取电堆模拟器氢气系统的内置参数，包括：

16、步骤一，将第一压力传感器的数值控制为电堆模拟器的电堆阳工作压力最小值；

17、步骤二，调节第一背压阀开度，将电堆模拟器第一压力传感器与第二压力传感器的数值之差控制为电堆氢气系统进出口压差最小值；

18、步骤三，调节第一电磁比例阀开度，将第一氢气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阳极流量最小值，并微调第一背压阀的开度，将电堆模拟器第一压力传感器与第二压力传感器的数值之差控制为电堆氢气系统进出口压差最小值；

19、步骤四，调节第二电磁比例阀的开度，将第二氢气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阳极氢耗量最小值，微调第一背压阀和第一电磁比例阀的开度，将第一氢气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阳极流量最小值，将电堆模拟器第一压力传感器与第二压力传感器的数值之差控制为电堆氢气系统进出口压差最小值；

20、步骤五，记录此刻第一背压阀的开度、第一电磁比例阀的开度，数据标记为电堆模拟器的电堆阳工作压力最小值、电堆氢气系统进出口压差最小值、阳极流量最小值和阳极氢耗量最小值，作为电堆模拟器氢气系统的内置参数；

21、步骤六，将第二氢气流量传感器的数值分别控制为…，，重复步骤四和步骤五，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的阳极氢耗量最大值；

22、步骤七，将第一氢气流量传感器的数值分别控制为…，，重复步骤三至步骤六，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的阳极流量最大值；

23、步骤八，将电堆模拟器第一压力传感器与第二压力传感器的数值之差分别控制为…，，重复步骤二至步骤七，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的电堆氢气系统进出口压差最大值；

24、步骤九，将第一压力传感器的数值数值分别控制为…，，重复步骤一至步骤八，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的电堆阳工作压力最大值。

25、在本技术一个可选的实施例中，所述获取电堆模拟器空气系统的内置参数，包括：

26、步骤一，将第三压力传感器的数值控制为电堆模拟器的电堆阴工作压力最小值；

27、步骤二，调节第二背压阀的开度，将空气系统进、出口压差控制为电堆空气系统进出口压差最小值；

28、步骤三，调节第三电磁比例阀的开度，将第一空气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阴极流量最小值，并微调第二背压阀的开度，将空气系统进、出口压差控制为电堆空气系统进出口压差最小值；

29、步骤四，调节第四电磁比例阀的开度，将第二空气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阴极氢耗量最小值，微调第二背压阀的开度、第三电磁比例阀的开度，将第一空气流量传感器的数值控制为电堆模拟器的阴极流量最小值，将空气系统进、出口压差控制为电堆空气系统进出口压差最小值；

30、步骤五，记录此刻第二背压阀的开度、第三电磁比例阀的开度，数据标记为电堆模拟器的电堆阴工作压力最小值、电堆空气系统进出口压差最小值、阴极流量最小值和阴极氢耗量最小值，作为电堆模拟器空气系统的内置参数；

31、步骤六，将第二空气流量传感器的数值分别控制为…，，重复步骤四和步骤五，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的阴极空气消耗量最大值；

32、步骤七，将第一空气流量传感器的数值分别控制为…，，重复步骤三至步骤六，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的阴极流量最大值；

33、步骤八，将电堆模拟器进、出口压差数值分别控制为…，，重复步骤二至步骤七，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的电堆空气系统进出口压差最大值；

34、步骤九，将第三压力传感器的数值分别控制为…，，重复步骤一至步骤八，完成数据记录，其中，为电堆模拟器的电堆阴工作压力最大值。

35、在本技术一个可选的实施例中，所述根据电堆模拟器氢气系统的内置参数标定燃料电池氢气系统的参数，包括：

36、步骤一，将燃料电池氢气系统中与电堆阳极入口、出口连接的管路，连接到电堆模拟器氢气系统入口、出口；

37、步骤二，将氮气或氦气接入燃料电池氢气系统的入口，并将该入口压力控制在所开发的燃料电池系统氢气供应压力范围内；

38、步骤三，将所开发的燃料电池系统电堆流体参数输入电堆模拟器的上位机系统，其中，燃料电池系统电堆流体参数包括电流-阳极入口压力曲线、电流-阳极流量曲线、电流-阳极进出口压差曲线；

39、步骤四，通过电堆模拟器的上位机设置待测试的电流值，并将其发送给电堆模拟器的控制系统，该控制系统根据接收到的电流值，查找燃料电池系统电堆流体参数以及电堆模拟器氢气系统的内置参数，控制电堆模拟器的第一电磁比例阀、第二电磁比例阀和第一背压阀工作，调整阀门开启角度；

40、步骤五，调节燃料电池氢气系统受控部件控制参数，直至电堆模拟器反馈的氢气入口压力值及其波动范围满足用户使用要求，完成一组控制参数的记录，其中，燃料电池氢气系统受控部件控制参数包括电磁比例阀开度、氢气循环泵转速、排水阀开启周期及频率；

41、步骤六，改变待测试的电流值，重复步骤四和步骤五，完成下一组控制参数的记录，直至完成全电路范围内阳极控制参数的标定。

42、在本技术一个可选的实施例中，所述根据电堆模拟器空气系统的内置参数标定燃料电池空气系统的参数，包括：

43、步骤一，将燃料电池空气系统中与电堆阴极入口和出口连接的管路，连接到电堆模拟器空气系统入口和出口；

44、步骤二，将所开发的燃料电池系统电堆流体参数输入电堆模拟器的上位机系统，其中，燃料电池系统电堆流体参数包括电流-阴极入口压力曲线、电流-阴极流量曲线、电流-阴极进出口压差曲线；

45、步骤三，通过电堆模拟器的上位机设置待测试的电流值，并将其发送给电堆模拟器的控制系统，该控制系统根据接收到的电流值，查找燃料电池系统电堆流体参数以及电堆模拟器氢气系统的内置参数，控制电堆模拟器的第三电磁比例阀、第四电磁比例阀和第二背压阀工作，调整阀门开启角度；

46、步骤四，调节燃料电池空气系统受控部件控制参数，直至电堆模拟器反馈的空气入口压力值及流量值满足用户使用要求，完成一组控制参数记录，其中，燃料电池空气系统受控部件控制参数包括空压机转速和背压阀开度；

47、步骤五，改变待测试的电流值，重复步骤三和步骤四，完成下一组控制参数获取，直至完成全电路范围内阴极控制参数标定。

48、采用本技术实施例中提供的用于燃料电池的电堆模拟器，包括氢气系统、空气系统、电源系统、控制系统以及对外接口，其中，对外接口包括氢气入口、氢气出口、空气入口、空气出口、加湿水补充口、电源接口和通讯接口，其中，氢气入口和出口与氢气系统连接，空气入口和出口与空气系统连接，电源接口与电源系统连接，通讯接口与控制系统连接；氢气系统包括第一温度传感器、第一压力传感器、第一氢气流量传感器、第一电磁比例阀、第二氢气流量传感器、第二电磁比例阀、加湿器、补水箱、第一背压阀、第二压力传感器以及相关连接管路；空气系统包括第二温度传感器、第三压力传感器、第一空气流量传感器、第三电磁比例阀、第二空气流量传感器、第四电磁比例阀、第二背压阀以及相关连接管路，模拟真实电堆阴极、阳极的流体消耗、压降、湿度变化等，用户可以在不发电的情况下获取燃料电池系统控制所需空、氢参数，且适用于各种不同类型电堆，为燃料电池系统开发提供了一个低成本、低风险、高适应性的解决方案。