一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法与流程

1.本发明涉及燃料电池阳极压力控制方法技术领域，特别涉及一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法。


背景技术：

2.燃料电池系统在工作时阳极侧由于阴极侧水的反渗透需要额外的气体流量来将水排出电堆防止膜电极被水淹没降低发电性能；因此氢气进气量需要大于阳极氢气消耗量即阳极的进气计量比（阳极进气量/氢气消耗量）需要大于1。
3.在燃料电池系统中达到阳极进气计量比大于1的方法有：a.间歇的开启阳极的尾排排气阀，利用排气吹出电堆内的液态水；b.在电堆阳极出口和入口间接入循环设备，将阳极出口气体循环至入口增加进气计量比。
4.然而采用排气的方法会导致氢气的浪费，而循环设备不会浪费氢气；燃料电池在不同的输出功率下有不同的阳极进气计量比需求，低于该计量比时会出现阳极堵水和水淹导致燃料电池发电单元一致性下降和整体输出性能的下降。
5.参阅图1，采用比例阀 循环泵，fcu（燃料电池控制器）控制比例阀开度调节阳极进气压力，控制氢气循环泵转速调节阳极循环量；参阅图2，采用比例阀 引射器 循环泵，fcu（燃料电池控制器）控制比例阀开度调节阳极进气压力，在低流量时开启氢气循环泵增加阳极循环量，在中高流量时关闭循环泵靠引射器提供阳极循环量；参阅图3，采用喷射阀 引射器，ecu（燃料电池氢气喷射控制器）控制喷射阀的开闭调节阳极进气压力，通过引射器的低压引射效果实现阳极循环；参阅图4，采用喷射阀 引射器 旁路，在喷射阀 引射器的基础上引入旁路喷射阀，与引射器并联；在工作中控制主路和旁路开启的比例则可以调节阳极的进气计量比。
6.氢气循环泵进行阳极气体循环时会产生寄生功耗降低系统发电效率，这在大功率系统中尤为明显；150kw燃料电池发电系统中循环泵寄生功耗高达3kw。
7.采用引射器替代循环泵，引射器在工作时没有额外的寄生功耗；常用的组合方式有比例阀 引射器和喷射阀 引射器。
8.其中比例阀 引射器的方案中在低流量下的循环流量不足，通常需要搭配循环泵进行使用。
9.喷射阀 引射器则在宽流量范围内具有较高的循环流量；但是在某些阳极流阻较大的方案中低流量下还是不能有足够的循环流量。
10.喷射阀 引射器 旁路调节的方案中由于主路喷口尺寸减小可以有更高的引射比更高的循环量，且输出压力波动小，具有较大的应用优势，但是旁路和主路协同工作的控制逻辑复杂，是制约其应用的难点。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法，以解决喷射阀 引射器 旁路的阳极循环进气方案中如何使主路单独工作到旁路协同工作无缝切换的问题。
12.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本技术公开了一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法，包括如下步骤：s1、设定目标压力p0，获取第一压力上限p
u
和第一压力下限p
d
，获取第二压力上限p
u2
和第二压力下限p
d2
；所述获取第二压力上限p
u2
大于第一压力上限p
u，
所述第二压力下限p
d2
小于第一压力下限p
d
；s2、读取当前压力p，读取上一次压力p
f
；判断当前压力p与第一压力上限p
u
、第一压力下限p
d
、第二压力上限p
u2
、第二压力下限p
d2
之间的关系；s3、若当前压力p大于第二压力上限p
u2
，则关闭主路喷射阀和旁路喷射阀；s4、若当前压力p位于第一压力上限p
u
与第二压力上限p
u2
之间，判断当前压力p与上一次压力p
f
之间的关系；s41、若当前压力p大于上一次压力p
f
，则表示压力处于上升模式，若此时主路喷射阀和旁路喷射阀同时处于开启状态，则关闭旁路喷射阀；若此时只有主路喷射阀开启，则关闭主路喷射阀；s42、若当前压力p小于上一次压力p
f
，则保持当前主路喷射阀和旁路喷射阀的状态；s5、若当前压力p位于第一压力下限p
d
与第一压力上限p
u
之间，则保持当前主路喷射阀和旁路喷射阀的状态；s6、若当前压力p位于第二压力下限p
d2
与第一压力下限p
d
之间，判断当前压力p与上一次压力p
f
之间的关系；s61、若当前压力p小于上一次压力p
f
，则表示压力处于下降模式，若此时主路喷射阀和旁路喷射阀同时处于关闭状态，则开启主路喷射阀；若此时只有主路喷射阀开启，则开启旁路喷射阀；s62、若当前压力p大于上一次压力p
f
，则保持当前主路喷射阀和旁路喷射阀的状态；s7、若当前压力p小于第二压力下限p
d2
，则开启主路喷射阀和旁路喷射阀。
13.作为优选，所述第一压力上限p
u
与目标压力p0的差值为2~10kpa，所述第一压力下限p
d
与目标压力p0的差值为2~10kpa。
14.作为优选，所述第二压力上限p
u2
与第一压力上限p
u
的差值为5~10kpa，所述第二压力下限p
d2
与第一压力下限p
d
的差值为5~10kpa。
15.作为优选，所述步骤s2中读取当前压力p由若干个瞬时压力的平均值组成，所述瞬时压力的采样间隔为10~2000us。
16.作为优选，所述主路喷射阀和旁路喷射阀内部设有若干个喷口。
17.本发明的有益效果：1、本发明通过在喷射器 引射器的阳极循环进气方案基础上增加旁路喷射阀，使
主路的喷射阀的流量需求降低，减小了主路喷口尺寸，使得低流量下输出压力波动降低，引射比提升；2、本发明通过低流量时主路变频喷射，高流量时主路全开，旁路变频喷射的方式控制输出流量和压力，具有精度高，响应速度快的特点；3、本发明通过在变频喷射基础上设置额外的压力上限pu2和pd2来控制旁路或额外喷射阀的工作与否来实现叠加喷射的控制；4、本发明通过对比上一次采样压力pf和当前压力p来确定当前压力是在上升阶段或者下降阶段，用于决定喷射阀是否需要开启或关闭；本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
18.图1是现有技术的比例阀 循环泵的结构示意图；图2是现有技术的比例阀 引射器 循环泵的结构示意图；图3是现有技术的喷射阀 引射器的结构示意图；图4是现有技术喷射阀 引射器 旁路的结构示意图；图5是本发明一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法的控制流程图；图中：1
‑
燃料电池电堆、2
‑
氢气气源、3
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压力传感器、4
‑
压力开关、5
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氢气循环泵、6
‑
水汽分离器、7
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排水电磁阀、8
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比例阀、9
‑
引射器、10
‑
喷轨、11
‑
主路喷射阀、12
‑
旁路喷射阀。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。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。
20.变频喷射原理，以目标压力为基础，通过设定压力波动差值获得压力上限pu和压力下限pd来控制喷轨的开启和关闭。压力上限pu和压力下限pd的取值基于目标压力， 其中pu>pd，他们与目标压力的差值则可以是在2
‑
10kpa范围内取值，这取决于对压力控制精度和喷轨工作频率的需求，在输出不同流量时喷射阀将自动改变喷射频率。
21.在变频喷射的基础上设置更高的压力上限pu2和更低的压力下限pd2来控制更多的喷射阀开启和关闭。pu2和pd2的选取基于pu和pd，他们的差值取决于压力控制精度的需求；一般差值范围在5~10kpa。
22.在当前压力p超过pu2时关闭额外的喷射阀；在p低于pd2时开启额外的喷射阀；当p在pd2和pu2之间来回波动时，控制其中一个喷射阀进行开闭调节输出压力。
23.参阅图4，喷射阀 引射器 旁路的阳极循环进气方案中，氢气可以分别通过主路和旁路喷射阀12进入燃料电池电堆1；其中在主路喷射阀11后设有引射器9，引射器9的出口与旁路喷射阀12出口合并进入燃料电池电堆1阳极入口，引射器9的引射口与水汽分离器6的出口相连；水汽分离器6的入口与电堆阳极出口相连，水汽分离器6的排水口设有排水电磁
阀7；在电堆的阳极入口管道设有压力传感器3和压力开关4。
24.在中低流量时只有一个主路喷射阀11在工作调节输出压力，在高流量时主路喷射阀11常开，旁路喷射阀12通过开闭调节输出压力。
25.参阅图5，其具体控制方法如下：a、当压力p>pu2时，关闭所有喷射阀，喷射阀开启数量n计数置0，标志位f置0；b、当pu<p<pu2且压力处于上升模式时：当n=2时，关闭2号喷射阀，n置1，f置0；当n=1且f=1时，关闭1号喷射阀，n置0，f置0；c、当pd<p<pu时，喷射阀状态不变；d、当pd2<p<pd且压力处于下降模式时：当n=0时，开启1号喷射阀， n置1，f置1; 当n=1时，开启2号喷射阀，n置2，f置1；e、当p<pd2且n=1时，开启2号喷射阀，n置2，f置1；其中标志位f表示上一次对喷射阀的操作是关闭还是开启，f=0表示关闭，f=1表示开启。1号喷射阀表示主路喷射阀11，2号喷射阀表示旁路喷射阀12。
26.本实施例中瞬时压力的采样间隔为200us，当前压力p为连续5个瞬时压力的平均数，即当前压力p的读取间隔为1ms，确保了每隔1ms进行一次控制方法的判断和实施，保证了喷轨在输出压力和流量控制上的快速响应。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。