[发明专利]一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法

说明书

本发明公开了一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法，包括：步骤一、燃料控制器采集燃料电池反应堆电流I_st；步骤二、对空气供应系统建立压缩机角速度w_cp、进气管路压力P_sm和阴极流场压力P_ca的状态量模型；步骤三、由状态量模型得出的压缩机角速度w_cp、进气管路压力P_sm和阴极流场压力P_ca，再根据如下公式分别得出燃料电池反应堆电流为I_st时的过氧比和净输出功率P_net，并且得到当净输出功率P_net最大时的最佳过氧比步骤四、根据如下控制系统公式将所述最佳过氧比转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度。

技术领域

本发明涉及车载质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法。

背景技术

随着全球的环境问题不断加剧，环境友好型的新能源电动汽车是当今汽车发展的一个重要方向。质子交换膜燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的装置，其中质子交换膜质子交换膜燃料电池由于其高效率、零排放以及较低的工作温度被认为是最具发展潜力的汽车动力源，质子交换膜质子交换膜燃料电池电动汽车一直受到国内外高度重视。目前使用质子交换膜质子交换膜燃料电池作为能量源的电动汽车已经进行试生产，并已经在一些国家和地区进行预售。

质子交换膜燃料子系统电池包括空气供应子系统、氢气供应子系统，湿度管理子系统和温度管理子系统。其中空气供应系统消耗最多的能量，使得质子交换膜燃料电池(PEMFC)的输出净功率降低。实验表明空气供应子系统的消耗功率达到质子交换膜燃料电池输出功率的25％，空气供应子系统的功率消耗主要取决于过氧比，过氧比是指供应的氧气量和消耗的氧气量之比，过氧比越大，需要压缩的空气越多，消耗电能越多。因此较小的过氧比可以减小空气供应子系统的能量消耗；但是当负载电流发生变化时，当过氧比较小时，氧气供应量不足会导致催化剂缺氧而“饥饿”，会出现质子交换膜燃料电池输出电压降低、反应堆水淹以及质子交换膜燃料电池寿命降低等一系列问题，为了避免上述问题，需要较大的过氧比。

如何在避免质子交换膜燃料电池因缺氧而“饥饿”的基础上实现质子交换膜燃料电池输出净功率最大，是质子交换膜质子交换膜燃料电池在应用过程中一个需要解决的关键问题。

在目前已经授权的专利中，公开号为CN102891329A中，授权公告日为2014年9月17日，发明名称为“一种燃料电池系统空气端控制方法”，该发明提出了一种燃料电池系统空气端控制方法，当需求电流增大时，判断当前的需求电流是否引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流降至不引起系统“缺氧”的临界电流值；反之，则将当前的需求电流作为电流控制的目标值；当需求电流减小时，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流对应的电压值，所提出的控制方法可以充分利用空气流量，同时将过氧比维持在较低水平且不会引起缺氧；公开号为CN105186025A中，授权公告日为2017年3月29日，发明名称为“一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池及其控制方法”，该发明公开了一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池及其控制方法。通过增加了电子控制单元、节气片、空气循环装置和电磁阀等可控流量系统，实现了阴极进气的流量控制；电子控制单元设定了熔融碱溶液电解质不同温度下的电流密度参考值,并且实现了节气片的多级调节,能够更好地控制进气流量,实现稳定控制。

目前研究的缺陷在于，在过氧比恒定的条件下，改变燃料电池负载电流而提高氧气利用率，其原理是，在空气供应子系统消耗功率一定的情况下，尽量提高燃料电池的工作电流，即燃料电池的最佳工作点是在不引起系统“缺氧”的临界电流值，当低于该电流值，仍然需要压缩额外的空气，这种的控制方法限制了燃料电池的输出电流宽度，只能让燃料电池在特定的功率下工作。

发明内容