一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法，属于燃料电池技术领域，包括氢气供给管路和氢气循环管路，实现氢气供给，结构相对简单，且本发明专利技术还通过单体电池电压采集线束对燃料电池内各电池单体的电压进行采集，并根据采集的电压数据计算离散系数，并根据计算得到的离散系数判断是否进行氢气进气压力补偿，并自动设定比例阀的开度补偿参数和氢气循环泵的转速补偿参数，完成对燃料电池阳极中氢气进气压力的补偿，能够有效降低燃料电池阳极中氢气的压力波动，提高系统稳定性，延长燃料电池的使用寿命。池的使用寿命。池的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法。

技术介绍

[0002]氢气作为一种清洁能源，来源多样，具备可储藏，可运输，可发电的优点，且氢气反应后的产物只有水，真正达到了零排放和零污染。氢气可通过质子交换膜燃料电池进行电化学反应，将化学能转化为电能，且其能源转化效率最高可达60%以上。目前质子交换膜燃料电池技术趋于成熟，已经进入了商业性应用阶段。
[0003]在燃料电池工作时，需要将氢气及空气通过进气管道输送到质子交换膜两侧进行电化学反应，由于质子交换膜比较脆弱，需要时刻保持质子交换膜两侧的压差在微小范围内。在燃料电池工作时，阳极会产生液态水，降低燃料电池的反应效率。这时，就需要借助氢气的压力，通过尾排阀将阳极的水排出。在打开尾排阀时，阳极的水及部分氢气会排出。在尾排阀开启及关闭的瞬间，会导致阳极氢气的压力瞬间出现较大的波动。燃料电池阴极压力的相对阳极压力来讲较为平稳，尾排阀开启及关闭时阳极压力的波动是导致氢空压差及氢水压差波动的主要原因。氢气进气压力的稳定是燃料电池阳极压力控制的重点和难点。
[0004]一个良好的燃料电池氢气压力控制系统可以保证阴阳极压差波动小，保护燃料电池的质子交换膜，尤其是在瞬态工况时可以保持系统的稳定，缩短系统响应时间。目前已有的燃料电池阳极供氢系统及控制存在以下问题：（1）、为保持阳极压力的稳定，添加诸如多个供氢管路、氢气缓冲罐、引射器等部件，增加了系统结构复杂度，提高了系统成本；（2）、随着燃料电池系统的老化，其运行特性会持续变化；（3）、现有的燃料电池氢气压力控制系统多采用定周期，定时长开启及关闭尾排阀，不能够保证控制参数科学合理地满足燃料电池全生命周期需求；（4）、目前现有的燃料电池氢气压力控制系统，在尾排阀开启及关闭瞬间缺少科学合理的压力补偿控制算法。
[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法；以解决现有技术中存在的上述缺陷，是非常有必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，针对现有技术中存在现有的燃料电池氢气压力控制系统结构较为复杂以及缺少压力补偿的缺陷，提供设计一种燃料电池阳极氢压控制系统及方法，以解决现有技术中存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术给出以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种燃料电池阳极氢压控制系统，包括燃料电池阳极供氢子系统、燃料电池、单体电池电压采集线束、氢气压力控制子系统和上位机，所述燃料电池
阳极供氢子系统连接到燃料电池的一端，燃料电池的另一端通过单体电池电压采集线束连接到氢气压力控制子系统，氢气压力控制子系统连接到上位机；燃料电池阳极供氢子系统包括检测组件和执行组件，检测组件连接到氢气压力控制子系统的输入端，执行组件连接到氢气压力控制子系统的输出端，氢气压力控制子系统根据单体电池电压采集线束获取到的燃料电池中各单体的电压数据计算离散系数，并根据计算出的离散系数控制执行组件中各部件的运行。
[0008]在其中一个实施例中，燃料电池阳极供氢子系统还包括氢气罐、氮气罐和分水器，所述检测组件包括中压传感器、流量计、第一温压传感器和第二温压传感器，执行组件包括三通阀、高压电磁阀、比例阀、泄压阀、氢气循环泵、单向阀和尾排阀；氢气罐和氮气罐通过三通阀连接到高压电磁阀，高压电磁阀依次通过中压传感器、比例阀、流量计、泄压阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气供给管路；燃料电池的阳极出口依次通过第二温压传感器、分水器、氢气循环泵、单向阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气循环管路，分水器还连接到尾排阀。
[0009]在其中一个实施例中，所述氢气压力控制子系统包括主控模块、运算模块、存储模块、多功能信号采集模块、PWM输出模块、低边驱动模块、CAN通讯模块和用于为整个氢气压力控制子系统供电的电源模块；第一温压传感器、第二温压传感器、中压传感器、流量计和单体电池电压采集线束均通过多功能信号采集模块连接到主控模块；比例阀通过PWM输出模块连接到主控模块；三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀均通过低边驱动模块连接到主控模块；氢气循环泵和上位机均通过CAN通讯模块连接到主控模块；运算模块和存储模块也连接到主控模块。
[0010]在其中一个实施例中，所述多功能信号采集模块包括多功能信号采集电路，所述多功能信号采集电路包括多功能信号采集子电路和采集反馈电路；所述信号采集子电路包括可变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，可变电阻R1的第一端、电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电阻R3的第一端均连接到主控模块，可变电阻R1的第二端和电容C1的第二端均接地，电阻R2的第二端通过电容C2接地，电阻R2的第二端还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端连接到第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极接地，第一MOS管Q1的栅极通过电阻R4接地，第一MOS管Q1的栅极还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端还通过电阻R5分别连接到电阻R6的第一端、电阻R7的第一端和第二MOS管Q2的漏极，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第二端通过电容C3接地，电阻R7的第二端还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8连接到电源，第二MOS管Q2的栅极还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的源极连接到电源；采集反馈电路包括第一编码器芯片U1、第二编码器芯片U2、第一移位寄存器芯片U3、第二移位寄存器芯片U4、电容C4和电容R5，第一编码器芯片U1的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第一编码器芯片U1的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R2的第二端，第一编码器芯片U1的第五引脚连接到主控模块的输入端，第二编码
器芯片U2的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第二编码器芯片U2的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R7的第二端，第二编码器芯片U2的第五引脚连接到主控模块的输入端，第一移位寄存器芯片U3的第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第一移位寄存器芯片U3的第五引脚连接到第二MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第六引脚连接到第一MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第七引脚连接到第二移位寄存器芯片U4的第一引脚，第二移位寄存器芯片U4的第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第二移位寄存器芯片U4的第五引脚连接到主控模块的输入端。
[0011]在其中一个实施例中，所述PWM输出模块包括PWM输出电路，所述PWM输出电路包括PWM输出子电路和过流保护电路；所述PWM输出子电路包括MOS管芯片U5、续流二极管D1、电阻R9、电阻R10、可变电阻R11、电阻R12和电容C6，MOS管芯片U5的栅极引脚通过串联的电阻R9分别连接到主控模块的输出端和电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接地，MOS管芯片U5的漏极连本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，包括燃料电池阳极供氢子系统、燃料电池、单体电池电压采集线束、氢气进气压力控制子系统和上位机，所述燃料电池阳极供氢子系统连接到燃料电池的一端，燃料电池的另一端通过单体电池电压采集线束连接到氢气进气压力控制子系统，氢气进气压力控制子系统连接到上位机；燃料电池阳极供氢子系统包括检测组件和执行组件，检测组件连接到氢气进气压力控制子系统的输入端，执行组件连接到氢气进气压力控制子系统的输出端，氢气进气压力控制子系统根据单体电池电压采集线束获取到的燃料电池中各单体的电压数据计算离散系数，并根据计算出的离散系数控制执行组件中各部件的运行。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，燃料电池阳极供氢子系统还包括氢气罐、氮气罐和分水器，所述检测组件包括中压传感器、流量计、第一温压传感器和第二温压传感器，执行组件包括三通阀、高压电磁阀、比例阀、泄压阀、氢气循环泵、单向阀和尾排阀；氢气罐和氮气罐通过三通阀连接到高压电磁阀，高压电磁阀依次通过中压传感器、比例阀、流量计、泄压阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气供给管路；燃料电池的阳极出口依次通过第二温压传感器、分水器、氢气循环泵、单向阀和第一温压传感器连接到燃料电池的阳极入口，形成氢气循环管路，分水器还连接到尾排阀。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述氢气进气压力控制子系统包括主控模块、运算模块、存储模块、多功能信号采集模块、PWM输出模块、低边驱动模块、CAN通讯模块和用于为整个氢气进气压力控制子系统供电的电源模块；第一温压传感器、第二温压传感器、中压传感器、流量计和单体电池电压采集线束均通过多功能信号采集模块连接到主控模块；比例阀通过PWM输出模块连接到主控模块；三通阀、高压电磁阀、泄压阀和尾排阀均通过低边驱动模块连接到主控模块；氢气循环泵和上位机均通过CAN通讯模块连接到主控模块；运算模块和存储模块也连接到主控模块。4.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述多功能信号采集模块包括多功能信号采集电路，所述多功能信号采集电路包括多功能信号采集子电路和采集反馈电路；所述信号采集子电路包括可变电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，可变电阻R1的第一端、电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电阻R3的第一端均连接到主控模块，可变电阻R1的第二端和电容C1的第二端均接地，电阻R2的第二端通过电容C2接地，电阻R2的第二端还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端连接到第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极接地，第一MOS管Q1的栅极通过电阻R4接地，第一MOS管Q1的栅极还连接到采集反馈电路，电阻R3的第二端还通过电阻R5分别连接到电阻R6的第一端、电阻R7的第一端和第二MOS管Q2的漏极，电阻R6的第二端接地，电阻R7的第二端通过电容C3接地，电阻R7的第二端还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的栅极通过电阻R8连接到电源，第二MOS管Q2的栅极还连接到采集反馈电路，第二MOS管Q2的源极连接到电源；采集反馈电路包括第一编码器芯片U1、第二编码器芯片U2、第一移位寄存器芯片U3、第
二移位寄存器芯片U4、电容C4和电容R5，第一编码器芯片U1的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第一编码器芯片U1的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R2的第二端，第一编码器芯片U1的第五引脚连接到主控模块的输入端，第二编码器芯片U2的第一引脚、第二引脚和第三引脚均连接到主控模块的输出端，第二编码器芯片U2的第四引脚连接到信号采集子电路的电阻R7的第二端，第二编码器芯片U2的第五引脚连接到主控模块的输入端，第一移位寄存器芯片U3的第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第一移位寄存器芯片U3的第五引脚连接到第二MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第六引脚连接到第一MOS管的栅极，第一移位寄存器芯片U3的第七引脚连接到第二移位寄存器芯片U4的第一引脚，第二移位寄存器芯片U4的第二引脚、第三引脚和第四引脚均连接到主控模块的输出引脚，第二移位寄存器芯片U4的第五引脚连接到主控模块的输入端。5.根据权利要求3所述的一种燃料电池阳极氢压控制系统，其特征在于，所述PWM输出模块包括PWM输出电路，所述PWM输出电路包括PWM输出子电路和过流保护电路；所述PWM输出子电路包括MOS管芯片U5、续流二极管D1、电阻R9、电阻R10、可变电阻R11、电阻R12和电容C6，MOS管芯片U5的栅极引脚通过串联的电阻R9分别连接到主控模块的输出端和电阻R10的第一端，电阻R10的第二端接地，MOS管芯片U5的漏极连接到续流二极管D1的正极，续流二极管D1的负极连接到电源，MOS管芯片U5的漏极通过并联的可变电阻R11和电容C6接地MOS管芯片U5的漏极连接到主控模块的输入引脚，MOS管芯片U5的源极通过电阻R12接地，MOS管芯片U5的源极连接到过流保护电路；所述过流保护电路包括电阻R1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵同军，张甜甜，毕研坤，陈秋霖，尹国木，李国庆，
申请(专利权)人：中国重汽集团济南动力有限公司，
类型：发明
国别省市：