CN110808389B - 一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法及装置，其中方法包括：获取当前车辆运行工况的总功率需求计算反应功率需求；预设若干不同功率电堆并通过控制若干不同功率电堆的运行状态以形成不同组合状态，计算出不同组合状态时的最小系统损失功率；根据最小系统损失功率对应的组合状态控制不同功率电堆的运行状态。本发明通过反应功率需求计算不同组合状态下的最小系统损失功率，并根据最小系统损失功率对应的组合状态控制不同功率电堆运行的技术手段，克服现有技术中存在对于燃料电池发动机系统的电堆功率单一，无法调节功率组合导致发动机系统的运行效率低的技术问题，实现了减少电堆产生功率的浪费，增强燃料电池发动机系统的效率。

Description

一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法及装置

技术领域

本发明涉及发动机的技术领域，尤其是一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法及装置。

背景技术

燃料电池技术在汽车动力系统的应用正得到越来越多的关注。和传统电池相比，燃料电池最主要的特点是依托外部燃料供给，因此其工作特性更接近于内燃机引擎。而对比内燃机，燃料电池也有其独有的优势。一方面，燃料电池的能量转化效率可达到60％以上，为内燃机的2到3倍；另一方面，由于燃料电池常用氢气作燃料，其反应产物为清洁的水，不产生污染气体，如含碳氮的氧化物等。

当前国内燃料电池发动机系统的净输出功率多在60kW以下，若要实现大功率燃料电池发动机开发，主要受电堆单堆功率不高的限制，需采用多个相等小功率电堆串联实现来大功率。但简单的串联会导致氢气循环流量过大以及空气需求量非常大，而市面上又没有大流量循环泵以及空压机可用，这将导致系统集成无法实现或实现的复杂度极高，同时也导致系统可靠性降低，辅机系统功耗增加，降低了发动机系统的输出效率以及比功率。

简单采用多堆串联实现的大功率发动机系统，还存在每个电堆不能单独运行，所有电堆都需同时启闭，同时运行在相同工况，使得发动机系统的最低运行功率较高，造成一定程度的能量浪费。

另外也有采用等功率双燃料电池系统集成的发动机系统，但目前这种方案多使用两个等功率的独立子系统，两子系统在气路水路上相对独立，只在电气上并联。此方案同样无法避免氢气循环流量大，需配置多个氢气循环泵，导致系统可靠性降低，辅机系统功耗增加，降低了发动机系统的输出效率等。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，能够根据负载的功率需求对不同功率电堆进行控制以整个发动机系统始终运行在高效率点。

为此，本发明的第二个目的是提供一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，获取当前车辆运行工况的总功率需求计算反应功率需求；

预设若干不同功率电堆并通过控制若干不同功率电堆的运行状态以形成不同组合状态，计算出不同组合状态时的最小系统损失功率；

根据所述最小系统损失功率对应的组合状态控制不同功率电堆的运行状态。

进一步地，最小系统损失功率的计算具体为：

计算在满足反应功率需求条件下，每种组合状态的系统损失功率；

计算出若干所述系统损失功率中损失功率最小的系统损失功率并定义为最小系统损失功率。

进一步地，一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法还包括以下步骤：

预设状态迁移阀值，计算所述最小系统损失功率与当前状态下的所述系统损失功率的比值，并将所述比值和所述状态迁移阀值比较以得到比较结果，

根据所述比较结果改变不同功率电堆的当前状态。

进一步地，根据所述比较结果改变不同功率电堆当前的状态具体为：

若所述比较结果为所述比值大于所述状态迁移阀值，保持不同功率电堆的当前状态不变；

若所述比较结果为所述比值小于所述状态迁移阀值，则根据所述最小系统损失功率的电堆的组合状态替换当前的不同功率电堆的组合状态。

进一步地，设置三个不同功率电堆且分别定义为大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆，通过所述大功率电堆、所述中功率电堆以及所述小功率电堆的运行状态以得到六种不同的组合状态。

第二方面，本发明提供一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置，包括：

获取模块，用于获取当前车辆运行工况的总功率需求以得到反应功率需求；

计算模块，用于计算不同组合状态时的不同功率电堆的最小系统损失功率；

控制模块，用于根据所述最小系统损失功率对应的组合状态以控制当前不同功率电堆的运行状态。

进一步地，一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置还包括迁移量比较模块，所述迁移量比较模块预设状态迁移阀值，所述迁移量比较模块将最小损失系统功率与当前状态下系统损失功率的比值后得到比值，将所述比值与状态迁移阀值比较以得到比较结果，所述控制模块根据所述比较结果控制不同功率电堆的当前状态。

进一步地，所述计算模块包括：

系统损失功率计算单元，用于计算在满足总功率功率需求条件下，每个组合状态下的功率与所述反应功率需求之间的差值以得到若干系统损失功率；

最小系统损失功率计算单元，用于计算若干系统损失功率内的最小值即为最小系统损失功率。

本发明的有益效果是：

本发明通过获取总功率需求后计算反应功率需求，再计算不同组合状态下的最小系统损失功率，并根据最小系统损失功率对应的组合状态控制不同功率电堆运行的技术手段，克服现有技术中存在对于燃料电池发动机系统的电堆功率单一，无法调节功率组合导致发动机系统的能量浪费和运行效率低的技术问题，实现了根据能够减少电堆产生功率的浪费，增强燃料电池发动机系统的效率。

附图说明

图1是本发明一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置实施例的模块框图；

图2是本发明一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置实施例中电堆的电路原理图；

图3是本发明一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法实施例的流程图；

图4是本发明一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法实施例的详细流程图。

附图标记：10、获取模块；20、计算模块；21、系统损失功率计算单元；22、最小系统损失功率计算单元；30、控制模块；40、迁移量比较模块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本发明实施例公开了一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置，包括：获取模块10、计算模块20以及控制模块30，获取模块10用于当前车辆运行工况总功率需求以得到反应功率需求，计算模块20用于在满足总功率需求条件下，计算每一个组合状态时的不同功率电堆的最小系统损失功率，控制模块30用于根据最小系统损失功率对应的组合状态以控制当前不同功率电堆的运行状态。获取模块10连接于车辆控制器，车辆控制器根据车龄运行工况与获取模块10进行通信，获取模块10获取来自于车辆控制器的总功率需求，由于氢气系统通过电堆反应后会损失一部分功率，电堆产生功率到达汽车控制器也会损失一部分功率，但是电堆产生功率到汽车控制器这一过程的功率损失较为稳定，因此通过总功率需求计算出电堆反应需要的反应功率需求，也即通过不同组合状态的电堆反应下需要输出的功率大小，计算模块20根据反应功率需求计算不同功率电堆的不同组合状态时的最小系统损失功率，得出最小系统损失功率即可判断在哪一个组合状态下不同功率电堆一起运行产生的功率与反应功率需求最小，以通过控制模块30根据该组合状态下控制不同功率电堆的运行状态，从而将反应功率需求合理地分配给不同功率电堆，使得发送机系统始终运行在效率最高点。

优选地，一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置还包括迁移量比较模块40，迁移量比较模块40预设状态迁移阀值，通过最小系统损失功率与当前状态下系统损失功率的比以得到比值，将比值与状态迁移阀值比较以得到比较结果，控制模块30根据比较结果改变不同功率电堆的当前组合状态，然后再控制不同功率电堆的运行状态。通过迁移量比较模块40的设置能够判断当前状态下系统损失功率是否损失超过迁移阀值，若最小系统损失功率与当前系统损失功率的比值大于迁移阀值，则不改变当前不同功率电堆的组合状态，若最小系统损失功率与当前系统损失功率的比值小于迁移阈值，则表示最小系统损失功率损失的功率更小，则需要将最小系统损失功率对应的组合状态更换当前的组合，从而实现发动机系统始终运行在高效率状态。

计算模块20包括：系统损失功率计算单元21以及最小系统损失功率计算单元22，系统损失功率计算单元21通过在满足总功率需求的条件下，计算每个组合状态下的不同功率电堆产生的功率与反应功率需求之间的差值以得到若干系统损失功率，最小系统损失功率计算单元22用于计算若干系统损失功率内的最小值以得到最小系统损失功率。通过最小系统损失功率计算出最小的系统损失功率对应的组合状态，该组合状态下不同功率运行产生的功率为发动机的最高系统。

综上，通过获取模块10获取到总功率需求以得到反应功率需求，总功率需求通过车辆控制器计算车辆运行工况以得到，通过总功率需求加上电堆至汽车控制器这一过程损失掉的功率既能得到反应功率需求，且该反应功率需求为即电堆反应需要的功率，所以在采用氢气系统产生功率经过不同组合状态下的电堆运行时会损失一部分的功率，不同组合状态下电堆产生输出功率后输出至汽车中也会损失一部分功率，但是氢气系统的氢气数量固定也即通过氢气系统通过电堆反应需求的功率得到反应功率需求，所以需要通过选择最优的组合状态的电堆来减少在氢气系统到电堆反应这一过程的功率损失量。通过系统损失计算单元计算出不同组合状态下不同功率电堆产生的功率与反应功率需求之间的若干系统损失功率，最小系统损失功率计算出若干系统损失功率中的最小值以设为最小系统损失功率，控制模块30根据最小系统损失功率对应的不同组合状态下不同功率电堆的运行状态，从而通过不同功率电堆进行启动以提供给汽车最高的功率，减少系统功率的损失与浪费。

实施例二：参照图1和图2，在本实施例中若干不同功率电堆设置三个，主要分为大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆，大功率电堆的第一端连接中功率电堆的第一端，中功率电堆的第二端连接小功率电堆的第一端，小功率电堆的第二端连接有直流升压装置，大功率电堆的第二端连接直流升压装置，直流升压装置的输出端连接用电设备，通过控制大电功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆之间连接以实现最小的系统损失功率。直流升压装置与大功率电堆之间设置有开关KT，开关KT与大功率电堆之间设置有第一双路选择开关K1，大功率电堆和中功率电堆之间设置有第二双路选择开关K2，中功率电堆与小功率电堆之间设置有第三双路选择开关K3，通过第一双路选择开关K1、第二双路选择开关K2以及第三双路选择开关K3的闭合与断开以将大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆组合成不同功率，组合后的电堆通过直流升压装置将多个电堆的电压升压成适合电压给用电设备使用。

当获取模块10通过获取总功率需求后得到反应功率需求，其中根据大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的不同组合可以形成至少6种组合状态。通过6中组合状态下不同功率电堆产生的功率，系统损失功率计算单元21将6种组合状态下产生的功率与反应功率需求之间的差值以得出6个系统损失功率，其中计算6种组合状态的系统损失功率都为最小的系统损失功率，比如当只有小功率电堆工作时，需要计算多少个小功率电堆产生的功率是与反应功率需求是差值最小的。即使大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆同时启动的组合状态下也需要找到不同数量的大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆产生的功率与反应功率需求差值最小。通过得到了6个系统损失功率后通过最小系统损失功率单元22将6个系统损失功率进行比较以得出最小系统损失功率。得到最小系统损失功率后需要与当前组合状态下损失的功率进行反比以得到比值，迁移量比较模块40将比值与迁移阀值比较，若比值大于迁移阀值，则控制模块30保持当前组合状态，则改变第一双路选择开关K1、第二双路选择开关K2以及第三双路选择开关K3的闭合或断开状态。若比值小于迁移阀值控制模块30根据最小系统损失功率对应的组合状态下大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的运行状态，控制模块30控制开关KT闭合后，再通过第一双路选择开关K1、第二双路选择开关K2以及第三双路选择开关K3进行控制，以将大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆串联起来一起给用电设备进行供电，从而产生的功率损失最小。

综上，通过最小系统损失功率单元22计算出最小系统损失功率后，根据最小系统损失功率对应的组合状态，控制模块30控制第一双路选择开关K1、第二双路选择开关K2以及第三双路选择开关K3的闭合或者断开，以实现大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆之间的不同组合以形成不同功率输出，通以便于提供最高效的功率给用电设备，减少系统功率的损失。

实施例三：参照图3，本发明实施例公开了一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，包括：

获取当前车辆运行工况的总功率需求以得到反应功率需求；

车辆控制器根据车辆运行工况计算出车辆运行需要的总功率，则可以从车辆控制器中获取总功率需求后计算反应功率需求，使获取当前状态下车辆需要的功率简易。

预设若干不同功率电堆并通过控制若干不同功率电堆的运行状态以形成不同组合状态，计算出不同组合状态时的最小系统损失功率；

最小系统损失功率的计算具体为：

计算在满足总功率需求条件下，每种组合状态的系统损失功率；

计算出若干系统损失功率中损失功率最小的系统损失功率并定义为最小系统损失功率。

通过计算每一个组合状态下的不同功率电堆产生的功率与反应功率需求之间的系统损失功率，再根据若干系统损失功率中计算出最小系统损失功率，从而在最小系统损失功率中对应的组合状态，则最小系统损失功率的计算简易。

预设状态迁移阀值，计算最小系统损失功率与当前状态下的系统损失功率的比值，并将比值和状态迁移阀值比较以得到比较结果，

根据比较结果改变不同功率电堆的当前状态。

根据比较结果改变不同功率电堆当前的状态具体为：

若最小系统损失功率与当前状态下的系统损失功率的比值大于状态迁移阀值时，保持不同功率电堆的当前状态不变；

若最小系统损失功率与当前状态下系统损失功率小于状态迁移阀值，则根据最小系统损失功率的电堆的组合状态替换当前的不同功率电堆的组合状态。

通过预设迁移阀值，然后得出的最小系统损失功率与当前状态下系统损失功率的比值以判断当前状态下的系统损失功率是否为各个组合状态中损失功率最小的，有利于提供车辆损失最小的功率。

根据最小系统损失功率对应的组合状态控制不同功率电堆的运行状态。

实施例四：参照图4，本发明中设置的若干不同功率电堆有三个，且分别定义为大功率电堆、中功率电堆、小功率电堆，通过大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的任何组合可以有六种，其中，大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆之间串联并通过双路选择开关KT控制之间的连接，则通过控制不同双路选择开关的闭合和关闭以控制不同功率电堆的组合，在本实施例大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的组合如表1所示，其中S0-S6为不同组合状态。

表1：电堆运行状态表

大功率电堆对应运行功率为P1，中功率电堆的运行功率为P2，小功率电堆的运行功率为P3，且P1min≤P1≤P1max；P2min≤P2≤P2max；P3min≤P3≤P3max；Pmin与Pmax表示各个电堆在各自工况下允许输出的最小与最大功率。

自定义系统运行损失函数为LOSS，则LOSS(S1)为在S1状态下电堆产生的电功率扣除辅机消耗后与燃料完全反应理论功率之间的差值也即系统损失功率，其中S1状态下为只有小功率运行的情况下产生的净功率与所消耗燃料理论功率差值，其中所消耗燃料理论功率也即系统反应功率需求，同时会计算在若干个电堆组合工作下净反应功率需求与消耗燃料理论功率差值的最小值。例如，若系统需求功率20kW，若状态处于S1，此时只有小功率电堆P3运行，P3为24kW，辅机功率4kW，净输出功率＝24-4＝20＝系统需求功率；若此时系统消耗燃料的理论功率是30kW，则LOSS(S1)＝30-20＝10，10kW为仅有小功率电堆运行下的系统损失功率。而MIN(LOSS(S6))表示在反应功率需求P时，不同P1、P2、P3组合下的系统损失功率，可以计算出P≈a*P1+b*P2+c*P3，计算出a、b、c不同数值下最小的系统损失功率。

通过将S0～S6的六种组合状态下得出若干系统损失功率中，将若干系统损失功率计算出最小系统损失功，且公式为：

Temp[S,loss,P1,P2,P3]＝MIN{LOSS(S1),LOSS(S2),LOSS(S3),MIN(LOSS(S4)),MIN(LOSS(S5)),MIN(LOSS(S6))}表示建立临时变量数组Temp，然后计算6个状态的最小系统损失功率，然后将此最小损失状态对应的状态值S，最小损失功率loss，P1、P2、P3分别赋值给Temp[S,loss,P1,P2,P3]，即为计算不同组合状态下的最小系统损失功率。

达到最小系统损失功率后需要将最小系统损失功率与当前状态下的系统损失功率比值，当得到的比值大于迁移阀值时，则保持当前电堆的组合状态给用电设备进行供电，若比值小于迁移阀值，则表示当前状态下的系统损失功率大于最小系统损失功率，则需要将最小系统损失功率对应的不同功率电堆的组合状态代替原来的组合状态，从而使当前组合状态下产生的功率与反应功率需求之间差值最小，减少功率的浪费。以得到最小系统损失功率下对应的大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆不同组合，以便于系统可以单个电堆运行、也可以多个不同功率电堆运行，从而根据反应功率需求进行不同功率电堆的能量分配，使发动机系统始终运行在高效率。

综上，获取总功率需求后，计算出电堆反应需要输出的反应功率需求，然后判断反应功率需求是否小于小功率电堆的功率，若是则采用S0状态也即不启动任何一个电堆；否则计算在大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的六个组合状态下产生的功率与反应功率需求之间的差值为系统损失功率，再对六个系统损失功率计算出最小系统损失功率，得出最小系统损失功率后需要与当前状态下的系统损失功率，以判断最小系统损失功率是否是最小的，若是则需要将最小系统损失功率对应的组合状态代替现有的组合状态，以使燃料电池发动机系统产生最高效的功率提供给用电设备。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，其特征在于，包括：

获取当前车辆运行工况的总功率需求计算反应功率需求；

设置三个不同功率电堆且分别定义为大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆，并通过控制大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆，的运行状态以形成不同组合状态，计算出不同组合状态时的最小系统损失功率；

根据所述最小系统损失功率对应的组合状态控制大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，其特征在于，最小系统损失功率的计算具体为：

计算在满足总功率需求条件下，每种组合状态的系统损失功率；

计算出若干所述系统损失功率中损失功率最小的系统损失功率并定义为最小系统损失功率。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

预设状态迁移阀值，计算所述最小系统损失功率与当前状态下的所述系统损失功率的比值，并将所述比值和所述状态迁移阀值比较以得到比较结果，

根据所述比较结果改变不同功率电堆的当前状态。

4.根据权利要求3所述的一种燃料电池发动机的多功率电堆控制方法，其特征在于，根据所述比较结果改变不同功率电堆当前的状态具体为：

若所述比较结果为所述比值大于所述状态迁移阀值，保持不同功率电堆的当前状态不变；

若所述比较结果为所述比值小于所述状态迁移阀值，则根据所述最小系统损失功率的电堆的组合状态替换当前的不同功率电堆的组合状态。

5.一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取当前车辆运行工况的总功率需求以得到反应功率需求；

计算模块，用于计算不同组合状态时的大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的最小系统损失功率；

控制模块，用于根据所述最小系统损失功率对应的组合状态以控制大功率电堆、中功率电堆以及小功率电堆的运行状态。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置，其特征在于，还包括迁移量比较模块，所述迁移量比较模块预设状态迁移阀值，所述迁移量比较模块将最小损失系统功率与当前状态下系统损失功率的比值后得到比值，将所述比值与状态迁移阀值比较以得到比较结果，所述控制模块根据所述比较结果控制不同功率电堆的当前状态。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池发动机的多功率电堆控制装置，其特征在于，所述计算模块包括：

系统损失功率计算单元，用于计算在满足总功率需求条件下，每个组合状态下的功率与所述反应功率需求之间的差值以得到若干系统损失功率；

最小系统损失功率计算单元，用于计算若干系统损失功率内的最小值即为最小系统损失功率。

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