一种燃料电池阴极供气量控制系统及控制方法

1.本技术涉及燃料电池发电领域，尤其涉及一种燃料电池阴极供气量控制系统及控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池系统工作时，通常是根据人为经验设置固定的供气量，由燃料电池阴极空气供给系统向电堆提供与固定的供气量对应的空气，以便电堆根据提供的空气中的氧气和已获得的氢气进行化学反应产生电能；但是，根据人为经验设置的固定的供气量不准确，使得进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低。


技术实现要素：

3.本技术实施例期望提供一种燃料电池阴极供气量控制系统及控制方法，解决了相关技术中电堆进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低的问题。
4.一种燃料电池阴极供气量控制系统，包括：
5.气体压缩机，所述气体压缩机的气体输出口与电池堆发电模块的气体输入口连接，用于对传输至所述气体压缩机的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块；
6.电池堆发电模块，所述电池堆发电模块的第一输出端与负载连接，所述电池堆发电模块的第二输出端与控制模块的输入端连接，用于基于所述压缩后的气体产生电能，以向所述负载供电，并发送气体过量比和向所述负载供电时的目标供电参数至所述控制模块；
7.所述控制模块，所述控制模块的第一输出端与所述气体压缩机的控制端连接，用于基于所述目标供电参数、第一对应关系和所述气体过量比，调整所述气体压缩机的工作参数，以控制所述气体压缩机向所述电池堆发电模块的供气量；其中，所述第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。
8.上述方案中，所述控制模块包括：
9.第一处理子模块，所述第一处理子模块的输入端与所述电池堆发电模块的第二输出端连接，所述第一处理子模块的第一输出端与控制子模块的第一输入端连接，用于基于所述目标供电参数和所述第一对应关系，确定目标气体过量比阈值，并确定所述目标气体过量比阈值和所述气体过量比之间的目标差值，发送所述目标差值至所述控制子模块；
10.所述控制子模块，所述控制子模块的第一输出端与所述气体压缩机的控制端连接，用于基于所述目标差值，调整所述气体压缩机的工作参数。
11.上述方案中，所述控制子模块，还用于在所述控制子模块的性能参数已更新的情况下，基于所述目标差值，生成第一控制指令，并发送所述第一控制指令至所述气体压缩机；其中，所述第一控制指令用于指示所述气体压缩机调整所述工作参数。
12.上述方案中，所述控制子模块还用于获取所述气体压缩机在多个时间段的历史电压值和所述多个时间段对应的历史差值，基于所述历史电压值、所述历史差值和所述目标差值，确定目标电压值，并生成携带有所述目标电压值的所述第一控制指令；其中，所述工作参数包括工作电压。
13.上述方案中，所述电池堆发电模块的气体输出口处设置有背压阀，用于调节所述电池堆发电模块排放尾气的压力，以控制所述压缩后的气体在所述电池堆发电模块中的停留时间。
14.上述方案中，所述控制子模块的第二输出端与所述背压阀的控制端连接，用于获取所述背压阀在多个时间段的历史阀门角度和所述多个时间段对应的历史差值，基于所述历史阀门角度、所述历史差值和所述目标差值确定目标阀门角度，发送携带有所述目标阀门角度的第二控制指令至所述背压阀；其中，第二控制指令用于指示所述背压阀基于所述目标阀门角度调整阀门开度。
15.上述方案中，所述控制模块还包括：
16.第二处理子模块，所述第二处理子模块的输入端与所述第一处理子模块的第二输出端连接，所述第二处理子模块的输出端与所述控制子模块的第二输入端连接，用于接收所述第二处理子模块发送的所述目标差值，基于所述目标差值，确定目标性能参数，并发送所述目标性能参数至所述控制子模块，使得所述控制子模块采用所述目标性能参数更新控制子模块的性能参数。
17.上述方案中，所述第二处理子模块，还用于构建与控制子模块的性能相关的目标适应度函数，采用群体优化算法，基于所述目标适应度函数和所述目标差值，确定所述目标性能参数。
18.上述方案中，所述第一处理子模块还用于获取不同电流下所述燃料电池阴极供气量控制系统的净输出功率与气体过量比阈值之间的第二对应关系，确定所述第一对应关系。
19.一种燃料电池阴极供气量控制方法，应用于燃料电池阴极供气量控制系统，所述方法包括：
20.获取电池堆发电模块的气体过量比和所述电池堆发电模块向负载供电时的目标供电参数；其中，所述电池堆发电模块用于基于气体压缩机输送的压缩后的气体产生电能；
21.基于所述目标供电参数、第一对应关系和所述气体过量比，调整所述气体压缩机的工作参数，以控制所述气体压缩机向所述电池堆发电模块的供气量；其中，所述第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。
22.本技术实施例提供的燃料电池阴极供气量控制系统及控制方法，包括气体压缩机，气体压缩机的气体输出口与电池堆发电模块的气体输入口连接，用于对传输至气体压缩机的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块；电池堆发电模块，电池堆发电模块的第一输出端与负载连接，电池堆发电模块的第二输出端与控制模块的输入端连接，用于基于压缩后的气体产生电能，以向负载供电，并发送气体过量比和向负载供电时的目标供电参数至控制模块；控制模块，控制模块的第一输出端与气体压缩机的控制端连接，用于基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；其中，第一对应关系表征供电参数与气体过量比
阈值之间的对应关系；如此，控制模块可以基于获取的气体过量比、向负载供电时的目标供电参数和第一对应关系，调整气体压缩机的工作参数，以调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，实现了自动化调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，使得气体压缩机可以向电池堆发电模块提供适量的空气供给产生电能，提高了电池堆发电模块的发电效率，解决了相关技术中根据人为经验设置的固定的供气量不准确，使得进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低的问题。
附图说明
23.图1为本技术实施例提供的一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
24.图2为本技术实施例提供的另一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
25.图3为本技术实施例提供的又一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
26.图4为本技术另一实施例提供的一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
27.图5为本技术又一实施例提供的一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
28.图6为本技术又一实施例提供的另一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
29.图7为本技术又一实施例提供的又一种燃料电池阴极供气量控制系统的结构示意图；
30.图8为本技术实施例提供的一种燃料电池阴极供气量控制方法的流程示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
32.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.本技术实施例提供一种燃料电池阴极供气量控制系统，如图1所示，该燃料电池阴极供气量控制系统100包括：
34.气体压缩机101，气体压缩机101的气体输出口与电池堆发电模块102的气体输入口连接，用于对传输至气体压缩机101的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块102；
35.电池堆发电模块102，电池堆发电模块102的第一输出端与负载连接，电池堆发电模块102的第二输出端与控制模块103的输入端连接，用于基于压缩后的气体产生电能，以向负载供电，并发送气体过量比和向负载供电时的目标供电参数至控制模块103；
36.控制模块103，控制模块103的第一输出端与气体压缩机101的控制端连接，用于基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机101的工作参数，以控制气体压缩机101向电池堆发电模块102的供气量；其中，第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。
37.在本技术实施例中，气体压缩机为用于对输入的气体进行压缩的设备；电池堆发电模块包括电堆；电堆由多个单体电池组成。电堆用于将空气中的氧气和已获得的氢气进
行物理化学反应产生电能，以向负载供电，并输出物理化学反应后产生的尾气。控制模块可以是具备数据处理能力的体积较小的控制器件。
38.在一种可行的实现方式中，控制模块可以是体积较小的微控制单元(microcontroller unit，mcu)，又称单片微型计算机(single chip microcomputer)或者单片机；气体压缩机可以是空气压缩机，简称空压机。
39.在另一种可行的实现方式中，控制模块可以是至少由多个控制器组合而成的复合控制器。
40.在本技术实施例中目标供电参数可以是供电电流值；气体过量比可以是氧气过量比，氧气过量比为提供给电池堆发电模块的压缩后的气体中的氧气量和电池堆发电模块消耗的氧气量的比值。
41.在一种可行的实现方式中，氧气过量比可以根据下述公式(1)计算得到：
[0042][0043]
其中，λ
o2
表示氧气过量比；w
o2,in
表示进入电堆的氧气流量；w
o2,rct
和电化学反应中氧气的消耗量；c1和c2分别是第一和第二简化系数，均是恒定的值；p
sm
表示空压机与电堆之间的用于传输空气的空气供气管道内的气压，pc表示燃料电池阴极的平均压力；p
out
表示燃料电池阴极出口的压力，i表示供电电流值；k
sm,out
表示空气供气管道出口孔常数；x
o2,atm
表示氧气质量分数；ω
atm
表示空气相对湿度；n是电堆中单体电池的个数，m
o2
是氧气的摩尔质量，f是法拉第常数。
[0044]
在本技术实施例中，电池堆发电模块包括电堆和第三处理子模块，第三处理子模块与控制模块连接，用于计算氧气过量比，以及将计算得到的氧气过量比和电堆向负载供电时的电流值(即目标供电参数)发送至控制模块，控制模块可以根据供电电流值和氧气过量比，调整气体压缩机的工作参数，以改变气体压缩机的转速，进而改变气体压缩机压缩的空气量，以改变气体压缩机提供给电池堆发电模块的供气量，实现了自动化灵活确定供气量，不需要相关技术中人为根据经验确定供气量，提高了确定的供气量的准确率。
[0045]
具体地，第三处理子模块可以周期性发送计算的氧气过量比和电堆向负载供电时的供电电流值，以实现周期性地调整气体压缩机的工作参数。其中，电池堆发电模块的数量为至少一个。
[0046]
需要说明的是，当电池堆发电模块的数量为多个时，气体压缩机的气体输出口与多个电池堆发电模块中每个电池堆发电模块的气体输入口连接，如此，采用一个压缩机便可以实现向多个电池堆发电模块提供反应所需的气体，降低了燃料电池阴极供气量控制系统的复杂度，避免存在系统部件冗余。
[0047]
其中，当电池堆发电模块的数量为多个时，可以计算进入多个电池堆发电模块的空气中氧气的量，并计算多个电池堆发电模块消耗氧气的总量，之后确定进入多个电池堆发电模块的空气中氧气的量与多个电池堆发电模块消耗氧气的总量，得到总的氧气过量比，并发送总的氧气过量比和电池堆发电模块向负载供电时的电流值至控制模块，使得控制模块基于总的氧气过量比和向负载供电时的电流值，调整气体压缩机的工作参数。
[0048]
在一种可行的实现方式中，如图2所示，电池堆发电模块的数量为4个，气体压缩机为空压机，空压机可以通过气体加湿器与多个电池堆发电模块连接，空压机将压缩后的气
体输送至气体加湿器，使得气体加湿器对压缩后的气体进行湿度处理后均分成4份分别输送至4个电池堆发电模块，4个电池堆发电模块中的任一电池堆发电模块中的第三处理子模块与控制模块连接，并且可以与其它3个电池堆发电模块中的第三处理子模块进行通信，以获取进入4个电池堆发电模块的空气中氧气的量和多个电池堆发电模块消耗氧气的总量，之后计算进入4个电池堆发电模块的空气中氧气的量和4个电池堆发电模块消耗氧气的总量的比值，得到总的氧气过量比，并发送总的氧气过量比至控制模块。其中，图2中示出的是第一个电池堆发电模块中的第三处理子模块与控制模块连接，用于将计算得到的4个电池堆发电模块的总的氧气过量比发送至控制模块。
[0049]
本技术实施例提供的燃料电池阴极供气量控制系统，包括气体压缩机，气体压缩机的气体输出口与电池堆发电模块的气体输入口连接，用于对传输至气体压缩机的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块；电池堆发电模块，电池堆发电模块的第一输出端与负载连接，电池堆发电模块的第二输出端与控制模块的输入端连接，用于基于压缩后的气体产生电能，以向负载供电，并发送气体过量比和向负载供电时的目标供电参数至控制模块；控制模块，控制模块的第一输出端与气体压缩机的控制端连接，用于基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；其中，第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系；如此，控制模块可以基于获取的气体过量比、向负载供电时的目标供电参数和第一对应关系，调整气体压缩机的工作参数，以调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，实现了自动化调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，使得气体压缩机可以向电池堆发电模块提供适量的空气供给产生电能，提高了电池堆发电模块的发电效率，解决了相关技术中根据人为经验设置的固定的供气量不准确，使得进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低的问题。
[0050]
在本技术的其他实施例中，如图3所示，控制模块103包括：第一处理子模块1031，第一处理子模块1031的输入端与电池堆发电模块102的第二输出端连接，第一处理子模块1031的第一输出端与控制子模块1032的第一输入端连接，用于基于目标供电参数和第一对应关系，确定目标气体过量比阈值，并确定目标气体过量比阈值和气体过量比之间的目标差值，发送目标差值至控制子模块1032；
[0051]
控制子模块1032，控制子模块1032的第一输出端与气体压缩机101的控制端连接，用于基于目标差值，调整气体压缩机101的工作参数。
[0052]
其中，第一处理子模块可以由处理单元和比较器组成，处理单元可以根据目标供电参数和第一对应关系，确定与目标供电参数对应的气体过量比阈值，得到目标气体过量比阈值，比较器可以计算目标气体过量比阈值和气体过量比之间的差值，得到目标差值，之后发送目标差值至控制子模块，控制子模块可以基于目标差值，生成第一控制指令，并发送第一控制指令至气体压缩机，使得气体压缩机基于第一控制指令来调整气体压缩机的工作参数。其中，工作参数包括工作电压和/或工作电流。其中，处理单元可以是具有数据处理能力的处理器。
[0053]
在一种可行的实现方式中，工作参数可以是工作电压；其中，工作电压越大气体压缩机的转速就越大，气体压缩机所压缩的气体的量就越大，进而提供给电池堆发电单元的气体的量(即供气量)就越大。
[0054]
需要说明的是，考虑了确定的氧气过量比与目标氧气过量比阈值之间的差异性，确定目标差值，基于目标差值来调整气体压缩机的工作参数，提高了调整工作参数的准确率，进一步提高了通过调整工作参数来调整供气量的准确率。
[0055]
在本技术的其他实施例中，控制子模块1032，还用于在控制子模块1032的性能参数已更新的情况下，基于目标差值，生成第一控制指令，并发送第一控制指令至气体压缩机101；其中，第一控制指令用于指示气体压缩机101调整工作参数。
[0056]
其中，第一控制指令用于指示气体压缩机101调整工作参数。
[0057]
需要说明的是，控制子模块的性能参数用于衡量控制子模块的性能；控制子模块的性能参数已更新，可以是基于目标差值更新的；也可以是基于当前时间之前最近时间获取的差值更新的。
[0058]
具体地，可以在控制子模块的性能参数已更新的情况下，根据目标差值，确定目标工作参数值，并生成携带有目标工作参数值的第一控制指令，并发送第一控制指令至气体压缩机，以使得气体压缩机响应于第一控制指令，基于目标工作参数值更新气体压缩机的工作参数；如此，在控制子模块的性能参数已更新的情况下，使得控制子模块的性能可以达到最优，保证了控制子模块的控制效果，使得控制子模块在性能最优的情况下，控制气体压缩机调整工作参数，提高了控制效果，实现了在负载的不同电流下能够快速响应调整供气量，以提高电池堆发电模块的发电效率。
[0059]
在一种可行的实现方式中，目标工作参数值可以是目标电流值和/或目标电压值。
[0060]
在本技术的其他实施例中，控制子模块1032还用于获取气体压缩机101在多个时间段的历史电压值和多个时间段对应的历史差值，基于历史电压值、历史差值和目标差值，确定目标电压值，并生成携带有目标电压值的第一控制指令。
[0061]
需要说明的是，控制子模块发送第一控制指令至气体压缩机，使得第一气体压缩机可以响应于第一控制指令，采用目标电压值更新气体压缩机的控制电压，以调整气体压缩机的转速，进而调整气体压缩机压缩的气体的量，以改变气体压缩机传输至电池堆发电模块的气体的量。
[0062]
其中，工作参数包括工作电压。多个时间段为连续的时间段。
[0063]
在一种可行的实现方式中，可以对多个时间段的历史电压值和多个时间段对应的历史差值进行分析，确定电压值和差值之间的关联关系，基于电压值和差值之间的关联关系和目标差值，确定目标电压值。
[0064]
在另一种可行的实现方式中，可以采用下述公式(2)计算目标电压值:
[0065][0066]
其中，y
1(n1)
表示目标电压值；f1表示干扰函数；θ1表示多个时间段的历史电压值，θ1＝[y
1(n1-1)
，y
1(n1-2)
，
…
，y1]；b1为理想积分串联型控制对象参数，可通过辨识得到；w为扰动因子；u1表示目标差值；中包括多个时间段的历史差值和目标差值，
[0067]
在本技术的其他实施例中，如图4所示，电池堆发电模块102的气体输出口处设置有背压阀104，用于调节电池堆发电模块102排放的尾气的压力，以控制压缩后的气体在电池堆发电模块102中的停留时间。
[0068]
其中，可以手动或自动化地，调整背压阀的开度，以调节电池堆发电模块排放的尾气的压力。
[0069]
在自动调整背压阀的开度时，控制子模块可以基于目标差值，生成第二控制指令，并发送第二控制指令至背压阀，使得背压阀可以基于第二控制指令调整电池堆发电模块排放尾气的压力；其中，第一控制指令和第二控制指令可以同时生成，此时，可以同时调整气体压缩机的工作参数和调整电池堆发电模块排放尾气的压力；也可以先生成第一控制指令，再生成第二控制指令，此时可以先调整气体压缩机的工作参数，再调整电池堆发电模块排放尾气的压力；当然，还可以先生成第二控制指令，再生成第一控制指令，此时可以先调整电池堆发电模块排放尾气的压力，再调整气体压缩机的工作参数。
[0070]
具体地，控制子模块可以基于目标差值，确定背压阀的目标阀门角度，并生成携带有目标阀门角度的第二控制指令，之后发送第二控制指令至背压阀，使得背压阀可以响应第二控制指令，基于目标阀门角度调整背压阀的阀门开度，使得调整后的背压阀的阀门开度为目标阀门角度。
[0071]
在本技术的其他实施例中，如图5所示，控制子模块1032的第二输出端与背压阀104的控制端连接，用于获取背压阀104在多个时间段的历史阀门角度和多个时间段对应的历史差值，基于历史阀门角度、历史差值和目标差值确定目标阀门角度，发送携带有目标阀门角度的第二控制指令至背压阀104；其中，第二控制指令用于指示背压阀104基于目标阀门角度调整阀门开度。
[0072]
其中，背压阀在多个时间段的历史阀门角度和多个时间段对应的历史差值可以是第一处理子模块预先获取，并发送至控制子模块的；其中，第一处理子模块与背压阀具有通信连接。
[0073]
如图5所示，以电池堆发电模块的数量为4个为例，每一电池堆发电模块102的气体输出口外接一个背压阀104；控制子模块1032可以向每一背压阀104发送第二控制指令，以调整每一背压阀104的阀门开度。
[0074]
在一种可行的实现方式中，可以对多个时间段的历史阀门角度和多个时间段对应的历史差值进行分析，确定阀门角度和差值之间的关联关系，基于阀门角度和差值之间的关联关系和目标差值，确定目标阀门角度。
[0075]
在另一种可行的实现方式中，可以采用公式(3)计算目标阀门角度：
[0076][0077]
其中，y
2(n1)
表示目标阀门角度；f2表示干扰函数；θ2表示多个时间段的历史阀门角度，θ2＝[y
2(n1-1)
，y
2(n1-2)
，
…
，y2]；b2为理想积分串联型控制对象参数，可通过辨识得到；w为扰动因子；u1表示目标差值；中包括多个时间段的历史差值和目标差值。
[0078]
需要说明的是，在基于目标差值，既需要确定目标电压值和目标阀门角度时，可以考虑增加背压阀在多个时间段的历史阀门角度来确定目标电压值，具体可以采用公式(4)来确定目标电压值。
[0079][0080]
其中，公式(4)与公式(2)相比，增加了θ2；其中，θ2表示多个时间段的历史阀门角度，θ2＝[y
2(n1-1)
，y
2(n1-2)
，
…
，y2]；如此，考虑了电池堆发电模块排放尾气的压力，对供气量
的影响，增加θ2来确定目标电压值，进一步提高了确定的目标电压值的准确率。
[0081]
需要说明的是，在基于目标差值，既需要确定目标电压值和目标阀门角度时，可以考虑增加气体压缩机在多个时间段的历史电压值，来确定目标阀门角度，具体可以采用公式(5)来确定目标阀门角度。
[0082][0083]
其中，公式(5)与公式(3)相比，增加了θ1，θ1表示多个时间段的历史电压值，θ1＝[y
1(n1-1)
，y
1(n1-2)
，
…
，y1]；如此，考虑了供气量对电池堆发电模块排放尾气的压力的影响，增加了θ1来确定目标阀门角度，进一步提高了确定的目标阀门角度的准确率。
[0084]
在本技术的其他实施例中，如图6所示，控制模块103还包括：第二处理子模块1033，第二处理子模块1033的输入端与第一处理子模块1031的第二输出端连接，第二处理子模块1033的输出端与控制子模块1032的第二输入端连接，用于接收第二处理子模块1033发送的目标差值，基于目标差值，确定目标性能参数，并发送目标性能参数至控制子模块1032，使得控制子模块1032采用目标性能参数更新控制子模块1032的性能参数。
[0085]
其中，第二处理子模块可以是具备数据处理能力的处理器；控制子模块可以是复合控制器。
[0086]
具体地，第二处理器可以周期性接收第一处理子模块发送的目标差值，基于确定的差值与性能指标之间的关联函数和目标差值，确定目标性能参数；实现了周期地确定目标性能参数，并根据确定的目标性能参数更新控制子模块的性能参数，使得控制子模块的性能处于最佳状态。其中，控制子模块可以是复合控制器。
[0087]
在本技术的其他实施例中，第二处理子模块1033，还用于构建与控制子模块的性能相关的目标适应度函数，采用群体优化算法，基于适应度函数和目标差值，确定目标性能参数。
[0088]
其中，目标适应度函数为以差值为性能指标的适应度函数。
[0089]
具体地，可以采用多个基于误差积分型适应度函数和每一误差积分型适应度函数对应的权重系数，构建目标适应度函数；其中，误差积分型应函数包括：误差平方积分(integralsquareerror，ise)、时间乘以误差平方积分(integraltimesquareerror，itse)、误差绝对值积分(integralabsoluteerror，iae)和时间乘以误差绝对值积分(integratedtimeabsoluteerror，itae)。其中：
[0090][0091][0092][0093][0094]
其中，e(t)为被优化系统的输入与响应之差，即差值。
[0095]
其中，ise对应的权重系数，记为w1；iae对应的权重系数，记为w2；itse对应的权重系数，记为w3；itae对应的权重系数，记为w4；目标适应度函数可以用公式(10)来表示：
[0096]
j＝w1ise+w2iae+w3itse+w4itae公式(10)
[0097]
具体地，可以将目标差值带入公式(10)中的e(t)中，采用蛇优化算法，确定j最小时对应的性能参数作为目标性能参数。其中，群体优化算法包括蛇优化算法。
[0098]
在一种可行的实现过程中，w1＝w2＝0.3；w3＝w4＝0.2。
[0099]
其中，控制子模块为复合控制器，也称之为协调控制器；如图7所示，协调控制器可以由比例-积分-微分控制器(proportion integration differentiation，pid)和线性自抗扰控制器(linear active disturbance rejection control，ladrc)组成。
[0100]
其中，协调控制器的性能参数包括：4个ladrc的性能参数和3个pid控制器的性能参数；其中，4个ladrc的性能参数分别为高频增益、观测器带宽、状态增益、控制器增益(即图7中kbb、kpp、kdd和kcc)；3个pid控制器的性能参数分别为比例、微分和积分(即kp、ki和kd)。
[0101]
需要说明的是，通过控制子模块的性能参数，使其能够有效抑制外界扰动与系统内部状态变化，具有强鲁棒性，进而实现了在不同电流变化下快速响应并提供电堆所需的供气量，进而确保系统运行效率最高。
[0102]
如图7所示，协调控制器可以在性能参数已更新的情况下，输出第一控制指令至空压机，并输出第二控制指令至背压阀，以控制空压机的工作电压和背压阀的开度；协调控制器可以接收第二处理子模块(图7中未标出第一处理子模块和第二处理子模块)发送的目标差值确定目标性能参数，以使得协调控制器基于目标性能参数，更新性能参数。其中，图7中k1是一个可调整电压值的物理量，用于确保协调控制器输出的目标电压值能够处于空压机的电压值量程范围之内；k2可以是一个可调整背压阀阀门角度的物理量，用于确保协调控制器输出的目标阀门角度处于背压阀的阀门角度量程范围之内。如此，提高了确定的目标电压值和目标阀门角度的准确率和可靠性。
[0103]
在本技术的其他实施例中，第一处理子模块1031还用于获取不同电流下燃料电池阴极供气量控制系统100的净输出功率与气体过量比阈值之间的第二对应关系，确定第一对应关系。
[0104]
其中，第二对应关系为不同电流下最大净输出功率与气体过量比阈值之间的对应关系。
[0105]
具体地，可以获取每一电流值对应的历史净输出功率与历史气体过量比之间的第三对应关系，基于第三对应关系，确定每一电流值下最大历史净输出功率对应的气体过量比，构建第二对应关系，之后，基于第二对应关系，将每一电流值(即供电电流值)下最大历史净输出功率对应的气体过量比作为该电流值对应的气体过量比阈值，以得到供电电流值与气体过量比阈值之间的第一对应关系。
[0106]
其中，燃料电池电堆输出的功率用通过下述公式(11)计算得到：
[0107]
p0＝nv
cell
i公式(11)
[0108]
其中，v
cell
是每个单体电池的平均电压，n是电堆中的燃料电池片数；i表示负载电流值(即供电电流值)；
[0109]
气体压缩机消耗的寄生功率通过下述公式(12)计算得到：
[0110]
[0111]
其中，c
p
表示空气的比热容，t
atm
是氧气的温度，r表示空气的热容比，η
cp
是氧气压缩机的效率，w
cp
表示空压机出口的空气流量。
[0112]
实际燃料电池阴极供气量控制系统运行时，和空压机消耗的功率相比，其他部件所消耗的功率都比较小，可以忽略不计。因此，系统的净输出功率可以近似采用公式(13)计算得到：
[0113]
p
net
＝p
0-p
cp
公式(13)
[0114]
需要说明的是，当电池堆发电模块的供气供给不足时，容易导致电堆发生氧饥饿现象，同时阴极生成的水不能被及时带走，从而影响膜电极内气体在扩散层处的传质，甚至会产生局部热点烧毁膜电极，进而影响系统的耐久性和可靠性。本技术方案中能够自动调整供气量，保证了电池堆发电模块合理的空气供给，提高了系统的耐久性和可靠性。
[0115]
本技术实施例提供的燃料电池阴极供气量控制系统，获取电池堆发电模块的气体过量比和电池堆发电模块向负载供电时的目标供电参数；基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；如此，可以基于获取得气体过量比、向负载供电时的目标供电参数和第一对应关系，调整气体压缩机的工作参数，以调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，实现了自动化调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，使得气体压缩机可以向电池堆发电模块提供适量的空气供给产生电能，提高了电池堆发电模块的发电效率，解决了相关技术中根据人为经验设置的固定的供气量不准确，使得进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低的问题。
[0116]
基于前述实施例，在本技术的其他实施例中，提供一种燃料电池阴极供气量控制方法，该方法包括：
[0117]
步骤201、获取电池堆发电模块的气体过量比和电池堆发电模块向负载供电时的目标供电参数。
[0118]
其中，电池堆发电模块用于基于气体压缩机输送的压缩后的气体产生电能。
[0119]
在本技术实施例中，可以周期性获取气体过量比和目标供电参数；气体过量比和目标供电参数可以是电池堆发电模块发送的；还可以是控制模块向电池堆发电模块发送用于获取气体过量比和目标供电参数的目标获取指令，电池堆发电模块基于该目标获取指令发送至控制模块的。
[0120]
步骤202、基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量。
[0121]
其中，第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。
[0122]
在本技术实施例中，可以基于目标供电参数和第一对应关系，确定目标气体过量比阈值，并基于目标气体过量比阈值和气体过量比之间的目标差值，生成第一控制指令，并发送第一控制指令至气体压缩机，气体压缩机可以响应第一控制指令调整自身的工作参数，以调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；如此，实现了根据电池堆发电单元的氧气过量比和提供给负载的工作电流来周期性自动化地确定供气量，而不是采用相关技术中根据人为经验设定固定的供气量，提高了确定的供气量的准确率。
[0123]
需要说明的是，本实施例中与其它实施例中相同步骤和相同内容的说明，可以参照其它实施例中的描述，此处不再赘述。
[0124]
本技术实施例提供的燃料电池阴极供气量控制方法，获取电池堆发电模块的气体过量比和电池堆发电模块向负载供电时的目标供电参数；基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；如此，可以基于获取得气体过量比、向负载供电时的目标供电参数和第一对应关系，调整气体压缩机的工作参数，以调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，实现了自动化调整气体压缩机向电池堆发电模块的供气量，使得气体压缩机可以向电池堆发电模块提供适量的空气供给产生电能，提高了电池堆发电模块的发电效率，解决了相关技术中根据人为经验设置的固定的供气量不准确，使得进行化学反应产生电能所需的氧气不足或过量，导致电堆的发电效率低的问题。
[0125]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0126]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0127]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所描述的方法。
[0128]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0129]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0130]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0131]
以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，包括：气体压缩机，所述气体压缩机的气体输出口与电池堆发电模块的气体输入口连接，用于对传输至所述气体压缩机的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块；电池堆发电模块，所述电池堆发电模块的第一输出端与负载连接，所述电池堆发电模块的第二输出端与控制模块的输入端连接，用于基于所述压缩后的气体产生电能，以向所述负载供电，并发送气体过量比和向所述负载供电时的目标供电参数至所述控制模块；所述控制模块，所述控制模块的第一输出端与所述气体压缩机的控制端连接，用于基于所述目标供电参数、第一对应关系和所述气体过量比，调整所述气体压缩机的工作参数，以控制所述气体压缩机向所述电池堆发电模块的供气量；其中，所述第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。2.根据权利要求1所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：第一处理子模块，所述第一处理子模块的输入端与所述电池堆发电模块的第二输出端连接，所述第一处理子模块的第一输出端与控制子模块的第一输入端连接，用于基于所述目标供电参数和所述第一对应关系，确定目标气体过量比阈值，并确定所述目标气体过量比阈值和所述气体过量比之间的目标差值，发送所述目标差值至所述控制子模块；所述控制子模块，所述控制子模块的第一输出端与所述气体压缩机的控制端连接，用于基于所述目标差值，调整所述气体压缩机的工作参数。3.根据权利要求2所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述控制子模块，还用于在所述控制子模块的性能参数已更新的情况下，基于所述目标差值，生成第一控制指令，并发送所述第一控制指令至所述气体压缩机；其中，所述第一控制指令用于指示所述气体压缩机调整所述工作参数。4.根据权利要求3所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述控制子模块还用于获取所述气体压缩机在多个时间段的历史电压值和所述多个时间段对应的历史差值，基于所述历史电压值、所述历史差值和所述目标差值，确定目标电压值，并生成携带有所述目标电压值的所述第一控制指令；其中，所述工作参数包括工作电压。5.根据权利要求3所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述电池堆发电模块的气体输出口处设置有背压阀，用于调节所述电池堆发电模块排放尾气的压力，以控制所述压缩后的气体在所述电池堆发电模块中的停留时间。6.根据权利要求5所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述控制子模块的第二输出端与所述背压阀的控制端连接，用于获取所述背压阀在多个时间段的历史阀门角度和所述多个时间段对应的历史差值，基于所述历史阀门角度、所述历史差值和所述目标差值确定目标阀门角度，发送携带有所述目标阀门角度的第二控制指令至所述背压阀；其中，第二控制指令用于指示所述背压阀基于所述目标阀门角度调整阀门开度。7.根据权利要求3所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括：第二处理子模块，所述第二处理子模块的输入端与所述第一处理子模块的第二输出端连接，所述第二处理子模块的输出端与所述控制子模块的第二输入端连接，用于接收所述第二处理子模块发送的所述目标差值，基于所述目标差值，确定目标性能参数，并发送所述
目标性能参数至所述控制子模块，使得所述控制子模块采用所述目标性能参数更新所述控制子模块的性能参数。8.根据权利要求7所述的燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述第二处理子模块，还用于构建与控制子模块的性能相关的目标适应度函数，采用群体优化算法，基于所述目标适应度函数和所述目标差值，确定所述目标性能参数。9.根据权利要求2所述燃料电池阴极供气量控制系统，其特征在于，所述第一处理子模块还用于获取不同电流下所述燃料电池阴极供气量控制系统的净输出功率与气体过量比阈值之间的第二对应关系，确定所述第一对应关系。10.一种燃料电池阴极供气量控制方法，其特征在于，应用于燃料电池阴极供气量控制系统，包括：获取电池堆发电模块的气体过量比和所述电池堆发电模块向负载供电时的目标供电参数；其中，所述电池堆发电模块用于基于气体压缩机输送的压缩后的气体产生电能；基于所述目标供电参数、第一对应关系和所述气体过量比，调整所述气体压缩机的工作参数，以控制所述气体压缩机向所述电池堆发电模块的供气量；其中，所述第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。

技术总结
本申请公开了一种燃料电池阴极供气量控制系统，该系统包括：气体压缩机，气体压缩机的气体输出口与电池堆发电模块的气体输入口连接，用于对传输至气体压缩机的气体进行压缩，并输送压缩后的气体至电池堆发电模块；电池堆发电模块，电池堆发电模块的第一输出端与负载连接，用于基于压缩后的气体产生电能，以向负载供电，并发送气体过量比和向负载供电时的目标供电参数至控制模块；控制模块，用于基于目标供电参数、第一对应关系和气体过量比，调整气体压缩机的工作参数，以控制气体压缩机向电池堆发电模块的供气量；其中，第一对应关系表征供电参数与气体过量比阈值之间的对应关系。本申请实施例还公开了一种燃料电池阴极供气量控制方法。量控制方法。量控制方法。


技术研发人员：邓志华 陈明 王海江
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/1