一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法与流程
1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法。
背景技术：
2.燃料电池系统一般包括燃料电池电堆，以及用于向燃料电池电堆供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统。经过燃料电池电堆后，未使用掉的空气作为尾排空气排出。
3.燃料电池系统工作过程中需要外加背压阀调节压力来使燃料电池性能达到最优化。一方面，通过阀门闭合角度来控制空气通过流量，过程中损失了大量的动能。一方面，燃料电池系统工作过程中空气与氢气反应发电并生成水，通过空气路尾排排出生成的水，当所述的情况在低温环境下，燃料电池系统停止工作的时候背压阀会被冻结，造成卡死现象，引起燃料电池系统故障，进一步损害背压阀。
4.授权公告号为cn214542300u的实用新型公开了一种高效燃料电池发动机，包括电堆、阴极加湿器、空气滤清器、空压机、dc/dc转换器、电堆散热系统、供氢系统及循环管路，所述电堆的电能输出端引出两条电路，一条电路与dc/dc转换器连接，另一条电路与锂电池和电机控制器连接；锂电池与电堆电能输出端之间连接24v降压dc/dc转换器，锂电池的电能输出端与空压机控制器连接；电堆的氢气进入管路上设置热交换器，热交换器与电堆连接；电堆阳极与供氢系统之间设置有阳极循环装置；燃料电池空气压缩供给系统采用了尾气能量回收节能涡轮设计。该现有技术中燃料电池空气压缩供给系统采用了尾气能量回收节能涡轮设计，虽然一定程度上能够实现回收能量的目的，但无法解决空气路尾排中水在低温下结冰引起相关结构被冻结的问题。
5.公开号为cn114388843a的发明公开了一种燃料电池系统及控制方法，燃料电池系统包括电堆模块、供氢系统，空气供应系统和冷却系统，冷却系统里面包括水泵，水泵驱动冷却液不断流动以带走热量，水泵是一种集成膨胀机的水泵，包括膨胀机、水泵泵体、水泵电机和水泵控制器，水泵控制器控制水泵电机工作，膨胀机耦合到水泵电机的转轴的一端，水泵电机的转轴的另一端耦合水泵泵体，利用电堆模块排出反应完的尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力。该现有技术中通过将尾排气输入到膨胀机，通过膨胀机做功带动水泵泵体运转，为冷却系统的冷却液流动提供动力，有效解决燃料电池系统尾排气能量回收问题，但同样也无法解决决空气路尾排中水在低温下结冰引起相关结构被冻结的问题。
技术实现要素：
6.本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统及控制方法，能够为燃料电池空气路提供背压功能并且实现能量回收，解决了低温环境下尾排冻结的问题。
7.一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、用于向燃料电池电堆供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统，所述燃料电池电堆具有空气出口，所述空气出口处连接有空气尾排管，所述尾气背压能量回收装置包括：
8.涡轮发电机，能够利用尾排空气进行发电，包括与所述空气尾排管衔接的涵道、设于所述涵道内并由风力驱动的涡轮泵头、以及与涡轮泵头通过轴连接器连接的电机，
9.温度传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，
10.压力传感器，用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，
11.控制器，接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过ac线连接所述电机，所述控制器一方面根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；所述控制器另一方面根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。
12.在实现背压功能时，电机产生一个电压在经过控制器时，控制器通过控制加载的负载大小来实现控制输出电流大小的目的，而输出电流的大小确定后，回馈给电机，从而控制涡轮泵头的转速。
13.优选的，所述燃料电池电堆通过dc/dc模块向外供电，所述控制器通过dc线与dc/dc模块连接。
14.优选的，所述空气供给系统通过空气泵旋转供气或者由集中高压供气系统通过流量阀或减压阀供空气；所述氢气供给系统由集中高压供气系统通过减压阀供氢气。
15.本发明又提供了所述燃料电池系统的控制方法，由温度传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的温度，由压力传感器检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压，由控制器接收温度传感器和压力传感器的信号，并通过ac线连接所述电机，由控制器根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器检测的实际气压大小的比较，通过控制电机向控制器输出电压时控制器处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；
16.同时，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，由控制器根据温度传感器检测到的温度高低来控制破冰程序，所述控制器向电机发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机额定电流上限，则进行破冰。
17.控制器控制背压功能时算法如下：
18.e(k)＝sp(k)-pv(k)
19.其中，k是以时间t为一个周期时长时，时间k
×
t处采样信号的索引，比如，以1s为一个周期，即t＝1s，则k＝10时，就是取10s时候的值；如果以2s为一个周期，即t＝2s，则k＝10时，就是取20s时候的值。
20.e(k)表示当前误差，sp表示背压设定值，pv表示压力传感器检测的实际气压大小；
21.u
p
(k)如下列等式所示：
22.u
p
(k)＝kc×
e(k)
23.其中，kc表示控制器增益。增益就是根据控制器不同给的一个放大缩小的系数。控制器增益(kc)和比例带(pb)的关系为kc＝100/pb。比如，算法的数值是0～100，电机的电流是0～10，增益就是0～0.1。
24.ui(k)如下列等式所示：
25.ui(k)＝ui(k-1)+(kc/ti)
×
(e(k)+e(k-1))/2
×
δt
26.其中，δt是控制器的采样时间，ti是积分时间；
27.ud(k)如下列等式所示：
28.ud(k)＝-kc×
(td/δt)
×
(pv(k)-pv(k-1))
29.其中td是微分时间；
30.控制器输出回馈电流u(k)如下列公式所示：
31.u(k)＝u
p
(k)+ui(k)+ud(k)。
32.其中，u
p
(k)是比例算法，ui(k)是积分算法，ud(k)是微分算法。
33.优选的，判断是否进入破冰程序的设定温度为-10℃～-5℃，当温度传感器检测到的温度不高于设定温度值时，进入破冰程序。这个设定温度可以根据实际运行情况自行进行设定。
34.更优选的，破冰程序包括以下步骤：
35.(1)判断温度传感器检测到的温度与设定温度值的关系，如果温度传感器检测到的温度不高于设定温度值，则进入步骤(2)；
36.(2)由控制器向电机发出一个固定电压，采集产生的电流值u(j)，若u(j)大于电机的额定电流上限，则进行破冰动作，由控制器向电机发出一个周期性额定电压的方波，使涡轮泵头产生周期性振动对涡轮发电机破冰，破冰时涡轮泵头(即涡轮叶片)与涵道之间，两个相对运动的物体，一般连续进行若干次破冰动作，直到u(j)不大于电机的额定电流上限，说明破冰成功，停止破冰动作；若连续进行破冰动作的次数达到设定上限次数时u(j)还是大于电机的额定电流上限，则停止破冰动作并报故障。
37.更优选的，破冰动作的设定上限次数为10～50次，单次持续时间为0.5～1s。具体根据地区气温情况来进行设定，一般温度越低，越容易结冰，所以所取次数越多。
38.更优选的，步骤(2)中由控制器向电机发出一个固定电压时，固定电压的大小为电机额定电压。
39.更优选的，步骤(2)中进行破冰动作时，由控制器向电机发出一个周期性额定电压的方波，使涡轮叶片产生周期性振动。方波的额定电压为电机额定电压，频率2～2000赫兹，引起冰层共振，达到快速破冰效果。占空比根据不超过电机的额定电流上限调节。
40.本技术由于涡轮发电机的作用，通过控制涡轮发电机转速来控制空气通过流量，实现了燃料电池系统调节压力的目的。通过控制回馈电流来实现调节压力功能，该装置实现了能量回收的功能。
41.为解决低温情况下结冰问题，本发明采取了以下方案：通过控制器产生高频交流电流，作用在与控制器连接涡轮发电机的电机，电机带动涡轮泵头产生高频振动，使冰晶产生解体，与涵道产生摩擦，来使冻结部分冰体破碎。
42.本发明带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，能使得燃料电池系统调节尾气压力的目的，俗称背压功能，能量回收能够节省尾气能量的浪费，提升燃料电池系统的发
电效率。
43.本发明通过涡轮发电机的设置，通过控制与涡轮发电机连接的控制器的回馈电流，减少空气通过量来实现空气路背压，实现了能量回收，进一步的提高了燃料电池系统的效率。
附图说明
44.图1为带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统的结构示意图。
45.图2为尾气背压能量回收装置的结构示意图。
46.图3为背压功能算法逻辑图。
47.图4为破冰功能算法逻辑图。
48.图5为压力传感器检测的实际气压大小(pv)随时间周期变化的结果图。
49.图6为回馈电流大小随时间周期变化的结果图。
具体实施方式
50.实施例1
51.如图1和图2所示，一种带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，包括燃料电池电堆1、用于向燃料电池电堆1供应空气的空气供给系统、用于向燃料电池电堆供应氢气的氢气供给系统3、用于对燃料电池电堆进行降温的循环冷却系统4。燃料电池电堆1通过dc/dc模块5向外供电，可以是直接供给储能用的锂电池进行暂时储存，也可以直接向负载供电。空气供给系统通过空气泵2旋转供气或者由集中高压供气系统通过流量阀或减压阀供空气。氢气供给系统由集中高压供气系统通过减压阀供氢气。
52.燃料电池电堆1具有空气出口，空气出口处连接有空气尾排管，图1中虚线框内框选的部分为尾气背压能量回收装置，图2为图1中虚线框内结构的放大图。
53.尾气背压能量回收装置包括涡轮发电机，涡轮发电机能够利用尾排空气进行发电，包括与空气尾排管衔接的涵道8、设于涵道8内并由风力驱动的涡轮泵头、以及与涡轮泵头通过轴连接器连接的电机9。尾气背压能量回收装置还包括温度传感器6和压力传感器7，温度传感器6用于检测从空气尾排管进入涵道8的尾排空气的温度，压力传感器7用于检测从空气尾排管进入涵道的尾排空气的气压。温度传感器6和压力传感器7可以安装在空气尾排管的任意位置，或者也可以安装在涵道8的入口处。
54.尾气背压能量回收装置还包括控制器10，控制器10通过dc线与dc/dc模块5连接，同时控制器10还接收温度传感器6和压力传感器7的信号，并通过ac线连接电机9，控制电机9的运行，涡轮发电机能够利用尾排空气进行发电的电能也通过控制器10，再通过dc/dc模块5向外供电。
55.本发明燃料电池系统的控制方法，由温度传感器6检测从空气尾排管进入涵道8的尾排空气的温度，由压力传感器6检测从空气尾排管进入涵道8的尾排空气的气压，由控制器10接收温度传感器6和压力传感器7的信号，并通过ac线连接电机9，由控制器10根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器7检测的实际气压大小的比较，通过控制电机9向控制器10输出电压时控制器10处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器10输出的回馈电流，从而控制涡轮泵头的转速，实现背压功能；同时，当温度传感器6检测
到的温度不高于设定温度值时，由控制器10根据温度传感器6检测到的温度高低来控制破冰程序，控制器10向电机9发出一个固定电压并采集产生的电流值，若电流值大于电机9额定电流上限，则进行破冰。
56.一方面，本发明通过涡轮发电机的设置，通过控制涡轮发电机转速来控制空气通过流量，实现了燃料电池系统调节压力的目的；通过控制与涡轮发电机连接的控制器10的回馈电流，减少空气通过量来实现空气路背压，实现了能量回收，并通过调节尾气压力，进一步的提高燃料电池系统的效率。
57.控制器10一方面根据设定的尾排空气背压值大小与压力传感器7检测的实际气压大小的比较，通过控制电机9向控制器10输出电压时控制器10处所加载的负载大小来控制输出电流大小，该输出电流即为控制器10输出的回馈电流，从而给电机9一个回馈电流来控制涡轮泵头的转速，实现背压功能，也就是说，在实现背压功能时，电机9产生一个电压在经过控制器10时，控制器10通过控制加载的负载大小来实现控制输出电流大小的目的，而输出电流的大小确定后，回馈给电机9，从而控制涡轮泵头的转速。如图3所示为背压功能算法逻辑图。具体的，控制器10控制背压功能时算法如下：
58.控制器输出回馈电流u(k)如下列公式所示：
59.u(k)＝u
p
(k)+ui(k)+ud(k)
60.其中，u
p
(k)是比例算法，ui(k)是积分算法，ud(k)是微分算法。u
p
(k)、ui(k)和ud(k)的具体算法如下：
61.e(k)＝sp(k)-pv(k)
62.其中，e(k)表示当前误差，sp表示背压设定值，pv表示压力传感器检测的实际气压大小；k是以时间t为一个周期时长时，时间k
×
t处采样信号的索引，比如，以1s为一个周期，即t＝1s，则k＝10时，就是取10s时候的值；如果以2s为一个周期，即t＝2s，则k＝10时，就是取20s时候的值。
63.u
p
(k)如下列等式所示：
64.u
p
(k)＝kc×
e(k)
65.其中，kc表示控制器增益。增益就是根据控制器不同给的一个放大缩小的系数。控制器增益(kc)和比例带(pb)的关系为kc＝100/pb。比如，算法的数值是0～100，电机的电流是0～10，增益就是0～0.1。
66.ui(k)如下列等式所示：
67.ui(k)＝ui(k-1)+(kc/ti)
×
(e(k)+e(k-1))/2
×
δt
68.其中，δt是控制器的采样时间，ti是积分时间；
69.ud(k)如下列等式所示：
70.ud(k)＝-kc×
(td/δt)
×
(pv(k)-pv(k-1))
71.其中td是微分时间。
72.另一方面，为解决低温情况下结冰问题，本发明采取了以下方案：通过控制器产生高频交流电流，作用在与控制器连接涡轮发电机的电机，电机带动涡轮泵头产生高频振动，使冰晶产生解体，与涵道产生摩擦，来使冻结部分冰体破碎。
73.控制器10另一方面根据温度传感器6检测到的温度高低来控制破冰程序，当温度传感器6检测到的温度不高于设定温度值时，控制器10向电机9发出一个固定电压并采集产
生的电流值，若电流值大于电机9额定电流上限，则进行破冰。
74.如图4所示为破冰功能算法逻辑图。
75.判断是否进入破冰程序的设定温度可以根据实际运行情况自行进行设定。比如，控制设定温度为-10℃～-5℃，当温度传感器6检测到的温度不高于设定温度值时，进入破冰程序。
76.破冰程序包括以下步骤：
77.(1)判断温度传感器6检测到的温度与设定温度值的关系，如果温度传感器6检测到的温度不高于设定温度值，则进入步骤(2)；
78.(2)由控制器10向电机9发出一个固定电压，采集产生的电流值u(j)，若u(j)大于电机9的额定电流上限，则进行破冰动作，由控制器10向电机9发出一个周期性额定电压的方波，一般这个周期性额定电压的大小可以为电机9的额定电压，频率2～2000赫兹，引起冰层共振，达到快速破冰效果。占空比根据不超过电机9的额定电流上限调节。通过由控制器10向电机9发出一个周期性额定电压的方波，使涡轮泵头产生周期性振动对涡轮发电机破冰，破冰时涡轮泵头(即涡轮叶片)与涵道8之间，两个相对运动的物体，一般连续进行若干次破冰动作，直到u(j)不大于电机的额定电流上限，说明破冰成功，停止破冰动作；若连续进行破冰动作的次数达到设定上限次数时u(j)还是大于电机的额定电流上限，则停止破冰动作并报故障。其中，破冰动作的上限次数及单次持续的时间均可以根据在不同使用地区使用环境下来进行具体设定，一般温度越低，越容易结冰，所以所取次数越多。一般情况下，破冰动作的设定上限次数为10～50次，单次持续时间为0.5～1s。
79.实施例2
80.采用实施例1中本技术尾气背压能量回收装置的燃料电池系统(以下用“本技术”表示)，与现有技术中一般使用的背压阀系统(以下用“现有技术”表示)进行模拟数据分析比较，现有技术中一般使用的背压阀系统在尾气侧直接设置一个背压阀，通过背压阀调节压力，具体通过阀门闭合角度来控制空气通过流量，在进入背压阀一侧的管路中设有用于检测温度的温度传感器和用于检测压力的压力传感器。
81.本技术和现有技术中空气泵(或称空压机)设定参数均为：额定流量97g/s、额定压比2.85、转速30000～95000r/min。
82.控制器控制背压功能算法参数及结果如下：
83.如下表1所示，sp表示背压设定值，pv表示压力传感器检测的实际气压大小，流量设定值表示设定空压机的流量。回馈电流表示算法得出的数值。算法参数：kc是控制器增益＝20；ti是积分时间＝0.08；td是微分时间＝0.01；k是以时间t为一个周期时长时，时间k
×
t处采样信号的索引，这里t＝0.1s。
84.表1
[0085][0086]
图5和图6为本技术背压设定值(sp)取6kpa时，设定过程模拟数据结果图，其中，图5是压力传感器检测的实际气压大小(pv)随时间周期变化的结果图；图6是回馈电流大小随时间周期变化的结果图。
[0087]
通过本试验对比，本发明带有尾气背压能量回收装置的燃料电池系统，能使得燃料电池系统调节尾气压力的目的，俗称背压功能，能量回收能够节省尾气能量的浪费，提升燃料电池系统的发电效率。
