CN110112446A - 一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法 - Google Patents

一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，包括将时刻计数值设为1；获取燃料电池氢系统当前全部n个储氢气瓶内各自的温度和连接储氢组件和供氢组件的管路中的管路压力；判断当前的时刻计数值是否大于1，若“是”，获取上一时刻的压力预测方差和压力预测值并计算增益系数；计算补正压力和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量；计算当前时刻的压力预测方差和压力预测值；时刻计数值加1并记录本时刻的压力预测方差和压力预测值。这种方法的优点在于:运用统计学在线迭代计算方法，对氢系统压力传感器数据的误差进行修正，提高了燃料电池氢系统氢气剩余质量计算精度。

Description

一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法
技术领域
本发明涉及一种计算方法，具体而言，涉及一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法。
背景技术
氢燃料电池汽车技术日趋发展成熟，作为一种零污染、零排放的新能源汽车，氢燃料电池汽车已经越来越多的进入到了交通系统，得到公众的广泛认可。燃料电池车以氢气为燃料，通过燃料发动机，将化学能高效转化为电能从而驱动汽车，整个过程仅排出纯净的水，因而是不久的将来取代传统化石燃料汽车的最理想的节能环保型零排放交通工具。
氢系统剩余氢气质量意味着氢燃料电池车辆的剩余行驶里程，氢系统额定氢气容量与剩余氢气质量差值意味着氢系统理论可加注氢气质量，受氢气瓶加氢温度过程影响，温度越高氢系统理论可加注氢气质量越少，过多过快加注氢气容易使储氢气瓶压力超过限值、局部温度超过限值。准确计算氢系统剩余氢气质量是非常必要的，既能充分利用氢系统性能，又能充分保护氢系统安全。
现有技术使用氢系统中的氢气压力和温度计算剩余氢气质量，但氢系统安装在车辆上时，电磁环境和噪声恶劣，对传感器采集到的压力和温度传感器信号影响很大，氢系统温度范围是从-30℃到80℃或者更宽，氢系统压力范围为0-70MPa或者更宽，温度传感器精度低、压力传感器精度低，限制了氢系统剩余氢气质量计算精度。
综上所述，需要提供一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其能够克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其能够克服现有技术的缺陷。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现。
本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法,所述剩余氢气计算方法包括多个步骤：
步骤1：将时刻计数值k设为1；
步骤2：获取燃料电池氢系统当前全部n个储氢气瓶内各自的温度T1,T2…Tn和连接储氢组件和供氢组件的管路中的管路压力P；
步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1，若“是”，执行步骤4；
步骤4：获取上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1并计算增益系数G＝Wk-1/(Wk-1+R)，其中R为预设的方差调整值；
步骤5：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn；
步骤6：根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk；
步骤7：记录本时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk并将时刻计数值k加1，然后再次执行步骤2。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1,若“否”，执行步骤8；
步骤8：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P计算当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为：
Mn＝P*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)
其中V是全部储氢气瓶能够储存的氢气的体积，MH2是储氢气瓶能够储存的氢气的摩尔质量，RHy是通用气体常数，Cof是预先确定的反映温度和压力对应关系的修正系数，Cof的值与P和Tn相关；
步骤9：设置补正压力Pm＝P，压力预测方差Wk-1＝R，增益系数G＝0.5，其中R为预设的方差调整值，然后执行步骤6。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤5根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn包括：
步骤501：根据增益系数G、压力预测值Pk-1和管路压力P计算各个储氢气瓶的补正压力Pm＝Pk-1+G*(P-Pk-1)；
步骤502：根据补正压力Pm和当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn计算各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为Mn＝Pm*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤6根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差压力Wk和预测值Pk包括：
步骤601：根据上一时刻的压力预测方差Wk-1计算中间压力预测方差W＝Wk-1*(1-G)；
步骤602：累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量mt；
步骤603：根据氢气质量变化量mt计算管路压力变化值
Uk＝mt/(V1/(RHy*T1*Cof1)+V2/(RHy*T2*Cof2)+…+Vn/(RHy*Tn*Cofn))
其中，Cof1,Cof2…Cofn是预先确定的分别反映第1,2…n个储氢气瓶的温度T1,T2…Tn和补正压力Pm对应关系的修正系数；
步骤604：计算本时刻压力预测值Pk＝Pm+Uk；
步骤605：计算本时刻压力预测方差Wk＝W+Q*(Cofa*RHy*Ta)2/V2，其中平均温度Ta＝(T1+T2+…+Tn)/n,Cofa是预先确定的分别反映平均温度Ta和补正压力Pm对应关系的修正系数。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量包括通过在各个储氢气瓶的瓶口流量计测量得到的氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量还包括通过测量连接储氢组件和供氢组件的管路上的可控气流装置的前端氢气压力、后端氢气压力、控制信号、气体温度和零部件温度通过计算或查表得到单位时间流经过该可控零部件的氢气流量，然后通过氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述剩余氢气计算方法在燃料电池氢系统启动时开始执行直至燃料电池氢系统关闭时停止运行。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述燃料电池氢系统包括供氢组件、储氢组件、注氢组件、检测组件、第一管路和第二管路，储氢组件包括多个储氢气瓶和多个瓶口阀，检测组件包括气压计和多个温度计，每个储氢气瓶上均设有温度计，每个储氢气瓶的瓶口均设有瓶口阀，注氢组件通过第一管路分别与供氢组件和储氢组件的多个瓶口阀连通，供氢组件通过第二管路和外部燃料电池发动机连通，气压计设置在第一管路上。
该剩余氢气计算方法的优点在于：运用统计学在线迭代计算方法，对氢系统压力传感器数据的误差进行修正，提高了燃料电池氢系统氢气剩余质量计算精度，有利于充分发挥氢系统性能并保证氢系统安全使用。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢系统的框图；
图2示出了如图1所示的根据本发明一个实施方式的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法的流程图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池氢系统的框图。如图1所示，所述燃料电池氢系统包括供氢组件A、储氢组件B、注氢组件C、检测组件(未示出)、第一管路E和第二管路F，储氢组件B包括多个储氢气瓶B1和多个瓶口阀B2，检测组件包括气压计(未示出)和多个温度计(未示出)，每个储氢气瓶B1上均设有温度计，每个储氢气瓶B1的瓶口均设有瓶口阀B2，注氢组件C通过第一管路E分别与供氢组件A和储氢组件B的多个瓶口阀B2连通，供氢组件A通过第二管路F和外部燃料电池发动机D连通，气压计设置在第一管路E上。
图2示出了如图1所示的根据本发明一个实施方式的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法的流程图。如图2所示，所述剩余氢气计算方法包括多个步骤：
步骤1：将时刻计数值k设为1；
步骤2：获取燃料电池氢系统当前全部n个储氢气瓶内各自的温度T1,T2…Tn和连接储氢组件和供氢组件的第一管路E中的管路压力P；
步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1，若“是”，执行步骤4；
步骤4：获取上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1并计算增益系数G＝Wk-1/(Wk-1+R)，其中R为预设的方差调整值；
步骤5：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn；
步骤6：根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk；
步骤7：记录本时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk并将时刻计数值k加1，然后再次执行步骤2。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1,若“否”，执行步骤8；
步骤8：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P计算当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为
Mn＝P*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)
其中V是全部储氢气瓶能够储存的氢气的体积，MH2是储氢气瓶能够储存的氢气的摩尔质量，RHy是通用气体常数，Cof是预先确定的反映温度和压力对应关系的修正系数，Cof的值与P和Tn相关；
步骤9：设置补正压力Pm＝P，压力预测方差Wk-1＝R，增益系数G＝0.5，其中R为预设的方差调整值，然后执行步骤6。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤5根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn包括：
步骤501：根据增益系数G、压力预测值Pk-1和管路压力P计算各个储氢气瓶的补正压力Pm＝Pk-1+G*(P-Pk-1)；
步骤502：根据补正压力Pm和当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn计算各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为Mn＝Pm*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤6根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差压力Wk和预测值Pk包括：
步骤601：根据上一时刻的压力预测方差Wk-1计算中间压力预测方差W＝Wk-1*(1-G)；
步骤602：累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量mt；
步骤603：根据氢气质量变化量mt计算管路压力变化值
Uk＝mt/(V1/(RHy*T1*Cof1)+V2/(RHy*T2*Cof2)+…+Vn/(RHy*Tn*Cofn))
其中，Cof1,Cof2…Cofn是预先确定的分别反映第1,2…n个储氢气瓶的温度T1,T2…Tn和补正压力Pm对应关系的修正系数；
步骤604：计算本时刻压力预测值Pk＝Pm+Uk；
步骤605：计算本时刻压力预测方差Wk＝W+Q*(Cofa*RHy*Ta)2/V2，其中平均温度Ta＝(T1+T2+…+Tn)/n,Cofa是预先确定的分别反映平均温度Ta和补正压力Pm对应关系的修正系数。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量包括通过在各个储氢气瓶的瓶口流量计测量得到的氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量还包括通过测量连接储氢组件和供氢组件的管路上的可控气流装置的前端氢气压力、后端氢气压力、控制信号、气体温度和零部件温度通过计算或查表得到单位时间流经过该可控零部件的氢气流量，然后通过氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
根据本发明的上述一个实施方式提供的剩余氢气计算方法，其中所述剩余氢气计算方法在燃料电池氢系统启动时开始执行直至燃料电池氢系统关闭时停止运行。
该剩余氢气计算方法的优点在于：运用统计学在线迭代计算方法，对氢系统压力传感器数据的误差进行修正，提高了燃料电池氢系统氢气剩余质量计算精度，有利于充分发挥氢系统性能并保证氢系统安全使用。
当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。

Claims (8)

1.一种燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述剩余氢气计算方法包括多个步骤：
步骤1：将时刻计数值k设为1；
步骤2：获取燃料电池氢系统当前全部n个储氢气瓶内各自的温度T1,T2…Tn和连接储氢组件和供氢组件的管路中的管路压力P；
步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1，若“是”，执行步骤4；
步骤4：获取上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1并计算增益系数G＝Wk-1/(Wk-1+R)，其中R为预设的方差调整值；
步骤5：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn；
步骤6：根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk；
步骤7：记录本时刻的压力预测方差Wk和压力预测值Pk并将时刻计数值k加1，然后再次执行步骤2。
2.如权利要求1所述的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述步骤3：判断当前的时刻计数值k是否大于1,若“否”，执行步骤8；
步骤8：根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P计算当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为：
Mn＝P*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)
其中V是全部储氢气瓶能够储存的氢气的体积，MH2是储氢气瓶能够储存的氢气的摩尔质量，RHy是通用气体常数，Cof是预先确定的反映温度和压力对应关系的修正系数，Cof的值与P和Tn相关；
步骤9：设置补正压力Pm＝P，压力预测方差Wk-1＝R，增益系数G＝0.5，其中R为预设的方差调整值，然后执行步骤6。
3.如权利要求1所述的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述步骤5根据燃料电池氢系统当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn、管路压力P、增益系数G、上一时刻的压力预测方差Wk-1和压力预测值Pk-1计算补正压力Pm和当前各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn包括：
步骤501：根据增益系数G、压力预测值Pk-1和管路压力P计算各个储氢气瓶的补正压力Pm＝Pk-1+G*(P-Pk-1)；
步骤502：根据补正压力Pm和当前各个储氢气瓶内的温度T1,T2…Tn计算各个储氢气瓶中的剩余氢气质量M1,M2…Mn，计算公式为Mn＝Pm*V*MH2/(RHy*Tn*Cof)。
4.如权利要求1所述的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述步骤6根据补正压力Pm、上一时刻的压力预测方差Wk-1和增益系数G计算当前时刻的压力预测方差压力Wk和预测值Pk包括：
步骤601：根据上一时刻的压力预测方差Wk-1计算中间压力预测方差W＝Wk-1*(1-G)；
步骤602：累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量mt；
步骤603：根据氢气质量变化量mt计算管路压力变化值
Uk＝mt/(V1/(RHy*T1*Cof1)+V2/(RHy*T2*Cof2)+…+Vn/(RHy*Tn*Cofn))
其中，Cof1,Cof2…Cofn是预先确定的分别反映第1,2…n个储氢气瓶的温度T1,T2…Tn和补正压力Pm对应关系的修正系数；
步骤604：计算本时刻压力预测值Pk＝Pm+Uk；
步骤605：计算本时刻压力预测方差Wk＝W+Q*(Cofa*RHy*Ta)2/V2，其中平均温度Ta＝(T1+T2+…+Tn)/n,Cofa是预先确定的分别反映平均温度Ta和补正压力Pm对应关系的修正系数。
5.如权利要求4所述的燃料电池氢系统的储氢气瓶故障诊断方法，其特征在于，所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量包括通过在各个储氢气瓶的瓶口流量计测量得到的氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
6.如权利要求4所述的燃料电池氢系统的储氢气瓶故障诊断方法，其特征在于，所述步骤602累计计算储氢气瓶中氢气的质量的变化量还包括通过测量连接储氢组件和供氢组件的管路上的可控气流装置的前端氢气压力、后端氢气压力、控制信号、气体温度和零部件温度通过计算或查表得到单位时间流经过该可控零部件的氢气流量，然后通过氢气流量积分计算得到储氢气瓶中氢气的质量的变化量。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述剩余氢气计算方法在燃料电池氢系统启动时开始执行直至燃料电池氢系统关闭时停止运行。
8.如权利要求1所述的燃料电池氢系统的剩余氢气计算方法，其特征在于，所述燃料电池氢系统包括供氢组件、储氢组件、注氢组件、检测组件、第一管路和第二管路，储氢组件包括多个储氢气瓶和多个瓶口阀，检测组件包括气压计和多个温度计，每个储氢气瓶上均设有温度计，每个储氢气瓶的瓶口均设有瓶口阀，注氢组件通过第一管路分别与供氢组件和储氢组件的多个瓶口阀连通，供氢组件通过第二管路和外部燃料电池发动机连通，气压计设置在第一管路上。
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