CN110729503A - 用于切换氢燃料电池空压机模式的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆技术领域，尤其涉及一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法及系统。本发明所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法包括：根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式；使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。通过使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换，能够提高空气流量控制精度和控制响应性，在低转速、小负荷区域也能够保证空气控制系统的稳定，提高了燃料电池的功率响应和使用寿命。通过空压机的模式切换，在不同工况执行不同的模式，根据工况让空压机开环运行，既能满足空气控制响应性和快速性的要求，也能消除多个执行器耦合干扰，实现稳定控制。

Description

用于切换氢燃料电池空压机模式的方法及系统
技术领域
本申请涉及车辆技术领域，尤其涉及一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法及系统。
背景技术
商用车氢燃料电池是指根据功率要求实时获取氢气和氧气，进行电化学反应生成电能的设备。如图1所示，电堆是氢燃料电池反应核心，由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。氢燃料电池控制器(Fuel-Cell Control Unit，FCU)用于进行控制输出，通过CAN通讯与电动空压机(空气压缩机)控制器交互，将控制设定转速发送到电机控制器进行电动空压机的转速控制。
在燃料电池系统的推广和使用中，空气路的空气流量控制直接影响的燃料电池功率输出和使用寿命。燃料电池空气供给路需要在满足整车功率要求的情况下为燃料电池电堆提供足够的空气流量。在空气控制过程中，空气和氢气的比例以及精确的空气量都对空气量控制提出较高的要求，空气量控制通常采用普通PID方法进行闭环控制。PID是在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制，是应用最广泛的一种自动控制器。虽然PID控制对于高转速、大负荷控制有较好的效果，但在低转速、小负荷区域，闭环控制反而会造成空气控制系统的不稳定。并且，由于空气控制系统的不稳定，还会影响空气流量控制精度和控制响应性，从而影响燃料电池的功率响应和使用寿命。
由于在燃料电池空气路控制中，空压机一般采用压力闭环控制，节气门采用流量闭环控制，所以存在多个输入输出要求，因此，简单的PID方法就存在多个执行耦合或者控制响应慢的缺点，由于耦合严重，所以无法满足稳定功率输出要求。
综上所述，需要提供一种能够精确地控制进气量、提高燃料电池的功率响应和使用寿命，在低转速、小负荷区域能够保证系统稳定，并且能够避免控制耦合的互相干扰，提高空气控制响应的方法及系统。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法及系统。
一方面，本申请提出一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，包括如下步骤：
根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式；
使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，所述根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式包括：
当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，
若执行第一切换方式，则使用空压机转速和需求功率查询模式切换表，得到模式切换状态；
根据模式切换状态切换空压机模式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，
当模式切换状态为第一状态时，将空压机模式切换为开环模式；
当模式切换状态为第二状态时，将空压机模式切换为闭环模式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，
若执行第二切换方式，则使用空压机转速查询需求表，得到滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间；
使用需求功率与滞环需求功率上限以及滞环需求功率下限进行比较，得到比较结果；
根据比较结果切换空压机模式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，
若需求功率大于滞环需求功率上限，则将空压机模式切换为闭环模式；
若需求功率大于等于滞环需求功率下限，且小于等于滞环需求功率上限，则不切换空压机模式，保持上一次的模式；
若需求功率小于滞环需求功率下限，则经过延迟确认时间后，将空压机模式切换为开环模式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，所述模式切换表为二维表格，包括：空压机转速、需求功率和执行模式；所述二维表格根据空压机转速和需求功率，查找对应的执行模式。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，所述需求表为一维表格，所述一维表格中每个空压机转速都有与其对应的滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间。
第二方面，本申请提出一种用于切换氢燃料电池空压机模式的系统，包括模式切换模块；
所述模式切换模块，用于根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式，使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
进一步地，如上所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的系统，所述模式切换模块包括：第一模式切换单元和第二模式切换单元；
所述第一模式切换单元，用于当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
所述第二模式切换单元，用于当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
本申请的优点在于：通过使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换，能够提高空气流量控制精度和控制响应性，且在低转速、小负荷区域也能够保证空气控制系统的稳定，提高了燃料电池的功率响应和使用寿命。通过空压机的模式切换，可以在不同工况执行不同的模式，根据工况，让空压机开环运行，能够避免耦合情况，提高空气控制响应。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是氢燃料电池控制器的系统示意图；
图2是本申请提供的一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法的步骤示意图；
图3是本申请提供的一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法的示意图；
图4是本申请提供的一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法在空压机的整体控制策略中应用的示意图；
图5是本申请提供的一种用于切换氢燃料电池空压机模式的系统的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本申请的实施方式，提出一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，如图2所示，该方法包括：包括如下步骤：
S101，根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式；
S102，使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式包括：
当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
若执行第一切换方式，则使用空压机转速和需求功率查询模式切换表，得到模式切换状态；
根据模式切换状态切换空压机模式。
当模式切换状态为第一状态时，将空压机模式切换为开环模式；
当模式切换状态为第二状态时，将空压机模式切换为闭环模式。
若执行第二切换方式，则使用空压机转速查询需求表，得到滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间；
使用需求功率与滞环需求功率上限以及滞环需求功率下限进行比较，得到比较结果；
根据比较结果切换空压机模式。
若需求功率大于滞环需求功率上限，则将空压机模式切换为闭环模式；
若需求功率大于等于滞环需求功率下限，且小于等于滞环需求功率上限，则不切换空压机模式，保持上一次的模式；
若需求功率小于滞环需求功率下限，则经过延迟确认时间后，将空压机模式切换为开环模式。
模式切换表为二维表格，包括：空压机转速、需求功率和执行模式；二维表格(二维查询表)根据空压机转速和需求功率，查找对应的执行模式。
需求表为一维表格，一维表格中每个空压机转速都有与其对应的滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间。
在实际使用时，可能同一款燃料电池发动机会用于不同的整车厂家，不同厂家的整车验证情况不同，不一定都用同一个方法，使用两种切换方式，能够使燃料电池发动机在装配到不同车辆上时的适应性更广，实用性更强。
若车上安装了能够获取转速值的传感器，使得到的转速值更准确，则优选地，采用第一切换方式能获得更好的使用效果。若车上没有安装能够获取转速值的传感器，得到的转速值的准确度不是很高，则优选地，采用第二切换方式能获得更好的使用效果。
下面，结合图3，对本申请实施例的实施方式进行进一步说明。
切换开关能够选择执行哪种切换方式。切换开关是一个标定量，包括数值0和1，分别用来表示两种切换方式。假设切换开关的数值被标定为0，则表示切换开关在第一状态，执行第一切换方式。
若切换开关在第一状态，则执行第一切换方式。根据当前的空压机转速与电堆需求功率，查询模式切换表(开闭环切换MAP)，得到模式切换状态(开闭环控制状态Flag)。
优选地，模式切换表中可以使用0和1表示不同的状态。当根据当前的空压机转速n与电堆需求功率P，查询到的模式切换状态为0时，则模式切换状态为第一状态，开闭环控制状态Flag＝0，将空压机模式切换为开环模式。当根据当前的空压机转速与电堆需求功率，查询到的模式切换状态为1时，则模式切换状态为第二状态，开闭环控制状态Flag＝1，将空压机模式切换为闭环模式。
优选地，模式切换表可以采用线性插值，标定当前值和下一时刻数值。进行空压机模式切换时，使用线性插值，避免负荷突变。
若切换开关在第二状态，则执行第二切换方式。是否切换氢燃料电池空压机模式，需要根据需求功率判断，而需求功率的上下限值与转速有关。如果需求功率P超过滞环需求功率上限P_max，控制器的控制模式通过开闭环控制状态Flag释放，即Flag＝1，则将空压机模式切换为闭环模式。如果需求功率P低于滞环需求功率下限P_min，闭环控制开关关闭时需要经过一段时间的延迟确认，防止闭环控制关闭时空压机在低负荷门槛值时出现波动冲击。未经过延迟确认的开闭环控制状态Flag1是通过需求功率P与P_max和P_min比较得到。当需求功率P低于滞环需求功率下限P_min时，Flag1＝0，需要使用延迟确认逻辑确认经过t时间(延迟确认时间)之后，开闭环控制开关Flag＝1，将空压机模式切换为开环模式。假设t＝2秒，则经过2秒后，开闭环控制状态Flag＝0，将空压机模式切换为开环模式。当P_min<需求功率P<P_max时，Flag1保持上一时刻的数值，不切换空压机模式，保持空压机上一次的模式。其中，L表示left，R表示right。
滞环需求功率的上限和下限值跟当前的空压机转速n相关。由此可以实现在不同的转速和负荷下对空压机的开闭环控制。目的主要是防止在低负荷区，实际空压机流量可能存在偏差不能达到需求值，此时使用闭环控制有可能会造成流量持续波动。而大负荷的时候使用闭环可以实现精确的控制。
当前氢燃料电池产品控制方案主要是采用开环控制和简单PID控制，这两种控制方法都有各自的缺点，开环控制无法精确进行控制量闭环，而简单的PID控制控制稳定性较差，耦合严重，无法满足稳定功率输出要求。本申请实施例在低转速、小负荷区域采用开环，实现系统稳定和快速响应，在高转速、大负荷控制区域采用闭环，控制精度高，偏差小，稳定性好。
本申请实施例，优选地，用于公交车的燃料电池控制系统。公交车多数处于低速区域运行。现在空压机主要采用流量闭环控制，闭环控制对于高转速、大负荷控制有较好的效果，但在低转速、小负荷区域，闭环控制反而会造成系统的不稳定。当燃料电池处于怠速、吹扫等模式时，空压机恒转速运行，此时，采用闭环控制没有意义。所以通过在不同工况下采用不同控制的方法，根据需求功率进行开闭环切换条件的判断，能够确保进气系统流量控制精度、响应性和控制的稳定性，满足进排气系统控制的精确度和匹配控制的鲁棒性。
图4为本申请实施例在空压机的整体控制策略中应用的一种实施方式。
如图4所示，开闭环控制开关Flag的输出与转速平顺切换逻辑相连，控制电池空压机模式的切换，并根据切换后的模式，计算空压机设定转速。
当空压机模式切换为开环模式(开环控制)时，空压机设定转速等于前馈控制转速。当空压机模式切换为闭环模式(闭环控制)时，空压机设定转速等于前馈控制转速与PID微调控制转速的和。其中，前馈控制转速和PID微调控制转速都是根据计算得到的空压机基本需求转速。
根据本申请的实施方式，还提出一种用于切换氢燃料电池空压机模式的系统，如图5所示，包括模式切换模块；
模式切换模块101，用于根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式，使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
模式切换模块包括：第一模式切换单元和第二模式切换单元；
第一模式切换单元，用于当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
第二模式切换单元，用于当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
本申请的方法中，通过使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换，能够提高空气流量控制精度和控制响应性，且在低转速、小负荷区域也能够保证空气控制系统的稳定，提高了燃料电池的功率响应和使用寿命。通过空压机的模式切换，可以在不同工况执行不同的模式，根据工况，让空压机开环运行，既能满足空气控制响应性和快速性的要求，同时也能消除多个执行器耦合干扰，实现稳定控制。根据电堆的功率需求和实际工况来控制空压机的开闭环模式，确保进气系统流量控制精度、响应性和控制的稳定性，满足进排气系统控制的精确度和匹配控制的鲁棒性。通过在低转速、小负荷区域采用开环，可以实现系统稳定和快速响应，在高转速、大负荷控制区域采用闭环，控制精度高，偏差小，稳定性好。使用两种切换方式，能够提高燃料电池发动机的适应性和实用性，使燃料电池能够更加方便地与不同车辆进行匹配。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式；
使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
2.根据权利要求1所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，所述根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式包括：
当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
3.根据权利要求2所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，
若执行第一切换方式，则使用空压机转速和需求功率查询模式切换表，得到模式切换状态；
根据模式切换状态切换空压机模式。
4.根据权利要求3所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，
当模式切换状态为第一状态时，将空压机模式切换为开环模式；
当模式切换状态为第二状态时，将空压机模式切换为闭环模式。
5.根据权利要求2所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，
若执行第二切换方式，则使用空压机转速查询需求表，得到滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间；
使用需求功率与滞环需求功率上限以及滞环需求功率下限进行比较，得到比较结果；
根据比较结果切换空压机模式。
6.根据权利要求5所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，
若需求功率大于滞环需求功率上限，则将空压机模式切换为闭环模式；
若需求功率大于等于滞环需求功率下限，且小于等于滞环需求功率上限，则不切换空压机模式，保持上一次的模式；
若需求功率小于滞环需求功率下限，则经过延迟确认时间后，将空压机模式切换为开环模式。
7.如权利要求3所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，所述模式切换表为二维表格，包括：空压机转速、需求功率和执行模式；所述二维表格根据空压机转速和需求功率，查找对应的执行模式。
8.如权利要求5所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的方法，其特征在于，所述需求表为一维表格，所述一维表格中每个空压机转速都有与其对应的滞环需求功率上限、滞环需求功率下限和延迟确认时间。
9.一种用于切换氢燃料电池空压机模式的系统，其特征在于，包括模式切换模块；
所述模式切换模块，用于根据切换开关的当前状态，执行对应的切换方式，使用空压机转速和需求功率，根据当前执行的切换方式，实现空压机的模式切换。
10.如权利要求9所述的用于切换氢燃料电池空压机模式的系统，其特征在于，所述模式切换模块包括：第一模式切换单元和第二模式切换单元；
所述第一模式切换单元，用于当切换开关在第一状态时，执行第一切换方式；
所述第二模式切换单元，用于当切换开关在第二状态时，执行第二切换方式。
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