CN110828863B - 一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法 - Google Patents

一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法 Download PDF

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Abstract

一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，主要包括以下步骤：S1、建立进入燃料电池的氢气流量Q(x)数学模型，S2、建立Q′(ΔP)物理模型，S3、将Q(x)和Q′(ΔP)输入FCU控制系统中，S4、启动燃料电池，进入扫气阶段，关闭瓶阀，FCU控制系统设定功率请求，对应的获取燃料电池所需的Q(x)值和Q′(ΔP)值，S5、计算S4中FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值是否符合精度要求，S6、重新确定S1中Q(x)表达式中的系统向量θ，调整电控比例阀的控制精准度，S7、当S6中系统向量θ重新确定后，代入S1中Q(x)表达式内，以得到调整后的Q(x)表达式，并将调整后的Q(x)表达式输入FCU控制系统中，S8、重复S4‑S7的操作，直至FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差符合精度要求，即可得到控制精准度高的电控比例阀。

Description

一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池汽车领域，尤其涉及一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法。
背景技术
氢燃料电池控制系统需要阴极含氧量和阳极氢气量精准配合。当整车需求功率跟随外部环境变化时，氢燃料电池系统中燃料电池需求的空燃比也会跟随性变化。氢气供给系统中电控比例阀控制进入燃料电池内的氢气流量，若氢气流量的控制精度差，燃料电池输出功率将产生波动。电控比例阀由于生产一致性差，内部结构老化等因素导致电控比例阀的动态响应和控制精度产生变化，进而导致其控制进入燃料电池内的氢气流量精准度下降，影响氢燃料电池控制系统的正常使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法。
本发明提供一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，主要包括以下步骤：
S1、建立燃料电池所需的氢气流量与电控比例阀加电时间和中压压力之间的数学模型Q(x)，其表达式如下所示：
Q(x)＝θ0+θ1*P+θ2*T+θ3*P*T+θ4*P2 (1)
Q(x)＝θT*x (2)
θ＝[θ0,θ1,θ2,θ3,θ4]T (3)
x＝[1,P,T,P*T,P2]T (4)
上式(1)-式(4)中，Q(x)代表进入燃料电池的氢气流量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
T代表电控比例阀加电时间；
S2、建立进入燃料电池系统的实际氢气流量与中压压力和压降之间的物理模型Q′(ΔP)，其表达式如下所示：
Figure GDA0002698610230000021
上式中，Q′(ΔP)为进入燃料电池的实际氢气流量；
k代表氢气的弹性模量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
t代表氢气温度；
V代表减压阀至电控比例阀之间管道的容积；
ΔP代表中压管路中的压降；
Qdrain代表阳极排气管路中废氢的回流量；
S3、将S1中得到的Q(x)和S2中得到Q′(ΔP)输入FCU控制系统中；
S4、通过VCU控制系统向FCU控制系统发送启动燃料电池命令，FCU控制系统进入扫气阶段，扫气后期，关闭瓶阀，FCU控制系统设定功率请求，对应的自动获取燃料电池所需的Q(x)值和进入燃料电池的Q′(ΔP)值；
S5、计算S4中FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值是否符合精度要求；
S6、若S5中Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值符合精度要求，则表明电控比例阀的控制精准度高，无需调整，若Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值不符合精度要求时，则表明电控比例阀的控制精准度低，此时，通过式(6)重新确定S1中Q(x)表达式中的系统向量θ，以对电控比例阀的控制精准度进行调整，其中，式(6)的表达式为：
θi＝θi-α(Qθ(x)-Q′(ΔP))*xi (6)
上式中，α代表学习速率；
i＝0,1,2,3,4；
S7、当S6中系统向量θ重新确定后，代入S1中Q(x)表达式内，以得到调整后的Q(x)表达式，并将调整后的Q(x)表达式输入FCU控制系统中；
S8、重复S4-S7的操作，直至FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差符合精度要求，即可得到控制精准度高的电控比例阀。
进一步地，当Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值小于5％时，则表明Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值符合精度要求。
进一步地，重新确定S1中Q(x)表达式中的系统向量θ包括以下步骤：
S61、建立代价函数J，其表达式如下所示：
Figure GDA0002698610230000031
S62、对式(7)进行求导，即可得到所述式(6)的表达式。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：可以补偿氢气电控比例阀由于生产一致性不好和阀体机械结构老化带来的流量偏差，精准的氢气流量控制可以提升氢燃料电池输出功率的准确性和可靠性，从而节省大量的成本。
附图说明
图1是现有技术中燃料电池氢气供给系统的结构示意图；
图2是本发明所述一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
燃料电池氢气供给系统如图1所示，其中，所述燃料电池氢气供给系统包括氢气瓶、瓶阀(这里的瓶阀为氢气瓶自带的瓶阀，由FCU控制系统控制)、减压阀、止回阀、电控比例阀、燃料电池阳极流道、氢气循环泵、热交换器、三通电磁阀组成。经过氢气瓶、瓶阀至减压阀的管路内为高压氢气气体(最高可达70MPa)，而经过减压阀、止回阀至电控比例阀的管路内为中压氢气气体，其中，经过减压阀将稳定在0.8～1MPa左右。在燃料电池氢气供给系统中，通过电控比例阀可调节进入燃料电池参与反应的氢气流量，而未参与反应的废氢混合气则通过三通电磁阀进入回流管道，并在氢气循环泵的作用下，经过热交换器冷却后再重新进入燃料电池。当燃料电池初次加氢后上电，为了防止氢气供给系统内进入空气，FCU将调用反吹策略，将氢气供给系统中的氢气气体通过三通电磁阀的另一个通道排出大气。
在此，需要说明的是，本发明不涉及对燃料电池氢气供给系统的改进，上述燃料电池氢气供给系统与现有技术中的燃料电池氢气供给系统的组成、各组成间的连接关系和工作原理均一致，且上述燃料电池氢气供给系统不是本发明需要保护的内容，因此，本发明对其内各个组成部分的连接关系和工作原理不再进行赘述。
基于上述燃料电池氢气供给系统的工作原理，本发明设计了一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，其流程图如图2所示，其主要包括以下步骤：
S1、建立燃料电池所需的氢气流量与电控比例阀加电时间和中压压力之间的数学模型Q(x)，其表达式如下所示：
Q(x)＝θ0+θ1*P+θ2*T+θ3*P*T+θ4*P2 (1)
Q(x)＝θT*x (2)
θ＝[θ0,θ1,θ2,θ3,θ4]T (3)
x＝[1,P,T,P*T,P2]T (4)
上式(1)-式(4)中，Q(x)代表燃料电池所需的氢气流量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
T代表电控比例阀加电时间；
在此，需要说明的是，上式中的x不具有实际的代指意义，仅为了方便表达式(4)的方程式；Q(x)为根据燃料电池汽车的需求功率得到的燃料电池所需参与反应的氢气流量，在模型建立后，先通过现有技术，根据燃料电池汽车的需求功率，分别对应的获取燃料电池所需的的氢气流量Q(x)、对应功率下需求的中压压力P以及电控比例阀加电时间T，并通过上述式(1)-式(4)，以得到θ，求得θ后，即可确定Q(x)的最终表达式，并在后续控制电控比例阀的应用中，通过获取Q(x)值和P值后，结合式(1)和式(2)，计算电控比例阀加电时间。
S2、建立进入燃料电池系统的实际氢气流量与中压压力和压降之间的物理模型Q′(ΔP)，其表达式如下所示：
Figure GDA0002698610230000061
上式中，Q′(ΔP)为进入燃料电池的实际氢气流量；
k代表氢气的弹性模量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
t代表氢气温度；
V代表减压阀至电控比例阀之间管道的容积；
ΔP代表中压管路中的压降；
Qdrain代表阳极排气管路中废氢的回流量；
在此，需要说明的是，当关闭瓶阀后，FCU控制系统控制电控比例阀开启后，中压管路中气体会产生压降ΔP，此时，根据式(5)，可获取通过电控比例阀进入燃料电池的实际氢气流量值Q′(ΔP)；上式(5)中，V、P、t、ΔP和Qdrain也可通过设备直接测得，且当燃料电池阳极排出气体通过三通电磁阀排出大气，且不产生回流时Qdrain＝0。而k则通过此时氢气的温度和压力，经过MAP查表就可以得到氢气的弹性模量。
S3、将S1中得到的Q(x)和S2中得到Q′(ΔP)输入FCU控制系统中；
S4、VCU控制系统向FCU控制系统发送启动燃料电池命令，FCU控制系统进入扫气阶段，扫气后期，关闭瓶阀，FCU控制系统设定功率请求，对应的自动获取燃料电池所需的Q(x)值和进入燃料电池的Q′(ΔP)值；其中，FCU控制系统设定的功率请求为，大于或等于FCU控制系统保证燃料电池正常运行时所需的需求功率，其值为由设计人员自行设置。
S5、计算S4中FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值是否符合精度要求；
S6、当S5中的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值小于5％时，则表明Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差符合精度要求，电控比例阀的控制精准度高，当Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差大于5％时，则表明Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差不符合精度要求，电控比例阀的控制精准度低，此时，需要对Q(x)中的θ进行自学习，以调整θ值，其中，θ通过式(6)进行自学习调整，式(6)的表达式为：
θi＝θi-α(Qθ(x)-Q′(ΔP))*xi (6)
上式中，α代表学习速率；
i＝0,1,2,3,4；
在对θ进行自学习调整之前，根据θ的收敛速度和收敛精度两个指标可对α直接进行设置；
上述式(6)的推导还包括一下步骤：
S61、建立代价函数J，其表达式如下所示：
Figure GDA0002698610230000071
S62、对式(7)进行求导，即可得到所述式(6)的表达式；
S7、当θ自学习调整结束后，代入S1中，以得到调整后的Q(x)表达式，再重复S4-S6的操作，直至最终FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值符合精度要求后，即可得到控制精准度高的电控比例阀。
本发明通过上述S1-S7的方法，可对生产一致性不好和阀体机械结构老化的电控比例阀的控制精准度进行调节，以提高电控比例阀的控制精准度，精准的控制进入燃料电池的氢气流量，进而实现提升氢燃料电池输出功率的准确性和可靠性。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1、建立燃料电池所需的氢气流量与电控比例阀加电时间和中压压力之间的数学模型Q(x)，其表达式如下所示：
Q(x)＝θ0+θ1*P+θ2*T+θ3*P*T+θ4*P2 (1)
Q(x)＝θT*x (2)
θ＝[θ0,θ1,θ2,θ3,θ4]T (3)
x＝[1,P,T,P*T,P2]T (4)
上式(1)-式(4)中，Q(x)代表进入燃料电池的氢气流量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
T代表电控比例阀加电时间；
S2、建立进入燃料电池系统的实际氢气流量与中压压力和压降之间的物理模型Q′(ΔP)，其表达式如下所示：
Figure FDA0002254909710000011
上式中，Q′(ΔP)为进入燃料电池的实际氢气流量；
k代表氢气的弹性模量；
P代表不同功率需求下的中压压力；
t代表氢气温度；
V代表减压阀至电控比例阀之间管道的容积；
ΔP代表中压管路中的压降；
Qdrain代表阳极排气管路中废氢的回流量；
S3、将S1中得到的Q(x)和S2中得到Q′(ΔP)输入FCU控制系统中；
S4、启动燃料电池，进入扫气阶段，关闭瓶阀，FCU控制系统设定调整功率请求，对应的获取燃料电池所需的Q(x)值和Q′(ΔP)值；
S5、计算S4中FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值是否符合精度要求；
S6、若S5中Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值符合精度要求，则表明电控比例阀的控制精准度高，无需调整，若Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值不符合精度要求时，则表明电控比例阀的控制精准度低，此时，通过式(6)重新确定S1中Q(x)表达式中的系统向量θ，以对电控比例阀的控制精准度进行调整，其中，式(6)的表达式为：
θi＝θi-α(Qθ(x)-Q′(ΔP))*xi (6)
上式中，α代表学习速率；
i＝0,1,2,3,4；
S7、当S6中系统向量θ重新确定后，代入S1中Q(x)表达式内，以得到调整后的Q(x)表达式，并将调整后的Q(x)表达式输入FCU控制系统中；
S8、重复S4-S7的操作，直至FCU控制系统获取的Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差符合精度要求，即可得到控制精准度高的电控比例阀。
2.根据权利要求1所述的一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，其特征在于，当Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值小于5％时，则表明Q(x)值和Q′(ΔP)值的误差值符合精度要求。
3.根据权利要求1所述的一种调整燃料电池汽车电控比例阀控制精准度的方法，其特征在于，重新确定S1中Q(x)表达式中的系统向量θ包括以下步骤：
S61、建立代价函数J，其表达式如下所示：
Figure FDA0002254909710000031
S62、对式(7)进行求导，即可得到所述式(6)的表达式。
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