CN110970642B - 一种燃料电池的空气系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池的空气系统控制方法包括根据燃料电池的运行状态获得目标空气压力和目标空气流量；采样当前电堆内的实际空气压力和实际空气流量；根据实际空气压力和目标空气压力计算解耦转速和偏差开度；根据实际空气流量和目标空气流量计算解耦开度和偏差转速；根据解耦转速、偏差转速和通过标定得到的前馈补偿转速计算调整转速；根据解耦开度、偏差开度和通过标定得到的前馈补偿开度计算调整开度；根据调整转速调整燃料电池的空气压缩机的转速并根据调整开度调整燃料电池的背压阀的开度。这种方法的优点在于:实现了对空气流量和空气压力目标值的精确跟踪控制；提高了燃料电池用空气系统的响应速度。

Description

一种燃料电池的空气系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制方法，具体而言，涉及一种燃料电池的空气系统控制方法。
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。
空气供给系统是燃料电池的主要系统之一，其中空气流量和空气压力是空气供给系统的两个基本参数，都需要精确控制。若空气流量过低，会导致燃料电池供氧不足，从而降低燃料电池堆的输出电压，即产生“饥饿”现象；同样，若空气流量超过一定限度后，不仅不会增加燃料电池堆的输出电压，反而会增加空气系统的寄生功率。空气压力的持续较大波动，会导致质子交换膜的疲劳损伤。因此，空气流量和空气压力的精准控制，不仅影响燃料电池堆化学反应速度和质子交换膜性能，而且影响燃料电池堆发电效率和负载能力。
由于空气流量和空气压力具有强非线性、高耦合的特点，现有空气供给系统难以实现对燃料电池堆内空气流量和空气压力的精确控制。
综上所述，需要提供一种燃料电池的空气系统控制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的空气系统控制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的空气系统控制方法所述空气系统控制方法包括多个步骤：
步骤1：根据燃料电池的运行状态获得目标空气压力PTgt和目标空气流量WTgt；
步骤2：采样当前电堆内的实际空气压力PAct和实际空气流量WAct；
步骤3：根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID；
步骤4：根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID；
步骤5：根据解耦转速NDe、偏差转速NPID和通过标定得到的前馈补偿转速NFd计算调整转速NAir＝NPID+NDe+NFd；
步骤6：根据解耦开度DDe、偏差开度DPID和通过标定得到的前馈补偿开度DFd计算调整开度DAir＝DPID+DDe+DFd；
步骤7：根据调整转速NAir调整燃料电池的空气压缩机的转速并根据调整开度DAir调整燃料电池的背压阀的开度。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述目标空气流量WTgt的计算公式为:
WTgt＝3.57×10-7×λ×Pe/Vc
其中λ表示空气计量数，Pe表示燃料电池的电堆功率，Vc表示燃料电池的电堆的平均单片电压。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述目标空气压力PTgt为事先通过实验标定方法得到的电堆运行在当前工况下的最佳工作压力。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤3：根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID包括：
步骤301：计算压力偏差值PErr＝PTgt-PAct；
步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“是”，执行步骤303；
步骤303：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算偏差开度DPID，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000021
其中kp3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的比例常数，ki3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0；
步骤304：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算解耦转速NDe，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000031
其中kp2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的比例常数，ki2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0，然后执行步骤4。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤4：根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID包括：
步骤401：计算流量偏差值WErr＝WTgt-WAct；
步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“是”，执行步骤403；
步骤403：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算偏差转速NPID，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000032
其中kp1表示流量偏差值WErr与偏差转速NPID的比例常数，ki1表示流量偏差值PErr与偏差转速NPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0；
步骤404：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算解耦开度DDe，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000033
其中kp4表示流量偏差值WErr与解耦开度DDe的比例常数，ki4表示流量偏差值PErr与解耦开度DDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0，然后执行步骤5。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“否”，执行步骤305；
步骤305：将解耦转速NDe和偏差开度DPID设为0，然后执行步骤4。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“否”，执行步骤405；
步骤405：将解耦开度DDe和偏差转速NPID设为0，然后执行步骤5。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述空气系统包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器、电堆、背压阀及控制器，空气滤清器设置在在空气压缩机的进气端，空气压缩机通过中冷器和增湿器与电堆连通，背压阀设置在电堆的出气端连接，控制器分别与空气压缩机、电堆和背压阀电连接，空气压缩机将经过空气滤清器过滤的空气经中冷器降温及增湿器加湿后送入电堆，空气在电堆内部与氢气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，背压阀控制空气系统内的压力并将未反应的废气排入大气中，控制器通过传感器检测电堆内的空气压力和空气流量并根据电堆内的空气压力和空气流量控制空气压缩机的转速和背压阀的开度。
该空气系统控制方法的优点在于：实现了空气流量和空气压力在控制上解耦，保证空气流量和空气压力独立控制，进而促使空气流量或者空气压力的调整不会造成另一个参数量的波动，实现了对空气流量和空气压力目标值的精确跟踪控制；提高了燃料电池空气系统调整电堆内空气流量和空气压力的响应速度。
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的空气系统的框图；
图2示出了如图1所示的根据本发明一个实施方式的空气系统控制方法的流程图。
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的空气系统的框图。如图1所示，所述空气系统包括空气滤清器10、空气压缩机111、中冷器12、增湿器13、电堆14、背压阀15及控制器16，空气滤清器10设置在在空气压缩机11的进气端，空气压缩机11通过中冷器12和增湿器13与电堆14连通，背压阀15设置在电堆14的出气端连接，控制器16分别与空气压缩机11、电堆14和背压阀15电连接，空气压缩机11将经过空气滤清器10过滤的空气经中冷器12降温及增湿器13加湿后送入电堆14，空气在电堆14内部与氢气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，背压阀15控制空气系统内的压力并将未反应的废气排入大气中，控制器16通过传感器(未示出)检测电堆14内的空气压力和空气流量并根据电堆14内的空气压力和空气流量控制空气压缩机11的转速和背压阀15的开度。
图2示出了如图1所示的根据本发明一个实施方式的空气系统控制方法的流程图。如图2所示，所述空气系统控制方法包括多个步骤：
步骤1：根据燃料电池的运行状态获得目标空气压力PTgt和目标空气流量WTgt，所述燃料电池的运行状态包括空气计量数、燃料电池的电堆功率和燃料电池的电堆的平均单片电压；
步骤2：采样当前电堆内的实际空气压力PAct和实际空气流量WAct；
步骤3：根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID；
步骤4：根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID；
步骤5：根据解耦转速NDe、偏差转速NPID和通过标定得到的前馈补偿转速NFd计算调整转速NAir＝NPID+NDe+NFd；
步骤6：根据解耦开度DDe、偏差开度DPID和通过标定得到的前馈补偿开度DFd计算调整开度DAir＝DPID+DDe+DFd；
步骤7：根据调整转速NAir调整燃料电池的空气压缩机的转速并根据调整开度DAir调整燃料电池的背压阀的开度。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述目标空气流量WTgt的计算公式为:
WTgt＝3.57×10-7×λ×Pe/Vcc
其中λ表示空气计量数，Pe表示燃料电池的电堆功率，Vc表示燃料电池的电堆的平均单片电压。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述目标空气压力PTgt为事先通过实验标定方法得到的电堆运行在当前工况下的最佳工作压力。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤3：根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID包括：
步骤301：计算压力偏差值PErr＝PTgt-PAct；
步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“是”，执行步骤303；
步骤303：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算偏差开度DPID，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000061
其中kp3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的比例常数，ki3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0；
步骤304：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算解耦转速NDe，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000062
其中kp2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的比例常数，ki2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0，然后执行步骤4。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤4：根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID包括：
步骤401：计算流量偏差值WErr＝WTgt-WAct；
步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“是”，执行步骤403；
步骤403：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算偏差转速NPID，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000071
其中kp1表示流量偏差值WErr与偏差转速NPID的比例常数，ki1表示流量偏差值PErr与偏差转速NPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0；
步骤404：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算解耦开度DDe，计算公式为：
Figure BDA0002264189970000072
其中kp4表示流量偏差值WErr与解耦开度DDe的比例常数，ki4表示流量偏差值PErr与解耦开度DDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0，然后执行步骤5。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“否”，执行步骤305；
步骤305：将解耦转速NDe和偏差开度DPID设为0，然后执行步骤4。
根据本发明的上述一个实施方式提供的空气系统控制方法，其中所述步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“否”，执行步骤405；
步骤405：将解耦开度DDe和偏差转速NPID设为0，然后执行步骤5。
该空气系统控制方法的优点在于：实现了空气流量和空气压力在控制上解耦，保证空气流量和空气压力独立控制，进而促使空气流量或者空气压力的调整不会造成另一个参数量的波动，实现了对空气流量和空气压力目标值的精确跟踪控制；提高了燃料电池空气系统调整电堆内空气流量和空气压力的响应速度。
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 (6)

1.一种燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述空气系统控制方法包括多个步骤：
步骤1：根据燃料电池的运行状态获得目标空气压力PTgt和目标空气流量WTgt；
步骤2：采样当前电堆内的实际空气压力PAct和实际空气流量WAct；
步骤3：根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID；
根据实际空气压力PAct和目标空气压力PTgt计算解耦转速NDe和偏差开度DPID包括：
步骤301：计算压力偏差值PErr＝PTgt-PAct；
步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“是”，执行步骤303；
步骤303：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算偏差开度DPID，计算公式为：
Figure FDA0003101298260000011
其中kp3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的比例常数，ki3表示压力偏差值PErr与偏差开度DPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0；
步骤304：根据压力偏差值PErr使用PID控制算法计算解耦转速NDe，计算公式为：
Figure FDA0003101298260000012
其中kp2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的比例常数，ki2表示压力偏差值PErr与解耦转速NDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，PErr(j)表示第j次采样时的空气压力偏差值，其中PErr(0)＝0，然后执行步骤4；
步骤4：根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID；
根据实际空气流量WAct和目标空气流量WTgt计算解耦开度DDe和偏差转速NPID包括：
步骤401：计算流量偏差值WErr＝WTgt-WAct；
步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“是”，执行步骤403；
步骤403：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算偏差转速NPID，计算公式为：
Figure FDA0003101298260000021
其中kp1表示流量偏差值WErr与偏差转速NPID的比例常数，ki1表示流量偏差值PErr与偏差转速NPID的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0；
步骤404：根据流量偏差值WErr使用PID控制算法计算解耦开度DDe，计算公式为：
Figure FDA0003101298260000022
其中kp4表示流量偏差值WErr与解耦开度DDe的比例常数，ki4表示流量偏差值PErr与解耦开度DDe的积分常数，k为采样次数，j表示第j次采样，T表示采样周期，WErr(j)表示第j次采样时的流量偏差值，其中WErr(0)＝0，然后执行步骤5；
步骤5：根据解耦转速NDe、偏差转速NPID和通过标定得到的前馈补偿转速NFd计算调整转速NAir＝NPID+NDe+NFd；
步骤6：根据解耦开度DDe、偏差开度DPID和通过标定得到的前馈补偿开度DFd计算调整开度DAir＝DPD+DDe+DFd；
步骤7：根据调整转速NAir调整燃料电池的空气压缩机的转速并根据调整开度DAir调整燃料电池的背压阀的开度。
2.如权利要求1所述的燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述目标空气流量WTgt的计算公式为：
WTgt＝3.57×10-7×λ×Pe/Vc
其中λ表示空气计量数，Pe表示燃料电池的电堆功率，Vc表示燃料电池的电堆的平均单片电压。
3.如权利要求1所述的燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述目标空气压力PTgt为事先通过实验标定方法得到的电堆运行在当前工况下的最佳工作压力。
4.如权利要求1所述的燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述步骤302：判断压力偏差值PErr是否不为0，若“否”，执行步骤305；
步骤305：将解耦转速NDe和偏差开度DPID设为0，然后执行步骤4。
5.如权利要求1所述的燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述步骤402：判断流量偏差值WErr是否不为0，若“否”，执行步骤405；
步骤405：将解耦开度DDe和偏差转速NPID设为0，然后执行步骤5。
6.如权利要求1所述的燃料电池的空气系统控制方法，其特征在于，所述空气系统包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器、电堆、背压阀及控制器，空气滤清器设置在空气压缩机的进气端，空气压缩机通过中冷器和增湿器与电堆连通，背压阀设置在电堆的出气端连接，控制器分别与空气压缩机、电堆和背压阀电连接，空气压缩机将经过空气滤清器过滤的空气经中冷器降温及增湿器加湿后送入电堆，空气在电堆内部与氢气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，背压阀控制空气系统内的压力并将未反应的废气排入大气中，控制器通过传感器检测电堆内的空气压力和空气流量并根据电堆内的空气压力和空气流量控制空气压缩机的转速和背压阀的开度。
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