CN111244507B - 一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统，属于燃料电池客车领域。方法包括：建立车载氢系统输出气体的压力预测模型，根据压力预测模型确定用于控制车载氢系统输出气体压力的压力预测值；计算压力预测值与设定的目标压力值间的差值，得到预测误差；获取车载氢系统输出气体的实际压力值，计算实际压力值与目标压力值间的差值，得到实际误差；比较预测误差和实际误差，当预测误差小于实际误差时，利用压力预测模型输出下一时刻的压力预测值，作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体。本发明通过预先判断车载氢系统输出压力的变化趋势，提前调节车载氢系统输出气体的压力，使供给的氢气能够满足燃料电池系统的需求。

Description

一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统

技术领域

本发明属于新能源汽车的燃料电池客车领域，具体涉及一种车载氢系统的控制方法、装置及车载氢系统。

背景技术

车载氢系统作为燃料电池系统的燃料供给总成，其主要作用是需要将高压储氢瓶中的35MPa高压氢气通过压力调节阀减为1MPa以下的低压氢气，以满足燃料电池系统内部化学反应所需的气体流量和压力。然而，燃料电池客车的工况是不断变化的，燃料电池系统输出的功率随整车工况时刻变化，使得所需的氢气量随之变化，尤其面临爬坡、急加速等工况时，燃料电池系统输出功率变化幅度较大，对氢气的需求量急剧增大，造成低压氢气压力出现大幅波动，当某一时刻的氢气流量或压力无法满足燃料电池系统需求时，燃料电池系统将发出报警信息，影响燃料电池系统和整车的正常运行。

由于控制氢气流量及压力的机械装置(压力调节器)自身动态响应时间多为秒级，而氢气发生的化学反应为毫秒级，供需产生了时间维度上的不匹配，且事后流量和压力的调节属于被动调节，无法满足燃料电池系统对氢气的实时需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载氢系统的控制方法与装置，用于解决现有技术的控制方法无法满足燃料电池系统对氢气的需求问题。

基于上述目的，一种车载氢系统的控制方法的技术方案如下：

建立车载氢系统输出气体的压力预测模型，根据所述压力预测模型，确定用于控制车载氢系统输出气体压力的压力预测值；计算所述压力预测值与目标压力值之间的差值，得到预测误差；

获取所述车载氢系统输出气体的实际压力值，计算所述实际压力值与所述目标压力值之间的差值，得到实际误差；

比较所述预测误差和实际误差，当所述预测误差小于所述实际误差时，利用所述压力预测模型输出下一时刻的压力预测值，并作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体。

基于上述目的，一种车载氢系统的控制装置的技术方案如下：

包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述车载氢系统的控制方法中的步骤。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的车载氢系统的控制方法和装置，能够对输出的氢气状态进行预测并调节，满足燃料电池系统的需求，即通过压力预测模型预测车载氢系统输出的气体压力，得到压力预测值；获取与该压力预测值对应(指时刻对应)的实际压力值，将压力预测值与实际压力值分别与设定压力比较作差，得到预测误差和实际误差，然后比较这两个误差，当预测误差较小时，将计算的压力预测值作为目标压力，控制车载氢系统输出的气体压力。

本发明通过预先判断车载氢系统输出压力的变化趋势，提前调节车载氢系统输出气体的压力，使车载氢系统供给的氢气能够满足燃料电池系统的需求。相对于现有技术中车载氢系统输出氢气压力的被动式调节，本发明实现的是主动式调节，保证氢气流量和压力的实时供给，提高燃料电池系统的实时变载能力，满足整车工况频繁变化，改善了汽车在爬坡、急加速等工况过程中，车载氢系统释放氢气滞后的问题。同时，本发明的车载氢系统的控制方法和装置能够避免电化学反应过程中出现浓差极化问题。浓差极化产生的原因是由于氢气传质速率低于氢气电化学反应的速率，所以通过本发明的控制方法可以保证燃料电池所需的氢气压力与流量。

为了得到所述压力预测模型，具体的，所述压力预测模型的建立步骤包括：

在设定时间内连续采集车载氢系统输出气体的实际压力值，根据所述设定时间内的实际压力值建立原始数据序列；利用所述原始数据序列建立灰色预测模型，作为所述建立车载氢系统输出气体的压力预测模型。利用灰色预测模型的超前预测功能预测车载氢系统压力的变化趋势，且得到的预测压力值能够用于补偿外界干扰和系统的不确定性。由于氢系统压力变化具有非线性、时延性和不确定性的特点，基于灰色预测模型的前馈控制和反馈控制，能够对氢系统压力进行精确控制。前馈控制的预测结果对压力进行提前补偿控制，可以解决不确定扰动对系统的影响。

为了提高灰色预测模型的预测准确性，进一步，还包括以下步骤：

剔除所述原始数据序列中最早的实际压力值，将新采集的实际压力值更新至原始数据序列，利用更新后的原始数据序列重新建立灰色预测模型。

进一步，当所述预测误差不小于所述实际误差时，将所述目标压力值作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体。

基于上述目的，一种车载氢系统的技术方案如下：

包括储氢瓶和压力调节器，压力调节器设置在储氢瓶输出的气路上，还包括所述的控制装置，该控制装置用于控制所述压力调节器，使所述压力调节器将输出的气体压力调节至所述目标压力。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的车载氢系统，能够对输出的氢气状态进行预测并实时调节，满足燃料电池系统的实时需求。通过预先判断车载氢系统输出压力的变化趋势，提前调节车载氢系统输出气体的压力，使车载氢系统供给的氢气能够满足燃料电池系统的实时需求。相对于现有技术中车载氢系统输出氢气压力的被动式调节，本发明实现的是主动式调节，保证氢气流量和压力的实时供给，提高燃料电池系统的实时变载能力，满足整车工况频繁变化，改善了汽车在爬坡、急加速等工况过程中，车载氢系统释放氢气滞后的问题。同时，本发明的车载氢系统的控制方法和装置能够避免电化学反应过程中出现浓差极化问题。

为了实现氢气的实际压力值的获取，进一步的，还包括压力传感器，用于实时采集车载氢系统输出气体的实际压力值，并将采集数据发送至控制装置。

附图说明

图1是本发明方法实施例的车载氢系统的控制方法流程图；

图2是本发明方法实施例的车载氢系统的控制逻辑框图；

图3是本发明系统实施例的车载氢系统示意图；

图中的标号说明如下：

1，支架；2，储氢瓶；3，阀体；4，压力调节器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

为了实现燃料电池系统对氢气的实时需求，本实施例提出一种车载氢系统的控制方法，以控制车载氢系统输出的低压压力，具体包括以下步骤：

建立车载氢系统输出气体的压力预测模型，具体的，在设定时间内(例如n个采样时刻)连续采集车载氢系统输出气体的实际压力值，根据这些实际压力值建立原始数据序列，为x⁽⁰⁾＝{x⁽⁰⁾(1)，x⁽⁰⁾(2)，……，x⁽⁰⁾(n)}，然后所述原始数据序列建立灰色预测模型GM(1，1)(对于具有非线性特性的氢系统这一灰色系统，灰色预测模型控制效果较好)，根据原始数据序列依次累加生成一次累加序列(即预测数据序列)：X⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(k),k＝1,2,…,n]，其中

对此累加序列建立一阶微分方程，表达式为

根据最小二乘法求出A、B，从而得到灰色预测模型GM(1，1)，然后利用该灰色预测模型GM(1，1)预测n时刻的压力预测值。

本实施例中，通过压力传感器实时采集车载氢系统输出氢气的实际压力值，获取n时刻的实际压力值，将n时刻的压力预测值、实际压力值分别与设定压力值(即设定的目标压力值)作差，即根据压力预测值与设定压力值之间的差值，得到预测误差，根据实际压力值与设定压力值之间的差值，得到实际误差。本实施例中，设定压力值是根据采集车辆踏板开度值确定的，用于反映燃料电池系统对氢气的压力需求。即整车控制器采集车辆加速踏板开度值，按照加速踏板开度值与燃料电池系统功率之间的对应关系，计算出与加速踏板对应的燃料电池功率需求，进而该功率下对应的设定压力值。

得到n时刻的预测误差和实际误差之后，比较预测误差和实际误差的大小，当预测误差小于实际误差时，说明n时刻的压力预测值更能满足当前燃料电池系统对氢气的需要，因此利用灰色预测模型GM(1，1)输出n+1时刻的压力预测值Pn+1’，作为n+1时刻控制车载氢系统输出气体的目标压力，如图1所示。

然后，更新灰色预测模型，具体为：

剔除原始数据序列中最早的数据信息，如x⁽⁰⁾(1)，将压力传感器新采集到氢气的实际压力值x⁽⁰⁾(n+1)补加到原始数据序列中，得到更新的原始数据序列x(0)’＝{x⁽⁰⁾(2)，x⁽⁰⁾(3)，……，x⁽⁰⁾(n+1)}，基于序列x(0)’再建立灰色预测模型GM(1，1)，预测n+1时刻的压力预测值，然后把n+1时刻的实际压力值和压力预测值分别与设定压力值作差，得到n+1时刻的实际误差和预测误差，比较两个误差大小，当预测误差较小时，将灰色预测模型GM(1，1)输出n+2时刻的压力预测值作为目标压力，控制车载氢系统输出氢气的压力。然后，再去掉上一原始数据序列中最早的数据，这样新陈代谢，更新灰色预测模型，逐个预测，实现每个时刻载氢系统输出气体的压力控制。

本实施例中，实际误差和预测误差均为偏差量，均是正值；并且，在n时刻的实际误差和预测误差进行比较时，如果实际误差小于(或等于)预测误差，说明压力预测值作为目标压力的误差较大，因此不采用此压力预测值，根据实际误差调整下一时刻的控制策略，控制原理如图2所示，若实际误差小于(或等于)预测误差，断开开关K1、闭合开关K2，将设定压力值Pn+1作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体，而不采用压力预测值Pn+1’。然后，仍然按照上述内容更新灰色预测模型，并重复上述内容，以确定下一时刻用于控制氢气的目标压力。

另外，本实施例是通过比较最后时刻(n时刻)下的实际误差和预测误差，用于判断较小误差，作为其他实施方式，还可比较若干连续时刻的实际误差和预测误差，例如比较n-2、n-1和n时刻下的实际误差和预测误差，当比较结果为预测误差均较小时，采用n+1时刻的压力预测值作为目标压力，从而达到控制氢气压力的目的。

本实施例中，之所以采用灰色预测模型作为压力预测模型，是因为灰色预测模型能够通过对原始数据的重新生成，将没有规律的原始数据序列(灰色数列)通过累加处理而成为具有较强规律性的新数列，再用微分方程来描述这一新的数列，解此微分方程即得到输入变量与输出变量的关系。需要说明的是，求解灰色预测模型GM(1，1)的过程属于现有技术，不需详述。

当车辆行驶在爬坡、急加速等工况时，燃料电池系统对氢气的需求量急剧增大，采用一个灰色预测模型预测多个时刻的压力预测值可能不准，因此，采用对应一个时刻重新建立一个灰色预测模型的实施方式，作为其他实施方式，在判别出预测误差比实际误差小时，还可根据原始数据序列x⁽⁰⁾建立的灰色预测模型GM(1，1)预测n+1时刻及以后若干个时刻的压力预测值，作为对应时刻控制车载氢系统输出氢气的目标压力，而不必实时更新灰色预测模型，以减轻系统的计算压力。并且，这种情况适合车辆平稳行驶的路况，燃料电池系统对氢气变化量要求不高，通过一个压力预测模型就能准确预测一段时间内的预测压力值，因此，本实施例中的灰色预测模型可以按照某个设定的时间段来进行更新预测。

本发明的控制方法通过预先判断车载氢系统输出压力的变化趋势，提前调节车载氢系统输出气体的压力，使车载氢系统供给的氢气能够满足燃料电池系统的需求。相对于现有技术中车载氢系统输出氢气压力的被动式调节，本发明实现的是主动式调节，保证氢气流量和压力的实时供给，提高燃料电池系统的实时变载能力，满足整车工况频繁变化，改善了汽车在爬坡、急加速等工况过程中，车载氢系统释放氢气滞后的问题。同时，本发明的车载氢系统的控制方法和装置能够避免电化学反应过程中出现浓差极化问题。

装置实施例：

为了实现车载氢系统输出氢气的低压压力控制，本实施例提出一种车载氢系统的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述方法实施例中的控制方法。由于实际的车载氢系统中是通过压力调节器控制输出氢气的低压压力，因此，需要处理器将目标压力的控制指令发送至压力调节器，压力调节器根据控制指令调节输出氢气的低压压力，以满足燃料电池系统的氢气需求。

本发明的车载氢系统的控制装置，能够对输出的氢气状态进行预测并调节，满足燃料电池系统的需求，即通过压力预测模型预测车载氢系统输出的气体压力，得到压力预测值；获取与该压力预测值对应(指时刻对应)的实际压力值，将压力预测值与实际压力值分别与设定压力值比较作差，得到预测误差和实际误差，然后比较这两个误差，当预测误差较小时，将计算的压力预测值作为目标压力，控制车载氢系统输出的气体压力。

另外，本实施例中的处理器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

由于上述处理器中执行的步骤为与方法实施例中的方法流程相对应的处理进程，且对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故本实施例不再详细进行描述。

系统实施例：

本实施例将方法实施例中的控制方法应用于车载氢系统，如图3所示的一种车载氢系统，包括用于放置储氢瓶2的支架1，用于控制储氢瓶2内氢气流通的阀体3，以及用于对储氢瓶2内的氢气进行减压的压力调节器4。

其中，阀体3设置在储氢瓶2输出的气路上，阀体3的输出端设置有转换接口，压力调节器4包括高压入口，用于连接阀体3的转换接口，压力调节器4还设置有连接燃料电池系统中电池电堆的低压出口，其转换高压入口和低压出口之间连接的管路上安装有一个或若干个减压阀，减压阀的数量可根据需求进行设置，减压阀为电磁阀，其控制端连接有装置实施例中的控制装置，通过控制装置中的处理器，执行程序时实现上述方法实施例中的控制方法，来控制减压阀，以实现车载氢系统输出氢气的压力调节。

本实施例中，通过在减压阀的出口处设置压力传感器，采集输出氢气的压力数据，从而得到车载氢系统输出氢气的实际压力值。

图3所示的车载氢系统仅是本发明的控制方法及装置的一种具体应用系统，本发明的控制方法及装置并不限于此，本发明的控制方法及装置适用于同样适用于现有技术中的其他车载氢系统，不再一一举例。

因此，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种车载氢系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立车载氢系统输出气体的压力预测模型，根据所述压力预测模型，确定用于控制车载氢系统输出气体的压力预测值；计算所述压力预测值与设定的目标压力值之间的差值，得到预测误差；

获取所述车载氢系统输出气体的实际压力值，计算所述实际压力值与所述目标压力值之间的差值，得到实际误差；

比较所述预测误差和实际误差，当所述预测误差小于所述实际误差时，利用所述压力预测模型输出下一时刻的压力预测值，并作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体；所述压力预测模型的建立步骤包括：

在设定时间内连续采集车载氢系统输出气体的实际压力值，根据所述设定时间内的实际压力值建立原始数据序列；利用所述原始数据序列建立灰色预测模型，作为所述压力预测模型。

2.根据权利要求1所述的车载氢系统的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

剔除所述原始数据序列中最早的实际压力值，将新采集的实际压力值更新至原始数据序列，利用更新后的原始数据序列重新建立灰色预测模型。

3.根据权利要求1所述的车载氢系统的控制方法，其特征在于，当所述预测误差不小于所述实际误差时，将所述目标压力值作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体。

4.一种车载氢系统的控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

建立车载氢系统输出气体的压力预测模型，根据所述压力预测模型，确定用于控制车载氢系统输出气体的压力预测值；计算所述压力预测值与目标压力值之间的差值，得到预测误差；

获取所述车载氢系统输出气体的实际压力值，计算所述实际压力值与所述目标压力值之间的差值，得到实际误差；

比较所述预测误差和实际误差，当所述预测误差小于所述实际误差时，利用所述压力预测模型输出下一时刻的压力预测值，并作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体；所述处理器执行所述程序时还用于实现以下步骤：

在设定时间内连续采集车载氢系统输出气体的实际压力值，根据所述设定时间内的实际压力值建立原始数据序列；利用所述原始数据序列建立灰色预测模型，作为所述车载氢系统输出气体的压力预测模型。

5.根据权利要求4所述的车载氢系统的控制装置，其特征在于，所述处理器执行所述程序时还用于实现以下步骤：

剔除所述原始数据序列中最早的实际压力值，将新采集的实际压力值更新至原始数据序列，利用更新后的原始数据序列重新建立灰色预测模型。

6.根据权利要求4所述的车载氢系统的控制装置，其特征在于，所述处理器执行所述程序时还用于实现以下步骤：

当所述预测误差不小于所述实际误差时，将所述目标压力值作为下一时刻的目标压力，控制车载氢系统输出气体。

7.一种车载氢系统，包括储氢瓶和压力调节器，压力调节器设置在储氢瓶输出的气路上，其特征在于，还包括如权利要求4-6任一项所述的控制装置，该控制装置用于控制所述压力调节器，使所述压力调节器将输出的气体压力调节至所述目标压力。

8.根据权利要求7所述的车载氢系统，其特征在于，还包括压力传感器，用于实时采集车载氢系统输出气体的实际压力值，并将采集数据发送至控制装置。

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