CN111258365B - 一种燃料电池系统的功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池系统的功率控制方法，包括：燃料电池系统启动；判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“是”获取乘车需求功率Preq；根据预先得到功率‑电流关系求得目标电流Ireq并使燃料电池的输出电流Iout等于目标电流Ireq；获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“是”计算功率偏差并判断率偏差ΔP＝Preq‑Po是否大于等于预设的阈值Pt，若“是”根据输出电流Iout、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI；使燃料电池的输出电流等于Iout+ΔI。这种方法的优点在于：不依赖极化曲线的辨识过程对燃料电池电堆的最大净输出功率进行估算，适用于更多的应用场景；不会引起电堆输出电流波动且不会加速电堆的寿命衰减。

Description

一种燃料电池系统的功率控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆控制领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统的功率控制方法。
背景技术
氢燃料电池是一种将氢与氧反应产生的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，具有发电效率高，环境污染小等优点，因此被广泛应用于汽车领域。质子交换膜燃料电池的工作原理是氢气和氧气发生电化学反应，生成水的同时输出电能。由于燃料电池单体的电压通常小于1V,在实际应用时，需要将上百片单体串联组成燃料电池电堆，并匹配相应的外围附件，构成燃料电池系统。
由于燃料电池电堆的性能会随着使用时间的增长而不断衰减，效率降低，难以满足燃料电池汽车对功率的需求，从而导致动力性的下降，因此需要对燃料电池系统输出功率进行在线自适应控制，以确保燃料电池系统对整车需求功率的实时响应。但由于燃料电池固有的特性，其输出功率的大范围波动会加快性能的衰减速率，因此需要谨慎选取自适应控制的方法，避免出现燃料电池系统输出功率的大范围波动。
现有的技术方案通常是先估算燃料电池电堆的极化曲线(燃料电池堆的在线自适应极化曲线估算用的算法，通用汽车环球科技运作公司，公开号CN101237064B；基于极化曲线估计的燃料电池系统最大净功率计算方法及系统，同上，公开号CN101533073B)，该系列专利提出了一种基于理论模型在线辨识极化曲线的方法，并在该方法的基础上估计电堆的最大净输出功率，从而实现对电堆衰减后的功率控制。但该方法在实施过程中，由于依赖于极化曲线的辨识过程，而该过程存在数据收集不充分的问题，该问题会导致后续步骤无法实施以及数据收集期间无法实现功率自适应控制。
综上所述，需要提供一种燃料电池系统的功率控制方法，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系统的功率控制方法，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系统的功率控制方法,其中所述燃料电池系统的功率控制方法包括多个步骤：
步骤1：燃料电池系统启动并将k设为0；
步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“是”，执行步骤3；
步骤3：获取乘车需求功率Preq；
步骤4：根据预先得到功率-电流关系求得目标电流Ireq并使燃料电池的输出电流Iout等于目标电流Ireq；
步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“是”，执行步骤6；
步骤6：计算功率偏差ΔP＝Preq-Po并判断率偏差ΔP是否大于等于预设的阈值Pt,若“是”，执行步骤7；若“否”，再次执行步骤2；
步骤7：根据输出电流Iout、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI；
步骤8：使燃料电池的输出电流等于Iout+ΔI并将k设为1，然后再次执行步骤5。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“否”，处理结束。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤7：根据输出电流Io、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI的公式为：
Figure BDA0002400124350000021
其中C为修正系数。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述判断输出功率是否处于稳态为判断在与预设的时间长度内内的需求功率Preq的最大最小值之差以及实际功率P0的最大最小值之差是否均小于预设的阈值Pmax。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“否”，执行步骤9；
步骤9：判断k是否不为0，若“是”，执行步骤10；若“否”，再次执行步骤2；
步骤10：根据实际输出功率Po和输出电流Iout更新功率-电流关系和/或电压-电流关系，将k设为0并计算电堆衰减率，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燃料电池系统的功率控制方法，其中所述功率-电流关系是功率-电流MAP、功率-电流间的拟合公式或功率-电流间的理论公式。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述电压-电流关系是电压-电流MAP、电压-电流间的拟合公式或电压-电流间的理论公式。
该燃料电池系统的功率控制方法的优点在于：不依赖极化曲线的辨识过程对燃料电池电堆的最大净输出功率进行估算，适用于更多的应用场景并避免数据收集不充分造成的后续步骤无法实施以及数据收集期间无法实现功率自适应控制的问题；不会引起电堆输出电流波动且不会加速电堆的寿命衰减；能够避免出现燃料电池系统输出功率的大范围波动。
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系统的功率控制方法的流程图。
具体实施方式
图1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系统的功率控制方法的流程图。如图1所示，所述燃料电池系统的功率控制方法包括多个步骤：
步骤1：燃料电池系统启动并将k设为0；
步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“是”，执行步骤3；
步骤3：获取乘车需求功率Preq；
步骤4：根据预先得到功率-电流关系求得目标电流Ireq并使燃料电池的输出电流Iout等于目标电流Ireq；
步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“是”，执行步骤6；
步骤6：计算功率偏差ΔP＝Preq-Po并判断率偏差ΔP是否大于等于预设的阈值Pt,若“是”，执行步骤7；若“否”，再次执行步骤2；
步骤7：根据输出电流Iout、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI；
步骤8：使燃料电池的输出电流等于Iout+ΔI并将k设为1，然后再次执行步骤5。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“否”，处理结束。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤7：根据输出电流Io、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI的公式为：
Figure BDA0002400124350000041
其中C为修正系数。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述判断输出功率是否处于稳态为判断在与预设的时间长度内内的需求功率Preq的最大最小值之差以及实际功率P0的最大最小值之差是否均小于预设的阈值Pmax。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“否”，执行步骤9；
步骤9：判断k是否不为0，若“是”，执行步骤10；若“否”，再次执行步骤2；
步骤10：根据实际输出功率Po和输出电流Iout更新功率-电流关系和/或电压-电流关系，将k设为0并计算电堆衰减率，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燃料电池系统的功率控制方法，其中所述计算电堆衰减率，具体而言，可利用现有的简单估计特定电流下的衰减率：
Figure BDA0002400124350000051
也可以利用电压-电流理论公式计算衰减率：
Figure BDA0002400124350000052
其中，Is为电流，Uest为根据理论公式计算的Is下的电压，UBOL为电堆出厂时的电压值。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述功率-电流关系是功率-电流MAP、功率-电流间的拟合公式或功率-电流间的理论公式，如：
P＝∑ai·Ii
其中P为电堆功率，ai为拟合系数，I为电流。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池系统的功率控制方法，其中所述电压-电流关系是电压-电流MAP、电压-电流间的拟合公式或电压-电流间的理论公式，如：
U＝f(I)＝a-b·lnI-I·R
其中U为电压，a、b、R为拟合系数，I为电流。
该燃料电池系统的功率控制方法的优点在于：不依赖极化曲线的辨识过程对燃料电池电堆的最大净输出功率进行估算，适用于更多的应用场景并避免数据收集不充分造成的后续步骤无法实施以及数据收集期间无法实现功率自适应控制的问题；不会引起电堆输出电流波动且不会加速电堆的寿命衰减；能够避免出现燃料电池系统输出功率的大范围波动。
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)

1.一种燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统的功率控制方法包括多个步骤：
步骤1：燃料电池系统启动并将k设为0；
步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“是”，执行步骤3；
步骤3：获取乘车需求功率Preq；
步骤4：根据预先得到功率-电流关系求得目标电流Ireq并使燃料电池的输出电流Iout等于目标电流Ireq；
步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“是”，执行步骤6；
步骤6：计算功率偏差ΔP＝Preq-Po并判断功 率偏差ΔP是否大于等于预设的阈值Pt,若“是”，执行步骤7；若“否”，再次执行步骤2；
步骤7：根据输出电流Iout、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI；根据输出电流Iout 、需求功率Preq和功率偏差ΔP计算电流偏差ΔI的公式为：
Figure FDA0003172521730000011
其中C为修正系数；
步骤8：使燃料电池的输出电流等于Iout+ΔI并将k设为1，然后再次执行步骤5。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述步骤2：判断燃料电池系统是否处于运行状态，若“否”，处理结束。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述判断输出功率是否处于稳态为判断在与预设的时间长度内的需求功率Preq的最大最小值之差以及实际功率Po的最大最小值之差是否均小于预设的阈值Pmax。
4.如权利要求3所述的燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述步骤5：获取燃料电池的实际输出功率Po并判断实际输出功率是否处于稳态，若“否”，执行步骤9；
步骤9：判断k是否不为0，若“是”，执行步骤10；若“否”，再次执行步骤2；
步骤10：根据实际输出功率Po和输出电流Iout更新功率-电流关系和/或电压-电流关系，将k设为0并计算电堆衰减率，然后再次执行步骤2。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述功率-电流关系是功率-电流MAP、功率-电流间的拟合公式或功率-电流间的理论公式。
6.如权利要求4所述的燃料电池系统的功率控制方法，其特征在于，所述电压-电流关系是电压-电流MAP、电压-电流间的拟合公式或电压-电流间的理论公式。
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