CN112421078A - 一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，步骤如下：根据氢燃料电池空气系统需要设定的目标电流确定其需要设定的目标空气流量和目标空气压力；通过PI控制器控制目标空气流量和目标空气压力，对氢燃料电池空气系统的实验标定数据进行拟合，建立第一拟合函数和第二拟合函数，得到空压机转速与节气门开度；经过一段时间t，氢燃料电池空气系统稳定运行后，采集氢燃料电池空气系统实时运行的实际空气压力和实际空气流量信息，计算目标空气压力与实际空气压力的第一差值和目标空气流量与实际空气流量的第二差值，判断第一差值和第二差值是否在阈值范围，若在阈值范围，说明氢燃料电池空气系统参数在正常范围。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法。
背景技术
随着新能源汽车技术的发展，燃料电池汽车逐渐表现出越来越多的优势。氢燃料电池在新能源研究中是一种高效、清洁的动力能源供给装置。氢能是一种可再生的能源，通过电解水、天然气以及其他方式可以制备，因此氢燃料电池汽车从排放、能源消耗以及燃料的制备等各方面来看均比较环保。氢燃料电池释放出的电能经过稳压处理后即可为车辆提供动力，没有任何机械损耗，相比于其他的机械设备的效率会更高。随着氢燃料电池的市场化，包括燃料电池汽车、燃料电池电源、燃料电池中小型发电站等众多燃料电池的应用应运而生。
质子交换膜燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，能量转化效率比传统的内燃机要高。燃料电池汽车的性能与燃料电池系统性能息息相关。提高燃料电池的性能和效率需要对燃料电池的设计、材料和结构等方面进行改造，而材料等方面突破较为困难，可以通过应用控制策略到燃料电池系统来提升相应的燃料电池系统的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，以解决燃料电池空气系统压力和流量的协调控制和出现故障处理过程的问题，在这种控制方法下，使氢燃料电池空气系统能够更加稳定，提高系统效率。
本发明提供一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据氢燃料电池空气系统需要设定的目标电流确定其需要设定的目标空气流量和目标空气压力；
步骤S2，通过PI控制器控制目标空气流量和目标空气压力，利用MATLAB工具箱对氢燃料电池空气系统的实验标定数据进行拟合，建立空气流量、空气压力与空压机转速的第一拟合函数n＝f1(m，p)和空气流量、空气压力与节气门开度的第二拟合函数th＝f2(m，p)，将目标空气流量和目标空气压力分别输入第一拟合函数和第二拟合函数，得到需要设定的空压机转速与节气门开度；其中，实验标定数据为通过实验标定的空压机转速与节气门开度所对应的输出空气压力和空气流量的数据，f1(m，p)和f2(m，p)均表示二元函数，n表示空压机转速，th表示节气门开度，m表示空气流量，p表示空气压力；
步骤S3，将步骤S2得到的空压机转速和节气门开度设定给氢燃料电池空气系统，经过一段时间t，氢燃料电池空气系统稳定运行后，采集氢燃料电池空气系统实时运行的实际空气压力和实际空气流量信息，计算目标空气压力与实际空气压力的第一差值和目标空气流量与实际空气流量的第二差值，判断第一差值是否在第一阈值范围内，判断第二差值是否在第二阈值范围内，若第一差值和第二差值分别在第一阈值和第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统参数在正常范围内，氢燃料电池空气系统继续运行；若第一差值不在第一阈值范围内或第二差值不在第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统发生故障，则使氢燃料电池空气系统进入到故障状态从而使系统停机。
进一步地，t的取值为5-7秒。
进一步地，第一阈值的取值为0-30kpa。
进一步地，第二阈值的取值为0-30kg/h。
进一步地，氢燃料电池空气系统包括空滤器、空压机、中冷器、增湿器、燃料电池电堆、节气门和FCU控制器，空滤器、空压机、中冷器、增湿器、燃料电池电堆和节气门依次连接，FCU控制器与节气门、空压机电连接。
本发明提供的方法利用现有的实验标定数据来反向获取空压机转速和节气门开度，通过MATLAB工具箱对现有实验标定数据拟合，得到输入域Fin到输出域Fout的映射关系，通过查表或者拟合函数来获得空压机转速与节气门开度，从而控制氢燃料电池空气系统的空气流量和空气压力；本发明提供的方法通过使用PI控制器来调整氢燃料电池空气系统的空气流量和空气压力，通过传感器获取目标空气压力、流量的数据与实际数据之间的差值大小来设置阈值，系统参数在正常范围内，若发生故障，使系统进入到故障状态从而使系统停机。
附图说明
图1是本发明一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法的流程示意图。
图2是本发明一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法的控制原理示意图。
图3是本发明一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法的氢燃料电池空气系统的结构示意图。
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。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，包括以下步骤：
步骤S1，根据氢燃料电池空气系统需要设定的目标电流确定其需要设定的目标空气流量和目标空气压力；需要设定的目标电流的值为根据需求设置的值或利用整车需求功率与汽车母线电压计算得到的值；
步骤S2，通过PI控制器控制目标空气流量和目标空气压力，利用MATLAB工具箱对氢燃料电池空气系统的实验标定数据进行拟合，建立空气流量、空气压力与空压机转速的第一拟合函数n＝f1(m，p)和空气流量、空气压力与节气门开度的第二拟合函数th＝f2(m，p)，将目标空气流量和目标空气压力分别输入第一拟合函数和第二拟合函数，得到需要设定的空压机转速与节气门开度；其中，实验标定数据为通过实验标定的空压机转速与节气门开度所对应的输出空气压力和空气流量的数据，f1(m，p)和f2(m，p)均表示二元函数，n表示空压机转速，th表示节气门开度，m表示空气流量，p表示空气压力；
步骤S3，将步骤S2得到的空压机转速和节气门开度设定给氢燃料电池空气系统，经过一段时间t(比如说5-7秒)，判断氢燃料电池空气系统是否稳定运行，若不稳定，则继续经过一段时间的运行直至其稳定运行；若稳定运行，则采集氢燃料电池空气系统实时运行的实际空气压力和实际空气流量，计算目标空气压力与实际空气压力的第一差值和目标空气流量与实际空气流量的第二差值，判断第一差值是否在第一阈值(第一阈值可以取值0-30kpa)内，判断第二差值是否在第二阈值(第二阈值可以取值0-30kg/h)范围内，若第一差值在第一阈值范围内和第二差值在第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统参数在正常范围内，氢燃料电池空气系统继续运行；若第一差值不在第一阈值范围内或第二差值不在第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统发生故障，则使氢燃料电池空气系统进入到故障状态从而使系统停机。
参考图3，本实施例中氢燃料电池空气系统包括空滤器1、空压机2、中冷器3、增湿器4、燃料电池电堆5、节气门6和FCU控制器7，空滤器1、空压机2、中冷器3、增湿器4、燃料电池电堆5和节气门6依次连接，FCU控制器7与节气门6、空压机2电连接，氢燃料电池阴极的空气由空压机2来提供，在氢燃料电池空气系统中，空压机2转动带动外界空气经过空滤器1进入中冷器3、增湿器4进入到燃料电池电堆5中反应，反应产生的废气和水通过节气门6再排放到外界环境中，FCU控制器7通过传感器来采集空气流量和空气压力的信号，FCU控制器7通过控制空压机转速和节气门开度来调节氢燃料电池空气系统的空气压力和空气流量。
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 (5)
1.一种氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据氢燃料电池空气系统需要设定的目标电流确定其需要设定的目标空气流量和目标空气压力；
S2，通过PI控制器控制目标空气流量和目标空气压力，对氢燃料电池空气系统的实验标定数据进行拟合，建立空气流量、空气压力与空压机转速的第一拟合函数和空气流量、空气压力与节气门开度的第二拟合函数，将目标空气流量和目标空气压力分别输入第一拟合函数和第二拟合函数，得到需要设定的空压机转速和节气门开度；
S3，将步骤S2得到的空压机转速和节气门开度设定给氢燃料电池空气系统，经过一段时间t，氢燃料电池空气系统稳定运行后，采集氢燃料电池空气系统实时运行的实际空气压力和实际空气流量，计算目标空气压力与实际空气压力的第一差值和目标空气流量与实际空气流量的第二差值，判断第一差值是否在第一阈值内，判断第二差值是否在第二阈值内，若第一差值和第二差值分别在第一阈值和第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统参数在正常范围内，氢燃料电池空气系统继续运行；若第一差值不在第一阈值范围内或第二差值不在第二阈值范围内，说明氢燃料电池空气系统发生故障，则使氢燃料电池空气系统进入到故障状态从而使系统停机。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，其特征在于，t的取值为5-7秒。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，其特征在于，第一阈值的取值为0-30kpa。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，其特征在于，第二阈值的取值为0-30kg/h。
5.根据权利要求1所述的氢燃料电池空气系统压力流量控制及故障处理方法，其特征在于，所述氢燃料电池空气系统包括空滤器、空压机、中冷器、增湿器、燃料电池电堆、节气门和FCU控制器，所述空滤器、空压机、中冷器、增湿器、燃料电池电堆和节气门依次连接，所述FCU控制器与节气门、空压机电连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210226 |
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