CN112615031B - 一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，包括以下步骤：利用温度传感器检测燃料电池堆冷却回路入口温度，并输入到控制器中，基于控制器实现散热风扇控制；散热风扇控制包括模糊逻辑自适应比例积分控制和前馈补偿控制，比例积分控制的增益参数由模糊逻辑算法自适应更新，燃料电池负载电流作为扰动并用于前馈补偿，同时风扇开度由总散热量需求和散热风扇数量决定；最后将控制器输出的控制信号输入到热管理子系统的执行器中，进行燃料电池堆冷却入口温度控制。本发明提出的温度控制策略能够减小车用燃料电池发动机运行时的温度波动，提高系统性能和使用寿命。

Description

一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法。

背景技术

燃料电池汽车是新能源汽车的一个重要分支，由于其氢气加注速度快、系统效率高、噪音低、零排放等优点，被认为是未来汽车的最终解决方案之一。燃料电池在动态负载下工作，燃料电池系统温度波动对发动机性能和使用寿命具有重要影响，长期的过低温度条件容易引起燃料电池堆水淹现象，长时间水淹故障会引发燃料饥饿，最终导致催化剂层出现不可逆衰退。同时，过高的温度导致交换膜出现过大的热应力，针孔或裂纹在应力作用下会自发形成，致使渗氢率和氟化物释放率增加，最终导致燃料电池的性能和耐久性下降。因此，需要对燃料电池系统的温度进行精确控制。

公开号为【CN 111129550 A】的发明专利公开一种燃料电池系统的PID控制方法，采用传统PID控制算法对燃料电池温度进行控制；但是，燃料电池是一个复杂的非线性时变系统，固定参数的PID控制算法在复杂多变工况下难以满足温度控制需求。公开号为【CN111403779 A】的发明专利公开一种基于模型的自适应温度控制方法，通过调节电堆冷却液质量流量和旁通阀开启系数，对电堆温度和循环冷却液入口温度进行控制，但基于模型的控制方法依赖于精确的数学模型，而精准的模型获取难度较大，且燃料电池时变性较强，模型适用范围小。

为此，需要提出适用性广、鲁棒性强、超调小、升温快的温度控制方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，能够减小车用燃料电池发动机运行时的温度波动，提高系统性能和使用寿命。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、测量电堆冷却液入口温度；

步骤S2、将目标冷却液入口温度与实测冷却液入口温度做差，得到温度偏差值；

步骤S3、将温度偏差值和实测冷却液入口温度输入PI控制模块，得到散热风扇的控制量，所述控制量包括散热风扇的转速，所述PI控制模块包括比例积分PI模块和模糊逻辑模块，具体的：

比例积分PI模块用于计算得到散热风扇的转速，模糊逻辑模块用以根据温度偏差和温度偏差的变化量，实时调整PI参数，其输入隶属度函数由三角分布描述，模糊逻辑模块的输出为比例参数修正量和积分参数修正量，输出隶属度函数由高斯分布描述，输出计算采用重心法；

步骤S4、将步骤S3得到的散热风扇的控制量通过燃料电池系统控制单元输入到散热系统控制器中，实现燃料电池系统的温度控制。

进一步的，所述步骤S3中，考虑到在初始暖机过程中，目标温度与实测温度差值较大，具体做以下处理：

在比例积分PI模块中引入积分分离方法，在初始暖机过程中将比例积分PI模块中的积分分离，具体为：

1)根据实际系统控制要求设定控制偏差的阈值ε；

2)当目标温度为初始暖机温度，目标温度与实测温度差值大于阈值ε，采用比例控制，既可避免积分的不利影响，又可以使系统具有较快的动态响应；

3)目标温度下降过程中，为了避免温度向下超调，降温中不开启比例积分PI模块，保持风扇当前开度不变，直至实测温度与目标温度差值小于一定阈值内，则开启比例积分PI模块实时调整风扇转速。

进一步的，所述步骤S3中，在负载电流变化较大的工况下，通过散热风扇提前调节转速，将电流视为扰动，用于补偿计算，然后将补偿计算结果与模糊逻辑模块输出结果整合；

当需要开启补偿作用时，基于扰动的前馈补偿控制表达式如下：

u(t)_fed＝k_cI

其中，k_c为前馈控制参数；

散热风扇的总开度输出控制表达式如下：

进一步的，所述步骤3中，将得到的散热风扇的总开度输出控制值输入到散热子系统的控制器之前，对总开度控制输出量进行限值，将每个散热风扇的上限控制占空比为90％。

进一步的，所述步骤S3中，还包括对散热风扇分配的步骤，将输出占空比平均分配，具体原则如下：

当PI输出占空比为0<＝D<5％时，不开启任何风扇；

当PI输出占空比为5<＝D<15％时，每个风扇占空比为15％，开启1个风扇；

当PI输出占空比为15％<＝D<30％时，每个风扇占空比为D，开启1个风扇；

当PI输出占空比为30％<＝D<60％时，每个风扇占空比为D/2，开启2个风扇；

当PI输出占空比为60％<＝D<90％时，每个风扇占空比为D/3，开启3个风扇；

当PI输出占空比为90％<＝D<120％时，每个风扇占空比为D/4，开启4个风扇；

当PI输出占空比为120％<＝D<150％时，每个风扇占空比为D/5，开启5个风扇；

当PI输出占空比为150％<＝D<180％时，每个风扇占空比为D/6，开启6个风扇；

当PI输出占空比为180％<＝D<210％时，每个风扇占空比为D/7，开启7个风扇；

当PI输出占空比为210％<＝D<240％时，每个风扇占空比为D/8，开启8个风扇。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本方案方法不需要建立燃料电池系统模型，避免了模型辨识的繁琐过程；

(2)采用模糊逻辑PI算法，模糊逻辑根据实际情况随时调整；

(3)采用前馈补偿，与传统PID控制算法相比，能够进一步减小温度波动；

(4)考虑升温的积分分离作用和降温的比例积分计算算法关闭作用，能够进一步减小温度波动。

(5)考虑风扇的平均分配，避免了某些风扇的频繁启停，减小了散热风扇寿命的不一致性。

附图说明

图1为本发明实施例所述温度控制方法流程图；

图2为本发明实施例所述风扇控制算法原理示意图；

图3为本发明实例中风扇控制开度计算算法逻辑框图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

本实施例提出一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、测量电堆冷却液入口温度，并设定目标冷却液入口温度；

步骤S2、计算温度偏差：将温度传感器测到的实际值(实测冷却液入口温度)和目标设定值(目标冷却液入口温度)做差，得到温度偏差值，并将温度偏差作为PI控制模块的输入；

步骤S3、将温度偏差值和实测冷却液入口温度输入PI控制模块，得到散热风扇的控制量，所述控制量包括散热风扇的转速；

步骤S4、将步骤S3得到的散热风扇的控制量通过燃料电池系统控制单元输入到散热系统控制器中，进行燃料电池系统的温度控制。

步骤S1中，利用温度传感器检测燃料电池堆冷却液入口温度，并将其作为控制目标进行温度稳定控制；为防止燃料电池发动机控制器传输异常设定值，需要对目标冷却液入口温度(设定值)进行限值，具体工作温度范围依据电堆厂商提供。目标温度根据电堆工作电流大小决定，通常通过实验标定，找到不同工作电流下最合适的工作温度；同时冷却液进出口温度差需要满足在一定范围内，一般需控制在5-10℃之间，具体温差由电堆供应商决定，具体可根据实际情况设定，在此不做详细赘述。

步骤S3中，主要控制对象为散热风扇的转速，实现步骤如图2所示，主要包括PI控制模块整定、补偿计算、控制量输出、风扇预启动和风扇分配等步骤，具体如下：

(1)模糊PI控制模块整定：针对非线性时变系统，求导模块容易引入高频测量噪声，滤波时间常数难以确定。因此，本实施例中，所述PI控制模块不包含求导模块，以保证闭环控制系统的稳定性，具体的：

所述模糊PI控制模块包括比例积分PI模块和模糊逻辑模块；

比例积分PI模块是整个控制算法的基础框架，用于计算执行器的控制量，即散热风扇的转速，如图3所示，具体表达式如(1)所示：

其中，u(t)_PI为比例积分PI模块计算的控制输出，e(t)为目标温度和实测温度的差值， k_p和k_i分别为比例、积分增益。

模糊逻辑模块根据温度偏差和温度偏差的变化量，实时调整PI参数，以提高PI控制模块的响应速度和控制精度，其输入为目标温度和实测温度的温度偏差e以及该温度偏差的变化量Δe，输入隶属度函数由三角分布描述，模糊逻辑模块的输出为比例参数修正量Δk_p和积分参数修正量Δk_i，输出隶属度函数由高斯分布描述，输出计算采用重心法。

为了保证升温过程中温度不会超调过多，一般初始时刻选用较大的比例参数；但过大的比例参数容易导致温度无法接近目标温度，因此当偏差量较小时，不能选用较大的比例参数。据此，输入和输出之间的模糊规则采用表1中的规则。其中，NB表示负大，NM表示负中， NM表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

表1 PI模糊逻辑控制规则表

模糊逻辑模块输出的比例参数修正量Δk_{p_FL}和积分参数修正量Δk_{i_FL}，与提前标定好的固定比例参数k_{p_c}和积分参数k_{i_c}进行求和，即实时基于模糊逻辑模块的输出结果对比例积分PI 模块中的比例积分参数进行修正，表达如下：

其中，考虑到在暖机启动过程中，目标温度与实测温度差值较大，若此时开启积分模块，则误差会不断累积，造成风扇启动严重迟滞，为了减少误差累积，在比例积分PI模块中引入积分分离方法，为此，初始暖机过程中将PI模块中的积分分离，具体方法为：

1)根据实际系统控制要求来设定控制偏差的阈值ε；

2)当目标温度为初始暖机温度，目标温度与实测温度差值大于阈值ε，采用比例控制；既可避免积分的不利影响，又可以使系统具有较快的动态响应；

另外，目标温度下降过程中，为了避免温度向下超调，降温中不开启比例积分PI模块，保持风扇当前开度不变，直至实测温度与目标温度差值小于一定阈值内，则开启比例积分PI 模块实时调整风扇转速。

(2)补偿计算：补偿主要作用于负载电流变化比较大的工况下，风扇能够提前调节转速，避免温度超调；由于电流小范围的变化，比例积分PI模块自身就能进行调节，故小电流变化不开启补偿作用。以10A为电流变化阈值对控制量进行补偿为例，即燃料电池发动机负载电流变化超过该阈值时，采用前馈补偿作用。

电流视为扰动，用于补偿控制计算。电流I根据当前功率需求查表获取，当需要开启补偿作用时，基于扰动的前馈补偿控制表达如下：

u(t)_fed＝k_cI (4)

其中，k_c为前馈控制参数，具体的前馈补偿系数需要根据实际系统当前不同电流大小进行判断和标定。然后，如图3所示，将补偿计算结果与模糊逻辑模块输出结果整合。

据此，风扇的总开度输出控制表达如下：

(3)控制量输出：将计算散热风扇的总开度输出控制值输入到散热子系统的控制器中之前，需要对散热风扇的总开度控制输出量进行限值，防止超过风扇所能够达到的上限输出量。本实施例中，燃料电池系统为功率为90kW，需要采用8个散热风扇，每个散热风扇的上限控制占空比为90％，即整个燃料电池发动机的风扇输出上限为720％。

(4)风扇预启动：在暖机过程中，目标温度与实测温度做差后，额外加上预启动温度补偿值，如图3所示，一起输入至模糊逻辑模块中进行计算，由于风扇具有较严重的迟滞特性，该步骤是为了在暖机过程中提前开启风扇，避免温度向上超调。

(5)风扇分配：需要输出占空比平均分配，如果一直保持某些风扇开启，其他风扇频繁开启和关闭，会导致风扇寿命不均。为了保证风扇寿命一致性，采用如下风扇分配规则。例如，当风扇总的计算开度为3％时，此时不开启任何风扇；当风扇总的计算开度为10％时，即开启1号风扇，且1号风扇的开度为10％；当风扇总的计算开度为40％，即开启1号和5号风扇，且每个风扇开度为20％，以此类推计算。(本例发动机具有2个散热器，每个散热器各具有4个风扇)。

表2风扇分配规则表

步骤S4、最后，将控制信号通过燃料电池系统控制单元输入到执行器中，进行电堆冷却液入口温度控制。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、测量电堆冷却液入口温度，并对目标冷却液入口温度进行限值；

步骤S2、将目标冷却液入口温度与实测冷却液入口温度做差，得到温度偏差值；

步骤S3、将温度偏差值和实测冷却液入口温度输入PI控制模块，得到散热风扇的控制量，所述控制量包括散热风扇的转速，具体的：

（1）PI控制模块整定：

所述PI控制模块包括比例积分PI模块和模糊逻辑模块，比例积分PI模块用于计算得到散热风扇的转速，模糊逻辑模块用以根据温度偏差和温度偏差的变化量，实时调整PI参数，其输入隶属度函数由三角分布描述，模糊逻辑模块的输出为比例参数修正量和积分参数修正量，输出隶属度函数由高斯分布描述，输出计算采用重心法；

PI控制模块整定时，考虑到在初始暖机过程中，目标温度与实测温度差值较大，具体做以下处理：

在比例积分PI模块中引入积分分离方法，在初始暖机过程中将比例积分PI模块中的积分分离，具体为：

1）根据实际系统控制要求设定控制偏差的阈值

；

2）当目标温度为初始暖机温度，目标温度与实测温度差值大于阈值

，采用比例控制；

3）目标温度下降过程中，降温中不开启比例积分PI模块，保持风扇当前开度不变，直至实测温度与目标温度差值小于一定阈值内，则开启比例积分PI模块实时调整风扇转速；

（2）补偿计算：

在负载电流变化超过一定阈值的工况下，通过散热风扇提前调节转速，将电流视为扰动，用于补偿计算，然后将补偿计算结果与模糊逻辑模块输出结果整合；

当需要开启补偿作用时，基于扰动的前馈补偿控制表达式如下：

；

其中，

为前馈控制参数，I为电流；

散热风扇的总开度输出控制表达式如下：

；

为目标温度和实测温度的差值，/>

为模糊逻辑模块输出的比例参数修正量，

为模糊逻辑模块输出的积分参数修正量，/>

为固定比例参数，/>

为积分参数；

（3）控制量输出：将得到的散热风扇的总开度输出控制值输入到散热子系统的控制器之前，对总开度控制输出量进行限值；

（4）风扇预启动：在暖机过程中，目标温度与实测温度做差后，额外加上预启动温度补偿值，一起输入至模糊逻辑模块中进行计算；

（5）风扇分配：对散热风扇进行分配时，将输出占空比平均分配，具体原则如下：

当PI输出占空比为0<=D<5%时，不开启任何风扇；

当PI输出占空比为5<=D<15%时，每个风扇占空比为15%，开启1个风扇；

当PI输出占空比为15%<=D<30%时，每个风扇占空比为D，开启1个风扇；

当PI输出占空比为30%<=D<60%时，每个风扇占空比为D/2，开启2个风扇；

当PI输出占空比为60%<=D<90%时，每个风扇占空比为D/3，开启3个风扇；

当PI输出占空比为90%<=D<120%时，每个风扇占空比为D/4，开启4个风扇；

当PI输出占空比为120%<=D<150%时，每个风扇占空比为D/5，开启5个风扇；

当PI输出占空比为150%<=D<180%时，每个风扇占空比为D/6，开启6个风扇；

当PI输出占空比为180%<=D<210%时，每个风扇占空比为D/7，开启7个风扇；

当PI输出占空比为210%<=D<240%时，每个风扇占空比为D/8，开启8个风扇；

步骤S4、将步骤S3得到的散热风扇的控制量通过燃料电池系统控制单元输入到散热系统控制器中，实现燃料电池系统的温度控制。

2.根据权利要求1所述的车用质子交换膜燃料电池系统温度控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，将每个散热风扇的上限控制占空比为90%。

Images