CN112803045A - 燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备,方法包括:根据输出功率获取目标入堆流量和目标入堆压力;获取当前的入堆流量和入堆压力;根据目标入堆流量以及入堆流量计算流量误差,根据流量误差获得氢喷射器占空比以及氢气循环泵解耦转速;根据目标入堆压力及入堆压力计算压力误差,根据压力误差获得氢气循环泵转速、氢气喷射器占空比;根据氢气循环泵转速、氢气循环泵解耦转速及标定的前馈补偿转速计算目标转速;通过氢喷射器占空比、氢气喷射器占空比及标定的前端补偿占空比计算目标占空比;根据目标占空比调整氢喷射器和氢气循环泵。本发明优化了氢气控制系统的静态响应和动态响应效果,系统鲁棒性更强,响应时间更短。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机领域,具体而言,涉及一种燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备。
背景技术
在燃料电池发动机系统中,氢气子系统的控制至关重要,氢气子系统的控制主要包括氢喷射器控制、排水阀控制和氢气循环泵控制组成,且该系统通常为强耦合系统。
目前常见的控制方法有两种:
(1)氢喷射器采用闭环控制,氢气循环泵采用开环控制。
(2)氢喷射器与氢气循环泵均采用闭环控制,但不做解耦。
这两种控制方法的主要缺陷在于无法获得精准控制效果,且系统动态性能较差。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备,以改善上述问题。
本发明采用了如下方案:
一种燃料电池的氢气系统控制方法,其包括:
根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar;
获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact;
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde;
根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar;
通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar;
根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
优选地,根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde,具体包括:
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差Fe=Ftar-Fact;
判断流量误差Fe是否为0;
若Fe不为0,则通过PI算法获取氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
kp1为相应比例常数,ki1为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Fe(j)表示第j次采样时的流量误差的值;
kp2为相应比例常数,ki2为相应积分常数;
若Fe为0,则将氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde设置为0。
优选地,根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde以及前馈补偿转速Nfw,具体包括:
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差Pe=Ptar-Pact;
若压力误差压力不为0,则依据Pe,通过PI算法获取氢气循环泵转速NPI以及氢气循环泵解耦转速Dde;
kp3为相应比例常数,ki3为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Pe(j)表示第j次采样时的压力误差Pe的值;
kp4为相应比例常数,ki4为相应积分常数;
若压力误差Pe为0,则设置NPI、Dde为0。
优选地,目标转速Ntar=NPI+Nde+Nfw。
优选地,目标占空比Dtar=DPI+Dde+Dfw。
本发明实施例还提供了一种燃料电池的氢气系统控制装置,其包括:
查表单元,用于根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar;
实际数据获取单元,用于获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact;
第一计算单元,用于根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
第二计算单元,用于根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde;
目标转速计算单元,用于根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar;
目标占空比计算单元,用于通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar;
调整单元,用于根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
优选地,所述第一计算单元具体用于:
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差Fe=Ftar-Fact;
判断流量误差Fe是否为0;
若Fe不为0,则通过PI算法获取氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
kp1为相应比例常数,ki1为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Fe(j)表示第j次采样时的流量误差的值;
kp2为相应比例常数,ki2为相应积分常数;
若Fe为0,则将氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde设置为0。
优选地,所述第二计算单元具体用于:
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差Pe=Ptar-Pact;
若压力误差压力不为0,则依据Pe,通过PI算法获取氢气循环泵转速NPI以及氢气循环泵解耦转速Dde;
kp3为相应比例常数,ki3为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Pe(j)表示第j次采样时的压力误差Pe的值;
kp4为相应比例常数,ki4为相应积分常数;
若压力误差Pe为0,则设置NPI、Dde为0。
本发明实施例还提供了一种燃料电池的氢气系统控制设备,其包括存储器以及处理器,所述存储器内存储有计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行,以实现如上述的燃料电池的氢气系统控制方法。
综上所述,本实施例提供的燃料电池的氢气系统控制方法、装置及设备,通过采用基于前馈解耦思想的氢喷射器与氢气循环泵的解耦控制技术,优化了氢气控制系统的静态响应和动态响应效果,使氢气系统鲁棒性更强,响应时间更短。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明第一实施例的燃料电池的氢气系统控制方法的一种流程示意图。
图2是本发明第一实施例的燃料电池的氢气系统控制方法的另一种流程示意图。
图3是本发明第二实施例的燃料电池的氢气系统控制装置的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1及图2,本发明第一实施例提供了一种燃料电池的氢气系统控制方法,其可由燃料电池的氢气系统控制设备(以下简称氢气系统控制设备)来执行,特别的,由所述氢气系统控制设备内的一个或者多个处理器来执行,以实现如下步骤:
S101,根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar。
在本实施例中,特别的,所述发动机为燃料电池发动机,燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置,其过程不涉及燃烧,无机械损耗,能量转化率高,产物仅为电、热和水,运行平稳,噪音低。
在本实施例中,相应的,所述氢气系统控制设备可以为具备有燃料电池发动机的各种设备,例如新能源汽车或者其他动力系统等,本发明不做具体限定。
在本实施例中,在获得发动机的输出功率后,可通过查表来获得氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar,当然,也可以通过其他方式来获取,这些方案均在发明的保护范围之内。
S102,获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact。
其中,当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact可通过各种仪表或者传感器来测量获得,本发明在此不做具体限定。
S103,根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde。
具体地,步骤S103包括:
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差Fe=Ftar-Fact;
判断流量误差Fe是否为0;
若Fe不为0,则通过PI算法获取氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
kp1为比例常数,ki1为积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Fe(j)表示第j次采样时的流量误差的值;
kp2为比例常数,ki2为积分常数。其中,kp1、ki1、kp2、ki2为经验值。
在本实施例中,PID即:Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。PID算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法,它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法,适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明,运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时,都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值,按照比例、积分、微分的函数关系进行运算,运算结果用以控制输出。
若Fe为0,则将氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde设置为0。
S104,根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde。
具体地,步骤S104包括:
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差Pe=Ptar-Pact;
若压力误差压力不为0,则依据Pe,通过PI算法获取氢气循环泵转速NPI以及氢气循环泵解耦转速Dde;
kp3为相应比例常数,ki3为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Pe(j)表示第j次采样时的压力误差Pe的值;
kp4为相应比例常数,ki4为相应积分常数;
若压力误差Pe为0,则设置NPI、Dde为0。
S105,根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar。
其中,目标转速Ntar=NPI+Nde+Nfw。
前馈补偿转速Nfw通过标定获得。
S106,通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar。
其中,目标占空比Dtar=DPI+Dde+Dfw。
其中,前端补偿占空比Dfw通过标定获得,其具体根据电堆系统台架测试过程进行标定。标定过程中,在给定目标氢气入堆压力以及流量后,手动调节氢喷和循环泵,达到目标值,此时的氢喷占空比和循环泵压力即为当前工况的前端补偿占空比Dfw。
S107,根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
在本实施例中,根据所述目标占空比Dtar控制氢气喷射器和氢气循环泵在固定周期内开启的时间,以控制燃料电池发动机的氢气入堆压力。
综上所述,本实施例提供的燃料电池的氢气系统控制方法,由于直接用解耦控制量Nde和Dde与相应控制量的前馈负反馈控制系统的控制量直接相加来获得目标占空比,这种基于前馈解耦的控制技术优化氢气控制系统的静态响应和动态响应效果,使氢气系统鲁棒性更强,响应时间更短。
请参阅图3,本发明第二实施例还提供了一种燃料电池的氢气系统控制装置,其包括:
查表单元210,用于根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar;
实际数据获取单元220,用于获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact;
第一计算单元230,用于根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
第二计算单元240,用于根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde;
目标转速计算单元250,用于根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar;
目标占空比计算单元260,用于通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar;
调整单元270,用于根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
优选地,所述第一计算单元230具体用于:
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差Fe=Ftar-Fact;
判断流量误差Fe是否为0;
若Fe不为0,则通过PI算法获取氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
kp1为相应比例常数,ki1为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Fe(j)表示第j次采样时的流量误差的值;
kp2为相应比例常数,ki2为相应积分常数;
若Fe为0,则将氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde设置为0。
优选地,所述第二计算单元240具体用于:
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差Pe=Ptar-Pact;
若压力误差压力不为0,则依据Pe,通过PI算法获取氢气循环泵转速NPI以及氢气循环泵解耦转速Dde;
kp3为相应比例常数,ki3为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Pe(j)表示第j次采样时的压力误差Pe的值;
kp4为相应比例常数,ki4为相应积分常数;
若压力误差Pe为0,则设置NPI、Dde为0。
本发明第三实施例还提供了一种燃料电池的氢气系统控制设备,其包括存储器以及处理器,所述存储器内存储有计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行,以实现如上述任一实施例的燃料电池的氢气系统控制方法。
在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置和方法,也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的,例如,附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现方式中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外,在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分,也可以是各个模块单独存在,也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,电子设备,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,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保护范围之内。
Claims (9)
1.一种燃料电池的氢气系统控制方法,其特征在于,包括:
根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar;
获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact;
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde;
根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar;
通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar;
根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气系统控制方法,其特征在于,根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde,具体包括:
根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差Fe=Ftar-Fact;
判断流量误差Fe是否为0;
若Fe不为0,则通过PI算法获取氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;其中,
kp1为比例常数,ki1为积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Fe(j)表示第j次采样时的流量误差的值;
kp2为比例常数,ki2为积分常数;
若Fe为0,则将氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde设置为0。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的氢气系统控制方法,其特征在于,根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde具体包括:
根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差Pe=Ptar-Pact;
若压力误差压力不为0,则依据Pe,通过PI算法获取氢气循环泵转速NPI以及氢气循环泵解耦转速Dde;
kp3为相应比例常数,ki3为相应积分常数,k为采样次数,j为第j次采样,T为采样周期,Pe(j)表示第j次采样时的压力误差Pe的值;
kp4为相应比例常数,ki4为相应积分常数;
若压力误差Pe为0,则设置NPI、Dde为0。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气系统控制方法,其特征在于,
目标转速Ntar= NPI+Nde+Nfw。
5.根据权利要求1所述的燃料电池的氢气系统控制方法,其特征在于,目标占空比Dtar=DPI+Dde+Dfw。
6.一种燃料电池的氢气系统控制装置,其特征在于,包括:
查表单元,用于根据发动机的输出功率查表获取氢气系统的目标入堆流量Ftar和目标入堆压力Ptar;
实际数据获取单元,用于获取当前的入堆流量Fact和入堆压力Pact;
第一计算单元,用于根据目标入堆流量Ftar以及入堆流量Fact计算流量误差,并根据所述流量误差获得氢喷射器占空比DPI以及氢气循环泵解耦转速Nde;
第二计算单元,用于根据目标入堆压力Ptar以及入堆压力Pact计算压力误差,并根据所述压力误差获得氢气循环泵转速NPI、氢气喷射器占空比Dde;
目标转速计算单元,用于根据氢气循环泵转速NPI、氢气循环泵解耦转速Nde以及标定的前馈补偿转速Nfw计算得出目标转速Ntar;
目标占空比计算单元,用于通过氢喷射器占空比DPI、氢气喷射器占空比Dde以及标定获得的前端补偿占空比Dfw计算得出目标占空比Dtar;
调整单元,用于根据目标占空比Dtar调整氢喷射器和氢气循环泵到相应状态。
9.一种燃料电池的氢气系统控制设备,其特征在于,包括存储器以及处理器,所述存储器内存储有计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行,以实现如权利要求1至5任意一项所述的燃料电池的氢气系统控制方法。
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