CN113540537B - 一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法 - Google Patents

一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，包括主程序、中断程序和喷轨状态控制程序；本通过喷射阀自动变频喷射实现压力精准控制，在不同流量下压力波动稳定可控；通过将喷轨状态控制及报文读取程序放置1ms长中断中运行，确保喷轨的开启和关闭控制延迟不大于1ms,保证了喷轨在输出压力和流量控制上的快速响应，确保燃料电池系统的功率输出能实时响应车辆对功率的需求将瞬时压力采样程序放置在200us短中断中运行，可以分次抓取1ms内5个不同时间点的瞬时压力，然后获得1ms的平均压力作为控制依据，可以以较少的运算次数有效的过滤外部对压力信号的干扰。

Description

一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法。
背景技术
燃料电池工作时，不同的输出功率下燃料电池需求的空气流量不同，在该流量下为了达到空气压缩机最大工作效率，空气压缩机会有一个最佳的输出压力，而燃料电池阴阳两极间需要维持一个相对恒定压差，以保证MEA受力和与极板的接触状态稳定，这样燃料电池才能稳定的工作；因此不同输出功率下阳极的压力在保持与阴极的相对压力时也会有一个特定的压力值。车载燃料电池系统需要根据不同的车辆行驶情况输出不同的功率以满足车辆对功率的需求，而这个功率的变化速度决定了车辆的加速性能；如果燃料电池的输出功率变化速度快于阴阳两极流量和压力的调节速度会使得燃料电池工作在欠气的状态，这有可能造成燃料电池的反极，降低燃料电池的性能和使用寿命甚至损坏燃料电池；目前的阳极压力控制装置及控制方法不能很好的满足这一复杂的快速的动态响应过程。
燃料电池阳极进气压力控制目前大多是采用比例阀控制，比例阀控制压力过程是：采样输出压力，计算输出压力和目标压力差值，然后通过PID算法计算比例阀开度的增量，调整比例阀。一次压力调节需要经过多次的采样计算调节最终实现压力控制接近目标压力，这个过程一般需要50ms以上才能完成，而且每次燃料电池系统的排气排水均会引起阳极的压力的波动；在系统快速的升降载过程中比例阀的流量和压力控制滞后都会影响系统的响应速度。
现有的喷轨压力控制技术一般也采用PID算法调整喷射阀在一个工作周期内的喷射时间占比来实现压力和流量控制，这种固定周期和频率的控制方式会使得压力在不同的流量下波动量不稳定，频率设置的不合理会导致喷射阀寿命缩短或压力控制精度的损失问题，不能自动平衡频率和精度的关系；这种喷轨控制过程中的压力采样需要去一个喷射周期内的压力平均值作为输入，计算与目标压力的差值进行PID计算和控制，同样需要几个控制循环才能达到目标压力，耗时长不能快速的响应流量和压力的输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，以解决燃料电池系统在输出功率快速变化的情况下阳极压力和流量的快速调节；燃料电池系统在排气和排水时对阳极压力波动的影响；固定频率工作的喷轨在中低流量工作时的压力波动问题和比例阀不能单独配合引射器完成阳极的循环功能的问题
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，包括主程序、中断程序和喷轨状态控制程序；
所述主程序中包含子程序和若干个计时器；所述子程序包括循环报文发送程序、平均压力计算程序和压力补偿程序，所述计时器分别与子程序相连接，当计时器累加到预设值时，执行一次对应的子程序并清除累加值进行重新计时；
所述中断程序包括短中断程序和长中断程序；所述短中断程序具体操作如下：进入短中断程序后采样获取此时压力传感器的瞬时压力PS，并将瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用；所述长中断程序具体操作如下：
A1、进入长中断程序后所述主程序中计时器进行累加；
A2、同时对数组P[i]中的所有数值进行求平均，得到长中断时间内的平均压力；
A3、运行喷轨状态控制程序；
A4、检查是否收到有效的报文，若有，对报文进行处理；若无，进入下一步；
A5、结束中断；
所述喷轨状态控制程序具体包括如下步骤：
B1、读取目标压力P0，计算上限压力和下限压力；
B2、读取当前压力P，判断当前压力P与上限压力、下限压力之间数值大小；
B3、若当前压力P小于下限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则开启喷轨并结束程序；若喷轨处于开启状态，则直接结束程序；
B4、若当前压力P大于上限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则直接结束程序；若喷轨处于开启状态，则关闭喷轨并结束程序；
B5、若当前压力P大于等于下限压力且小于等于上限压力，则维持喷轨状态并结束程序。
作为优选，所述短中断程序的中断间隔为200us，所述长中断程序的中断间隔为1ms，所述P[i]中设有5个变量位置，所述瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用的具体操作如下：将瞬时压力PS存入数组P[i]的第i个变量位置中，每执行一次短中断，i的数值自加1，当i的数值大于5时，令i的数值回到1。
所述计时器包括20ms计时器、10ms计时器、100ms计时器和1000ms计时器，所述20ms计时器与循环报文发送程序相连接，所述10ms计时器、100ms计时器和1000ms计时器均与平均压力计算程序相连接，所述1000ms计时器上还连接有压力补偿程序，所述压力补偿程序的结束端分别与20ms计时器、1000计时器相连接。
作为优选，所述步骤B1中，上限压力等于目标压力P0加差值，下限压力等于目标压力P0减差值，所述差值的取值范围为0~10kpa。
作为优选，若喷轨上存在多个喷射阀，则还包括喷射阀轮换程序，具体操作如下：开启喷轨后，判断当前开启指针Nx指向的喷射阀的编号是否为最后一个；若为最后一个，则将开启指针Nx置1同时打开第1个喷射阀，开启指针Nx指向下一个喷口；若不是最后一个，则开启第Nx个喷射阀，同时开启指针Nx指向下一个喷口；
作为优选，所述压力补偿程序具体包括如下步骤：
C1、读取目标压力P0和过去1s内的平均压力Pm；
C2、计算本次压力误差△Pi=P0-Pm，同时读取上次误差△Pii和上上次误差△Piii；
C3、通过增量型算法计算获得补偿后的目标压力
P0=P0+Kp*△Pi+Ki*△Pii+Kd*△Piii，其中Kp为积分系数；Ki为比例系数；Kd为微分系数；
C4、对误差值进行传递，即令△Pii=△Pi，△Piii=△Pii，结束函数。
本申请还公开了一种燃料电池阳极进气系统，包括氢气气源、喷轨、引射器、压力传感器、燃料电池堆、水汽分离器和排水电磁阀，所述燃料电池阳极所需氢气由氢气气源经过喷轨喷射通入引射器然后进入燃料电池阳极入口，阳极出口气体经过水汽分离器进入引射器的引射端，在引射器的出口设有压力传感器，在水汽分离器的出口设有排水电磁阀。
本发明的有益效果：
1、本通过喷射阀自动变频喷射实现压力精准控制，在不同流量下压力波动稳定可控；
2、通过将喷轨状态控制及报文读取程序放置1ms长中断中运行，确保喷轨的开启和关闭控制延迟不大于1ms,保证了喷轨在输出压力和流量控制上的快速响应，确保燃料电池系统的功率输出能实时响应车辆对功率的需求
3、将瞬时压力采样程序放置在200us短中断中运行，可以分次抓取1ms内5个不同时间点的瞬时压力，然后获得1ms的平均压力作为控制依据，可以以较少的运算次数有效的过滤外部对压力信号的干扰；
4、排水电磁阀、水汽分离器的设计，使得燃料电池在排气和排水过程中对阳极压力的影响被降至最低，可以更好的保护电堆，延长电堆的使用寿命；
5、设计了喷射阀轮换程序，通过轮换喷射阀工作使得喷射阀的工作次数和占比减少，降低线圈温度，延长使用寿命；
6、将压力补偿程序、平均压力的计算程序及报文发送程序放置于主程序循环中，可以防止其对喷轨状态控制程序的延迟性干扰；
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种燃料电池阳极进气系统的结构示意图；
图2是本发明一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法的主程序的流程图；
图3是本发明实施例的短中断程序的流程图；
图4是本发明实施例的长中断程序的流程图；
图5是本发明喷轨状态控制程序的流程图；
图6是本发明喷射阀轮换程序的流程图；
图7是本发明压力补偿程序的流程图；
图中：1-氢气气源、2-喷轨、3-引射器、4-压力传感器、5-燃料电池堆、6-水汽分离器、7-排水电磁阀。
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明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，本发明实施例提供一种燃料电池阳极进气系统，其特征在于：包括氢气气源、喷轨、引射器、压力传感器、燃料电池堆、水汽分离器和排水电磁阀，所述燃料电池阳极所需氢气由氢气气源经过喷轨喷射通入引射器然后进入燃料电池阳极入口，阳极出口气体经过水汽分离器进入引射器的引射端，在引射器的出口设有压力传感器，在水汽分离器的出口设有排水电磁阀。本系统通过采样压力传感器的压力来控制喷轨的开闭，实现氢气流量和压力的调节。
参阅图2-4，本实施例中，短中断程序的中断间隔为200us，长中断程序的中断间隔为1ms，主程序中包涵报文发送，平均压力计算等不需要实时操作的部分，其中Time20、Time10、Time100、Time1000是表示20ms计时器、10ms计时器、100ms计时器和1000ms计时器的计时器的变量，用于计时累加；每执行一次中断间隔为1ms的长中断程序，它们自加1，在主程序中它们的累加值到达规定数值时执行一次对应的子程序并清除累加值进行重新计时。
短中断程序的中断间隔为200us，负责瞬时压力采样和储存；进入中断后先进行瞬时压力的采样记录为PS，并将瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用；所述P[i]中设有5个变量位置，所述瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用的具体操作如下：将瞬时压力PS存入数组P[i]的第i个变量位置中，每执行一次短中断程序，i的数值自加1，当i的数值大于5时，令i的数值回到1。
长中断程序的中断间隔为1ms，负责喷轨状态控制、报文读取和计时器累加
A1、进入长中断程序后所述主程序中计时器进行累加；
A2、同时对数组P[i]中的所有数值进行求平均，得到长中断时间内的平均压力；
A3、运行喷轨状态控制程序；
A4、检查过去1ms内是否收到有效的报文，若有，对报文进行处理；若无，进入下一步；
A5、结束中断；
参阅图5，以目标压力P0为基础，通过设定压力波动差值获得压力上限和压力下限来控制喷轨的开启和关闭，通常设置压力上限=目标压力+2kpa,压力下限=目标压力-2kpa;压力上限和压力下限的取值基于目标压力，他们与目标压力的差值则可以是在0-10kpa范围内取值，这取决于对压力控制精度和喷轨工作频率的需求，所述喷轨状态控制程序具体包括如下步骤：
B1、读取目标压力P0，计算上限压力和下限压力；
B2、读取当前压力P，判断当前压力P与上限压力、下限压力之间数值大小；
B3、若当前压力P小于下限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则开启喷轨并结束程序；若喷轨处于开启状态，则直接结束程序；
B4、若当前压力P大于上限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则直接结束程序；若喷轨处于开启状态，则关闭喷轨并结束程序；
B5、若当前压力P大于等于下限压力且小于等于上限压力，则维持喷轨状态并结束程序。
参阅图6，对于拥有多个喷射阀的喷轨，可以使用多个喷射阀轮流工作的方式降低单个喷射阀的工作频率来提高使用寿命。
喷射阀轮换程序，具体操作如下：开启喷轨后，判断当前开启指针Nx指向的喷射阀的编号是否为最后一个；若为最后一个，则将开启指针Nx置1同时打开第1个喷射阀，开启指针Nx指向下一个喷口；若不是最后一个，则开启第Nx个喷射阀，同时开启指针Nx指向下一个喷口；
参阅图7，压力补偿子函数：负责计算目标压力补偿。进入压力补偿子函数后先读取目标压力P0和过去1S内的平均压力Pi,然后计算本次压力误差△Pi=P0-Pm，读取上次误差△Pii和上上次误差△Piii，通过增量型算法计算获得补偿后的目标压力P0=P0+Kp*△Pi+Ki*△Pii+Kd*△Piii，其中Kp为积分系数；Ki为比例系数；Kd为微分系数；对误差值进行传递，即令△Pii=△Pi，△Piii=△Pii，结束函数。
本申请中，喷轨采用的喷射阀数量可以是1~6个； 喷轨工作时可以同时开启1个至多个的喷射阀以满足流量需求；瞬时压力的采样间隔包涵但不限于200us，可以是10~2000us内的任意数值；瞬时压力也可以不经过处理直接作为喷轨开启和关闭的依据；平均压力的采样时间可以是50~5000ms内的任意数值；一般为2~3个喷射周期；补偿压力的算法也可以是非增量式的PID算法或其他压力控制算法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，其特征在于：包括主程序、中断程序和喷轨状态控制程序； 所述主程序中包含子程序和若干个计时器；所述子程序包括循环报文发送程序、平均压力计算程序和压力补偿程序，所述计时器分别与子程序相连接，当计时器累加到预设值时，执行一次对应的子程序并清除累加值进行重新计时； 所述中断程序包括短中断程序和长中断程序；所述短中断程序的中断间隔为10~2000us，长中断程序中断间隔为1ms；所述短中断程序具体操作如下：进入短中断程序后采样获取此时压力传感器的瞬时压力PS，并将瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用；所述长中断程序具体操作如下：
A1、进入长中断程序后所述主程序中计时器进行累加；
A2、同时对数组P[i]中的所有数值进行求平均，得到长中断时间内的平均压力；
A3、运行喷轨状态控制程序；
A4、检查是否收到有效的报文，若有，对报文进行处理；若无，进入下一步；
A5、结束中断； 所述喷轨状态控制程序具体包括如下步骤： B1、读取目标压力P0，计算上限压力和下限压力；所述上限压力等于目标压力P0加差值，下限压力等于目标压力P0减差值，所述差值的取值范围为0~10kpa；
B2、读取当前压力P，判断当前压力P与上限压力、下限压力之间数值大小；
B3、若当前压力P小于下限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则开启喷轨并结束程序；若喷轨处于开启状态，则直接结束程序；
B4、若当前压力P大于上限压力，判断喷轨是否处于关闭状态；若喷轨处于关闭状态，则直接结束程序；若喷轨处于开启状态，则关闭喷轨并结束程序；
B5、若当前压力P大于等于下限压力且小于等于上限压力，则维持喷轨状态并结束程序。
2.如权利要求1所述一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，其特征在于：所述短中断程序的中断间隔为200us，所述长中断程序的中断间隔为1ms，所述P[i]中设有5个变量位置，所述瞬时压力PS存入数组P[i]中进行备用的具体操作如下：将瞬时压力PS存入数组P[i]的第i个变量位置中，每执行一次短中断程序，i的数值自加1，当i的数值大于5时，令i的数值回到1。
3.如权利要求2所述一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，其特征在于：所述计时器包括20ms计时器、10ms计时器、100ms计时器和1000ms计时器，所述20ms计时器与循环报文发送程序相连接，所述10ms计时器、100ms计时器和1000ms计时器均与平均压力计算程序相连接，所述1000ms计时器上还连接有压力补偿程序，所述压力补偿程序的结束端分别与20ms计时器、1000计时器相连接。
4.如权利要求1所述一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，其特征在于：若喷轨上存在多个喷射阀，则还包括喷射阀轮换程序，具体操作如下：开启喷轨后，判断当前开启指针Nx指向的喷射阀的编号是否为最后一个；若为最后一个，则将开启指针Nx置1同时打开第1个喷射阀，开启指针Nx指向下一个喷口；若不是最后一个，则开启第Nx个喷射阀，同时开启指针Nx指向下一个喷口。
5.如权利要求1所述一种燃料电池阳极压力变频喷射控制方法，其特征在于，所述压力补偿程序具体包括如下步骤： C1、读取目标压力P0和过去1s内的平均压力Pm； C2、计算本次压力误差△Pi=P0-Pm，同时读取上次误差△Pii和上上次误差△Piii； C3、通过增量型算法计算获得补偿后的目标压力 P0=P0+Kp*△Pi+Ki*△Pii+Kd*△Piii，其中Kp为积分系数；Ki为比例系数；Kd为微分系数； C4、对误差值进行传递，即令△Pii=△Pi，△Piii=△Pii，结束函数。
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