CN113675444B - 燃料电池空气系统解耦控制方法、装置和存储介质 - Google Patents

燃料电池空气系统解耦控制方法、装置和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种燃料电池空气系统解耦控制方法，包括：根据燃料电池工作点确定相应的目标空气压力和目标空气流量；通过目标空气压力和目标空气流量分别查相应的标定表，得到前馈节流阀开度和前馈空压机转速；通过采集得到实时的空气入堆压力和空气入堆流量；计算目标空气压力和空气入堆压力的差值，并对该压力差进行PID控制，得到节流阀开度调整值；通过前馈节流阀开度和节流阀开度调整值查相应的开度对转速修正的标定表，得到空压机转速修正值；计算目标空气流量和空气入堆流量的差值，并对该流量差进行PID控制，得到空压机转速调整值；通过前馈空压机转速和空压机转速调整值查相应的转速对开度修正的标定表，得到节流阀开度修正值；求和得到最终的节流阀开度；求和得到最终的空压机转速。本发明简单易实现，实用性强，准确度高。

Description

燃料电池空气系统解耦控制方法、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及燃料电池空气系统控制领域，尤其是一种燃料电池空气系统解耦控制方法。
背景技术
面对环境污染的严峻要求，车用市场正在由传统化工能源向新能源转型。其中氢燃料电池系统由于其零排放、效率高、来源广泛等优势被全世界各大汽车厂商竞相研发。其中涉及到的空气供应系统作为系统辅件消耗功率较大的单元，其自身系统的控制及优化对于整个燃料电池系统的稳定运行及输出效率意义重大。
空气系统控制涉及两个重要参数的控制：空气压力和空气流量。空气压力和空气流量两个参数在实际的控制过程中是高度耦合的，要实现两者的单独控制难度较大。现有技术是采用先进的控制方法，如传递函数解耦、反馈线性化、自抗扰控制等，一定程度上可以起到解耦控制的效果，但相对复杂，实用性差一些。其中专利CN111293333A通过求解修正系数的方式来进行解耦控制，求解系数过程相对复杂；专利CN110970642A通过流量差作节流阀开度的PID修正和压力差作空压机转速的PID修正，这种通过修正PID的解耦方式对空气流量和空气压力的响应速度稍慢；专利CN111403783A采用自干扰控制实现解耦，理论性较强，实用性较差。
综上所述，需要有一种实用性强，准确度高的空气系统控制方法来实现燃料电池系统的输出效率有效提升。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种燃料电池空气系统解耦控制方法，可显著加快对空气流量和空气压力控制的响应速度，实用性强，准确度高，更容易实现空气压力和空气流量的解耦控制。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池空气系统解耦控制方法，包括：
根据燃料电池工作点确定相应的目标空气压力和目标空气流量；
通过目标空气压力和目标空气流量分别查相应的标定表，得到前馈节流阀开度和前馈空压机转速；
通过采集得到实时的空气入堆压力和空气入堆流量；
计算目标空气压力和空气入堆压力的差值，并对该压力差进行PID控制，得到节流阀开度调整值；此时，通过前馈节流阀开度和节流阀开度调整值查相应的开度对转速修正的标定表，得到空压机转速修正值；
计算目标空气流量和空气入堆流量的差值，并对该流量差进行PID控制，得到空压机转速调整值；此时，通过前馈空压机转速和空压机转速调整值查相应的转速对开度修正的标定表，得到节流阀开度修正值；
根据前馈节流阀开度、节流阀开度调整值以及节流阀开度修正值求和得到最终的节流阀开度；
根据前馈空压机转速、空压机转速调整值以及空压机转速修正值求和得到最终的空压机转速。
进一步地，空气入堆压力和空气入堆流量分别通过设置于电堆入口处的压力传感器和流量计测量后采集获得。
进一步地，对于开度对转速修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S11，设定一节流阀开度，然后增大开度，记录开度变化量；增大开度带来了空气入堆流量增加，此时空压机转速应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S12，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度增大时对应的空压机转速修正值；
S13，同样地，该节流阀开度下，减小开度，记录开度变化量；减小开度带来了空气入堆流量减小，此时空压机转速应该增大来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一正值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S14，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度减小时对应的空压机转速修正值；
S15，汇总得到该节流阀开度下，开度变化时对转速修正的标定表；
S16，改变初始节流阀开度，然后进行上述S11、S12、S13、S14、S15步骤测量并记录，得到最终的不同开度下，开度对转速修正的标定表。
进一步地，对于转速对开度修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S21，设定一空压机转速，然后增大转速，记录转速变化量；增大转速带来了空气入堆压力增加，此时节流阀应该增大来抵消带来的影响，此时修正的开度应该为一正值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S22，依次记录下该空压机转速时，不同的转速增大时对应的节流阀开度修正值；
S23，同样地，该空压机转速下，减小转速，记录转速变化量；减小转速带来了空气入堆压力减小，此时节流阀开度应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S24，依次记录下该空压机转速时，不同的转速减小时对应的节流阀开度修正值；
S25，汇总得到该空压机转速下，转速变化时对开度修正的标定表；
S26，改变初始空压机转速，然后进行上述S21、S22、S23、S24、S25步骤测量并记录，得到最终的不同空压机转速下，转速对开度修正的标定表。
第二方面，本发明的实施例还提出一种燃料电池空气系统解耦控制装置，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，用于运行所述计算机程序，所述计算机程序运行时执行如前文所述的方法的步骤。
第三方面，本发明的实施例还提出一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为运行时执行如前文所述的方法的步骤。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1）相较于现有技术，本申请提出的方法更容易实现空气压力和空气流量的解耦控制。
2）可以有效避免空压机在其危险区域（喘振区）工作，保证空压机始终处于安全工作状态。
3）通过查询修正的标定表的解耦控制可显著加快空气压力和空气流量控制的响应时间；
4）修正的标定表制作获取容易，简单易实现，实用性强，准确度高。
附图说明
图1为本发明实施例中的燃料电池空气系统示意图。
图2为本发明实施例中的解耦控制方法流程图。
图3为本发明实施例中的燃料电池空气系统控制原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
燃料电池空气系统简图见图1，包括空气过滤器、空压机、中冷器、加湿器、保护阀、设置于电堆入口处的压力传感器和流量计测量（图1中未画出）、节流阀以及ECU控制器等；对于实际的电堆来说，空气需经过过滤、增压、降温、加湿的一系列过程来保证电堆的高效率化学反应；
空气过滤器装在最前端，作用在于过滤空气中的杂质以及有害气体，以避免对电堆膜电极的损坏；
过滤后的空气进入空压机进行增压，与尾端节流阀配合来保证实际电堆反应时的工作压力；同时控制空压机转速来满足实际电堆运行需求的空气流量；
空压机增压后的气体温度较高，需经过中冷器控制进行降温，来满足实际电堆高效率反应时的最佳工作温度；
反应的空气也需要一定的湿度来保证电堆的高效率反应，这里中冷器后需进入加湿器对入堆前空气进行加湿控制；
电堆前后的保护阀和节流阀均是断电常闭阀，作用在于系统停机时切断电堆与外部空气的互通，尽量保持电堆处于真空状态，延长电堆使用寿命；
因此，对于空气系统需要关注的两个重要参数：空气压力和空气流量，ECU控制器分别通过设置于电堆入口处的压力传感器和流量计测量后采集获得；空气压力和空气流量的控制主要通过节流阀开度和空压机转速来调节；整个的控制调节过程见图2；
第一方面，本发明的实施例提出了一种燃料电池空气系统解耦控制方法，包括：
根据燃料电池工作点确定相应的目标空气压力和目标空气流量；
通过目标空气压力和目标空气流量分别查相应的标定表，得到前馈节流阀开度和前馈空压机转速；
通过采集得到实时的空气入堆压力和空气入堆流量；
计算目标空气压力和空气入堆压力的差值，并对该压力差进行PID控制，得到节流阀开度调整值；此时，通过前馈节流阀开度和节流阀开度调整值查相应的开度对转速修正的标定表，得到空压机转速修正值；
计算目标空气流量和空气入堆流量的差值，并对该流量差进行PID控制，得到空压机转速调整值；此时，通过前馈空压机转速和空压机转速调整值查相应的转速对开度修正的标定表，得到节流阀开度修正值；
根据前馈节流阀开度、节流阀开度调整值以及节流阀开度修正值求和得到最终的节流阀开度；
根据前馈空压机转速、空压机转速调整值以及空压机转速修正值求和得到最终的空压机转速。
空气系统解耦控制的两个关键的修正的标定表获取如下：
对于开度对转速修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S11，设定一节流阀开度，然后增大开度，记录开度变化量；增大开度带来了空气入堆流量增加，此时空压机转速应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S12，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度增大时对应的空压机转速修正值；
S13，同样地，该节流阀开度下，减小开度，记录开度变化量；减小开度带来了空气入堆流量减小，此时空压机转速应该增大来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一正值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S14，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度减小时对应的空压机转速修正值；
S15，汇总得到该节流阀开度下，开度变化时对转速修正的标定表；
S16，改变初始节流阀开度，然后进行上述S11、S12、S13、S14、S15步骤测量并记录，得到最终的不同开度下，开度对转速修正的标定表。
对于转速对开度修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S21，设定一空压机转速，然后增大转速，记录转速变化量；增大转速带来了空气入堆压力增加，此时节流阀应该增大来抵消带来的影响，此时修正的开度应该为一正值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S22，依次记录下该空压机转速时，不同的转速增大时对应的节流阀开度修正值；
S23，同样地，该空压机转速下，减小转速，记录转速变化量；减小转速带来了空气入堆压力减小，此时节流阀开度应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S24，依次记录下该空压机转速时，不同的转速减小时对应的节流阀开度修正值；
S25，汇总得到该空压机转速下，转速变化时对开度修正的标定表；
S26，改变初始空压机转速，然后进行上述S21、S22、S23、S24、S25步骤测量并记录，得到最终的不同空压机转速下，转速对开度修正的标定表。
本申请提出的空气系统解耦控制方法可以通过加入空压机转速变化时对节流阀开度的修正值来补偿转速变化时带来的空气压力变化，即节流阀开度修正值；同样地，节流阀开度变化时对空压机转速的修正值来补偿开度变化时带来的流量影响，即空压机转速修正值；这样的彼此修正值可以实现空气压力和空气流量的解耦控制；这种解耦控制方法简单易实现，实用性较强，同时可以有效避免空压机工作在喘振区；再结合前馈+PID调整值，三者共同作用下的控制方法对于空气系统的控制更准确，更有助于提高燃料电池的系统输出效率。
第二方面，本发明的实施例还提出一种燃料电池空气系统解耦控制装置，包括：处理器和存储器；所述处理器与存储器之间相互通信，例如通过一种通信总线连接并相互通信；所述存储器中存储有计算机程序；所述处理器用于运行所述计算机程序，所述计算机程序运行时执行如上文所述的方法的步骤；处理器可采用图1中所示的ECU控制器，或者其它通用处理器，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件等；
第三方面，本发明的实施例还提出一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程度，所述计算机程序被配置为运行时执行如前文所述的方法的步骤；存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体 (Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种燃料电池空气系统解耦控制方法，其特征在于，包括：
根据燃料电池工作点确定相应的目标空气压力和目标空气流量；
通过目标空气压力和目标空气流量分别查相应的标定表，得到前馈节流阀开度和前馈空压机转速；
通过采集得到实时的空气入堆压力和空气入堆流量；
计算目标空气压力和空气入堆压力的差值，并对该压力差进行PID控制，得到节流阀开度调整值；此时，通过前馈节流阀开度和节流阀开度调整值查相应的开度对转速修正的标定表，得到空压机转速修正值；
计算目标空气流量和空气入堆流量的差值，并对该流量差进行PID控制，得到空压机转速调整值；此时，通过前馈空压机转速和空压机转速调整值查相应的转速对开度修正的标定表，得到节流阀开度修正值；
根据前馈节流阀开度、节流阀开度调整值以及节流阀开度修正值求和得到最终的节流阀开度；
根据前馈空压机转速、空压机转速调整值以及空压机转速修正值求和得到最终的空压机转速；
对于开度对转速修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S11，设定一节流阀开度，然后增大开度，记录开度变化量；增大开度带来了空气入堆流量增加，此时空压机转速应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S12，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度增大时对应的空压机转速修正值；
S13，同样地，该节流阀开度下，减小开度，记录开度变化量；减小开度带来了空气入堆流量减小，此时空压机转速应该增大来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一正值；通过调节转速来保持空气入堆流量不变，记录此时的转速变化量即空压机转速修正值；
S14，依次记录下该节流阀开度时，不同的开度减小时对应的空压机转速修正值；
S15，汇总得到该节流阀开度下，开度变化时对转速修正的标定表；
S16，改变初始节流阀开度，然后进行上述S11、S12、S13、S14、S15步骤测量并记录，得到最终的不同开度下，开度对转速修正的标定表；
对于转速对开度修正的标定表，通过试验台测试标定得到，步骤如下：
S21，设定一空压机转速，然后增大转速，记录转速变化量；增大转速带来了空气入堆压力增加，此时节流阀应该增大来抵消带来的影响，此时修正的开度应该为一正值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S22，依次记录下该空压机转速时，不同的转速增大时对应的节流阀开度修正值；
S23，同样地，该空压机转速下，减小转速，记录转速变化量；减小转速带来了空气入堆压力减小，此时节流阀开度应该减小来抵消带来的影响，此时修正的转速应该为一负值；通过调节开度来保持空气入堆压力不变，记录此时的开度变化量即节流阀开度修正值；
S24，依次记录下该空压机转速时，不同的转速减小时对应的节流阀开度修正值；
S25，汇总得到该空压机转速下，转速变化时对开度修正的标定表；
S26，改变初始空压机转速，然后进行上述S21、S22、S23、S24、S25步骤测量并记录，得到最终的不同空压机转速下，转速对开度修正的标定表。
2.如权利要求1所述的燃料电池空气系统解耦控制方法，其特征在于，
空气入堆压力和空气入堆流量分别通过设置于电堆入口处的压力传感器和流量计测量后采集获得。
3.一种燃料电池空气系统解耦控制装置，其特征在于，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，用于运行所述计算机程序，所述计算机程序运行时执行如权利要求1～2中任一项所述的方法的步骤。
4.一种存储介质，其特征在于，
所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为运行时执行如权利要求1～2中任一项所述的方法的步骤。
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