CN113745607A - 一种燃料电池控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池控制方法及系统，属于燃料电池管理技术领域，包括获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据；根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态。本发明提供了一套燃料电池管理策略，使系统各状态处于最优值。从而确保燃料电池运行安全，提升燃料电池系统效率。

Description

一种燃料电池控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池管理技术领域，特别涉及一种燃料电池控制方法及系统。
背景技术
以燃料电池为动力装置的新能源汽车，被认为是21世纪交通工具的终极解决方案。相比于纯电动汽车，燃料电池汽车具有燃料加注时间短、续航里程远等优点。燃料电池系统由多个串联单体和多个辅助系统组成，主要包括空气供给系统、氢气供给系统、水热管理系统。系统整体工作效率既和氧气过量比有关，也和压缩机输入电压、阴极压力，阴极入口流量和阴极出口管道流量有关。因此空气供给系统需要控制空压机的转速和背压阀开度，使进入的氧气流量和阴极压力保持在一个合适的范围内；氢气供气系统需要控制储氢罐的阀门开度，通过一个比例控制器使氢气的流量满足要求；水热管理系统需要控制水泵对电堆进行冷却降温。燃料电池管理需要一套合适的管理策略，使系统各状态处于最优值，从而确保燃料电池运行安全，提升燃料电池系统效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，提供一种燃料电池控制方法，使得系统各状态稳定在最优值。
为实现以上目的，一方面，本发明采用一种燃料电池控制方法，包括：
获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据；
根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态。
进一步地，所述燃料电池系统的实时状态数据经传感器实时采集得到，包括空气流量、电堆阴极入堆压力、电堆温度、电堆阳极入堆压力、以及燃料电池工作电流；
所述燃料电池系统的历史状态数据经历史实验得到，包括最优氧气过量比-工作电流对照表、最优阴极入口压力-工作电流对照表、最优阳极入口压力-工作电流对照表以及最优电堆温度-工作电流对照表。
进一步地，所述最优氧气过量比-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节空气压缩机的转速，得到不同空气流量并送入燃料电池电堆；并根据氧气过量比的计算公式，计算最优氧气过量比，得到当前工作电流下的最优氧气过量比；根据不同工作电流下的最优氧气过量比，构建得到所述最优氧气过量比-工作电流对照表；
所述最优阴极入口压力-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节背压阀目标，得到不同燃料电池电堆阴极入口压力；根据不同燃料电池电堆阴极入口压力，选取最优电堆阴极入口压力；根据不同工作电流下的最优电堆阴极入口压力，构建所述最优阴极入口压力-工作电流对照表；
所述最优阳极入口压力-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节背压阀目标，得到不同燃料电池电堆阳极入口压力；根据不同燃料电池电堆阳极入口压力，选取最优电堆阳极入口压力；根据不同工作电流下的最优电堆阳极入口压力，构建所述最优阳极入口压力-工作电流对照表；
所述最优电堆温度-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节循环水泵，得到不同燃料电池电堆温度；根据不同燃料电池电堆温度，选取最优电堆温度；根据不同工作电流下的最优电堆温度，构建所述最优电堆温度-工作电流对照表。
进一步地，所述根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态，包括：
基于所述最优氧气过量比-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
基于所述最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
基于所述最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
基于所述最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆阴极入口温度，计算得到循环水泵目标转速U4。
进一步地，还包括：
对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值，优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
进一步地，所述根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态，包括：
根据所述空气压缩机目标转速的最优值，计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
根据所述背压阀目标开度的最优值，计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
根据所述氢气比例阀目标开度的最优值，计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
根据所述循环水泵目标转速的最优值，计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
进一步地，在所述根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态之后，还包括：
根据所述各子系统的最优状态与各子系统的当前状态的差值，判断子系统是否存在故障。
另一方面，本发明采用一种燃料电池控制系统，包括最优决策层和辅助系统控制层，其中：
最优决策层用于获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，并根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
辅助系统控制层用于将各子系统的最优状态作为前馈值，控制各子系统对应的执行器，使得燃料电池系统处于最优状态。
进一步地，所述最优决策层输入连接有传感器，输出连接所述辅助系统控制层，所述传感器包括空气流量计、阴极压力传感器、阳极压力传感器、电堆温度传感器和电流传感器，空气流量计用于采集空气流量，阴极压力传感器用于采集堆阴极入堆压力，阳极压力传感器用于采集电堆阳极入堆压力，电堆温度传感器用于采集电堆阴极入口温度，电流传感器用于采集燃料电池的工作电流。
进一步地，所述最优决策层包括第一最优决策模块、第二最优决策模块、第三最优决策模块、第四最优决策模块和多目标优化模块，其中：
第一最优决策模块用于读取本地存储的最优氧气过量比-工作电流对应表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
第二最优决策模块用于读取本地存储的最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
第三最优决策模块用于读取本地存储的最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
第四最优决策模块用于读取本地存储的最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆阴极入口温度，计算得到循环水泵目标转速U4；
多目标优化模块用于对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值，优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
进一步地，所述辅助系统控制层包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块以及第四控制模块，其中：
第一控制模块用于根据所述空气压缩机目标转速的最优值，计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
第二控制模块用于根据所述背压阀目标开度的最优值，计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
第三控制模块用于根据所述氢气比例阀目标开度的最优值，计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
第四控制模块用于根据所述循环水泵目标转速的最优值，计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明根据燃料电池系统的实时状态数据和根据历史实验得到的历史状态数据，计算得到燃料电池系统的各子系统的最优状态；并根据各个子系统的最优状态作为前馈值，控制协调燃料电池系统各子系统的状态，使系统稳定运行在安全高效区间，减少空压机和水泵的额外功耗，提升系统能量效率。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种燃料电池控制方法的流程图；
图2是步骤S2的细分步骤流程示意图；
图3是步骤S3的细分步骤流程示意图；
图4是另一种燃料电池控制方法的流程图；
图5是一种燃料电池控制系统的结构图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种燃料电池控制方法，包括如下步骤S1至S3：
S1、获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据；
S2、根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
S3、根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态。
作为进一步优选的技术方案，燃料电池系统的实时状态数据可以通过燃料电池系统内布置的传感器采集得到，比如空气流量计、阴极压力传感器、阳极压力传感器、电堆温度传感器和电流传感器，所采集的实时状态数据包括空气流量、电堆阴极入堆压力、电堆温度、电堆阳极入堆压力、以及燃料电池工作电流。
作为进一步优选的技术方案，所述燃料电池系统的历史状态数据经历史实验得到，包括最优氧气过量比-工作电流对照表、最优阴极入口压力-工作电流对照表、最优阳极入口压力-工作电流对照表以及最优电堆温度-工作电流对照表。
作为进一步优选的技术方案，所述的最优氧气过量比-工作电流对照表通过实验分析得到，具体过程为：首先固定工作电流，例如300A，然后调节空压机转速得到不同空气流量进入燃料电池电堆，由于空压机转速过高和过低均会造成系统效率减小，因此存在一个最佳空气流量，通过上述氧气过量比的计算公式计算得到最优氧气过量比，最后记录此工作电流(例如300A)下的最优氧气过量比。同样的，可以获得其他不同工作电流下的最优氧气过量比，形成最优氧气过量比-工作电流对照表。
其中，所述氧气过量比的计算公式为：λ＝F×M1/M2/I，其中F为空气流量计采集得到的空气流量，I为电流传感器采集到的电堆工作电流，M1和M2为参数，分别取值为648379.2与29。
所述的最优阴极入口压力-工作电流对照表通过实验分析得到，具体过程为：首先固定工作电流，例如300A，然后调节背压阀目标得到不同燃料电池电堆阴极入口压力，例如1.1bar、1.2bar、1.3bar……，由于压力过高和过低均会造成系统过氧比不稳定，因此存在一个最优电堆阴极入口压力，记录此工作电流(例如300A)下的最优电堆阴极入口压力。同样的，可以获得其他不同工作电流下的最优电堆阴极入口压力，形成最优阴极入口压力-工作电流对照表。
所述的最优阳极入口压力-工作电流对照表通过实验分析得到，具体过程为：首先固定工作电流，例如300A，然后调节背压阀目标得到不同燃料电池电堆阳极入口压力，例如1.5bar、1.6bar、1.7bar……(需要比阴极压力高)，由于阳极入口压力过高和过低均会造成系统效率下降，因此存在一个最优电堆阳极入口压力，记录此工作电流(例如300A)下的最优电堆阴极入口压力。同样的，可以获得其他不同工作电流下的最优电堆阳极入口压力，形成最优阳极入口压力-工作电流对照表。
所述的最优电堆温度-工作电流对照表通过实验分析得到，具体过程为：首先固定工作电流，例如300A，然后调节循环水泵得到不同燃料电池电堆温度，例如349K、350K、351K……，由于电堆温度过高和过低均会造成系统效率下降，因此存在一个最优电堆温度，记录此工作电流(例如300A)下的最优电堆温度。同样的，可以获得其他不同工作电流下的最优电堆温度，形成最优电堆温度工作电流对照表。
作为进一步优选的技术方案，如图2所示，上述步骤S2：根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态，包括如下细分步骤S21至S24：
S21、基于所述最优氧气过量比-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
S22、基于所述最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
S23、基于所述最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
S24、基于所述最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆阴极入口温度，计算得到循环水泵目标转速U4。
作为进一步优选的技术方案，如图4所示，在所述步骤S3：根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态之后还包括：
步骤S3’、通过多目标优化协调控制各子系统，修正最优状态，具体为：
对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值。优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
相应地，上述步骤S3为：根据各子系统修正后的最优状态，控制各子系统处于最优状态。
需要说明的是，根据历史实验数据得出的对照表，由于历史数据不能完全反映实时条件下的情况、不能协调多个子系统，因此本实施例通过采用多目标优化方法对空气压缩机目标转速、背压阀目标开度、氢气比例阀目标开度以及循环水泵目标转速进行修正。
本实施例通过计算得到修正控制量u1,u2,u3,u4使成本函数最小，即各个状态量的实际值和目标值的二范数最小，确保各子系统状态最优值的准确性。
作为进一步优选的技术方案，如图3所示，上述步骤S3：根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态，包括如下细分步骤S31至S34：
S31、根据所述空气压缩机目标转速的最优值，计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
S32、根据所述背压阀目标开度的最优值，计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
S33、根据所述氢气比例阀目标开度的最优值，计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
S34、根据所述循环水泵目标转速的最优值，计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
作为进一步优选的技术方案，本实施例分别通过第一比例控制器、第二比例控制器、第三比例控制器、第四比例控制器计算得到空气压缩机实际控制转速、背压阀实际控制占空比、氢气比例阀实际控制占空比以及循环水泵实际控制转速。
第一比例控制器的比例系数最优值为10.1，第二比例控制器的比例系数最优值为1.5，第三比例控制器的比例系数最优值为1.5，第四比例控制器的比例系数最优值为5.4。
本实施例通过根据燃料电池系统实时采集到的传感器数据和历史实验得到的数据，计算得到各子系统的最优状态，将最优状态作为前馈值，结合反馈控制方法，通过控制燃料电池各子系统的执行器比如空气压缩机、背压阀、氢气喷射器、循环水泵等，将整个燃料电池系统快速调整到最优值附近，并保持在最优状态，避免空气压缩机喘振与氧气供给不足。同时，通过计算各子系统的最优状态值，可以有效避免空气压缩机和水泵功率过高早造成的能量浪费，同时维持电堆阳极和阴极压力平衡，避免质子交换膜由于压力不平衡而破裂。
如图5所示，本实施例公开了一种燃料电池控制系统，包括最优决策层110和辅助系统控制层120，其中：
最优决策层110用于获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，并根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
辅助系统控制层120用于将各子系统的最优状态作为前馈值，控制各子系统对应的执行器，使得燃料电池系统处于最优状态。
需要说明的是，本实施例通过采用双层架构的控制策略，有利于软件开发工作，每层的开发、标定与测试相对独立，可以并行开展加快项目研发进度。
作为进一步优选的技术方案，所述最优决策层110输入连接有传感器，输出连接所述辅助系统控制层120，所述传感器包括空气流量计、阴极压力传感器、阳极压力传感器、电堆温度传感器和电流传感器，空气流量计用于采集空气流量，阴极压力传感器用于采集堆阴极入堆压力，阳极压力传感器用于采集电堆阳极入堆压力，电堆温度传感器用于采集电堆阴极入口温度，电流传感器用于采集燃料电池的工作电流。
作为进一步优选的技术方案，所述最优决策层110包括第二最优决策模块112、第二最优决策模块112、第三最优决策模块113、第四最优决策模块114和多目标优化模块115，其中：
第二最优决策模块112用于读取本地存储的最优氧气过量比-工作电流对应表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
第二最优决策模块111用于读取本地存储的最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
第三最优决策模块113用于读取本地存储的最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
第四最优决策模块114用于读取本地存储的最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆阴极入口温度，计算得到循环水泵目标转速U4；
多目标优化模块115用于对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值，优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
作为进一步优选的技术方案，所述辅助系统控制层120包括第一控制模块121、第二控制模块122、第三控制模块123以及第四控制模块124，其中：
第一控制模块121用于根据所述空气压缩机目标转速的最优值U1+u1，通过第一比例控制器计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
第二控制模块122用于根据所述背压阀目标开度的最优值U2+u2，通过第二比例控制器计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
第三控制模块123用于根据所述氢气比例阀目标开度的最优值U3+u3，通过第三比例控制器计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
第四控制模块124用于根据所述循环水泵目标转速的最优值U4+u4，通过第四比例控制器计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
作为进一步优选的技术方案，第一比例控制器的比例系数最优值为10.1，第二比例控制器的比例系数最优值为1.5，第三比例控制器的比例系数最优值为1.5，第四比例控制器的比例系数最优值为5.4。
需要说明的是，本实施例为使得燃料电池的空气流量达到目标流量，对空气压缩机的转速进行调整，有效避免空气压缩机功率过高造成的能量浪费，以及避免空压机喘振与氧气供给不足。为使得所述燃料电池的阴极压力可以达到目标的阴极压力，背压阀也应实时进行调整，背压阀调整的则是当前时间节点下应当调整的开度，而开度通过占空比信号控制。为使得所述燃料电池的阳极压力可以达到目标的阳极压力，比例阀也应实时进行调整，氢气喷射器调整的则是当前时间节点下的开度，而开度通过占空比信号控制。为使得所述燃料电池的电堆温度可以达到目标的阴极压力，循环水泵也应实时进行调整，循环水泵调整的则是当前时间节点下应当调整的转速。
本实施例采用多目标优化的计算方式，协调各个子系统不同的优化目标，同时优化流量、压力、温度等互相耦合的状态。为避免全局优化增加系统的计算耗等问题，采用了子系统分别优化、系统多目标优化修正、分层控制三种方法相结合的方式，提升系统的运行速度。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
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 (10)

1.一种燃料电池控制方法，其特征在于，包括：
获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据；
根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态。
2.如权利要求1所述的燃料电池控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统的实时状态数据经传感器实时采集得到，包括空气流量、电堆阴极入堆压力、电堆阴极入口温度、电堆阳极入堆压力、电堆温度、以及燃料电池工作电流；
所述燃料电池系统的历史状态数据经历史实验得到，包括最优氧气过量比-工作电流对照表、最优阴极入口压力-工作电流对照表、最优阳极入口压力-工作电流对照表以及最优电堆温度-工作电流对照表。
3.如权利要求2所述的燃料电池控制方法，其特征在于，所述最优氧气过量比-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节空气压缩机的转速，得到不同空气流量并送入燃料电池电堆；并根据氧气过量比的计算公式，计算最优氧气过量比，得到当前工作电流下的最优氧气过量比；根据不同工作电流下的最优氧气过量比，构建得到所述最优氧气过量比-工作电流对照表；
所述最优阴极入口压力-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节背压阀目标，得到不同燃料电池电堆阴极入口压力；根据不同燃料电池电堆阴极入口压力，选取最优电堆阴极入口压力；根据不同工作电流下的最优电堆阴极入口压力，构建所述最优阴极入口压力-工作电流对照表；
所述最优阳极入口压力-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节背压阀目标，得到不同燃料电池电堆阳极入口压力；根据不同燃料电池电堆阳极入口压力，选取最优电堆阳极入口压力；根据不同工作电流下的最优电堆阳极入口压力，构建所述最优阳极入口压力-工作电流对照表；
所述最优电堆温度-工作电流对照表的构建过程包括：
固定工作电流，调节循环水泵，得到不同燃料电池电堆温度；根据不同燃料电池电堆温度，选取最优电堆温度；根据不同工作电流下的最优电堆温度，构建所述最优电堆温度-工作电流对照表。
4.如权利要求2所述的燃料电池控制方法，其特征在于，所述根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态，包括：
基于所述最优氧气过量比-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
基于所述最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
基于所述最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
基于所述最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆温度，计算得到循环水泵目标转速U4。
5.如权利要求4所述的燃料电池控制方法，其特征在于，还包括：对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值，优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
6.如权利要求5所述的燃料电池控制方法，其特征在于，所述根据各子系统的最优状态，控制各子系统处于最优状态，包括：
根据所述空气压缩机目标转速的最优值，计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
根据所述背压阀目标开度的最优值，计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
根据所述氢气比例阀目标开度的最优值，计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
根据所述循环水泵目标转速的最优值，计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
7.一种燃料电池控制系统，其特征在于，包括最优决策层和辅助系统控制层，其中：
最优决策层用于获取燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，并根据燃料电池系统的实时状态数据和历史状态数据，计算燃料电池系统各子系统的最优状态；
辅助系统控制层用于将各子系统的最优状态作为前馈值，控制各子系统对应的执行器，使得燃料电池系统处于最优状态。
8.如权利要求7所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述最优决策层输入连接有传感器，输出连接所述辅助系统控制层，所述传感器包括空气流量计、阴极压力传感器、阳极压力传感器、电堆温度传感器和电流传感器，空气流量计用于采集空气流量，阴极压力传感器用于采集堆阴极入堆压力，阳极压力传感器用于采集电堆阳极入堆压力，电堆温度传感器用于采集电堆阴极入口温度，电流传感器用于采集燃料电池的工作电流。
9.如权利要求8所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述最优决策层包括第一最优决策模块、第二最优决策模块、第三最优决策模块、第四最优决策模块和多目标优化模块，其中：
第一最优决策模块用于读取本地存储的最优氧气过量比-工作电流对应表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优氧气过量比目标值，并根据最优氧气过量比目标值与所述空气流量，计算得到空气压缩机目标转速U1；
第二最优决策模块用于读取本地存储的最优阴极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阴极入口压力目标值，并根据最优阴极入口压力目标值与所述电堆阴极入堆压力，计算得到背压阀目标开度U2；
第三最优决策模块用于读取本地存储的最优阳极入口压力-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优阳极入口压力目标值，并根据最优阳极入口压力目标值与所述电堆阳极入堆压力，计算得到氢气比例阀目标开度U3；
第四最优决策模块用于读取本地存储的最优电堆温度-工作电流对照表，得到所述燃料电池的工作电流对应的最优电堆温度目标值，并根据最优电堆温度目标值与所述电堆阴极入口温度，计算得到循环水泵目标转速U4；
多目标优化模块用于对所述空气压缩机目标转速U1、背压阀目标开度U2、氢气比例阀目标开度U3、循环水泵目标转速U4进行优化，得到所述空气压缩机目标转速的最优值、背压阀目标开度的最优值、氢气比例阀目标开度的最优值以及循环水泵目标转速的最优值，优化的成本函数为：
F(x)＝[X1-f1(U1+u1)]2+[X2-f2(U2+u2)]2+[X3-f3(U3+u3)]2+[X4-f4(U4+u4)]2
其中，X1为最优电堆阴极入堆流量、X2最优电堆阴极入口压力、X3最优电堆阳极入堆压力、X4最优电堆温度，u1,u2,u3,u4分别为空气压缩机目标转速的修正量、背压阀目标开度的修正量、氢气比例阀目标开度的修正量、循环水泵目标转速的修正量，f1(U1+u1)为实际电堆阴极入堆流量，f2(U2+u2)为实际电堆阳极入堆压力，f3(U3+u3)为实际电堆阳极入堆压力，f4(U4+u4)为实际电堆温度。
10.如权利要求9所述的燃料电池控制系统，其特征在于，所述辅助系统控制层包括第一控制模块、第二控制模块、第三控制模块以及第四控制模块，其中：
第一控制模块用于根据所述空气压缩机目标转速的最优值，计算得到空气压缩机实际控制转速，并发送至空压机执行器；
第二控制模块用于根据所述背压阀目标开度的最优值，计算得到背压阀实际控制占空比，并发送至背压阀执行器；
第三控制模块用于根据所述氢气比例阀目标开度的最优值，计算得到氢气比例阀实际控制占空比，并发送至氢气比例阀执行器；
第四控制模块用于根据所述循环水泵目标转速的最优值，计算得到循环水泵实际控制转速，并发送至循环水泵执行器。
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