CN114204075B - 一种燃料电池阴极控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种燃料电池阴极控制方法，通过较少的、容易获取的最小阴极系统的数据，进行小区域划分，得出每个区域的二元一次的解耦方程，实现了在工程上的快速应用；由于本控制方法是以流量、压力为目标的，即使在燃料电池系统应用过程中，出现了环境变化、部件老化等情况带来的压力干扰、流量干扰，本控制方法辨识到压力、流量偏差量过大时进行调整空气压缩机转速和节气门开度达到自动适应的目标。

Description

一种燃料电池阴极控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统阴极控制技术领域，特别涉及一种燃料电池阴极控制方法。

背景技术

燃料电池系统通常由阳极供给模块、阴极供给模块、热管理模块、电力输出模块等组成，针对于阴极供给模块，往往由空气压缩机将外界大气泵入到燃料电池电堆之中，并通过节气门提供一定的背压，以实现控制燃料电池系统阴极的压力和流量。实际应用过程中，压力和流量相互耦合，为了达到要求的阴极压力和流量，技术人员往往要多次调整空气压缩机的转速和节气门的开度来匹配要求的压力和流量。同时由于实际工况的变化、部件老化等影响，会导致在原本设置好的空气压缩机转速和节气门开度下，燃料电池系统无法达到要求的压力和流量，严重情况下将会导致燃料电池阴极欠气引起不可逆的损害。因此解耦压力和流量，设计一种以压力和流量为目标的控制器是技术发展方向，此类控制器可以控制燃料电池系统在有一定的干扰下，控制器能够主动调整空气压缩机转速和节气门开度以保证要求的阴极压力和流量，提高了燃料电池系统运行的稳定性与寿命。

现有技术往往是技术人员通过标定的手段，预先在控制器中设置了不同压力、流量需求下的空气压缩机转速和节气门开度；在出现控制器控制偏差过大时，技术人员将重新标定控制器，这将会消耗大量的人力物力。

现有技术存在以下几点不足：

1、现有的流量、压力解耦公式，都涉及了复杂的算式或者大量特性数据的获取，工程上较难实际应用。

2、当压力或流量不满足时，会单独对空气压缩机转速进行调整，以适应变化

3、燃料电池系统标定时常集中于对空气压缩机转速、节气门开度的标定，而该标定后的数据由于燃料电池运行的环境不一样导致无法满足燃料电池系统所需的阴极压力和阴极流量，引起燃料电池阴极欠气

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池阴极控制方法，解耦阴极回路的压力、流量关系，通过最小阴极系统得出阴极回路二元一次的解耦方程，利用解耦方程，反求出空气压缩机期望转速与节气门期望开度，实现了以压力、流量为目标的控制器，满足了在燃料电池系统应用过程出现了环境变化、部件老化等情况下，能够自动调整空气压缩机转速和节气门开度以达到要求阴极压力与流量。

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阴极控制方法，具体包括如下步骤：

S1、设计最小阴极系统，在最小阴极系统中，通过改变空气压缩机的转速rpm和节气门的开度percent，可以得到不同压力P和流量F的数据，从而得到关于转速rpm、开度percent、压力P和流量F的数据组；

S2、在燃料电池系统的阴极供气子系统中，设置期望压力P_exp、压力控制偏差e_P，期望流量F_exp和流量控制偏差e_F；获取当前压力P_now，当前流量F_now，当前转速rpm_now，当前开度percent_now；

S3、判断当前压力P_now是否落入期望压力的偏差内，当前流量F_now是否落入期望流量的偏差内；若落入，则不用调整；反之，执行自适应流程；

S4、在步骤S1的数据组中，查找当前转速rpm_now和当前开度percent_now所对应的小区域，所述小区域由若干组数据构成，所述小区域的数据的转速上下限为(rpm_a,rpm_a+i)，所述当前转速rpm_now∈(rpm_a,rpm_a+i)，所述小区域的数据的开度上下限为(percent_b,percent_b+j)，所述当前开度percent_now∈(percent_b,percent_b+j)；

S5、通过小区域的数据得到小区域的线性拟合函数：[P,F]＝G(rpm,percent)；

S6、通过线性拟合函数算出当前转速rpm_now和当前开度percent_now下，小区域中会达到的压力P_{now_in_map}和流量F_{now_in_map}；

S7、依据当前压力P_now、当前流量F_now与期望压力P_exp、期望流量F_exp的比例关系，对压力P_{now_in_map}和流量F_{now_in_map}进行等比缩放，得到期望状态下对应在小区域中的期望压力P_{exp_in_map}和期望流量F_{exp_in_map}；

S8、通过线性拟合函数的反函数，得到达到小区域期望状态下所需的小区域期望转速rpm_{exp_in_map}和期望开度percent_{exp_in_map}；

S9、将期望转速rpm_{exp_in_map}限制到小区域的范围内，将期望开度percent_{exp_in_map}限制到小区域的范围内；

S10、将空气压缩机转速调整为rpm_{exp_in_map}，将节气门开度调整为percent_{exp_in_map}；判断调整后的压力以及流量是否落入期望压力的偏差内，若落入，则停止自适应流程；反之，回到步骤S4。

作为优选，所述最小阴极系统仅由空滤、空气压缩机和节气门组成。

作为优选，所述步骤S1中采用控制变量法得到数据组：控制转速不变，调整节气门开度由5％逐步增加值100％，得到若干组数据；再切换一次转速，调整节气门开度由5％逐步增加值100％，得到若干组数据；最终得到数据组。

作为优选，每次调节节气门开度的间隔为5％。

作为优选，所述步骤S5中的还包括线性拟合函数：[P,F]＝G(rpm,percent)的校验：

S51、取位于小区域中的一组或多组数据；

S52、将每组数据的转速和压力代入线性拟合函数中得到对应的拟合压力、拟合流量；

S53、将数据的拟合压力与数据的实际压力进行误差分析；将数据的拟合流量与数据的实际流量进行误差分析；

S54、当误差分析的结果位于合理范围内，则线性拟合函数通过校验；反之，返回步骤S4。

本发明的有益效果：

1、通过较少的、容易获取的最小阴极系统的数据，进行小区域划分，得出每个区域的二元一次的解耦方程，实现了在工程上的快速应用；

2、由于本控制方法是以流量、压力为目标的，即使在燃料电池系统应用过程中，出现了环境变化、部件老化等情况带来的压力干扰、流量干扰，本控制方法辨识到压力、流量偏差量过大时进行调整空气压缩机转速和节气门开度达到自动适应的目标。

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阴极控制方法的内部结构示意图；

图2是本发明的最小阴极系统的结构图；

图3是本发明的燃料电池系统的阴极供气子系统的结构图；

图4是本发明小区域的选择示意图；

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2，最小阴极系统的MAP图，有空滤、空气压缩机、节气门，组成了一个最小阴极系统：

在每一个状态下，我们可以得到一组数据[转速，开度，压力，流量]；对此通过控制变量法，控制转速不变，调整节气门开度，由5％～100％，每次间隔5％，即可以测出转速不变下，该最小阴极系统在{5％,10％,15％,20％,……,95％,100％}下的压力和流量；切换转速后，同样以控制变量法控制转速不变，调整节气门开度，进行测试；最后，我们可以得到形如以下结构的数据：

[rpm₀,percent₀,P₀₀,F₀₀][rpm₀,percent₁,P₀₁,F₀₁]…[rpm₀,percent_i,P_0i,F_0i]

[rpm₁,percent₀,P₁₀,F₁₀][rpm₁,percent₁,P₁₁,F₁₁]…[rpm₁,percent_i,P_1i,F_1i]

……

[rpm_j,percent₀,P_j0,F_j0][rpm_j,percent₁,P_j1,F_j1][…][rpm_j,percent_i,P_ji,F_ji]

……

[rpm_m,percent₀,P_m0,F_m0][rpm_m,percent₁,P_m1,F_m1][…][rpm_m,percent_n,P_mn,F_mn]

其中：

rpm_j＝rpm_j-1+Δ_rpm

percent_i＝percent_i-1+Δ_percent

对于取任意一块小区域，我们都可以得到如下4个数据

[rpm_m,percent_n,P_a,F_a][rpm_m,percent_n+1,P_b,F_b]

[rpm_m+1,percent_n,P_c,F_c][rpm_m+1,percent_n+1,P_d,F_d]

在这个rpm_m～rpm_m+1,percent_n～percent_n+1区域内，若Δ_rpm,Δ_percent取得足够小，一般区5％～15％的变化量，则可以将其假设为线性区域，因此可以由该小区域，得出[P,F]＝G(rpm,percent)，即

利用[rpm_m+1,percent_n+1,P_d,F_d]该点的实际数据，我们可以对上诉G进行校验，可以得

[P′_d，F′_d]＝G(rpm_m+1，percent_m+1)

控制压力、流量拟合值与实际值的差值百分比控制在8％以下，即控制误差为：

否则应该对该区域进一步细化以符合要求。至此我们得到了所有小区域的G函数，如下

同时由于[P,F]＝G_k(rpm,percent)已经是解耦状态，通过联立方程组，我们可以得出反函数

且该函数必定是二元一次函数。

在燃料电池实际应用过程中，其空气供给系统往往是相对于在阴极最小系统上再增添多种零部件，如中冷器、增湿器、燃料电池、旁通阀等，这些因素简化来看即给最小系统带来了一定压力干扰、流量干扰。而通过结构的区域映射对比，通过利用最小阴极系统来拟合实际情况，达到阴极回路压力、流量自适应的功能。

实际自适应过程：

参阅图3，燃料电池系统在实际工作过程中，其阴极供气子系统往往除了包含最小阴极系统外，还可能额外接入了增湿器、中冷器、电堆等部件。

燃料电池工作在不同的电流下，其引起阴极回路的气体消耗量也都不一样，导致在燃料电池的各个工况点其阴极回路结构图都将有不同的变化。本专利则是利用最小阴极系统的数据的小区域中的关系来近似等同于燃料电池不同状态下的阴极回路中的关系，达到压力流量解耦与自适应的目的。

参阅图1，在任意时刻

有期望压力P_exp，期望流量F_exp，

有当前压力P_now，当前流量F_now，当前转速rpm_now，当前开度percent_now，

若当前压力流量和期望值的偏差已经落在要求范围内则不用进行自适应，否则执行自适应，

由当前转速rpm_now，当前开度percent_now，找到落在MAP图中的小区域，该小区域将满足如下关系式

注意这里选取小区域时避免当前点落在小区域的边界上，参阅图4。

在有了[P,F]＝G_K(rpm,percent)后，将当前转速和压力带入算式中，得到

[P_{now_in_map},F_{now_in_map}]＝G_K(rpm_now,percent_now)

通过等比缩放可以得到在MAP上的期望点

通过该MAP上的期望点，可以得到

由于此线性关系仅在小区域内有效，因此对rpm_exp,percent_exp进行上下限限制，rpm_exp约束到[rpm_a,rpm_a+i]之内，percent_exp约束到[percent_b,percent_b+j]之内

调整空压机和节气门至rpm_exp,percent_exp；

此时若调整后的压力和流量，在允许的期望值内，则停止自适应，否则继续执行上述自适应过程。

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)

1.一种燃料电池阴极控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、设计最小阴极系统，在最小阴极系统中，通过改变空气压缩机的转速

和节气门的开度

，可以得到不同压力

和流量

的数据，从而得到关于转速

、开度

、压力

和流量

的数据组；

S2、在燃料电池系统的阴极供气子系统中，设置期望压力

、压力控制偏差

，期望流量

和流量控制偏差

；获取当前压力

，当前流量

，当前转速

，当前开度

；

S3、判断当前压力

是否落入期望压力的偏差内，当前流量

是否落入期望流量的偏差内；若落入，则不用调整；反之，执行自适应流程；

S4、在步骤S1的数据组中，查找当前转速

和当前开度

所对应的小区域，所述小区域由若干组数据构成，所述小区域的数据的转速上下限为

，所述当前转速

，所述小区域的数据的开度上下限为

，所述当前开度

；所述a、b、i、j为自然数；

S5、通过小区域的数据得到小区域的线性拟合函数：

；

S6、通过线性拟合函数算出当前转速

和当前开度

下，小区域中会达到的压力

和流量

；

S7、依据当前压力

、当前流量

与期望压力

、期望流量

的比例关系，对压力

和流量

进行等比缩放，得到期望状态下对应在小区域中的期望压力

和期望流量

；

S8、通过线性拟合函数的反函数，得到达到小区域期望状态下所需的小区域期望转速

和期望开度

；

S9、将期望转速

限制到小区域的范围内，将期望开度

限制到小区域的范围内；

S10、将空气压缩机转速调整为

，将节气门开度调整为

；判断调整后的压力以及流量是否落入期望压力的偏差内，若落入，则停止自适应流程；反之，回到步骤S4。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池阴极控制方法，其特征在于：所述最小阴极系统仅由空滤、空气压缩机和节气门组成。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池阴极控制方法，其特征在于：所述步骤S1中采用控制变量法得到数据组：控制转速不变，调整节气门开度由5%逐步增加值100%，得到若干组数据；再切换一次转速，调整节气门开度由5%逐步增加值100%，得到若干组数据；最终得到数据组。

4.如权利要求3所述的一种燃料电池阴极控制方法，其特征在于：每次调节节气门开度的间隔为5%。

5.如权利要求1所述的一种燃料电池阴极控制方法，其特征在于，所述步骤S5中的还包括线性拟合函数：

的校验：

S51、取位于小区域中的一组或多组数据；

S52、将每组数据的转速和压力代入线性拟合函数中得到对应的拟合压力、拟合流量；

S53、将数据的拟合压力与数据的实际压力进行误差分析；将数据的拟合流量与数据的实际流量进行误差分析；

S54、当误差分析的结果位于合理范围内，则线性拟合函数通过校验；反之，返回步骤S4。

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