CN114335597B - 一种燃料电池水温的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池水温的控制方法及系统，用于控制风扇转速来调节电池水温，方法包括：S1、建立电堆电流、外界环境温度与基础风扇转速参数信号的风扇转速对应表；S2、实时地获取实际水入温度Ts、外界环境温度Th和电堆电流I，确定目标水入温度Tm，设定T1和T2；S3、风扇关闭时，进行如下判断：当Ts＞T1，风扇启动并设定最大风扇转速，降到Ts≤T1时进入到步骤S4；若Tm＜Ts≤T1，进入步骤S4；若Ts＜Tm，风扇保持关闭状态；S4、风扇启动，进行水温闭环控制，包括：S41、得到基础风扇转速参数信号Fan1；S42、对风扇转速进行增量PID控制，得到校正风扇转速参数信号Fan2；S43、相加得到需求风扇转速参数信号Fan3，控制风扇转动。S5、降到Ts≤T2时，关闭风扇。

Description

一种燃料电池水温的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池水温的控制方法及系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池因具有效率高、启动快、工作温度低等优点从而得到广泛的应用。水温是影响燃料电池的性能及寿命的重要因素之一，水温低于电堆需求温度不仅会导致电堆输出功率降低，还会因为水堵导致单池单低甚至反极；水温高于电堆需求温度会导致质子交换膜过干，降低电堆寿命，甚至因为过热导致电堆损坏。
电堆的水入温度控制主要是通过调整散热风扇转速来实现。传统燃油车基于水温上下限采用风扇开关式控制方法，此方法水温调节范围较大，一般燃料电池工作范围要求70-80℃，相对传统燃油车，温度范围更窄，所以此方法不适用于燃料电池。针对燃料电池，目前普遍采用基于目标水温和实际水温偏差的风扇转速PID控制方式，但是水温控制系统具有大惯性、纯时滞和非线性的特性，导致无法解决水温超调过大的问题。
为了解决上述存在的问题，公告号为CN 112018409 B的中国专利中，通过试验确定不同工况下的风扇基础转速调节信号PWM1后采用间断PID法确定风扇校正转速调节信号PWM2，相加得到散热风扇的需求转速PWM3用来控制风扇转速。此方法可以降低风扇至燃料电池入水的管道过长引起的温度误差，但其仍存在一定缺陷，每个工况下采用固定风扇校正转速和开闭时间间隔，无法根据水温反馈信号实时调节，调节精度取决于标定精度，系统鲁棒性难以保证。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种燃料电池水温的控制方法及系统，基于当前工况下实际水温和目标水温的偏差，通过前馈控制和增量PID闭环控制相结合的控制方式进行风扇转速调节，提升了稳态和变载工况下的水温控制精度，减小的水温波动幅度。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池水温的控制方法，用于控制燃料电池热管理系统的风扇转速来调节电池水温，利用控制器获取相关参数、以及输出风扇转速参数信号来控制风扇转速，所述控制方法包括以下步骤：
S1、根据电堆电流、外界环境温度与目标水入温度对应关系，建立电堆电流、外界环境温度与基础风扇转速参数信号的风扇转速对应表；
S2、控制器实时地获取实际水入温度Ts、外界环境温度Th和电堆电流I，确定目标水入温度Tm，并设定第一水温T1和第二水温T2，且T2＜Tm＜T1；
S3、风扇为关闭状态时，对实际水入温度Ts进行如下判断：当Ts＞T1，风扇启动并设定最大风扇转速，直到水温降到Ts≤T1时进入到步骤S4；若Tm＜Ts≤T1，进入步骤S4；若Ts＜Tm，风扇保持关闭状态；
S4、风扇启动，进行水温闭环控制，包括以下步骤：
S41、根据风扇转速对应表得到当前实际水入温度Ts和当前外界环境温度Th情况下的基础风扇转速参数信号Fan1；
S42、根据实际水入温度Ts和目标水入温度Tm的偏差，对风扇转速进行增量PID控制，得到校正风扇转速参数信号Fan2；
S43、基础风扇转速参数信号Fan1和校正风扇转速参数信号Fan2相加，得到需求风扇转速参数信号Fan3，控制器以需求风扇转速参数信号Fan3来控制风扇转动。
S5、当实际水入温度Ts降到Ts≤T2时，关闭风扇。
进一步地，还包括S6、水温闭环控制优化，具体包括：
S61、设定第三温度T3和第四温度T4，且T2＜T4＜Tm＜T3＜T1，在Tm～T3之间选择一个温度Tc1，并将处于升温阶段Tc1时的实际水入温度变化率作为第一参考温度变化率Kc1，Kc1＞0，在T4～Tm之间选择一个温度Tc2，并将处于降温阶段Tc2时的实际水入温度变化率作为第二参考温度变化率Kc2，Kc2＜0；
S62、优化后的水温闭环控制：在进行步骤S4的基础上，同时获取当前实际水温变化率K，并进行如下操作：
S621、当前实际水温变化率K＞0时，若实际水入温度Ts＞Tm，且|K|＜|Kc1|时，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始下降或者继续上升到超过第三温度T3时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制；
S622、在当前实际水温变化率K＜0时，若实际水入温度Ts＜Tm，且|K|＜|Kc2|时，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始上升或者继续下降到低于第四温度T4时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速增量PID控制；
S623、除步骤S621和步骤S622外的情况，维持风扇转速的增量PID控制。
进一步地，第一参考温度变化率Kc1和第二参考温度变化率Kc2的优化选定：在Tm～T3之间均等地取N个值作为待选Tc1，然后将N个待选Tc1分别带入到步骤62中进行实际试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc1的值作为最优Tc1值；在T4～Tm之间均等地取N个值作为待选Tc2，然后将N待选Tc2分别带入到步骤S62中进行实际试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc2的值作为最优Tc2值。
进一步地，所述步骤S7中，N＝10。
本发明还提供一种燃料电池水温的控制系统，包括水管理系统和控制器，所述水管理系统包括风扇、冷却水管和入水温度传感器，所述冷却水管与燃料电池中的电堆连接，所述风扇对冷却水管中的水进行散热降温，所述入水温度传感器设置在电堆入口处，且入水温度传感器与控制器通讯相连，所述控制器与风扇控制相连，采用上述的控制方法对风扇进行控制。
如上所述，本发明涉及的控制方法及系统，具有以下有益效果：
基于当前工况下实际水温和目标水温的偏差，通过前馈控制和增量PID控制相结合的控制方式进行风扇转速调节，实现水温闭环控制，提升了稳态和变载工况下的水温控制精度，减小的水温波动幅度。
附图说明
图1为本发明的控制方法的流程示意图。
图2为本发明中电池水温在调节时某一情况下的变化曲线图。
图3为本发明中电池水温在调节时另一情况下的变化曲线图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
参见图1至图3，本发明提供了一种燃料电池水温的控制方法，用于控制燃料电池热管理系统的风扇转速来调节电池水温，利用控制器获取相关参数，包括电堆电流、外界环境温度、目标水入温度和实际水入温度等，能够实时获取参数并储存起来，并具有相应的逻辑计算功能，同时控制器输出风扇转速参数信号来控制风扇启停和转速，其中目标水入温度是指电堆入口处的要求水温度，实际水入温度分别指电堆入口进水的实际温度。本发明的控制方法包括以下步骤：
S1、根据电堆电流、外界环境温度与目标水入温度对应关系，建立电堆电流、外界环境温度与基础风扇转速参数信号的风扇转速对应表，该风扇转速对应表预先存入到控制器中。具体地，在实际使用中，对于特定的电堆电流和外界环境温度，都会有相对应需求的温度作为目标水入温度Tm，而对于特定目标水入温度Tm、以及外界环境温度，会对应一个基础风扇转速来对电池水温进行温度调控，因此可以得到一个电堆电流、外界环境温度与基础风扇转速参数信号的风扇转速对应表，根据风扇转速对应表，在确定电堆电流和外界环境温度参数下，可得到对应的基础风扇转速参数信号，电堆电流、外界环境温度与风扇转速参数信号的风扇转速对应表的具体标定方法为现有已知的，因此不再详述。
S2、控制器获取实际水入温度Ts、外界环境温度Th和电堆电流I，确定目标水入温度Tm，并设定第一水温T1和第二水温T2，且T2＜Tm＜T1；其中，第一水温T1和第二水温T2的具体数值根据燃料电池的实际情况确定。
S3、风扇为关闭状态时，对实际水入温度Ts进行如下判断：当Ts＞T1，则说明此时温度过高，需要快速降温，风扇启动并设定最大风扇转速，该转速根据风扇实际情况确定，直到水温降到Ts≤T1时进入到步骤S4；若Tm＜Ts≤T1，进入步骤S4；若Ts＜Tm，说明此时温度暂时不高，可暂时不需要降温，风扇保持关闭状态。
S4、风扇启动，进行水温闭环控制，采用增量式PID控制方式调节风扇转速，包括以下步骤：
S41、根据风扇转速对应表得到当前实际水入温度Ts和当前外界环境温度Th情况下的基础风扇转速参数信号Fan1；
S42、根据实际水入温度Ts和目标水入温度Tm的偏差，对风扇转速进行增量PID控制，得到校正风扇转速参数信号Fan2，具体地，假设实际水入温度的采样周期为Δt，当前时刻t0的实际水入温度记为Ts0，t0-Δt时刻的实际水入温度记为Ts1，t0-2*Δt时刻的实际水入温度记为Ts2，则t0时刻、t0-Δt时刻、t0-2*Δt时刻实际水入温度与目标水入温度Tm的偏差分别为e(t0)＝Ts0-Tm、e(t0-Δt)＝Ts1-Tm、e(t0-2*Δt)＝Ts2-Tm，则t0时刻的控制增量为Kp*(e(t0)-e(t0-Δt))+Ki*(e(t0))+Kd*(e(t0)-2*e(t0-Δt)+e(t0-2*Δt))，其中Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数，则当前时刻的控制增量与上一采样周期的校正风扇转速参数信号相加即可得到当前时刻的校正风扇转速参数信号。增量式PID控制，是数字PID控制算法的一种基本形式，是通过对控制量的增量进行PID控制的一种控制算法。
S43、基础风扇转速参数信号Fan1和校正风扇转速参数信号Fan2相加，得到需求风扇转速参数信号Fan3，控制器以需求风扇转速参数信号Fan3来控制风扇转动。
S5、当实际水入温度Ts降到Ts≤T2时，关闭风扇。
本发明的控制方法，基于当前工况下实际水温和目标水温的偏差，通过前馈控制和增量PID控制相结合的控制方式进行风扇转速调节，实现水温闭环控制，提升了稳态和变载工况下的水温控制精度，减小水温波动幅度。
作为优选设计，控制方法还包括步骤S6、水温闭环控制优化：针对水温闭环控制环节，为优化水温超调问题，再加入水入温度变化率预判水入温度控制，具体包括以下步骤：
S61、设定第三温度T3和第四温度T4，且T2＜T4＜Tm＜T3＜T1，其中第三温度T3和第四温度T4可根据实际情况设定，其目的在于使电池水温被调节尽量在T3和T4之间波动，进一步控制其波动范围。参见图2和图3所示，为温度调节时电池水温变化的曲线示意图，电池水温会出现先升温再降温过程，且能达到的最高温度可能大于T3，如图2所示，也可能小于T3，如图3所示，同样地，最低温可能小于T4，如图2所示，也可能大于T4，如图3所示。升温过程中，实际水入温度变化率K大于0，且其绝对值先增大后减小，降温过程中，实际水入温度变化率K小于0，且其绝对值先增大后减小。在Tm～T3之间选择一个温度Tc1，并将处于升温阶段Tc1时的实际水入温度变化率作为第一参考温度变化率Kc1，也即点E处的变化率为Kc1，由于在升温阶段，Kc1＞0；在T4～Tm之间选择一个温度Tc2，并将处于降温阶段Tc2时的实际水入温度变化率作为第二参考温度变化率Kc2，也即点F处的变化率为Kc2，由于在降温阶段，Kc2＜0。在本申请中，将点E和点F所在处称为水温拐点。
S62、优化后的水温闭环控制：在进行步骤S4的基础上，也即在执行步骤S41～S43的，同时，进行如下操作：
S621、当前实际水温变化率K＞0时，也即处于升温阶段时，若实际水入温度Ts＞Tm，且|K|＜|Kc1|时，参见图1和图2，也即点E之后的阶段中，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始下降或者继续上升到超过第三温度T3时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制，具体地，在锁定风扇转速参数信号之后，可能出现两种情况，情况一是水温达到的最高温度超过第三温度T3，参见图2，这个时候会继续升温，超过第三温度T3时，也即在点G时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制，情况二是水温的最高温度达不到第三温度T3时，参见图3，这种情况下在实际水入温度Ts开始下降时，也即达到顶点B处时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制。
S622、在当前实际水温变化率K＜0时，也即降温阶段中，若实际水入温度Ts＜Tm，且|K|＜|Kc2|时，参见图1和图2，也即点F之后的阶段中，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始上升或者继续下降到低于第四温度T4时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速增量PID控制，具体地，在锁定风扇转速参数信号之后，可能出现两种情况，情况一是水温达到的最低温度低于第四温度T4，参见图2，这个时候继续降温到低于第三温度T3时，也即在点H时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速增量PID控制，情况二是水温的最低温度达不会到第四温度T4时，参见图3，这种情况下在实际水入温度Ts开始上升时，也即达到底点I处时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制。
S623、除步骤6221和步骤S622外的情况，维持风扇转速的增量PID控制。
上述步骤S6通过上述对水温闭环控制的优化，得到优化后的水温闭环控制，在对电池水温进行控制时，采用优化后的水温闭环控制，也即将原步骤S4替换为步骤S62。以此，在通过前馈控制、增量PID闭环控制相结合的基础上，还采用了水温拐点作为判定依据对风扇转速进行控制，这不仅缩短了水温调节时间还降低了超调幅度，实现稳态和变载工况的水温稳定控制。
本发明中，第一参考温度变化率Kc1和第二参考温度变化率Kc2可分别在Tm～T3和T4～Tm之间灵活选取，Kc1和Kc2选择不同，通过上述控制方法进行水温控制时能够达到的效果会有不同，作为优选设计，本发明控制方法还包括步骤S7、第一参考温度变化率Kc1和第二参考温度变化率Kc2的优化选定，用以选择出合适的Kc1和Kc2，达到很好的水温控制效果，具体包括：在Tm～T3之间均等地取N个值作为待选Tc1，然后将N个待选Tc1分别代入到步骤62中，进行实际控制试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc1的值即作为最优Tc1值；在T4～Tm之间均等地取N个值作为待选Tc2，然后将N个待选Tc2分别代入到步骤S62中进行实际试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc2的值作为最优Tc2值。其中，N越大，试验组数越多，越能够找到最合适的Kc1和Kc2，但是劳动负荷越大，优选地，N＝10，既能够找到满足要求的Kc1和Kc2，又能够兼顾劳动负荷。
然后，可改变电堆电流和外界环境温度，通过上述方式，获取不同环境温度和电堆电流下的第一参考温度变化率Kc1和第二参考温度变化率Kc2，并据此得到不同电堆电流和外界环境温度下的参考温度变化率对应表，在后续使用中，可根据该对应表进行查新。
本发明中，实际水温变化率K的获取方式为：控制器会实时采集实际水入温度信号并存储起来，采集时间间隔为Δt，当前时刻的实际水入温度减去上一次采集的实际入水温度的差值记为ΔTs，则差值变化率ΔTs/Δt作为当前时刻的水温变化率，即K＝ΔTs/Δt，为正值时说明温度上升，为负值时则说明温度下降，并且绝对值越大说明变化越快。
由上可知，本发明中控制方法，能够优化电池水温控制，特别是解决水温控制超调过大的问题，能够提升稳态和变载工况下的水温控制精度，减小水温波动幅度，具有现实意义和良好应用前景。
本发明还提供一种燃料电池水温的控制系统，用于对燃料电池的电堆入口的水温进行调节，控制系统包括水管理系统和控制器，水管理系统包括风扇、冷却水管和入水温度传感器，冷却水管与电堆连接，来提供冷却水，风扇对冷却水管中的水进行散热降温，入水温度传感器设置在电堆入口处，且入水温度传感器与控制器通讯相连，用以实时地获取电堆的实际水入温度，控制器与风扇控制相连，采用本发明上述的控制方法对风扇进行控制。
综上所述，本发明因有效地克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种燃料电池水温的控制方法，用于控制燃料电池热管理系统的风扇转速来调节电池水温，利用控制器获取相关参数、以及输出风扇转速参数信号来控制风扇转速，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：
S1、根据电堆电流、外界环境温度与目标水入温度对应关系，建立电堆电流、外界环境温度与基础风扇转速参数信号的风扇转速对应表；
S2、控制器实时地获取实际水入温度Ts、外界环境温度Th和电堆电流I，确定目标水入温度Tm，并设定第一水温T1和第二水温T2，且T2＜Tm＜T1；
S3、风扇为关闭状态时，对实际水入温度Ts进行如下判断：当Ts＞T1，风扇启动并设定最大风扇转速，直到水温降到Ts≤T1时进入到步骤S4；若Tm＜Ts≤T1，进入步骤S4；若Ts＜Tm，风扇保持关闭状态；
S4、风扇启动，进行水温闭环控制，包括以下步骤：
S41、根据风扇转速对应表得到当前实际水入温度Ts和当前外界环境温度Th情况下的基础风扇转速参数信号Fan1；
S42、根据实际水入温度Ts和目标水入温度Tm的偏差，对风扇转速进行增量PID控制，得到校正风扇转速参数信号Fan2；
S43、基础风扇转速参数信号Fan1和校正风扇转速参数信号Fan2相加，得到需求风扇转速参数信号Fan3，控制器以需求风扇转速参数信号Fan3来控制风扇转动；
S5、当实际水入温度Ts降到Ts≤T2时，关闭风扇。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括S6、水温闭环控制优化，包括：
S61、设定第三温度T3和第四温度T4，且T2＜T4＜Tm＜T3＜T1，在Tm～T3之间选择一个温度Tc1，并将处于升温阶段Tc1时的实际水入温度变化率作为第一参考温度变化率Kc1，Kc1＞0，在T4～Tm之间选择一个温度Tc2，并将处于降温阶段Tc2时的实际水入温度变化率作为第二参考温度变化率Kc2，Kc2＜0；
S62、优化后的水温闭环控制：在进行步骤S4的基础上，同时获取当前实际水温变化率K，并进行如下操作：
S621、当前实际水温变化率K＞0时，若实际水入温度Ts＞Tm，且|K|＜|Kc1|时，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始下降或者继续上升到超过第三温度T3时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速的增量PID控制；
S622、在当前实际水温变化率K＜0时，若实际水入温度Ts＜Tm，且|K|＜|Kc2|时，表明水温在趋于稳定，则锁定风扇转速参数信号，风扇转速保持不变，同时停止风扇转速的增量PID控制，直到实际水入温度Ts开始上升或者继续下降到低于第四温度T4时，解除风扇转速参数信号的锁定，并继续风扇转速增量PID控制；
S623、除步骤S621和步骤S622外的情况，维持风扇转速的增量PID控制。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：还包括步骤S7、第一参考温度变化率Kc1和第二参考温度变化率Kc2的优化选定：在Tm～T3之间均等地取N个值作为待选Tc1，然后将N个待选Tc1分别带入到步骤62中进行实际试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc1的值作为最优Tc1值；在T4～Tm之间均等地取N个值作为待选Tc2，然后将N待选Tc2分别带入到步骤S62中进行实际试验，得到N组对应的实际入水温度范围，然后与目标水入温度Tm进行对比，找出偏差最小那组，其对应的待选Tc2的值作为最优Tc2值。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤S7中，N＝10。
5.一种燃料电池水温的控制系统，包括水管理系统和控制器，所述水管理系统包括风扇、冷却水管和入水温度传感器，所述冷却水管与燃料电池中的电堆连接，所述风扇对冷却水管中的水进行散热降温，所述入水温度传感器设置在电堆入口处，且入水温度传感器与控制器通讯相连，所述控制器与风扇控制相连，其特征在于：采用如权利要求1至4任一所述的控制方法对风扇进行控制。
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