CN114837983B - 一种燃料电池空压机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池空压机的控制方法，步骤包括：计算目标流量和目标压比，匹配第一表格，得到初步目标转速，调整电机转速接近初步目标转速；根据第一经验公式计算当前流量，根据当前流量和目标流量的差值，以及环境温度迭代更新第一目标转速和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速和目标开度；根据第二经验公式，计算当前喘振点压力和当前喘振点流量，然后计算当前工况点与当前喘振点的距离，若该距离小于预设的第二阈值，匹配第二表格，得到对应的修正系数，将该修正系数和第一目标转速相加得到第二目标转速，调整电机转速为第二目标转速。本发明通过内置的经验公式实现了空压机的精确控制，并且可以规避喘振。

Description

一种燃料电池空压机的控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池空压机的控制方法。

背景技术

能源问题长期受到全球关注，尤其在新能源迅速发展的近年来，氢气作为清洁能源厚积薄发，在碳中和的背景下，燃料电池成为了新的关注点。

燃料电池依靠氢气与氧气反应生成水，因此氢气供应、氧气供应是其工作逻辑的核心，空压机作为空气供给的执行器，其流量控制也就非常重要，影响到燃料电池的输出特性、安全特性。长期空气供给不足会降低电池的寿命，并破坏质子交换膜。

如果能够对空压机的工作流量特性进行在线计算、评价，不仅可以辅助空压机的执行控制，进一步提高控制精度，亦可识别一些危险工况，辅助诊断、保护燃料电池的寿命。

传统的空压机控制方法依然保留了燃油时代的执行器控制逻辑，采用工况查表的标定方式，仅通过电机对自身做转速闭环控制，无法对系统流量进行感知、评价，控制精度有限，在某些环境因素的干扰下，基础控制无法自行识别、调整，容易引起喘振，影响燃料电池的工作特性与寿命。

为了提高环境适应性，专利CN113050523公开了一种燃料电池空气供应系统自适应解耦控制方法，通过期望信号预处理、PID反馈控制器、解耦控制器、传感器信号处理等步骤使系统流量符合预期，但是无法解决喘振的问题。

为了解决喘振的问题，专利CN109424575公开了一种流量控制方法、装置及车载设备，通过对一个预设的图表进行查表，以判断空压机是否工作在预设喘振区域，并在工作在预设喘振区域时调节旁通阀，从而保持输入到燃料电池中的空气恒定，但是预设的图表不能很好的匹配环境变化，一方面，表格的维度会影响精度，例如一个表格限定是10*10，一共100个空的话，就限制了所要填写的数据量，对于所填写数据的精简就会影响精度；另一方面，如果工况发生变化，预设的图表不一定准确，而且存在插值的情况，存在插值的情况下，如果表中数据的精细程度不够，例如两个数据点间隔太远，就会使得在这两个点中间插值的点精度受到影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种燃料电池空压机的控制方法，通过内置的经验公式，更加精确的评估空气流量和电堆的反应情况，实现更精确的控制，并且可以对喘振风险进行评估，主动调整风险工况，规避喘振。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池空压机的控制方法，包括以下步骤：

获取需求功率，根据所述需求功率计算目标流量和目标压比；

将所述目标流量和目标压比匹配预设的第一表格，得到电机初步目标转速，调整电机转速接近所述初步目标转速；

计算实际压比，根据实际压比和预设的第一经验公式，计算电机实际转速对应的当前流量，根据当前流量和目标流量的差值Q_diff以及环境温度迭代更新第一目标转速和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速和目标开度，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值；

根据预设的第二经验公式，计算电机实际转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量，根据当前流量、实际压比、当前喘振点压力和当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离dist，若距离dist小于预设的第二阈值，将距离dist和第二阈值的差值匹配预设的第二表格，得到对应的修正系数cof_dist_mod，将修正系数cof_dist_mod和第一目标转速相加得到第二目标转速，调整电机转速为第二目标转速；

继续开始执行获取需求功率的步骤，直到车辆下电，调整电机转速为0。

进一步的，获取需求功率之前，还包括空压机自检的步骤，具体包括：若车辆上电，关闭节流阀并设置旁通阀全开，向空压机发送启动需求转速并在预设的自检时间窗口内获取空压机反馈的转速，若空压机反馈的转速和启动需求转速之差小于预设的第三阈值，且无故障码，则自检通过，执行获取需求功率的步骤，否则自检不通过，进行异常报警。

进一步的，调整电机转速接近所述初步目标转速的具体步骤包括：以初步目标转速为目标调整电机转速，获取电机实际转速Cp_Speed_Act，计算电机实际转速Cp_Speed_Act与初步目标转速的差值Cp_Speed_diff，若差值Cp_Speed_diff高于阈值t_cp_speed_threshold，则继续执行以初步目标转速为目标调整电机转速的步骤，直到差值Cp_Speed_diff低于阈值t_cp_speed_threshold。

进一步的，空压机的进气端设有压前传感器，出气端设有压后传感器，计算实际压比，根据实际压比和预设的第一经验公式，计算电机实际转速对应的当前流量的具体步骤包括：

获取压前传感器的检测值P1和压后传感器的检测值P2，将检测值P2除以检测值P1得到实际压比Ratio_P；

在预设的转速特性曲线图中，查找最接近电机实际转速Cp_Speed_Act的转速下限n_low和转速上限n_high；

将实际压比Ratio_P代入转速下限n_low对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量下限Q_act_n_low，将实际压比Ratio_P代入转速上限n_high对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量上限Q_act_n_high；

根据电机实际转速Cp_Speed_Act、流量下限Q_act_n_low、流量上限Q_act_n_high、转速下限n_low和转速上限n_high进行插值计算，得到当前流量。

进一步的，所述第一经验公式表达式如下：

Q_act_n_(Ratio_P)＝an·Ratio_P^3+bn·Ratio_P^2+cn·Ratio_P+dn

上式中，n为转速，Ratio_P为实际压比，an、bn、cn、dn为转速n对应的标定工程系数。

进一步的，所述当前流量的表达式为：

Q_act_Act＝[(Q_act_n_high-Q_act_n_low)/(n_high-n_low)]*(CP_Speed_Act-n_low)+Q_act_n_low

上式中，Cp_Speed_Act为电机实际转速，Q_act_n_low为流量下限，Q_act_n_high为流量上限，n_low为转速下限，n_high为转速上限。

进一步的，根据当前流量和目标流量的差值Q_diff以及环境温度迭代更新第一目标转速和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速和目标开度的步骤具体包括：

比较当前流量和目标流量的差值Q_diff与预设的第一阈值的大小，若差值Q_diff大于预设的第一阈值，执行下一步骤，若差值Q_diff小于预设的第一阈值，执行根据预设的第二经验公式，计算电机实际转速对应的当前喘振点压力和喘振点流量的步骤；

根据差值Q_diff和环境温度查找预设的第三表格，得到对应的转速修正系数cof_n_mod，将当前的第一目标转速和转速修正系数cof_n_mod相加得到新的第一目标转速，以新的第一目标转速为目标调整电机转速，并根据差值Q_diff和环境温度查找预设的第四表格，得到对应的开度修正系数cof_bp_mod，将当前目标开度和开度修正系数cof_bp_mod相加得到新的目标开度，以新的目标开度为目标调整旁通阀开度，继续执行计算实际压比的步骤，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值。

进一步的，所述第二经验公式的表达式如下：

P_st＝e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1

Q_st＝e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2

上式中，n是电机实际转速Cp_Speed_Act，P_st为当前喘振点压力，Q_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数。

进一步的，根据当前流量、实际压比、当前喘振点压力和当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离dist的步骤具体包括：

将当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st分别进行归一化，得到归一化后的当前流量Q_act_n_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量Q_st_std；

将归一化后的当前流量Q_act_n_std和当前喘振点流量Q_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist。

进一步的，将当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st分别进行归一化的表达式如下：

Q_act_n_std＝Q_act_n/Q_max

Q_st_std＝Q_st_n/Q_max

Ratio_P_std＝Ratio_P/P_max

P_st_std＝P_st/P_max

上式中，Q_act_Act为当前流量，Ratio_P为实际压比、P_st为当前喘振点压力和Q_st当为前喘振点流量，Q_max为空压机的最大流量值，P_max为空压机的最大压比值。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1.通过内置的第一经验公式对空压机流量的在线计算，可以清楚、全面地理解空压机工作状态，对空压机的寿命、健康程度做更好的预测；

2.通过内置的第一经验公式对空压机流量的在线计算，可以更精准地控制空气流量，更大程度地满足燃料电池的反应需求；

3.通过内置的第一经验公式对空压机流量的在线计算，可以更精准地调整电机工况，避免出现电机做功过多时，配合旁通阀进行泄压的情况，从而减少不必要的能耗浪费；

4.由于燃料电池的实际工况下，空压机经常性地工作在喘振边界，风险很高，本发明通过内置的第二经验公式对喘振风险进行评价，可以主动对喘振风险进行规避，为燃料电池提供更好的工作环境。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为燃料电池内部工作原理图。

图3为本发明实施例中燃料电池空压机的转速特性曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提出一种燃料电池空压机的控制方法，包括以下步骤：

S1)车辆上电后，进行空压机自检，自检通过则执行步骤S2)，否则进行异常报警，然后进入故障模式，故障模式下燃料电池禁止工作；

S2)根据油门踏板深度和燃料电池的工况计算需求功率P_FC_Demand，并且根据需求功率P_FC_Demand计算目标流量Air_Q_Demand和目标压比Ratio_P_Demand；

S3)用目标流量Air_Q_Demand和目标压比Ratio_P_Demand匹配预设的表格Map_Cp_Speed_pre，得到对应的电机转速Cp_Speed_pre，并将其作为初步目标转速Cp_Speed_Demand_0，调整电机转速接近所述初步目标转速Cp_Speed_Demand_0；

S4)根据空压机进气端压力P1和出气端压力P2计算实际压比Ratio_P，根据实际压比Ratio_P和预设的第一经验公式，计算电机实际转速CP_Speed_Act对应的当前流量Q_act_Act，根据当前流量Q_act_Act和目标流量Air_Q_Demand的差值Q_diff以及环境温度T_amb迭代更新第一目标转速Cp_Speed_Demand_1和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速Cp_Speed_Demand_1和目标开度，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值；

S5)根据预设的第二经验公式，计算电机实际转速CP_Speed_Act对应的当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st，根据当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st计算当前工况点与当前喘振点的距离dist，若距离dist小于预设的第二阈值dist_err，将距离dist和第二阈值dist_err的差值匹配预设的表格Map_dist_mod，得到对应的修正系数cof_dist_mod，将修正系数cof_dist_mod和第一目标转速Cp_Speed_Demand_1相加得到第二目标转速Cp_Speed_Demand_2，调整电机转速为第二目标转速Cp_Speed_Demand_2；

S6)返回步骤S2)，直到车辆下电，调整电机转速为0。

通过上述步骤，本实施例通过内置的第一经验公式对空压机当前流量进行计算，可以清楚、全面地理解空压机工作状态，对空压机的寿命、健康程度做更好的预测；也可以更精准地控制空气流量，更大程度地满足燃料电池的反应需求；还可以更精准地调整电机工况，避免出现电机做功过多时，配合旁通阀进行泄压的情况，从而减少不必要的能耗浪费；此外本实施例通过内置的第二经验公式对喘振风险进行评价，可以主动对喘振风险进行规避，为燃料电池提供更好的工作环境。

以下对步骤S1)至S6)进行详细说明：

本实施例通过步骤S1)，保证车辆上电后燃料电池空压机可正常工作，且信号可靠，具体步骤包括：

燃料电池ECU(电子控制单元)在识别到整车上电B_k15＝1时，关闭节流阀，并开启旁通阀至全开状态，然后对空压机发送一个启动需求转速的信号n_SelfCheck(启动需求转速的值可通过试验标定，一般为最高转速的40％-60％)，要求空压机运行至该转速，并开始进行自检计时t_SelfCheck，在自检时间窗口t_SelfCheck_threshold内，如空压机的反馈转速n_feedback和启动需求转速n_SelfCheck之差小于预设的第三阈值threshold_t_SelfCheck，即满足：

n_SelfCheck_diff＝(n_feedback-n_SelfCheck)<threshold_t_SelfCheck(1)

上式中，n_SelfCheck_diff为误差，n_feedback为空压机的反馈转速，n_SelfCheck为启动需求转速，threshold_t_SelfCheck为预设的第三阈值；

若满足式(1)并稳定运行，且无其他故障码，则认为空压机正常，通过节流阀和旁通阀对应的控制模块，将节流阀和旁通阀复位后，可进入下一步进行计算；否则，若不满足前述的条件，如空压机反馈任意故障码，或时间超过t_SelfCheck_threshold后，误差n_SelfCheck_diff依然大于或等于第三阈值threshold_t_SelfCheck，无法满足条件，则进行异常报警并进入故障模式，禁止燃料电池继续工作。

本实施例通过步骤S2)采用常规方案计算流量目标值，具体包括以下步骤：

VCU(整车控制器)获取油门踏板深度和当前车速，结合实际工况计算整车需求功率，并通过当前动力电池的SOC(荷电状态)水平进行功率分配，并发送需求功率P_FC_Demand给到燃料电池ECU进行处理；

基于需求功率P_FC_Demand，燃料电池ECU基于氢气、氧气的反应特性以及燃料电池的工作特性，计算氢气需求量H2_Q_Demand、空气需求量Air_Q_Demand，其中空气需求量Air_Q_Demand作为后续步骤中计算所需的目标流量，并基于已经标定好的工况点，设定当前工况点对应的目标压比Ratio_P_Demand。

本实施例的步骤S3)通过闭环操作来调整电机转速，本实施例中，三维表格Map_Cp_Speed_pre形式包括但不限于：横坐标是空气需求量，纵坐标是目标压比，第三维是电机预设转速，每个维度的参数都是通过实验确定或者标定好的数据，燃料电池ECU基于空气需求量Air_Q_Demand、目标压比Ratio_P_Demand查表即可得到对应的电机预设转速Cp_Speed_pre，调整电机转速接近所述初步目标转速Cp_Speed_Demand_0的具体步骤包括：

以初步目标转速Cp_Speed_Demand_0为目标调整电机转速，实时获取电机实际转速Cp_Speed_Act，计算电机实际转速Cp_Speed_Act与初步目标转速Cp_Speed_Demand_0的差值Cp_Speed_diff，即实时计算

Cp_Speed_diff＝(Cp_Speed_Act-Cp_Speed_Demand_0) (2)

上式中，Cp_Speed_Act为电机实际转速，Cp_Speed_Demand_0初步目标转速，若差值Cp_Speed_diff高于阈值t_cp_speed_threshold，则继续执行以初步目标转速为目标调整电机转速的步骤，直到差值Cp_Speed_diff低于阈值t_cp_speed_threshold。

本实施例中，采用三维表格Map_Cp_Speed_pre查表的方式可以迅速匹配到预设的电机转速，在拉升电机转速的同时，通过流量差异来进行反复调整，电机可以实现比较好的响应。即“拉升电机转速+调整流量”，同时进行。以初步目标转速Cp_Speed_Demand_0为目标调整电机转速时，通过FOC算法进行调整，速度响应快速而精确。

本实施例通过步骤S4)进行实际流量评估，同闭环的方式控制电机转速和旁通阀开度，以保证实际流量接近目标流量，具体步骤包括：

如图2所示，空压机的进气端设有压前传感器，出气端设有压后传感器，燃料电池ECU基于空压机后的压后传感器的检测值P2(增压后)、压前传感器的检测值P1(增压前)计算压比，有：

Ratio_P＝P2/P1 (3)

上式中，P2为增压后压力，P1为增压前压力；

基于第一经验公式和空压机的转速特性曲线图，通过插值的方式计算实际转速和实际压比下的当前流量，具体包括：

本实施例中，针对不同转速下压比和流量的关系预先进行试验，根据试验结果绘制了如图3所示的空压机的转速特性曲线图，图3中，横坐标为流量，纵坐标为压比，每个转速下均有一组表征压比和流量关系的曲线，根据图3中不同转速下压比和流量的关系，可根据第一经验公式计算实际压比以及转速已知时的流量，本实施例中第一经验公式表达式如下：

Q_act_n_(Ratio_P)＝an·Ratio_P^3+bn·Ratio_P^2+cn·Ratio_P+dn (4)

上式中，Q_act_n_(Ratio_P)为转速n下、压比为Ratio_P时的对应流量，n为转速，Ratio_P为实际压比，an、bn、cn、dn为转速n对应的标定工程系数，an、bn、cn、dn基于大量的试验，确定转速n下、压比为Ratio_P时的对应流量；

本实施例中，转速的数量可依据实际情况设定，以20种转速为例，这20种转速被标记为n1、n2……n20，其中n1为最低转速，n20为最高转速，对应的流量可根据式(4)以及实际压比计算得到Q_act_n1、Q_act_n2……Q_act_n20等；

因此，燃料电池ECU将预设的转速特性曲线图中，查找最接近电机实际转速Cp_Speed_Act的转速下限n_low和转速上限n_high，例如，电机实际转速Cp_Speed_Act为3300转，那么在转速特性曲线图中有3000<3300<3500，即3000转和3500转就是距离电机实际转速3300转最近的转速下限和转速上限；

接下来，根据第一经验公式，分别计算转速下限n_low和转速上限n_high下、压比为Ratio_P时的流量下限Q_act_n_low和流量上限Q_act_n_high，即将实际压比Ratio_P代入转速下限n_low对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量下限Q_act_n_low，将实际压比Ratio_P代入转速上限n_high对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量上限Q_act_n_high；

求得Q_act_n_low，与Q_act_n_high之后，根据电机实际转速Cp_Speed_Act、流量下限Q_act_n_low、流量上限Q_act_n_high、转速下限n_low和转速上限n_high进行插值计算，得到当前流量Q_act_Act，表达式如下：

Q_act_Act＝[(Q_act_n_high-Q_act_n_low)/(n_high-n_low)]*(CP_Speed_Act-n_low)+Q_act_n_low (5)

上式中，Cp_Speed_Act为电机实际转速，Q_act_n_low为流量下限，Q_act_n_high为流量上限，n_low为转速下限，n_high为转速上限；

此时当前流量和目标流量的差值Q_diff为：

Q_diff＝Q_act_Act-Air_Q_Demand (6)

上式中，Q_act_Act为当前流量，Air_Q_Demand为步骤S2)中所得到的目标流量；

比较差值Q_diff与预设的第一阈值的大小，若差值Q_diff小于第一阈值，则执行步骤S5)，若差值Q_diff大于第一阈值，则执行以下步骤：

根据差值Q_diff和环境温度T_amb查找燃料电池ECU内置的预设表格Map_n_mod，表格Map_n_mod也是一个三维表格，差值Q_diff与环境温度T_amb分别作为横纵坐标，第三维是转速修正系数，每个维度的参数都是通过实验确定或者标定好的数据，基于差值Q_diff与环境温度T_amb查表即可得到对应的转速修正系数cof_n_mod，将当前的第一目标转速Cp_Speed_Demand_1和修正系数cof_n_mod相加得到新的第一目标转速Cp_Speed_Demand_1，然后以新的第一目标转速Cp_Speed_Demand_1为目标来调整电机转速，第一目标转速Cp_Speed_Demand_1的初始值为初步目标转速Cp_Speed_Demand_0，即：

Cp_Speed_Demand_1(n)＝Cp_Speed_Demand_0(n-1)+cof_n_mod (7)

且Cp_Speed_Demand_1(0)＝Cp_Speed_Demand_0 (8)

式(7)和式(8)中，Cp_Speed_Demand_1(n)表示第n次迭代时的第一目标转速，Cp_Speed_Demand_0为初步目标转速，cof_n_mod为修正系数；

根据差值Q_diff和环境温度T_amb查找燃料电池ECU内置的预设表格Map_bp_mod，表格Map_bp_mod也是一个三维表格，差值Q_diff与环境温度T_amb分别作为横纵坐标，第三维是开度修正系数，每个维度的参数都是通过实验确定或者标定好的数据，基于差值Q_diff与环境温度T_amb查表即可得到对应的开度修正系数cof_bp_mod，将当前目标开度和开度修正系数cof_bp_mod相加得到新的目标开度，以新的目标开度为目标调整旁通阀开度；

返回计算实际压比的步骤，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值。

本实施例通过步骤S5)，燃料电池ECU在调整电机转速以及流量之后，评估喘振风险，并同时进行工况优化，配合旁通阀来规避喘振，具体步骤包括：

基于第二经验公式和电机实际转速Cp_Speed_Act计算当前喘振点压力、当前喘振点流量，第二经验公式为：

P_st＝e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1 (9)

Q_st＝e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2 (10)

式(9)和式(10)中，n是电机实际转速Cp_Speed_Act，P_st为当前喘振点压力，Q_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2基于大量的试验，确定转速n下的当前点喘振点压力、当前喘振点流量；

接下来，评估当前工况和当前喘振点的距离，包括以下步骤：

由于流量、压比两组参数单位不同，在使用“距离”进行综合评估时，先要将其转化为统一的无量纲单位，因此先将当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st分别进行归一化，得到归一化后的当前流量Q_act_n_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量Q_st_std，表达式如下：

Q_act_n_std＝Q_act_n/Q_max (11)

Q_st_std＝Q_st_n/Q_max (12)

Ratio_P_std＝Ratio_P/P_max (13)

P_st_std＝P_st/P_max (14)

式(11)至式(14)中，Q_act_Act为当前流量，Ratio_P为实际压比、P_st为当前喘振点压力和Q_st当为前喘振点流量，Q_max为空压机的最大流量值，P_max为空压机的最大压比值；

然后计算等效距离，具体的，将归一化后的当前流量Q_act_n_std和当前喘振点流量Q_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist，表达式为：

dist＝sqrt[(Q_act_n_std-Q_st_std)^2+(Ratio_P_std-P_st_std)^2](15)

上式中，Q_act_n_std为归一化后的当前流量Q_st_std为归一化后的当前喘振点流量，Ratio_P_std为归一化后的实际压比，P_st_std为归一化后的当前喘振点压力；

将距离dist与预设的第二阈值dist_err进行对比，当距离dist大于或等于第二阈值dist_err时，则跳转步骤S6)，当距离dist小于第二阈值dist_err时，则计算危险距离，表达式为：

dist_diff＝dist-dist_err (16)

上式中，dist为当前工况点与当前喘振点的距离，dist_err为预设的第二阈值；

接下来进行查表操作，将危险距离dist_diff匹配预设的距离修正表格Map_dist_mod得到对应的转速修正系数cof_dist_mod，该表格为二维表格，横坐标为危险距离，纵坐标为转速修正系数cof_dist_mod，危险距离与转速修正系数cof_dist_mod一一对应，一般情况下，危险距离dist_diff越小，说明空压机距离喘振边界越近，此时风险越高，转速修正系数cof_dist_mod的值较大，反之亦然；

得到转速修正系数cof_dist_mod后，在第一电机目标转速Cp_Speed_Demand_1的基础上，用转速修正系数cof_dist_mod将第一电机目标转速Cp_Speed_Demand_1进行修正，即得到第二电机目标转速Cp_Speed_Demand_2，然后以第二电机目标转速Cp_Speed_Demand_2为目标来调整电机转速，第二电机目标转速表达式如下：

Cp_Speed_Demand_2＝Cp_Speed_Demand_1+cof_dist_mod (17)

上式中，Cp_Speed_Demand_1为第一电机目标转速，cof_dist_mod为转速修正系数。

转速提高后，空压机实际流量将大于目标流量，因此，还需要旁通阀对应的控制模块来控制旁通阀的开度，来释放多余流量，过程如下：

根据实际压比Ratio_P和第二电机目标转速Cp_Speed_Demand_2，通过第一经验公式，即式(4)计算得到调整后的电机转速下的流量Qcor，然后将流量Qcor减去目标流量Air_Q_Demand，得到流量过盈量Q’，有：

Q’＝Qcor-Air_Q_Demand (18)

上式中，Qcor为实际压比Ratio_P和第二电机目标转速Cp_Speed_Demand_2下的实际流量，Air_Q_Demand为目标流量；

旁通阀对应的控制模块将流量过盈量Q’和压前传感器的检测值P1进行查表，得到对应的开度Opn，然后控制旁通阀执行该开度，即完成了多余流量的释放。

本实施例的步骤S6)中，车辆下电的信号为上电信号B_k15＝0，此时停止空压机的工作，先将初步目标转速Cp_Speed_Demand_0设为0，降低电机转速，并将第二电机目标转速Cp_Speed_Demand_2设为0。

综上所述，本实施例的方法克服了现有技术精度不高的问题，结合压比、能耗，对空压机的工况进行调整。同时通过物理模型实时对空压机的流量进行计算，将计算结果实时反馈以进行目标、需求闭环，并进行喘振风险评价和工况优化，大幅度地提升控制精度、改善燃料电池的寿命。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取需求功率，根据所述需求功率计算目标流量和目标压比；

将所述目标流量和目标压比匹配预设的第一表格，得到电机初步目标转速，调整电机转速接近所述初步目标转速；

计算实际压比，根据实际压比和预设的第一经验公式，计算电机实际转速对应的当前流量，根据当前流量和目标流量的差值Q_diff以及环境温度迭代更新第一目标转速和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速和目标开度，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值；

根据预设的第二经验公式，计算电机实际转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量，根据当前流量、实际压比、当前喘振点压力和当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离dist，若距离dist小于预设的第二阈值，将距离dist和第二阈值的差值匹配预设的第二表格，得到对应的修正系数cof_dist_mod，将修正系数cof_dist_mod和第一目标转速相加得到第二目标转速，调整电机转速为第二目标转速；

继续开始执行获取需求功率的步骤，直到车辆下电，调整电机转速为0。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，获取需求功率之前，还包括空压机自检的步骤，具体包括：若车辆上电，关闭节流阀并设置旁通阀全开，向空压机发送启动需求转速并在预设的自检时间窗口内获取空压机反馈的转速，若空压机反馈的转速和启动需求转速之差小于预设的第三阈值，且无故障码，则自检通过，执行获取需求功率的步骤，否则自检不通过，进行异常报警。

3.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，调整电机转速接近所述初步目标转速的具体步骤包括：以初步目标转速为目标调整电机转速，获取电机实际转速Cp_Speed_Act，计算电机实际转速Cp_Speed_Act与初步目标转速的差值Cp_Speed_diff，若差值Cp_Speed_diff高于阈值t_cp_speed_threshold，则继续执行以初步目标转速为目标调整电机转速的步骤，直到差值Cp_Speed_diff低于阈值t_cp_speed_threshold。

4.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，空压机的进气端设有压前传感器，出气端设有压后传感器，计算实际压比，根据实际压比和预设的第一经验公式，计算电机实际转速对应的当前流量的具体步骤包括：

获取压前传感器的检测值P1和压后传感器的检测值P2，将检测值P2除以检测值P1得到实际压比Ratio_P；

在预设的转速特性曲线图中，查找最接近电机实际转速Cp_Speed_Act的转速下限n_low和转速上限n_high；

将实际压比Ratio_P代入转速下限n_low对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量下限Q_act_n_low，将实际压比Ratio_P代入转速上限n_high对应的第一经验公式，计算得到当前流量的流量上限Q_act_n_high；

根据电机实际转速Cp_Speed_Act、流量下限Q_act_n_low、流量上限Q_act_n_high、转速下限n_low和转速上限n_high进行插值计算，得到当前流量。

5.根据权利要求4所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述第一经验公式表达式如下：

Q_act_n_(Ratio_P)＝an·Ratio_P^3+bn·Ratio_P^2+cn·Ratio_P+dn

上式中，n为转速，Ratio_P为实际压比，an、bn、cn、dn为转速n对应的标定工程系数。

6.根据权利要求4所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述当前流量的表达式为：

Q_act_Act＝[(Q_act_n_high-Q_act_n_low)/(n_high-n_low)]*(CP_Speed_Act-n_low)+Q_act_n_low

上式中，Cp_Speed_Act为电机实际转速，Q_act_n_low为流量下限，Q_act_n_high为流量上限，n_low为转速下限，n_high为转速上限。

7.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，根据当前流量和目标流量的差值Q_diff以及环境温度迭代更新第一目标转速和目标开度，并调整电机转速和旁通阀开度为更新后的第一目标转速和目标开度的步骤具体包括：

比较当前流量和目标流量的差值Q_diff与预设的第一阈值的大小，若差值Q_diff大于第一阈值，执行下一步骤，若差值Q_diff小于第一阈值，执行根据预设的第二经验公式，计算电机实际转速对应的当前喘振点压力和喘振点流量的步骤；

根据差值Q_diff和环境温度查找预设的第三表格，得到对应的转速修正系数cof_n_mod，将当前的第一目标转速和转速修正系数cof_n_mod相加得到新的第一目标转速，以新的第一目标转速为目标调整电机转速，并根据差值Q_diff和环境温度查找预设的第四表格，得到对应的开度修正系数cof_bp_mod，将当前目标开度和开度修正系数cof_bp_mod相加得到新的目标开度，以新的目标开度为目标调整旁通阀开度，继续执行计算实际压比的步骤，直到差值Q_diff小于预设的第一阈值。

8.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述第二经验公式的表达式如下：

P_st＝e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1

Q_st＝e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2

上式中，n是电机实际转速Cp_Speed_Act，P_st为当前喘振点压力，Q_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数。

9.根据权利要求8所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，根据当前流量、实际压比、当前喘振点压力和当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离dist的步骤具体包括：

将当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st分别进行归一化，得到归一化后的当前流量Q_act_n_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量Q_st_std；

将归一化后的当前流量Q_act_n_std和当前喘振点流量Q_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist。

10.根据权利要求9所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，将当前流量Q_act_Act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量Q_st分别进行归一化的表达式如下：

Q_act_n_std＝Q_act_n/Q_max

Q_st_std＝Q_st_n/Q_max

Ratio_P_std＝Ratio_P/P_max

P_st_std＝P_st/P_max

上式中，Q_act_Act为当前流量，Ratio_P为实际压比、P_st为当前喘振点压力和Q_st当为前喘振点流量，Q_max为空压机的最大流量值，P_max为空压机的最大压比值。

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