CN115657746A - 一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法，具体包括如下步骤：计算整车功率对应的加载电流值、当前功率的阴极气体目标空气压力和目标空气流量，如果实际空气压力或实际空气流量不在误差范围内，就调节控制空压机转速和电子节气门开度来减小压力偏差和流量偏差，直到怠速功率点压力、流量控制在误差范围内；根据当前实际加载电流值计算出当前的目标空气压力、目标空气流量，计算出实际压力与目标压力的偏差值、实际流量与目标流量的偏差值，如果压力偏差值或流量偏差值不在允许误差范围内，控制空压机转速或电子节气门开度来减小压力偏差或流量偏差，直至压力偏差和流量偏差进入允许误差范围内，达到压力和流量控制稳态。

Description

一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能通过电化学反应转化为电能的装置，污染物极少，效率较高，只需要提供所需的氢气和氧气系统就能够持续性的供给能量。燃料电池具有重量轻、功率密度高、稳定性好等优点，其工作温度低并且能够在低温下快速启动，是目前最有前途的燃料电池技术，非常适合为车辆提供动力。

燃料电池系统工作时对阴极气体供给系统的运行要求非常严格，不同工况下对阴极系统的空气压力和空气流量都有不同的要求，只有满足要求，才能保证燃料电池性能得到充分发挥，保证燃料电池有较长的使用寿命，阴极气体子系统是一个双输入双输出的强耦合系统，空气压力和空气流量的控制相互关联、相互影响，使得系统控制非常困难，所以优良的阴极系统控制算法是燃料电池系统长时间稳定运行的可靠保证。

目前燃料电池系统运行在加减载过程时，阴极气体的控制主要是对空压机和电子节气门查表开环控制，或者是查表开环预控和解耦闭环同时控制。

查表开环控制的缺点是：无法保证阴极气体在不同环境和零部件参数变化时的压力和流量控制符合压力和流量的目标要求，随着环境温度大幅变化或零部件参数差异变大，单一环境标定的查表控制数据不再具有全范围覆盖性，阴极气体的实际空气压力、空气流量与需求的目标空气压力和空气流量偏差变大，容易引起阴极气体供气失衡，造成电堆内局部缺气而导致膜电极等关键材料腐蚀，进而影响燃料电池系统的耐久性。

查表开环预控和解耦闭环同时控制的缺点是：虽然解决了查表开环控制的某些缺点，但是开环查表数据需要耗费大量的人力和时间进行标定，而且仅是有限环境下的标定数据，同样随着环境温度大幅变化或零部件参数差异变大，运行控制中引入空气压力和空气流量的双重误差，增加了解耦控制的控制时间、控制波动。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法，抑制控制误差引入，缩短控制时间和控制波动，并省掉数据标定的大量人力和时间。

燃料电池系统在运行过程中接收整车功率请求、使能命令，FCU控制器接收到整车的功率命令后，按照燃料电池系统启动、运行流程开始执行控制阴极气体子系统、阳极气体系统、水热管理系统、功率分配系统中各零部件协同工作，输出功率满足整车的功率要求，下面专门讲解控制困难的阴极气体子系统在燃料电池系统运行在不同工况点的空气压力、空气流量是如何控制的。

燃料电池系统启动成功后，工作在最小功率值上，即怠速功率点，控制器计算出怠速功率对应的加载电流值，通过加载电流值计算出当前功率的阴极气体目标空气压力和目标空气流量，如果实际空气压力或实际空气流量不在误差范围内，就调节控制空压机转速和电子节气门开度来减小压力偏差和流量偏差，直到怠速功率点压力、流量控制在误差范围内；燃料电池系统接收到整车的功率请求命令后(请求功率介于怠速功率值与峰值功率值之间)，控制器通过功率请求值计算出系统的最终加载目标电流值，同时按照电流加载斜率控制实际加载电流向最终目标电流变化，在电流加载变化过程中，控制器根据当前实际加载电流值计算出阴极气体子系统中当前的目标空气压力、目标空气流量，并实时测量阴极气体的实际空气压力、实际空气流量，然后计算出实际压力与目标压力的偏差值、实际流量与目标流量的偏差值，如果压力偏差值或流量偏差值不在允许误差范围内，就控制空压机转速或电子节气门开度来减小压力偏差或流量偏差，直至压力偏差和流量偏差进入允许误差范围内，达到压力和流量控制稳态。

燃料电池系统的控制器接收整车的功率请求和使能命令，执行燃料电池系统的启动过程，启动成功后进入怠速工作点，按照预先设定的怠速点的空压机转速和电子节气门开度运行，系统输出怠速功率值；

燃料电池控制器实时检测阴极气体子系统的实际空气压力、实际空气流量、环境温度以及环境大气压力信息；

根据整车请求功率计算目标加载电流值，将目标加载电流值与当前工作点Cn的加载电流进行比较，当目标加载电流值大于当前工作点的加载电流时则执行加载控制策略，当目标加载电流值小于当前工作点的加载电流时则执行减载控制策略；

当执行加载控制策略，计算出下一工作点Cn+1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量，作为新工作点的控制目标；

当执行减载控制策略，计算出下一工作点Cn-1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量，作为新工作点的控制目标；

获得新工作点的目标空气压力和目标空气流量，实时测量阴极气体实际压力和实际流量，计算实际压力与目标压力的压力差值，实际流量与目标流量的差值；

在阴极气体压力调节过程中：

判断空气实际压力是否在目标压力允许范围内，如果否，执行新工作点的压力调节，在工作点Cn的空压机转速基础上，通过压力差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的空压机转速上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的空压机新转速,反复执行上述控制直到实际压力进入目标压力范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际压力达到稳态；如果是，则执行下一步阴极气体流量调节过程；

在阴极气体流量调节过程中：

判断空气实际流量是否在目标流量允许范围内，如果否，执行新工作点的流量调节，在工作点Cn的电子节气门开度基础上，通过流量差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的电子节气门开度上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的电子节气门新开度,反复执行上述控制直到实际流量进入目标流量范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际流量达到稳态；如果是，这时工作点Cn+1或Cn-1实际流量、实际压力达到稳态，新工作点压力和流量调节控制结束，把工作点Cn+1或Cn-1当成新的当前工作点，继续执行下一个工作点，反复执行上述过程，直到达到整车请求功率点。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，采用空压机转速的PID控制算法输出最大限幅值，将该最大限幅值作为峰值功率点的空压机转速。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，采用空压机转速的PID控制算法输出最小限幅值，将该最小限幅值作为怠速功率点的空压机转速。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，采用电子节气门开度的PID控制算法输出最大限幅值，将该最大限幅值作为峰值功率点的电子节气门开度。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，采用电子节气门开度的PID控制算法输出最小限幅值，将该最小限幅值作为怠速功率点的电子节气门开度。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，满足任意功率点的目标压力都有一个允许的压力偏差值M Kpa，当实际压力在目标压力±M Kpa的范围内就满足压力要求。

进一步的，燃料电池变载运行过程中，满足任意功率点的目标压力都有一个允许的压力偏差值N Kpa，当实际压力在目标压力±N Kpa的范围内就满足压力要求。

本发明公开的一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法，该方法中燃料电池系统加减载运行时，基于阴极系统中空气压力和流量的控制方法，通过该控制方法可以省去数据标定时耗费的大量人力和时间，同时也解决了双重误差的引入，减小了控制波动和控制时间。该方法具有较好的响应特性和鲁棒性。能够精准控制阴极系统的压力和流量，保证燃料电池性能始终处于最优状态

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明变载时功率/电流示意图。

图3为本发明中燃料电池系统结构示意图。

图中：100、燃料电池；101、空气滤清器，102、空气流量计，104、空压机，105、中冷器，106、入口电子节气门，109、出口电子节气门，110、控制器，103、第一温度、压力传感器，107、第二温度、压力传感器，108、第三温度、压力传感器，111、压力传感器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本专利针对现有控制方案的不足，公开一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法，抑制控制误差引入，缩短控制时间和控制波动，并省掉数据标定的大量人力和时间，具体包括如下步骤：

燃料电池系统控制器接收整车的功率请求、使能命令后，控制器执行燃料电池系统的启动工作，系统启动成功后进入怠速工作点，按照事先给定的怠速点的空压机转速、电子节气门开度运行，系统输出怠速功率值。

燃料电池系统运行过程中，控制器实时检测阴极气体子系统的实际空气压力和实际空气流量。

燃料电池系统运行过程中，控制器实时检测环境温度、环境大气压力。

控制器根据怠速功率值计算出目标加载电流，再结合环境温度和环境大气压力计算出阴极气体子系统的目标空气压力和目标空气流量。

燃料电池系统运行过程中，实际空气压力控制在目标空气压力±2Kpa的范围内，即满足系统运行的压力控制要求。

燃料电池系统运行过程中，实际空气流量控制在目标空气流量±2g/s的范围内，即满足系统运行的流量控制要求。

燃料电池系统运行在怠速功率点上，控制器实时计算实际压力和目标压力的偏差值，实际流量和目标流量的偏差值，如果压力偏差值不在允许的误差范围内，在怠速点空压机转速的基础上通过调整空压机转速使压力偏差值减小到允许范围内，如果流量偏差值不在允许的误差范围内，在怠速点电子节气门开度的基础上通过调整电子节气门开度使流量偏差值减小到允许范围内，直到怠速点的实际压力和实际流量控制在允许的误差范围内。

如果整车请求功率Pm大于怠速功率P1，控制器执行计算请求功率Pm对应的目标加载电流值Cm，目标加载电流值Cm大于怠速工作电流值C1，控制器按照电流加载策略执行电流加载控制，当前加载电流逐渐增加，经过一些时间就加载到目标加载电流值Cm。在加载电流逐渐增加(C1…Cn-1 Cn Cn+1…Cm，C1为怠速功率计算怠速电流点，Cm为整车请求功率计算目标加载电流点，Cn为过程电流点)的过程中，控制器根据当前加载电流点Cn、环境温度和环境大气压力实时计算当前加载电流点的目标空气压力和目标空气流量，并且实时检测此时的实际空气压力和实际空气流量，如果实际压力不在误差范围内或实际流量不在误差范围内，控制器会在上一个加载电流点Cn-1时刻的空压机转速和电子节气门开度的基础上执行PID控制算法，改变空压机的转速或电子节气门的开度使实际空气压力和实际空气流量向目标空气压力和目标空气流量方向变化，直到实际压力和实际流量控制在目标压力和目标流量的允许误差范围内；控制器然后执行下一个加载电流点Cn+1的控制，与执行控制加载电流点Cn的过程相同，如此反复执行上述过程，最后执行完加载电流点Cm后，达到目标加载电流点，即达到整车功率请求。

如果最新整车请求功率Pk小于上次整车请求功率Pm，控制器执行计算最新请求功率Pk对应的目标加载电流值Ck，目标加载电流值Ck小于上次整车请求工作电流值Cm，控制器按照电流减载策略执行电流减载控制，当前减载电流逐渐减小，经过一些时间就减载到目标加载电流值Ck。在减载电流逐渐减小(Cm…Cn-1 Cn Cn+1…Ck，Cm为上次整车请求功率计算电流点，Ck为当前整车请求功率计算目标加载电流点，Cn为过程电流点)的过程中，控制器根据当前加载电流点Cn、环境温度和环境大气压力实时计算当前加载电流点的目标空气压力和目标空气流量，并且实时检测此时的实际空气压力和实际空气流量，如果实际压力不在误差范围内或实际流量不在误差范围内，控制器会在上一个加载电流点Cn-1时刻的空压机转速和电子节气门开度的基础上执行PID控制算法，改变空压机的转速或电子节气门的开度使实际空气压力和实际空气流量向目标空气压力和目标空气流量方向变化，直到实际压力和实际流量控制在目标压力和目标流量的允许误差范围内；控制器然后执行下一个加载电流点Cn+1的控制，与执行控制加载电流点Cn的过程相同，如此反复执行上述过程，最后执行完加载电流点Ck后，达到目标加载电流点，即达到最新整车功率请求。

实施例：

控制器接收整车控制指令，根据使能命令执行燃料电池系统启动过程，启动成功后运行在怠速功率点200，这时控制器根据整车请求功率计算出目标加载电流值，与当前工作点Cn的加载电流进行比较201，当目标加载电流值大于当前工作点的加载电流时则执行加载控制策略，当目标加载电流值小于当前工作点的加载电流时则执行减载控制策略；

如果是执行加载控制策略，计算出下一工作点Cn+1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量203，作为新工作点的控制目标。

如果是执行减载控制策略，计算出下一工作点Cn-1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量204，作为新工作点的控制目标。

获得新工作点的目标空气压力和目标空气流量，实时测量阴极气体实际压力和实际流量，计算实际压力与目标压力的差值，实际流量与目标流量的差值205。

阴极气体压力调节：

判断空气实际压力是否在目标压力允许范围内206，如果否，执行新工作点的压力调节，在工作点Cn的空压机转速基础上，通过压力差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的空压机转速上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的空压机新转速,反复执行上述控制直到实际压力进入目标压力范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际压力达到稳态207。

如果是，执行下一步阴极气体流量调节。

阴极气体流量调节：

判断空气实际流量是否在目标流量允许范围内208，如果否，执行新工作点的流量调节，在工作点Cn的电子节气门开度基础上，通过流量差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的电子节气门开度上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的电子节气门新开度,反复执行上述控制直到实际流量进入目标流量范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际流量达到稳态209。

如果是，这时工作点Cn+1或Cn-1实际流量、实际压力达到稳态210。新工作点压力和流量调节控制结束，然后把工作点Cn+1或Cn-1当成新的当前工作点，继续执行下一个工作点，反复执行上述过程，直到达到整车请求功率点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统变载时阴极气体子系统控制方法，其特征在于，包括：

燃料电池系统的控制器接收整车的功率请求和使能命令，执行燃料电池系统的启动过程，启动成功后进入怠速工作点，按照预先设定的怠速点的空压机转速和电子节气门开度运行，系统输出怠速功率值；

燃料电池控制器实时检测阴极气体子系统的实际空气压力、实际空气流量、环境温度以及环境大气压力信息；

根据整车请求功率计算目标加载电流值，将目标加载电流值与当前工作点Cn的加载电流进行比较，当目标加载电流值大于当前工作点的加载电流时则执行加载控制策略，当目标加载电流值小于当前工作点的加载电流时则执行减载控制策略；

当执行加载控制策略，计算出下一工作点Cn+1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量，作为新工作点的控制目标；

当执行减载控制策略，计算出下一工作点Cn-1的加载电流值，结合环境温度值、环境大气压力计算出这一工作点的目标空气压力和目标空气流量，作为新工作点的控制目标；

获得新工作点的目标空气压力和目标空气流量，实时测量阴极气体实际压力和实际流量，计算实际压力与目标压力的压力差值，实际流量与目标流量的差值；

在阴极气体压力调节过程中：

判断空气实际压力是否在目标压力允许范围内，如果否，执行新工作点的压力调节，在工作点Cn的空压机转速基础上，通过压力差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的空压机转速上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的空压机新转速,反复执行上述控制直到实际压力进入目标压力范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际压力达到稳态；如果是，则执行下一步阴极气体流量调节过程；

在阴极气体流量调节过程中：

判断空气实际流量是否在目标流量允许范围内，如果否，执行新工作点的流量调节，在工作点Cn的电子节气门开度基础上，通过流量差值PID计算出单位时间内的补偿值，累加到工作点Cn的电子节气门开度上，作为趋于稳态工作点Cn+1或Cn-1的电子节气门新开度,反复执行上述控制直到实际流量进入目标流量范围内，工作点Cn+1或Cn-1实际流量达到稳态；如果是，这时工作点Cn+1或Cn-1实际流量、实际压力达到稳态，新工作点压力和流量调节控制结束，把工作点Cn+1或Cn-1当成新的当前工作点，继续执行下一个工作点，反复执行上述过程，直到达到整车请求功率点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：燃料电池变载运行过程中，采用空压机转速的PID控制算法输出最大限幅值，将该最大限幅值作为峰值功率点的空压机转速。

3.根据权利要求1所述的方法，特征在于：燃料电池变载运行过程中，采用空压机转速的PID控制算法输出最小限幅值，将该最小限幅值作为怠速功率点的空压机转速。

4.根据权利要求1所述的方法，特征在于：燃料电池变载运行过程中，采用电子节气门开度的PID控制算法输出最大限幅值，将该最大限幅值作为峰值功率点的电子节气门开度。

5.根据权利要求1所述的方法，特征在于：燃料电池变载运行过程中，采用电子节气门开度的PID控制算法输出最小限幅值，将该最小限幅值作为怠速功率点的电子节气门开度。

6.根据权利要求1所述的方法，特征在于：燃料电池变载运行过程中，满足任意功率点的目标压力都有一个允许的压力偏差值M Kpa，当实际压力在目标压力±M Kpa的范围内就满足压力要求。

7.根据权利要求1所述的方法，特征在于：燃料电池变载运行过程中，满足任意功率点的目标压力都有一个允许的压力偏差值N Kpa，当实际压力在目标压力±N Kpa的范围内就满足压力要求。

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