CN115995586A - 一种燃料电池发动机功率控制方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种燃料电池发动机功率控制方法、装置、设备及介质，首先实时预测未来时刻的最低单体电池电压，解决了因CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常、临界和性能边界。最后，根据电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在燃料电池发动机功率加载过程中不会超出期望控制范围，不影响功率加载过程的完整性，使电池堆能释放出应有功率。
Description
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机功率控制方法、装置、设备及介质。
背景技术
燃料电池汽车具有零排放、高效率和加氢速度快等优点。作为燃料电池汽车的核心发电部件，车用燃料电池堆由上百个单体电池串联叠压而成。而燃料电池堆的耐久性决定了整车的使用寿命和驾乘感受，其寿命衰减与所处动态运行工况密切相关，尤其是快速加载。
一方面，当燃料电池堆功率快速加载时，反应物质空气和氢气的供应会相对于功率变化有所迟滞，这是因为空压机等执行器的动态响应相对于电池堆输出电流变化慢多个数量级，且气体扩散层内的传质与扩散过程需要时间。反应物质供应的迟滞会使得电池堆在功率加载过程以及加载至高功率后的初期易处于反应物质供给不足的情况，这将有可能导致燃料电池堆出现物质饥饿现象。物质饥饿会使燃料电池催化剂的碳基支撑结构参与化学反应，造成不可逆的碳基支撑结构溶解，进一步导致催化剂铂微粒脱落、流失或团聚，减小催化层的电化学活性表面积，甚至电极结构崩塌。此外，还会造成电极中碳结构组分减少，使电极变薄，增加气体和生成水的质量传输阻力，导致很高的浓差损耗和欧姆损耗。从而，电池堆中某些单体电池性能会因此快速衰减，电压会较正常单体电池更低。
另一方面，当燃料电池堆功率快速加载时，电池堆水温上升的速率远远滞后于功率变化，而电池堆的输出性能在一定区间内与水温成正比。水温上升速率的滞后会使电池堆中性能较差的单体电池电压下降明显。而燃料电池堆的使用寿命取决于最差单体电池，具有“短板”效应。“短板”单体电池会遭遇比其他单体电池更快的寿命衰减，有效反应面积减少速度更快，膜内阻以更快速率增大，同样的工作电流下该单体电池的电化学反应效率变低，使得该单体电池发热较其他单体电池更加严重，而过度的局部发热又容易带动相邻单体电池加速衰减，从而逐渐使燃料电池堆的整体性能和寿命劣化。
因此，在燃料电池堆运行过程中，通常会对单体电池电压进行监测，统计最低单体电池电压和电压均一性指标。当这两个指标差于设定阈值时，通常对燃料电池发动机做出相应控制措施，比如限制可输出功率、降低输出功率或降低至怠速功率等。然而，通过限制或降低功率来使单体电池电压状态恢复以满足最低单体电池电压和电压均一性指标，会使燃料电池发动机功率输出受限，无法响应整车动力需求。此外，加载过程中电压显著下降的单体电池性能会随着水温的逐渐上升而渐渐恢复，最低单体电池电压和电压均一性指标会逐渐恢复正常，此时若限制或降低功率并不能使水温快速上升，从而使燃料电池发动机无法输出应有功率。
目前，现有的技术方案在筛选最低单体电池电压以及计算电压均一性指标，其工作原理为按顺序扫描巡检，当单体电池数量过多时，完成一次从头至尾巡检最快也需要300ms以上，而燃料电池发动机控制单元FCCU（Fuel Cell Control Unit，简称FCCU）的计算步长多为10ms甚至更短，这意味着在至少数十个FCCU计算周期内最低单体电池电压数据将保持为同一个数值。而单体电池电压状态数据报出滞后不利于在电池堆功率快速加载过程中对最低单体电池电压和电压均一性指标进行实时控制。尤其是当燃料电池快速加载时，最低单体电池电压往往会急速下降，过长的报出数据滞后会导致无法感知实际的最低单体电池电压，对于实时控制而言，这种迟滞将造成在燃料电池发动机净功率加载过程中对单体电池电压的保护控制出现滞后，影响控制效果，起不到保护电池堆的作用。
此外，现有文献1（CN114122465A）公开了一种修正燃料电池系统动态加载斜率的控制方法，但是其在控制加载斜率时并不能保证在全生命周期内都达到很好的保护作用。具体而言：现有文献1虽然根据单体电池电压标准差获取了动态加载斜率修正值，从而对加载斜率进行适应性修正，但在电池堆发生寿命衰减后，基于规则或标定数据查表的方式获取的加载斜率修正值并不能始终使电池堆在动态加载过程中保持良好的单体电池电压一致性，因此，其对电池堆的保护作用会随着使用寿命衰减而降低。
而现有文献2（CN111952631A）虽然公开了一种车用燃料电池系统低温冷启动控制方法，但是其通过降低功率来达到恢复单体电池性能的目的，本质上会使燃料电池发动机功率输出受限，无法响应整车动力需求，同时限制或降低功率并不能使水温快速上升，释放应有的性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请提供一种燃料电池发动机功率控制方法、装置、设备及介质，以解决上述技术问题。
本申请提供一种燃料电池发动机功率控制方法，包括以下步骤：
获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；
基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值；
根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
于本申请的一实施例中，根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制的过程包括：
根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；
按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
于本申请的一实施例中，获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值，并基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值的过程包括：
获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)和单体电池电压平均值Uavg(t)；其中，t表示当前时刻；
基于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；其中，所述未来时刻t+β相对于当前时刻t延后β时间跨度，β为自然数；
根据未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、当前时刻的单体电池电压平均值Uavg(t)，计算未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)。
于本申请的一实施例中，当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)的过程包括：
获取前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)；其中，ts为燃料电池发动机中控制单元的采样步长；
判断当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)与前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)是否存在变化；若存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为1；反之，若不存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为0；
判断过程标志位a(t)=1是否成立；
若过程标志位a(t)=1成立，则将过程标志位由0跳转为1的时刻记为跳转时刻，并计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，以及计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt；并基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；
若过程标志位a(t)=1不成立，则令未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)等于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)。
于本申请的一实施例中，基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)的过程包括：
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；以及，将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；
计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，有：
；
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻记为，以及将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻记为；
计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt，有：；
将电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，输入至公式，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)。
于本申请的一实施例中，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)是否位于第一区间[δm，δm+μm]，其中，δm为最低单体电池电压下限值，μm为触发最低单体电池电压下限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)位于第一区间[δm，δm+μm]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压临界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为1；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)不位于第一区间[δm，δm+μm]，则判断Umin(t+β)＞δm+μm是否成立；
如果Umin(t+β)＞δm+μm成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压正常状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为0；
如果Umin(t+β)＞δm+μm不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压性能边界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为-1。
于本申请的一实施例中，基于未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)是否位于第二区间[δu-μu，δu]，其中，δu为电压均一性指标上限值，μu为触发电压均一性指标上限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)位于第二区间[δu-μu，δu]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性临界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为1；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)不位于第二区间[δu-μu，δu]，判断ΔU(t+β)<δu-μu是否成立；
如果ΔU(t+β)<δu-μu成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性正常状态，并将电压均一性状态标志位fu置为0；
如果ΔU(t+β)<δu-μu不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性性能边界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为-1。
于本申请的一实施例中，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断最低单体电池电压状态标志位fm=-1是否成立，以及判断电压均一性状态标志位fu=-1是否成立；
若最低单体电池电压状态标志位fm=-1成立，和/或，电压均一性状态标志位fu=-1成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为1；若最低单体电池电压状态标志位fm=-1不成立，且电压均一性状态标志位fu=-1不成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为0；
输出最低单体电池电压状态标志位fm、电压均一性状态标志位fu、电池堆性能超边界标志位fs。
于本申请的一实施例中，若所述功率闭环控制参数包括比例系数、积分系数和微分系数，则按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换的过程包括：
获取当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)、当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)、当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)；
判断当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1是否成立；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数kp(t)=kp(t-ts)，当前时刻的积分系数ki(t)=0，当前时刻的微分系数kd(t)=kd(t-ts)，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1不成立，则当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1是否成立；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1不成立，则判断当前时t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1是否成立；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1不成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
其中，表示电压均一性达指标达到临界状态后的比例系数；
表示电压均一性达指标达到临界状态后的积分系数；
表示电压均一性达指标达到临界状态后的微分系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的比例系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的积分系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的微分系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的比例系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的积分系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的微分系数。
于本申请的一实施例中，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值的过程包括：
根据当前时刻t下燃料电池发动机的净功率请求值Preq(t)和当前时刻t下燃料电池发动机的净功率实际值Pact(t)，计算出当前时刻t下燃料电池发动机的净功率控制误差ep(t)；
获取当前时刻下按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换后，得到的比例系数kp(t)、积分系数ki(t)和微分系数kd(t)；
将当前时刻下的净功率控制误差ep(t)、当前时刻的比例系数kp(t)、当前时刻的积分系数ki(t)和当前时刻的微分系数kd(t)，输入至比例-积分-微分控制器中，计算出当前时刻的直流变换器输入电流请求值Ireq(t)；其中，所述比例-积分-微分控制器的计算公式为：
式中， Ireq(t)表示当前时刻的直流变换器输入电流请求值；
kp(t)表示当前时刻的比例系数；
ep(t)表示当前时刻下的净功率控制误差；
ki(t)表示当前时刻的积分系数；
kd(t)表示当前时刻的微分系数；
t表示当前时刻。
于本申请的一实施例中，获取燃料电池堆中每个单体电池的电压的过程包括：启动燃料电池发动机，向燃料电池堆中提供空气和氢气，执行冷却水循环，并在燃料电池堆产生开路电压时，通过电池电压巡检器巡检采集燃料电池堆中每个单体电池的电压。
本申请还提供一种燃料电池发动机功率控制装置，所述装置包括有：
电压采集模块，用于获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；
电压预测模块，用于根据当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值；
电压均一性指标模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值计算未来时刻的电压均一性指标预测值；
功率控制模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
于本申请的一实施例中，所述装置还包括状态区分模块和参数切换模块；
所述状态区分模块，根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；
所述参数切换模块，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
其中，所述功率控制模块通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
本申请还提供一种燃料电池发动机功率控制设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述设备实现如上述中任一项所述的燃料电池发动机功率控制方法。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如上述中任一项所述的燃料电池发动机功率控制方法。
如上所述，本申请提供一种燃料电池发动机功率控制方法、装置、设备及介质，具有以下有益效果：
本申请在燃料电池发动机启动后，可以获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值和单体电池电压平均值；基于当前时刻的最低单体电池电压值，预测未来时刻所对应的最低单体电池电压值；根据未来时刻所对应的最低单体电池电压值、当前时刻的单体电池电压平均值，计算未来时刻的电压均一性指标预测值；基于未来时刻所对应的最低单体电池电压值、未来时刻的电压均一性指标预测值，将燃料电池堆的状态分为正常状态、临界状态和性能边界状态，并输出状态标志位；按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；通过直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对燃料电池发动机的净功率进行实时控制。其中，未来时刻相对于当前时刻延β时间跨度，β为自然数。由此可知，本申请首先采用了最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM（CellVoltage Monitor，电池电压巡检器，简称CVM）硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常状态、临界状态和性能边界状态。最后，根据不同的电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，从而达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在功率持续加载的过程中不会超出期望控制范围，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。例如，当电池堆性能逐渐由正常状态过渡至临界状态或性能边界状态，功率闭环控制参数将调整电池堆功率上升速度减缓，且对应的加载过程由正常状态下的快速加载调整为柔和缓慢加载，相当于整个调整过程柔和缓慢，从而可以避免电池堆处于对耐久性不利的状态，以达到动态调整为加载速度、控制加载过程的目的。所以，本申请通过将最低单体电池电压和电压均一性指标考虑进功率加载过程中，基于控制算法的作用，可以保护单体电池电压状态在加载过程中始终处于合理区间内，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。此外，本申请在不改变现有电池电压巡检器CVM硬件的基础上，采用了实施成本更低、提前感知变化能力更强的最低单体电池电压在线预测方法，实现了对未来时刻的最低单体电池电压数据实时预测，改善了电池电压巡检器CVM报出数据迟滞的不利影响，提高了对最低单体电池电压的感知能力，增强了加载过程中对单体电池电压的保护效果。相当于本申请采用最低单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，并据此调节加载过程的功率闭环控制参数，从而在保护最低单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。而且本申请通过设置性能临界区保证了当燃料电池堆性能达到临界状态后进行功率加载时燃料电池堆电压稳定性。同时，引入电压预测算法解决了电池电压巡检器CVM报出数据的滞后问题，使得对电压下降趋势的控制干预更加及时，增强了对燃料电池堆的保护效果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术者来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为应用本申请中一个或多个实施例中技术方案的示例性系统架构的示意图；
图2为本申请中一实施例提供的燃料电池发动机功率控制方法的流程示意图；
图3为本申请中一实施例提供的燃料电池发动机功率控制方法的原理示意图；
图4为本申请中一实施例提供的预测未来时刻的最低单体电池电压的流程示意图；
图5为本申请中一实施例提供的区分燃料电池堆状态的流程示意图；
图6为本申请中一实施例提供的自适应切换功率闭环控制参数的流程示意图；
图7为本申请中一实施例提供的燃料电池发动机净功率闭环控制策略原理示意图；
图8为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图；
图9为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图；
图10为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图；
图11为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图；
图12为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图；
图13为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图；
图14为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图；
图15为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图；
图16为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图；
图17为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.05V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图；
图18为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图；
图19为本申请中一实施例提供的δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图；
图20为本申请中一实施例提供的δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中净功率请求值和实际值的响应曲线示意图；
图21为本申请中一实施例提供的δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图；
图22为本申请中一实施例提供的δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中电压均一性指标的变化过程示意图；
图23为本申请中一实施例提供的δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中PID控制器的积分参数自适应变化过程；
图24为本申请中一实施例提供的燃料电池发动机控制装置的硬件结构示意图；
图25为适用于实现本申请中一个或多个实施例的燃料电池发动机功率控制设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本申请，而不是为了限制本申请的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本申请中的“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中所涉及的多个，是指两个或两个以上。
在本申请的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
另外，在本申请实施例中，“示例的”一词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例”的任何实施例或实现方案不应被解释为比其它实施例或实现方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本申请实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本申请的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本申请的实施例难以理解。
图1示出了一种可以应用本申请中一个或多个实施例中技术方案的示例性系统架构的示意图。如图1所示，系统架构100可以包括终端设备110、网络120和服务器130。终端设备110可以包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑等各种电子设备。服务器130可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云计算服务的云服务器。网络120可以是能够在终端设备110和服务器130之间提供通信链路的各种连接类型的通信介质，例如可以是有线通信链路或者无线通信链路。
根据实现需要，本申请实施例中的系统架构可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。例如，服务器130可以是由多个服务器设备组成的服务器群组。另外，本申请实施例提供的技术方案可以应用于终端设备110，也可以应用于服务器130，或者可以由终端设备110和服务器130共同实施，本申请对此不做特殊限定。
在本申请的一个实施例中，本申请的终端设备110或服务器130可以在燃料电池发动机启动后，获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值和单体电池电压平均值；基于当前时刻的最低单体电池电压值，预测未来时刻所对应的最低单体电池电压值；根据未来时刻所对应的最低单体电池电压值、当前时刻的单体电池电压平均值，计算未来时刻的电压均一性指标预测值；基于未来时刻所对应的最低单体电池电压值、未来时刻的电压均一性指标预测值，将燃料电池堆的状态分为正常状态、临界状态和性能边界状态，并输出状态标志位；按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；通过直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对燃料电池发动机的净功率进行实时控制。利用终端设备110或服务器130执行燃料电池发动机功率控制方法，可以采用最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常状态、临界状态和性能边界状态。最后，根据不同的电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，从而达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在功率持续加载的过程中不会超出期望控制范围，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。所以，本申请通过将最低单体电池电压和电压均一性指标考虑进功率加载过程中，基于控制算法的作用，可以保护单体电池电压状态在加载过程中始终处于合理区间内，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。此外，本申请在不改变现有电池电压巡检器CVM硬件的基础上，采用了实施成本更低、提前感知变化能力更强的最低单体电池电压在线预测方法，实现了对未来时刻的最低单体电池电压数据实时预测，改善了电池电压巡检器CVM报出数据迟滞的不利影响，提高了对最低单体电池电压的感知能力，增强了加载过程中对单体电池电压的保护效果。相当于本申请采用最低单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，并据此调节加载过程的功率闭环控制参数，从而在保护最低单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。而且本申请通过设置性能临界区保证了当燃料电池堆性能达到临界状态后进行功率加载时燃料电池堆电压稳定性。同时，引入电压预测算法解决了电池电压巡检器CVM报出数据的滞后问题，使得对电压下降趋势的控制干预更加及时，增强了对燃料电池堆的保护效果。
以上部分介绍了应用本申请技术方案的示例性系统架构的内容，接下来继续介绍本申请的燃料电池发动机功率控制方法。
在一示例性实施例中，本实施例提供一种燃料电池发动机功率控制方法，该方法包括以下步骤：获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值；根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。具体地，在本实施例中，获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值，并基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值的过程包括：获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)和单体电池电压平均值Uavg(t)；其中，t表示当前时刻；基于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；其中，所述未来时刻t+β相对于当前时刻t延后β时间跨度，β为自然数；根据未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、当前时刻的单体电池电压平均值Uavg(t)，计算未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制的过程包括：根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。由此可知，本实施例首先采用单体电池电压在线预测方法对未来时刻的单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对单体电池电压的感知能力。然后采用单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，从而在保护单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。
图2示出了本申请一实施例提供的燃料电池发动机功率控制方法流程示意图。具体地，在一示例性实施例中，如图2所示，本实施例提供一种燃料电池发动机功率控制方法，该方法包括以下步骤：
S210，获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)和单体电池电压平均值Uavg(t)；其中，t表示当前时刻。作为示例，本实施例获取燃料电池堆中每个单体电池的电压的过程可以包括：启动燃料电池发动机，向燃料电池堆中提供空气和氢气，执行冷却水循环，并在燃料电池堆产生开路电压时，通过电池电压巡检器巡检采集燃料电池堆中每个单体电池的电压。
S220，基于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；其中，所述未来时刻t+β相对于当前时刻t延后β时间跨度，β为自然数；
S230，根据未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、当前时刻的单体电池电压平均值Uavg(t)，计算未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)；
S240，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，并输出状态标志位；
S250，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
S260，通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
由此可知，本实施例首先采用了最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常状态、临界状态和性能边界状态。最后，根据不同的电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，从而达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在功率持续加载的过程中不会超出期望控制范围，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。所以，本实施例通过将最低单体电池电压和电压均一性指标考虑进功率加载过程中，基于控制算法的作用，可以保护单体电池电压状态在加载过程中始终处于合理区间内，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。此外，本实施例在不改变现有电池电压巡检器CVM硬件的基础上，采用了实施成本更低、提前感知变化能力更强的最低单体电池电压在线预测方法，实现了对未来时刻的最低单体电池电压数据实时预测，改善了电池电压巡检器CVM报出数据迟滞的不利影响，提高了对最低单体电池电压的感知能力，增强了加载过程中对单体电池电压的保护效果。相当于本实施例采用最低单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，并据此调节加载过程的功率闭环控制参数，从而在保护最低单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。而且本实施例通过设置性能临界区保证了当燃料电池堆性能达到临界状态后进行功率加载时燃料电池堆电压稳定性。同时，引入电压预测算法解决了电池电压巡检器CVM报出数据的滞后问题，使得对电压下降趋势的控制干预更加及时，增强了对燃料电池堆的保护效果。
在一示例性实施例中，如图4所示，基于当前时刻的最低单体电池电压值，预测未来时刻所对应的最低单体电池电压值的过程包括：
获取前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)；其中，ts为燃料电池发动机中控制单元的采样步长；
判断当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)与前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)是否存在变化；若存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为1；反之，若不存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为0；
判断过程标志位a(t)=1是否成立；
若过程标志位a(t)=1成立，则将过程标志位由0跳转为1的时刻记为跳转时刻，并计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，以及计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt；并基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；
若过程标志位a(t)=1不成立，则令未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)等于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)。
根据上述记载，在一示例性实施例中，基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)的过程包括：
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；以及，将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；
计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，有：；
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻记为，以及将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻记为；
计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt，有：；
将电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，输入至公式，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)。
在一示例性实施例中，如图5所示，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)是否位于第一区间[δm，δm+μm]，其中，δm为最低单体电池电压下限值，μm为触发最低单体电池电压下限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)位于第一区间[δm，δm+μm]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压临界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为1；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)不位于第一区间[δm，δm+μm]，则判断Umin(t+β)＞δm+μm是否成立；
如果Umin(t+β)＞δm+μm成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压正常状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为0；
如果Umin(t+β)＞δm+μm不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压性能边界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为-1。
根据上述记载，基于未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)是否位于第二区间[δu-μu，δu]，其中，δu为电压均一性指标上限值，μu为触发电压均一性指标上限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)位于第二区间[δu-μu，δu]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性临界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为1；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)不位于第二区间[δu-μu，δu]，判断ΔU(t+β)<δu-μu是否成立；
如果ΔU(t+β)<δu-μu成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性正常状态，并将电压均一性状态标志位fu置为0；
如果ΔU(t+β)<δu-μu不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性性能边界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为-1。
具体地，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断最低单体电池电压状态标志位fm=-1是否成立，以及判断电压均一性状态标志位fu=-1是否成立；
若最低单体电池电压状态标志位fm=-1成立，和/或，电压均一性状态标志位fu=-1成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为1；若最低单体电池电压状态标志位fm=-1不成立，且电压均一性状态标志位fu=-1不成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为0；
输出最低单体电池电压状态标志位fm、电压均一性状态标志位fu、电池堆性能超边界标志位fs。
在一示例性实施例中，如图6所示，若所述功率闭环控制参数包括比例系数、积分系数和微分系数，则按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换的过程包括：
获取当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)、当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)、当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)；
判断当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1是否成立；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数kp(t)=kp(t-ts)，当前时刻的积分系数ki(t)=0，当前时刻的微分系数kd(t)=kd(t-ts)，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1不成立，则当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1是否成立；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1不成立，则判断当前时t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1是否成立；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1不成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
其中，表示电压均一性达指标达到临界状态后的比例系数；表示电压均一性达指标达到临界状态后的积分系数；表示电压均一性达指标达到临界状态后的微分系数；表示最低单体电池电压达到临界状态后的比例系数；表示最低单体电池电压达到临界状态后的积分系数；表示最低单体电池电压达到临界状态后的微分系数；表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的比例系数；表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的积分系数；表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的微分系数。
在一示例性实施例中，在一示例性实施例中，燃料电池发动机净功率闭环控制策略根据净功率请求值Preq(t)和净功率实际值Pact(t)，以上述步骤输出的自适应控制参数kp(t)、ki(t)和kd(t)，进行发动机净功率闭环控制，输出DCDC变换器输入电流请求值Ireq(t)。具体地，如图7所示，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值的过程包括：
根据当前时刻t下燃料电池发动机的净功率请求值Preq(t)和当前时刻t下燃料电池发动机的净功率实际值Pact(t)，计算出当前时刻t下燃料电池发动机的净功率控制误差ep(t)；
获取当前时刻下按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换后，得到的比例系数kp(t)、积分系数ki(t)和微分系数kd(t)；
将当前时刻下的净功率控制误差ep(t)、当前时刻的比例系数kp(t)、当前时刻的积分系数ki(t)和当前时刻的微分系数kd(t)，输入至比例-积分-微分控制器中，计算出当前时刻的直流变换器输入电流请求值Ireq(t)；其中，所述比例-积分-微分控制器的计算公式为：
式中， Ireq(t)表示当前时刻的直流变换器输入电流请求值；kp(t)表示当前时刻的比例系数；ep(t)表示当前时刻下的净功率控制误差；ki(t)表示当前时刻的积分系数；kd(t)表示当前时刻的微分系数；t表示当前时刻。
在本申请另一示例性实施例中，该实施例还提供一种燃料电池发动机功率控制方法。在实施该方法之前，还包括：完成燃料电池发动机装配，包含电池堆、空气供应子系统、氢气供应子系统、水热管理子系统、DCDC以及燃料电池发动机系统控制器FCCU等。将装配完成后的燃料电池发动机与测试台架连接，将氢进电磁阀入口端管路与测试系统供氢管路相连接，主水路和辅助水路与测试系统冷却水路相连接，保证燃料电池发动机运行期间有连续氢气供应和冷却水循环。配置DCDC与FCCU的CAN通讯协议，使DCDC能接收到FCCU发出的DCDC输入端电流请求值信号，同时FCCU能接收到DCDC发出的DCDC输出端电流及电压实际值信号，FCCU软件通过计算DCDC输出端电流与电压的乘积得到系统净功率实际值信号。配置CVM与FCCU的CAN通讯协议，使FCCU能接收到CVM发出的最低单体电池电压和平均单体电池电压数据。在Matlab/Simulink中完成相应算法的应用层软件模型搭建，并将其集成到FCCU软件架构中。将集成了本发明方法的FCCU软件模型进行C代码编译，并通过USBCAN设备将编译后生成的S19文件刷写到实际物理控制器中。上述软硬件条件准备就绪后，通过测试台架向燃料电池发动机供给高低压电源，并开通测试台架供氢回路和冷却水供给回路，通过INCA软件请求燃料电池发动机开机启动。如图3所示，本实施例提供的燃料电池发动机功率控制方法包括以下步骤：
S1、燃料电池发动机启动，各子系统开始运行，向电池堆供给空气和氢气，冷却水开始循环，燃料电池堆产生开路电压；
S2、CVM开始巡检并采集电池堆各单体电池电压，通过内部计算比较后，报出最低单体电池电压值Umin和单体电池电压平均值Uavg的实时数据；
S3、将当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)输入到最低单体电池电压在线预测器，预测相对于当前时刻t延后β时间跨度的未来时刻t+β所对应最低单体电池电压值Umin(t+β)；
S4、根据预测得到的未来时刻最低单体电池电压值Umin(t+β)，计算电压均一性指标预测值ΔU(t+β)= Uavg(t)- Umin(t+β)；
S5、根据预测的最低单体电池电压值Umin(t+β)和电压均一性指标ΔU(t+β)进行燃料电池状态区分，将电池堆在加载过程中的状态细分为正常、临界和性能边界，并输出状态标志位fsts；
S6、根据不同的燃料电池堆状态标志位fsts对功率闭环控制参数kp、ki和kd进行自适应切换；
S7、燃料电池发动机净功率闭环控制策略根据净功率请求值Preq(t)和净功率实际值Pact(t)，以步骤S6输出的自适应控制参数kp、ki和kd，进行发动机净功率闭环控制，输出DCDC变换器输入电流请求值Ireq(t)；
S8、DCDC变换器根据输入电流请求值Ireq(t)调节输入端电流，从而实现对燃料电池发动机净功率的实时控制。
其中，步骤S3中所述的最低单体电池电压在线预测器的实施流程具体如下：
S31、输入当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)；
S32、判断当前时刻最低单体电池电压值Umin(t)相对于前一个采样时间点Umin(t-ts)是否有变化，其中ts为燃料电池发动机控制器FCCU的采样步长，若存在变化，则令过程标志位a(t)=1，否则，令过程标志位a(t)=0，程序跳转至步骤S33；
S33、判断a(t)=1是否成立，若是，则程序跳转至步骤S34，否则，程序跳转至步骤S36；
S34、计算相邻两次过程标志位a由0跳转为1的时刻所对应的最低单体电池电压值之间的差值，以及相邻两次过程标志位a由0跳转为1的时刻之间的时间长度，程序跳转至步骤S35；
S35、根据公式计算相对于当前时刻t延后β时间跨度的未来时刻t+β所对应最低单体电池电压值Umin(t+β)，程序跳转至步骤S37；
S36、令未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压预测值Umin(t+β)=Umin(t)，程序跳转至步骤S37；
S37、输出预测值Umin(t+β)，程序结束；
其中，步骤S5中所述的燃料电池状态区分的实施过程具体如下：
S51、输入预测的最低单体电池电压值Umin(t+β)和电压均一性指标ΔU(t+β)，程序同步跳转至步骤S52和步骤S54；
S52、判断最低单体电池电压预测值Umin(t+β)是否处于区间[δm，δm+μm]，其中δm为最低单体电池电压下限值，μm为触发最低单体电池电压下限限制的缓冲窗口宽度，即判断Umin(t+β)∈[δm，δm+μm]是否成立，若成立，则将当前电池堆状态判断为最低单体电池电压临界状态，将最低单体电池电压状态标志位fm置为1，否则，程序跳转至步骤S53；
S53、判断条件Umin(t+β)＞δm+μm是否成立，若是，则最低单体电池电压处于正常状态，令fm=0，否则，判定电池堆因最低单体电池电压过低而超出性能边界，fm=-1，程序跳转至步骤S56；
S54、判断预测的电压均一性指标ΔU(t+β)是否处于区间[δu-μu，δu]，其中δu为电压均一性指标上限值，μu为触发电压均一性指标上限限制的缓冲窗口宽度，即判断ΔU(t+β) ∈[δu-μu，δu]是否成立，若成立，则将当前电池堆状态判断为电压均一性临界状态，将电压均一性状态标志位fu置为1，否则，程序跳转至步骤S55；
S55、判断条件ΔU(t+β)<δu-μu是否成立，若是，则电压均一性指标处于正常状态，令fu=0，否则，判定电池堆因电压均一性指标超限而超出性能边界，fu=-1，程序跳转至步骤S56；
S56、判断fu=-1或fm=-1是否成立一个以上，若是，则电池堆性能超边界标志位fs=1，否则，fs=0，程序跳转至步骤S57；
S57、输出fu、fm和fs，程序结束；
其中，步骤S6中所述的根据电池堆状态标志位自适应切换功率闭环控制参数的实施过程具体如下：
S61、输入当前时刻的电压均一性状态标志位fu(t)、最低单体电池电压状态标志位fm(t)和电池堆性能超边界标志位fs(t)；
S62、判断fs(t)=1是否成立，若是，则令功率闭环控制参数kp(t)=kp(t-ts)、ki(t)=0和kd(t)=kd(t-ts)，程序跳转至步骤S66，否则，程序跳转至步骤S63；
S63、判断fu(t)=1是否成立，若是，则令功率闭环控制参数、和，程序跳转至步骤S66，否则，程序跳转至步骤S64；
S64、判断fm(t)=1是否成立，若是，则令功率闭环控制参数 、和，程序跳转至步骤S66，否则，程序跳转至步骤S65；
S65、令功率闭环控制参数执行正常的加载过程参数，即、和，程序跳转至步骤S66；
S66、进入下一采样时刻，程序跳转回步骤S61，循环执行，直至燃料电池发动机收到停机信号。
其中，步骤S7中所述的燃料电池发动机净功率闭环控制策略的实施过程具体如下：
S71、根据当前时刻的燃料电池发动机净功率请求值Preq(t)和实际值Pact(t)，计算净功率控制误差ep(t)；
S72、将当前时刻净功率控制误差ep(t)输入到PID控制器中，得到DCDC输入电流请求值Ireq(t)，其中PID控制器公式如下：
其中，kp(t)、ki(t)和kd(t)分别为步骤S6输出的当前时刻的比例系数、积分系数和微分系数；
S73、DCDC变换器按输入电流请求值Ireq(t)调节其输入端电流。
具体地，图8至图19给出了加载过程中对最低单体电池电压的实际控制效果示例。图8为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图。图9为δm=0.7V，μm=0.03V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图。图10为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图。图11为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图。图12为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图。图13为δm=0.7V，μm=0.03V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图。图14为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图。图15为δm=0.7V，μm=0.03V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图。图16为δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中燃料电池发动机净功率请求值和实际值的响应曲线示意图。图17为δm=0.7V，μm=0.05V时进行燃料电池发动机功率控制过程中最低单体电池电压的变化过程示意图。图18为δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图。图19为δm=0.7V，μm=0.05V时基于最低单体电池电压进行燃料电池发动机功率控制过程中PID参数自适应变化示意图。根据图8至图19可以看出，当μm增大后，最低单体电池电压曲线能够以更加平滑且稳定的轨迹逐渐接近控制下限值δm。当最低单体电池电压曲线逐渐受控趋近控制下限值δm后，本方法将通过控制DCDC输入电流来保持最低单体电池电压稳定在控制下限值δm附近，避免最低单体电池电压继续下降。当电池堆状态趋于好转，DCDC输入电流将逐渐缓慢增加，从而电池堆逐渐释放功率，期间最低单体电池电压则稳定地控制在下限值δm附近。在控制过程中，PID控制器的比例系数kp(t)、积分系数ki(t)和微分系数kd(t)均随时间变化，从而达到动态调节功率加载快慢节奏的目的，起到保护电池堆的前提下尽可能快速加载的作用。
图20至图23给出了加载过程中对电压均一性指标的实际控制效果示例。图20为δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中净功率请求值和实际值的响应曲线示意图。
图21为δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中DCDC输入电流请求值和实际值变化过程示意图。
图22为δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中电压均一性指标的变化过程示意图。
图23为δu=0.7V，μu=0.02V时基于电压均一性指标进行燃料电池发动机功率控制过程中PID控制器的积分参数自适应变化过程。根据图20至图23可以看出，当燃料电池发动机净功率请求值阶跃上升后的初期，实际净功率随DCDC输入电流的上升而快速上升，同时ΔU也随之快速上升。当ΔU进入灰色的临界区间[δu-μu，δu]后，PID控制器的积分参数会减小以调慢对DCDC输入电流的控制效果，燃料电池发动机的实际净功率的增长明显变慢，ΔU也随之不再增长。之后，通过PID控制器的积分参数调节，将ΔU参数稳定在设定值δu附近，同时DCDC输入电流根据电池堆状态缓慢上升，从而燃料电池发动机净功率将继续保持较慢增加。当DCDC输入电流达到DCDC变换器硬件本身的上限值后，将不再继续增加，此时PID控制器的积分参数调为0，燃料电池发动机净功率将取决于电池堆性能恢复速度。之后，随着水温的升高，电池堆性能的逐渐好转，燃料电池发动机净功率实际值将达到设定的请求值，ΔU参数逐渐减小，电压均一性由差变好。
综上所述，本申请提供一种燃料电池发动机功率控制方法，在燃料电池发动机启动后，可以获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值和单体电池电压平均值；基于当前时刻的最低单体电池电压值，预测未来时刻所对应的最低单体电池电压值；根据未来时刻所对应的最低单体电池电压值、当前时刻的单体电池电压平均值，计算未来时刻的电压均一性指标预测值；基于未来时刻所对应的最低单体电池电压值、未来时刻的电压均一性指标预测值，将燃料电池堆的状态分为正常状态、临界状态和性能边界状态，并输出状态标志位；按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；通过直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对燃料电池发动机的净功率进行实时控制。其中，未来时刻相对于当前时刻延β时间跨度，β为自然数。由此可知，本方法首先采用了最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常状态、临界状态和性能边界状态。最后，根据不同的电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，从而达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在功率持续加载的过程中不会超出期望控制范围，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。所以，本方法通过将最低单体电池电压和电压均一性指标考虑进功率加载过程中，基于控制算法的作用，可以保护单体电池电压状态在加载过程中始终处于合理区间内，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。此外，本方法在不改变现有电池电压巡检器CVM硬件的基础上，采用了实施成本更低、提前感知变化能力更强的最低单体电池电压在线预测方法，实现了对未来时刻的最低单体电池电压数据实时预测，改善了电池电压巡检器CVM报出数据迟滞的不利影响，提高了对最低单体电池电压的感知能力，增强了加载过程中对单体电池电压的保护效果。相当于本方法采用最低单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，并据此调节加载过程的功率闭环控制参数，从而在保护最低单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。而且本方法通过设置性能临界区保证了当燃料电池堆性能达到临界状态后进行功率加载时燃料电池堆电压稳定性。同时，引入电压预测算法解决了电池电压巡检器CVM报出数据的滞后问题，使得对电压下降趋势的控制干预更加及时，增强了对燃料电池堆的保护效果。相当于本方法可以使用最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测；以及本方法可以根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标预测值实时判断加载过程中每一时刻的电池堆状态，将电池堆状态细分为正常、临界和性能边界；同时，在功率加载过程中，本方法还可以根据不同的电池堆实时状态采取不同的功率闭环控制参数，对燃料电池发动机净功率进行闭环控制。
本申请还提供一种燃料电池发动机功率控制装置，所述装置包括有：
电压采集模块，用于获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；
电压预测模块，用于根据当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值；
电压均一性指标模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值计算未来时刻的电压均一性指标预测值；
功率控制模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
此外，本实施例中的燃料电池发动机功率控制装置还包括状态区分模块和参数切换模块；
所述状态区分模块，根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；
所述参数切换模块，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
其中，所述功率控制模块通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
由此可知，本实施例首先采用单体电池电压在线预测方法对未来时刻的单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对单体电池电压的感知能力。然后采用单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，从而在保护单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。
具体地，如图24所示，本实施例提供一种燃料电池发动机功率控制装置，所述装置包括有：
电压采集模块2410，用于获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)和单体电池电压平均值Uavg(t)；其中，t表示当前时刻；作为示例，本实施例获取燃料电池堆中每个单体电池的电压的过程可以包括：启动燃料电池发动机，向燃料电池堆中提供空气和氢气，执行冷却水循环，并在燃料电池堆产生开路电压时，通过电池电压巡检器巡检采集燃料电池堆中每个单体电池的电压。
电压预测模块2420，用于基于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；其中，所述未来时刻t+β相对于当前时刻t延后β时间跨度，β为自然数；
电压均一性指标模块2430，用于根据未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、当前时刻的单体电池电压平均值Uavg(t)，计算未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)；
状态区分模块2440，用于基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，并输出状态标志位；
参数切换模块2450，用于按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
功率控制模块2460，用于通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
需要说明的是，上述实施例所提供的燃料电池发动机功率控制装置与上述实施例所提供的燃料电池发动机功率控制方法属于同一构思，其中各个模块和单元执行操作的具体方式已经在方法实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。上述实施例所提供的燃料电池发动机功率控制装置在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能，本处也不对此进行限制。例如，电压采集模块2410可以用于实施上述一些实施例中步骤S210中记载的步骤过程；电压预测模块2420可以用于实施上述一些实施例中步骤S220中记载的步骤过程；电压均一性指标模块2430可以用于实施上述一些实施例中步骤S230中记载的步骤过程；状态区分模块2440可以用于实施上述一些实施例中步骤S240中记载的步骤过程；参数切换模块2450可以用于实施上述一些实施例中步骤S250中记载的步骤过程；功率控制模块2460可以用于实施上述一些实施例中步骤S260中记载的步骤过程。
综上所述，本申请提供一种燃料电池发动机功率控制装置，在燃料电池发动机启动后，可以获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值和单体电池电压平均值；基于当前时刻的最低单体电池电压值，预测未来时刻所对应的最低单体电池电压值；根据未来时刻所对应的最低单体电池电压值、当前时刻的单体电池电压平均值，计算未来时刻的电压均一性指标预测值；基于未来时刻所对应的最低单体电池电压值、未来时刻的电压均一性指标预测值，将燃料电池堆的状态分为正常状态、临界状态和性能边界状态，并输出状态标志位；按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；通过直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对燃料电池发动机的净功率进行实时控制。其中，未来时刻相对于当前时刻延β时间跨度，β为自然数。由此可知，本装置首先采用了最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测，解决因电池电压巡检器CVM硬件巡检速度限制造成的单体电池电压状态数据报出滞后的问题，提高对最低单体电池电压的感知能力。然后，根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标的变化趋势实时判断电池堆状态，将电池堆状态细分为正常状态、临界状态和性能边界状态。最后，根据不同的电池堆状态采取不同的功率闭环控制参数，从而达到动态调整加载速率、控制加载过程的目的，保证最低单体电池电压和电压均一性指标在功率持续加载的过程中不会超出期望控制范围，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。所以，本装置通过将最低单体电池电压和电压均一性指标考虑进功率加载过程中，基于控制算法的作用，可以保护单体电池电压状态在加载过程中始终处于合理区间内，同时不影响功率加载过程的完整性，使电池堆最终能释放出应有功率。此外，本装置在不改变现有电池电压巡检器CVM硬件的基础上，采用了实施成本更低、提前感知变化能力更强的最低单体电池电压在线预测方法，实现了对未来时刻的最低单体电池电压数据实时预测，改善了电池电压巡检器CVM报出数据迟滞的不利影响，提高了对最低单体电池电压的感知能力，增强了加载过程中对单体电池电压的保护效果。相当于本装置采用最低单体电池电压和电压均一性两个指标维度评判燃料电池堆在加载过程中的性能状态，并据此调节加载过程的功率闭环控制参数，从而在保护最低单体电池电压不低于下限值且电压均一性不弱于设定值的同时，不会影响功率加载过程完整性，使电池堆能以最健康的方式发挥应有输出性能，实现尽可能快和尽可能健康的快速加载。而且本装置通过设置性能临界区保证了当燃料电池堆性能达到临界状态后进行功率加载时燃料电池堆电压稳定性。同时，引入电压预测算法解决了电池电压巡检器CVM报出数据的滞后问题，使得对电压下降趋势的控制干预更加及时，增强了对燃料电池堆的保护效果。相当于本装置可以使用最低单体电池电压在线预测方法对未来时刻的最低单体电池电压数据进行实时预测；以及本装置可以根据最低单体电池电压预测数据计算得到电压均一性指标，结合最低单体电池电压和电压均一性指标预测值实时判断加载过程中每一时刻的电池堆状态，将电池堆状态细分为正常、临界和性能边界；同时，在功率加载过程中，本装置还可以根据不同的电池堆实时状态采取不同的功率闭环控制参数，对燃料电池发动机净功率进行闭环控制。
本申请的实施例还提供了一种燃料电池发动机功率控制设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述燃料电池发动机功率控制设备实现上述各个实施例中提供的燃料电池发动机功率控制方法。
图25示出了适于用来实现本申请实施例的燃料电池发动机功率控制设备的计算机装置的结构示意图。需要说明的是，图25示出的燃料电池发动机功率控制设备的计算机系统1000仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图25所示，计算机系统1000包括中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）1001，其可以根据存储在只读存储器（Read-Only Memory，ROM）1002中的程序或者从储存部分1008加载到随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）1003中的程序而执行各种适当的动作和处理，例如执行上述实施例中所述的方法。在RAM 1003中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 1001、ROM 1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。输入/输出（Input /Output，I/O）接口1005也连接至总线1004。
以下部件连接至I/O接口1005：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）、液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的储存部分1008；以及包括诸如LAN（Local AreaNetwork，局域网）卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至I/O接口1005。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入储存部分1008。
特别地，根据本申请的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本申请的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的计算机程序。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被中央处理单元（CPU）1001执行时，执行本申请的装置中限定的各种功能。
需要说明的是，本申请实施例所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）、闪存、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的计算机程序。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的计算机程序可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。其中，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本申请实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
本申请的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如前所述的燃料电池发动机功率控制方法。该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的燃料电池发动机功率控制设备中所包含的，也可以是单独存在，而未装配入该燃料电池发动机功率控制设备中。
本申请的另一方面还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各个实施例中提供的燃料电池发动机功率控制方法。
上述实施例仅示例性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请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，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (15)
1.一种燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；
基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值；
根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制的过程包括：
根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；
按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值，并基于当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值，以及计算未来时刻的电压均一性指标预测值的过程包括：
获取燃料电池堆中每个单体电池的电压，并计算出当前时刻的最低单体电池电压值Umin(t)和单体电池电压平均值Uavg(t)；其中，t表示当前时刻表示当前时刻；
基于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；其中，所述未来时刻t+β相对于当前时刻t延后β时间跨度，β为自然数；
根据未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、当前时刻的单体电池电压平均值Uavg(t)，计算未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)。
4.根据权利要求3所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，预测未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)的过程包括：
获取前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)；其中，ts为燃料电池发动机中控制单元的采样步长；
判断当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)与前一采样时刻t-ts的最低单体电池电压值Umin(t-ts)是否存在变化；若存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为1；反之，若不存在变化，则将过程标志位a(t)赋值为0；
判断过程标志位a(t)=1是否成立；
若过程标志位a(t)=1成立，则将过程标志位由0跳转为1的时刻记为跳转时刻，并计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，以及计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt；并基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)；
若过程标志位a(t)=1不成立，则令未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)等于当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，基于电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)的过程包括：
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；以及，将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻的最低单体电池电压值，记为；
计算相邻两次跳转时刻下最低单体电池电压值之间的电压差值ΔU，有：
；
将相邻两次跳转时刻中前一跳转时刻记为，以及将相邻两次跳转时刻中后一跳转时刻记为；
计算相邻两次跳转时刻之间的间隔时长Δt，有：；
将电压差值ΔU、间隔时长Δt、时间跨度β和当前时刻t的最低单体电池电压值Umin(t)，输入至公式，计算出未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)。
6.根据权利要求3或5所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)是否位于第一区间[δm，δm+μm]，其中，δm为最低单体电池电压下限值，μm为触发最低单体电池电压下限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)位于第一区间[δm，δm+μm]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压临界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为1；
若未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)不位于第一区间[δm，δm+μm]，则判断Umin(t+β)＞δm+μm是否成立；
如果Umin(t+β)＞δm+μm成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压正常状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为0；
如果Umin(t+β)＞δm+μm不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为最低单体电池电压性能边界状态，并将最低单体电池电压状态标志位fm置为-1。
7.根据权利要求6所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，基于未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)是否位于第二区间[δu-μu，δu]，其中，δu为电压均一性指标上限值，μu为触发电压均一性指标上限限制的缓冲窗口宽度；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)位于第二区间[δu-μu，δu]，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性临界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为1；
若未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)不位于第二区间[δu-μu，δu]，判断ΔU(t+β)<δu-μu是否成立；
如果ΔU(t+β)<δu-μu成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性正常状态，并将电压均一性状态标志位fu置为0；
如果ΔU(t+β)<δu-μu不成立，则将所述燃料电池堆的当前状态标记为电压均一性性能边界状态，并将电压均一性状态标志位fu置为-1。
8.根据权利要求7所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，基于未来时刻t+β所对应的最低单体电池电压值Umin(t+β)、未来时刻t+β的电压均一性指标预测值ΔU(t+β)，对所述燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位的过程包括：
判断最低单体电池电压状态标志位fm=-1是否成立，以及判断电压均一性状态标志位fu=-1是否成立；
若最低单体电池电压状态标志位fm=-1成立，和/或，电压均一性状态标志位fu=-1成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为1；若最低单体电池电压状态标志位fm=-1不成立，且电压均一性状态标志位fu=-1不成立，则将电池堆性能超边界标志位fs置为0；
输出最低单体电池电压状态标志位fm、电压均一性状态标志位fu、电池堆性能超边界标志位fs。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，若所述功率闭环控制参数包括比例系数、积分系数和微分系数，则按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换的过程包括：
获取当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)、当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)、当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)；
判断当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1是否成立；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数kp(t)=kp(t-ts)，当前时刻的积分系数ki(t)=0，当前时刻的微分系数kd(t)=kd(t-ts)，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的电池堆性能超边界标志位fs(t)=1不成立，则当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1是否成立；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
如果当前时刻t的电压均一性状态标志位fu(t)=1不成立，则判断当前时t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1是否成立；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
若当前时刻t的最低单体电池电压状态标志位fm(t)=1不成立，则令当前时刻的比例系数，当前时刻的积分系数，当前时刻的微分系数，并继续判断下一采样时刻t+ts的电池堆性能超边界标志位fs(t+ts)=1是否成立，直至燃料电池发动机接收到停机信号后结束；
其中，表示电压均一性达指标达到临界状态后的比例系数；
表示电压均一性达指标达到临界状态后的积分系数；
表示电压均一性达指标达到临界状态后的微分系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的比例系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的积分系数；
表示最低单体电池电压达到临界状态后的微分系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的比例系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的积分系数；
表示电压均一性指标和最低单体电池电压为正常时的微分系数。
10.根据权利要求9所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值的过程包括：
根据当前时刻t下燃料电池发动机的净功率请求值Preq(t)和当前时刻t下燃料电池发动机的净功率实际值Pact(t)，计算出当前时刻t下燃料电池发动机的净功率控制误差ep(t)；
获取当前时刻下按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换后，得到的比例系数kp(t)、积分系数ki(t)和微分系数kd(t)；
将当前时刻下的净功率控制误差ep(t)、当前时刻的比例系数kp(t)、当前时刻的积分系数ki(t)和当前时刻的微分系数kd(t)，输入至比例-积分-微分控制器中，计算出当前时刻的直流变换器输入电流请求值Ireq(t)；其中，所述比例-积分-微分控制器的计算公式为：
；
式中， Ireq(t)表示当前时刻的直流变换器输入电流请求值；
kp(t)表示当前时刻的比例系数；
ep(t)表示当前时刻下的净功率控制误差；
ki(t)表示当前时刻的积分系数；
kd(t)表示当前时刻的微分系数；
t表示当前时刻。
11.根据权利要求3所述的燃料电池发动机功率控制方法，其特征在于，获取燃料电池堆中每个单体电池的电压的过程包括：启动燃料电池发动机，向燃料电池堆中提供空气和氢气，执行冷却水循环，并在燃料电池堆产生开路电压时，通过电池电压巡检器巡检采集燃料电池堆中每个单体电池的电压。
12.一种燃料电池发动机功率控制装置，其特征在于，所述装置包括有：
电压采集模块，用于获取当前时刻燃料电池发动机中的单体电池电压值；
电压预测模块，用于根据当前时刻的单体电池电压值预测未来时刻的单体电池电压值；
电压均一性指标模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值计算未来时刻的电压均一性指标预测值；
功率控制模块，用于根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
13.根据权利要求12所述的燃料电池发动机功率控制装置，其特征在于，所述装置还包括状态区分模块和参数切换模块；
所述状态区分模块，根据未来时刻的单体电池电压值，以及未来时刻的电压均一性指标预测值，对所述燃料电池发动机中的燃料电池堆进行状态区分，输出状态标志位；
所述参数切换模块，按照燃料电池堆的状态标志位对功率闭环控制参数进行自适应切换，并基于燃料电池发动机的净功率请求值和净功率实际值，计算直流变换器输入电流请求值；
其中，所述功率控制模块通过所述直流变换器输入电流请求值调节输入端电流，以对所述燃料电池发动机的净功率进行实时控制。
14.一种燃料电池发动机功率控制设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述设备实现如权利要求1至11中任一项所述的燃料电池发动机功率控制方法。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被计算机的处理器执行时，使计算机执行如权利要求1至11中任一项所述的燃料电池发动机功率控制方法。
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