CN116154237A - 燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质，涉及燃料电池技术领域，具体的自适应控制方法为：获取燃料电池的目标功率；然后基于燃料电池的标定功率和目标功率的差分，采用基于标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度建立的流量与压力自适应模型，对目标功率下的空压机目标转速和背压阀目标开度进行适应性预测。本发明根据标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度，建立了流量与压力自适应模型的规则，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型对目标功率下的空压机转速和背压阀开度进行修正，实现了在变载瞬间对标定参数进行合理的修正。

Description

燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质。
背景技术
燃料电池汽车是新能源汽车的一个重要分支，由于其加注速度快、效率高、噪音低、零排放等优点，被认为是未来汽车的最终解决方案之一。
目前，现有的燃料电池参数标定方法在空气回路流阻变化或环境温度变化较大的情况下，标定参数很难适应于系统运行要求，尤其在加载瞬间容易出现短时阴极缺气或阴极压力超调的问题，从而导致燃料电池的性能和耐久性变差，所以在变载瞬间需要对标定参数进行合理修正。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质，在变载瞬间对标定参数进行合理的修正。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法，所述自适应控制方法应用于燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池、空压机以及背压阀；所述自适应控制方法包括以下步骤：
步骤11：获取所述燃料电池的目标功率；
步骤12：基于所述燃料电池的标定功率和所述目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的空压机目标转速和背压阀目标开度进行适应性预测；所述流量与压力自适应模型的规则基于所述标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度建立；
步骤13：根据所述空压机目标转速，对所述空压机的转速进行控制；
步骤14：根据所述背压阀目标开度，对所述背压阀的开度进行控制。
可选的，所述自适应控制方法还包括：
采用模糊算法构建所述流量与压力自适应模型，具体包括：
计算所述标定功率下空压机标定转速与实际转速的差值，得到转速差值；
对所述转速差值进行模糊量化，得到转速输出因子；
根据所述转速差值以及所述转速差值对应的转速输出因子，确定空压机的转速模糊控制规则；
计算所述标定功率下背压阀标定开度与实际开度的差值，得到开度差值；
对所述开度差值进行模糊量化，得到开度输出因子；
根据所述开度差值以及所述开度差值对应的开度输出因子，确定背压阀的开度模糊控制规则。
可选的，对所述转速差值进行模糊量化，得到转速输出因子，具体包括：
根据
Figure BDA0004065312980000021
确定所述转速输出因子；
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eN-ρ(t)表示转速输出因子，eN(t)表示转速偏差输入。
可选的，对所述开度差值进行模糊量化，得到开度输出因子，具体包括：
根据
Figure BDA0004065312980000031
确定所述开度输出因子；
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，eDeg(t)表示开度偏差输入。
可选的，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的空压机目标转速进行适应性预测，具体包括：
根据Ntrgt＝Nref+eN-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速；
其中，Ntrgt表示空压机目标转速，Nref表示空压机标定转速，eN-ρ(t)表示转速输出因子，Ptrgt表示目标功率，Pref表示标定功率。
可选的，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的背压阀目标开度进行适应性预测，具体包括：
根据Degtrgt＝Degref+eDeg-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速；
其中，Degtrgt表示背压阀目标转速，Degref表示背压阀标定转速，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，Ptrgt表示目标功率，Pref表示标定功率。
可选的，所述步骤13具体包括：
根据所述空压机目标转速，采用PID算法对所述空压机的转速进行控制。
可选的，所述步骤14具体包括：
根据所述背压阀目标开度，采用PID算法对所述背压阀的开度进行控制。
本发明还提供了一种计算机，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现上述燃料电池流量与压力的自适应控制方法。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，处理器在执行所述计算机程序时，实现上述燃料电池流量与压力的自适应控制方法。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本发明提供一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质，其中，自适应控制方法应用于含有燃料电池、空压机以及背压阀的燃料电池系统，具体的自适应控制方法为：首先，获取燃料电池的目标功率；然后基于燃料电池的标定功率和目标功率的差分，采用基于标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度建立的流量与压力自适应模型，对目标功率下的空压机目标转速和背压阀目标开度进行适应性预测；最后根据预测的空压机目标转速，对空压机的转速进行控制；根据预测的背压阀目标开度，对背压阀的开度进行控制。本发明根据标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度，建立了流量与压力自适应模型的规则，然后，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型对目标功率下的空压机转速和背压阀开度进行修正，实现了在变载瞬间对标定参数进行合理的修正。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的燃料电池流量与压力的自适应控制方法流程图；
图2为本发明实施例中的流量自适应模型构建方法流程图；
图3为本发明实施例中的压力自适应模型构建方法流程图；
图4为本发明实施例中的自适应模型框架图；
图5为本发明实施例中的防喘振控制方法模型框架图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法、计算机及介质，实现在变载瞬间对标定参数进行合理的修正。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法，所述自适应控制方法应用于燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池、空压机以及背压阀；所述自适应控制方法包括以下步骤：
步骤11：获取所述燃料电池的目标功率。
步骤12：基于所述燃料电池的标定功率和所述目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的空压机目标转速和背压阀目标开度进行适应性预测；所述流量与压力自适应模型的规则基于所述标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度建立。
步骤13：根据所述空压机目标转速，对所述空压机的转速进行控制。
步骤14：根据所述背压阀目标开度，对所述背压阀的开度进行控制。
在一些实施例中，自适应控制方法具体还包括，采用模糊算法构建流量与压力自适应模型。
如图2所示，采用模糊算法构建流量与压力自适应模型中的流量自适应模型的方法可以如下：
步骤21：获取标定功率下空压机的标定转速以及实际转速。
步骤22：根据公式N＝Nact-Nref计算标定功率下空压机的标定转速与实际转速的转速偏差，其中，N表示转速偏差，Nact表示空压机实际转速，Nref表示空压机标定转速。
步骤23：将计算得到的转速偏差N输入到模糊模块中进行模糊量化，得到转速输出因子eN-ρ(t)，转速差值输入eN(t)与转速输出因子eN-ρ(t)的转速模糊控制为
Figure BDA0004065312980000061
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eN-ρ(t)表示转速输出因子，eN(t)表示转速偏差输入。
如图3所示，采用模糊算法构建流量与压力自适应模型中的压力自适应模型的方法可以如下：
步骤31：获取标定功率下背压阀的标定开度以及实际开度。
步骤32：根据公式Deg＝Degact-Degref计算标定功率下背压阀的标定开度与实际开度的开度偏差，其中，Deg表示开度偏差，Degact表示背压阀实际开度，Degref表示背压阀标定开度。
步骤33：将计算得到的开度偏差Deg输入模糊模块中进行模糊量化，得到开度输出因子eDeg-ρ(t)，开度偏差输入eDeg(t)与开度输出因子eDeg-ρ(t)的开度模糊控制为
Figure BDA0004065312980000062
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，eDeg(t)表示开度偏差输入。
在一些实施例中，步骤12可以通过以下操作实现：
如图4所示，向流量与压力自适应模型中输入燃料电池的标定功率和目标功率、空压机标定转速、背压阀标定开度、空压机实际转速以及背压阀实际开度。
基于标定功率下空压机标定转速与实际转速的差值，根据Ntrgt＝Nref+eN-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速Ntrgt；其中，Ntrgt表示空压机目标转速，Nref表示空压机标定转速，eN-ρ(t)表示转速输出因子，Ptrgt表示目标功率，Pref表示标定功率。
基于标定功率下背压阀标定开度与实际开度的差值，根据Degtrgt＝Degref+eDeg-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速Degtrgt；其中，Degtrgt表示背压阀目标转速，Degref表示背压阀标定转速，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，Ptrg t表示目标功率，Pref表示标定功率。
在一些实施例中，步骤13可以通过以下操作实现：
如图5所示，本发明所使用的自适应模型是在标定参数的基础上进行修正，空压机转速主要调控的是阴极入口流量，流量PID算法的初始值为空压机标定转速值，经过PID算法计算后加上自适应模型的转速修正值输入到空压机控制器中，根据空压机目标转速，对所述空压机的转速进行控制。图5中Qtrgt表示目标空气流量，Ptrgt表示目标空气进气压力，Qfdbk表示反馈空气流量，Pfdbk表示反馈空气进口压力。
燃电空气回路控制主要参数是目标空气流量Qtrgt与目标空气进气压力Ptrgt，流量或压力不足会造成电堆缺气影响寿命，瞬间流量或压力过大超调影响耐久性。
在一些实施例中，步骤14可以通过以下操作实现：
如图3所示，本发明所使用的自适应模型是在标定参数的基础上进行修正，背压阀角度主要调控的是阴极入口压力，流量PID算法的初始值为背压阀标定开度值，经过PID算法计算后加上自适应模型的开度修正值输入到背压阀执行器中，根据空压机目标转速，采用PID算法对所述空压机的转速进行控制。
本发明还提供了一种计算机，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现燃料电池流量与压力的自适应控制方法。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，处理器在执行所述计算机程序时，实现燃料电池流量与压力的自适应控制方法。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)本发明根据标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度，建立了流量与压力自适应模型的规则，然后，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型对目标功率下的空压机转速和背压阀开度进行修正，实现了在变载瞬间对标定参数进行合理的修正。
(2)本发明提出的燃料电池流量与压力的自适应控制方法不需要建立空压机模型，避免了模型辨识的繁琐过程，响应速度更快，鲁棒性更高；
(3)本发明采用了自适应逻辑算法，自适应逻辑可根据工程师经验与测试过程随时调整，控制更加灵活，适应性更强；
(4)本发明采用了自适应的燃料电池流量与压力控制方法，与标定参数相比，能够避免加载瞬间出现短时阴极缺气或阴极压力超调的问题，提高系统稳定性和耐久性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种燃料电池流量与压力的自适应控制方法，所述自适应控制方法应用于燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池、空压机以及背压阀；其特征在于，所述自适应控制方法包括以下步骤：
步骤11：获取所述燃料电池的目标功率；
步骤12：基于所述燃料电池的标定功率和所述目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的空压机目标转速和背压阀目标开度进行适应性预测；所述流量与压力自适应模型的规则基于所述标定功率下空压机的标定转速和实际转速，以及背压阀的标定开度和实际开度建立；
步骤13：根据所述空压机目标转速，对所述空压机的转速进行控制；
步骤14：根据所述背压阀目标开度，对所述背压阀的开度进行控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，所述自适应控制方法还包括：
采用模糊算法构建所述流量与压力自适应模型，具体包括：
计算所述标定功率下空压机标定转速与实际转速的差值，得到转速差值；
对所述转速差值进行模糊量化，得到转速输出因子；
根据所述转速差值以及所述转速差值对应的转速输出因子，确定空压机的转速模糊控制规则；
计算所述标定功率下背压阀标定开度与实际开度的差值，得到开度差值；
对所述开度差值进行模糊量化，得到开度输出因子；
根据所述开度差值以及所述开度差值对应的开度输出因子，确定背压阀的开度模糊控制规则。
3.根据权利要求2所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，对所述转速差值进行模糊量化，得到转速输出因子，具体包括：
根据
Figure FDA0004065312960000021
确定所述转速输出因子；
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eN-ρ(t)表示转速输出因子，eN(t)表示转速偏差输入。
4.根据权利要求2所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，对所述开度差值进行模糊量化，得到开度输出因子，具体包括：
根据
Figure FDA0004065312960000022
确定所述开度输出因子；
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，eDeg(t)表示开度偏差输入。
5.根据权利要求1所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的空压机目标转速进行适应性预测，具体包括：
根据Ntrgt＝Nref+eN-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速；
其中，Ntrgt表示空压机目标转速，Nref表示空压机标定转速，eN-ρ(t)表示转速输出因子，Ptrgt表示目标功率，Pref表示标定功率。
6.根据权利要求1所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，基于标定功率和目标功率的差分，采用流量与压力自适应模型，对所述目标功率下的背压阀目标开度进行适应性预测，具体包括：
根据Degtrgt＝Degref+eDeg-ρ(t)*(Ptrgt-Pref)/Pref确定所述空压机目标转速；
其中，Degtrgt表示背压阀目标转速，Degref表示背压阀标定转速，eDeg-ρ(t)表示开度输出因子，Ptrgt表示目标功率，Pref表示标定功率。
7.根据权利要求1所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，所述步骤13具体包括：
根据所述空压机目标转速，采用PID算法对所述空压机的转速进行控制。
8.根据权利要求1所述的燃料电池流量与压力的自适应控制方法，其特征在于，所述步骤14具体包括：
根据所述背压阀目标开度，采用PID算法对所述背压阀的开度进行控制。
9.一种计算机，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现权利要求1-8任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，处理器在执行所述计算机程序时，实现权利要求1-8任一项所述的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117936848A (zh) * 2024-03-25 2024-04-26 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种氢燃料电池流量压力自适应协调控制方法

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