CN116979104B - 一种燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质，方法包括：根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值；根据系统目标工作温度和环境温度参考值或根据系统目标工作温度、环境温度参考值、系统修正发热量、系统额定发热量、气压计信号和风扇额定转速，确定风扇转速预设值；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；根据系统实际温度或根据系统实际温度和散热器温度，确定节温器开度预设值；利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内。

Description

一种燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池系统的工作温度对功率输出和使用寿命有明显的影响，根据电堆内部水汽平衡的需要，不同输出功率下，应匹配不同的工作温度，因此在随车环境下，系统目标工作温度需要随着整车需求功率而变动，这就要求温度控制居被较高的跟随能力。同时，我国天南海北气候差异明显，东西部海拔落差巨大，这就要求系统能够自适应环境条件的变化，保持较高的温度控制精度。
现有技术对温度自适应提出了一定的改善办法，但对环境温度的感知准确性方面没有提及，在实车路试中，单一的环境温度易受到干扰，会使自适应的效果变差。有部分文献采用了模型参考的自适应控制，一定程度上可以减小系统温度控制效果的迟滞，但没有扩展到实车风扇的控制，并且也没有将因海拔变化而造成的系统效率下降，自身发热增加计算在内，易造成计算结果的偏差。
在实车运行中，燃料电池的热管理单元需要主动适应不同的环境条件，实现电堆工作温度的稳定，单一的环境温度信号易受到干扰，会使温度控制自适应的效果变差。现有技术采用了模型参考的自适应控制，一定程度上可以减小系统温度控制效果的迟滞，但没有扩展到散热风扇与节温器共同工作的场景。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种燃料电池系统温度控制方法，包括：
根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值；
根据系统目标工作温度和环境温度参考值或根据系统目标工作温度、环境温度参考值、系统修正发热量、系统额定发热量、气压计信号和风扇额定转速，确定风扇转速预设值；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
根据系统实际温度或根据系统实际温度和散热器温度，确定节温器开度预设值；
利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内。
在一些实施例中，根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值Tave，包括：
(1)获取系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac；
判断系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac是否有效；
若Tsys、Ttank和Tac数值均有效，则进入三源模式，并锁存设定时长(例如2S)内系统内环境温度传感器信号的平均值氢瓶阀温度传感器信号的平均值和空调入口温度传感器信号的平均值
若有传感器信号存在失效，则剔除对应传感器信号，以剩余有效传感器信号进行后续计算；
若Tsys、Ttank和Tac数值均失效，则输出20℃的固定默认数值作为环境温度参考值Tave；
(2)检查三个温度传感器信号的一致性：计算三个锁存平均值 的算数平均值Tave3，若中有一个数值与Tave3的离均差超过2℃，则剔除此偏离信号，以剩余两个温度传感器信号计算平均值Tave2，并以Tave2作为最终的环境温度参考值Tave；若中有2-3个信号数值离均差超过2℃或三者离均差不超过2℃，则以Tave3作为最终的环境温度参考值Tave；
(3)计算参考值的更新规则：系统运行后跟踪三个信号Tsys、Ttank和Tac的变化趋势；
若Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升，则Tsys保持1)中锁存的平均值结果，并持续判定其有效，Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升的规律需满足如下条件：
且Tsys≤Tstack；
其中Tstack为燃料电池系统电堆温度；t表示变化时间；
若Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降，则保持第一步锁存的Ttank平均值；Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降的规律需满足如下条件：
且Ttank≤Tac；
其中，表示氢瓶温度的估计值，F表示法拉第常数，Ptank表示氢瓶的实时压力，P0表示氢瓶的原始压力值，表示氢瓶内的原始储氢质量，若实际传感器数值Ttank的值始终落在的[-50％，50％]区间内，则判定其有效；
若Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定，且无明显波动的现象，则实时更新Tac的信号数值；Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定的规律需满足如下条件：
且Tac≤Tstack。
在一些实施例中，根据系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset≤Tave，则FANfw＝0。
在另一些实施例中，根据系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、气压计信号Patom、风扇额定转速FANe，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset＞Tave，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw。
进一步地，根据气压计信号Patom、环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，包括：
基于理想气体状态方程，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave，计算得出当前环境下空气密度Mair：
其中R为气体常数，Mol是空气的摩尔质量；
根据当前环境下空气密度Mair计算风扇散热修正系数α1；
其中MNatom表示一个标准大气压下空气的密度。
进一步地，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw，包括：
在一些实施例中，所述系统修正发热量Qnew的获取方法包括：
根据气压计信号Patom，计算大气压降低导致的空压机出口的空气温度上升差值ΔTout；
其中，Tout与Tin分别代表空压机出口和入口的空气温度，PNatom为标准大气压值，k为气体绝热指数，为定压比热容Cp和定容比热容Cv的比值；实时压缩比Pout、Pin分别代表空压机出口和入口的气压；
根据ΔTout计算中冷器增加的发热量ΔQinc；
其中，表示实时的空气质量流量；
根据当前实时电堆电压V和电堆输出电流I计算系统变化发热量ΔQstack；
ΔQstack＝(VNatom-V)×I
其中，VNatom表示电堆在一个标准大气压下的电压，I表示电堆输出电流，V表示当前实时电堆电压；
根据系统额定发热量Qe、冷器增加的发热量ΔQinc和系统变化发热量ΔQstack计算得到系统修正发热量Qnew；
Qnew＝Qe+ΔQinc+ΔQstack。
在一些实施例中，根据系统实际温度Tstack或根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad，确定节温器开度预设值TMSfrpos，包括：
若Tstack≤45℃，TMSfrpos＝0；
若Tstack＞45℃，根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad计算节温器开度预设值TMSfrpos，且TMSfrpos不超过100；
在一些实施例中，利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，包括：
利用参考动态模型得到系统实际温度估计值
根据系统目标工作温度Tset、系统实际温度估计值和系统实际温度Tstack计算得到节温器开度闭环值TMSfbpos；
根据节温器开度闭环值TMSfbpos和节温器开度预设值TMSfrpos得到节温器开度值TMS。
进一步地，利用参考动态模型得到系统实际温度估计值包括：
通过一阶环节建立热管理子系统Gs的近似动态模型用以表示热管理系统的过程特性：
其中，为估计模型的传递函数、Gs为实际系统的传递函数，Km表示一阶环节的增益系数、Tm为时间常数、s为频域变换后函数表述；节温器开度值TMS；
进一步地，根据系统目标工作温度Tset、系统实际温度估计值和系统实际温度Tstack计算得到节温器开度闭环值TMSfbpos，包括：
其中，TMSfbpos为节温器开度闭环值，Tf为控制器内设计的一阶环节时间常数；
进一步地，根据节温器开度闭环值TMSfbpos和节温器开度预设值TMSfrpos得到节温器开度值TMS，包括：
TMS＝TMSfbpos+TMSfrpos。
第二方面，本发明提供了一种燃料电池系统温度控制器，包括：
环境温度保真计算模块，用于：根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值；
风扇转速前馈控制模块，用于：根据系统目标工作温度和环境温度参考值或根据系统目标工作温度、环境温度参考值、系统修正发热量、系统额定发热量、气压计信号和风扇额定转速，确定风扇转速预设值；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
节温器前馈模块，用于：根据系统实际温度或根据系统实际温度和散热器温度，确定节温器开度预设值；
IMC闭环控制模块，用于：利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内。
第三方面，本发明提供了一种燃料电池系统温度控制装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供了一种设备，包括，
存储器；
处理器；
以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现上述第一方面所述的方法。
第五方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法。
有益效果：本发明提供的燃料电池系统温度控制方法、装置、设备及存储介质，本发明设计了信号保真策略，利用已有车载传感器，尽可能还原实际环境，提高输入信号的准确性，同时配合内模控制算法，减小系统迟滞特性带来的控制超调和振荡，提高系统的环境适应性。进一步具体地具有以下优点：
(1)基于现有车载传感器的多个温度传感器信号，设计了保真算法，提高了控制系统输入参考信号的准确度；
(2)双前馈控制计算得出风扇与节温器的预开度，并基于内膜结构，设计了目标温度跟随的闭环控制方案。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的方法流程示意图；
图2为根据本发明一实施例中环境温度保真策略示意图；
图3为根据本发明一实施例中IMC闭环控制模块示意图；
图4为根据本发明一实施例中系统温度控制原理示意图；
图5为根据本发明一实施例中系统温度控制效果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
系统内环境温度传感器信号缩写为“Tsys”
氢瓶阀温度传感器信号缩写为“Ttank”
空调入口温度传感器信号缩写为“Tac”
燃料电池系统电堆温度缩写为“Tstack”
气压计信号所写为“Patom”
保真温度信号缩写为“Tave”下标ave后数字表示有几个信号源
离均差：数组中每个数值与整组数计算平均值的差；
实施例1
第一方面，如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池系统温度控制方法，包括：
根据系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac，确定环境温度参考值Tave；
根据系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave或根据系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、气压计信号Patom和风扇额定转速FANe，确定风扇转速预设值FANfw；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
根据系统实际温度Tstack或根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad，确定节温器开度预设值TMSfrpos；
利用参考动态模型结合节温器开度预设值TMSfrpos计算出节温器开度值TMS，根据节温器开度值TMS对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内。
图2为根据本发明一实施例中环境温度保真策略示意图。
在一些实施例中，根据系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac，确定环境温度参考值Tave，包括：
(1)获取系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac；
判断系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac是否有效；
若Tsys、Ttank和Tac数值均有效，则进入三源模式，并锁存设定时长(例如2秒)内系统内环境温度传感器信号的平均值氢瓶阀温度传感器信号的平均值和空调入口温度传感器信号的平均值
若有传感器信号存在失效，则剔除对应传感器信号，以剩余有效传感器信号进行后续计算；
若Tsys、Ttank和Tac数值均失效，则输出20℃的固定默认数值作为环境温度参考值Tave；
(2)检查三个温度值的一致性：计算三个锁存平均值的算数平均值Tave3，若中有一个数值与Tave3的离均差超过2℃，则剔除此偏离信号，以剩余两个传感器信号计算平均值Tave2，并以Tave2作为最终的环境温度参考值Tave；若中有2-3个信号数值离均差超过2℃或三者离均差不超过2℃，则以Tave3作为最终的环境温度参考值Tave；
在一些实施例中，还包括：(3)计算参考值的更新规则：系统运行后跟踪三个信号的变化趋势，若Tsys随系统工作而缓慢上升，则Tsys保持1)中锁存的平均值结果，并持续判定其有效，Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升的规律需满足如下条件：
且Tsys≤Tstack；
其中Tstack为燃料电池系统电堆温度；t表示变化时间；
若Ttank随系统工作而缓慢下降(下降速率与系统输出功率负相关)，则保持第一步锁存的Ttank平均值；Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降的规律需满足如下条件：
且Ttank≤Tac；
其中，表示氢瓶温度的估计值，F表示法拉第常数，Ptank表示氢瓶的实时压力，P0表示氢瓶的原始压力值，表示氢瓶内的原始储氢质量，若实际传感器数值Ttank的值始终落在的[-50％，50％]区间内，则判定其有效。
若Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定，且无明显波动的现象，则实时更新Tac的信号数值；Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定的规律需满足如下条件：
且Tac≤Tstack；。
在一些实施例中，根据系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset≤Tave，则FANfw＝0。
在另一些实施例中，根据系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、气压计信号Patom、风扇额定转速FANe，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset＞Tave，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw。
进一步地，在一些实施例中，根据气压计信号Patom、环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，包括：
基于理想气体状态方程，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave，计算得出当前环境下空气密度Mair：
其中R为气体常数，Mol是空气的摩尔质量。
根据当前环境下空气密度Mair计算风扇散热修正系数α1。
其中MNatom表示一个标准大气压下空气的密度。
进一步地，在一些实施例中，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw，包括：
在一些实施例中，所述系统修正发热量Qnew的获取方法包括：
根据气压计信号Patom，计算大气压降低导致的空压机出口的空气温度上升差值ΔTout；
其中，Tout与Tin分别代表空压机出口和入口的空气温度，PNatom为标准大气压值，k为气体绝热指数，为定压比热容Cp和定容比热容Cv的比值；实时压缩比Pout、Pin分别代表空压机出口和入口的气压；
根据ΔTout计算中冷器增加的发热量ΔQinc；
其中，表示实时的空气质量流量。
根据当前实时电堆电压V和电堆输出电流I计算系统变化发热量ΔQstack；
ΔQstack＝(VNatom-V)×I
其中，VNatom表示电堆在一个标准大气压下的电压，I表示电堆输出电流，V表示当前实时电堆电压。
根据系统额定发热量Qe、冷器增加的发热量ΔQinc和系统变化发热量ΔQstack计算得到系统修正发热量Qnew。
Qnew＝Qe+ΔQinc+ΔQstack
在一些实施例中，根据系统实际温度Tstack或根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad，确定节温器开度预设值TMSfrpos，包括：
若Tstack≤45℃，TMSfrpos＝0；
若Tstack＞45℃，根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad计算节温器开度预设值TMSfrpos，且TMSfrpos不超过100；
在一些实施例中，利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，包括：
利用参考动态模型得到系统实际温度估计值
通过一阶环节建立热管理子系统Gs的近似动态模型用以表示热管理系统的过程特性：
其中，为估计模型的传递函数、Gs为实际系统的传递函数，Km表示一阶环节的增益系数、Tm为时间常数、s为频域变换后函数表述；节温器开度值TMS；
根据系统目标工作温度Tset、系统实际温度估计值和系统实际温度Tstack计算得到节温器开度闭环值TMSfbpos；
其中，TMSfbpos为节温器开度闭环值，Tf为控制器内设计的一阶环节时间常数；
根据节温器开度闭环值TMSfbpos和节温器开度预设值TMSfrpos得到节温器开度值TMS；
TMS＝TMSfbpos+TMSfrpos。
实施例2
第二方面，基于实施例1，本实施例提供了一种燃料电池系统温度控制器，包括：
环境温度保真计算模块：根据系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac，确定环境温度参考值；
风扇转速前馈控制模块：根据系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave或根据系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、气压计信号Patom和风扇额定转速FANe，确定风扇转速预设值FANfw；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
节温器前馈模块：根据系统实际温度Tsys或根据系统实际温度Tsys和散热器温度Trad，确定节温器开度预设值TMSfrpos；
IMC闭环控制模块：利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内。
在一些实施例中，一种燃料电池系统温度控制系统，包括：系统内环境温度传感器、氢瓶阀温度传感器、空调入口温度传感器、气压计、节温器、散热风扇以及上述的控制器；其中系统内环境温度传感器、氢瓶阀温度传感器、空调入口温度传感器、气压计、分别用于采集系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac、气压计信号Patom，并发送给控制器；起到环境探测作用；
所述控制器，用于：对输入的多个温度传感器信号进行保真运算，并依据燃料电池系统目标工作温度计算节温器、散热风扇的开度数值，通过通讯控制系统实现系统温度的管理和散热功能。
环境温度保真模块：因系统内的环境温度传感器因靠近系统本体，极易受到系统自身工作状态的影响，本发明利用整车已有的：氢瓶阀温度信号、空调入口温度信号作为辅助信息，设计了温度保真策略来获得环境温度参考值。
以上述获得的环境温度参考值作为输入，设计了以双前馈+内膜(IMC：internalmodel control)为控制形式的单闭环解耦控制算法(见图2)，具体如下：
风扇前馈模块输入为：系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe(一个标准大气压下的额定点发热量)、气压计信号Patom、风扇额定转速FANe；前馈模块1输出为：风扇转速预设值FANfw。计算方法如下：若Tset≤Tave，则FANfw＝0。
若Tset＞Tave，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw：
进一步地，在一些实施例中，根据气压计信号Patom、环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，包括：
基于理想气体状态方程，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave，计算得出当前环境下空气密度Mair：
其中R为气体常数，Mol是空气的摩尔质量。
根据当前环境下空气密度Mair计算风扇散热修正系数α1。
其中MNatom表示一个标准大气压下空气的密度。
所述系统修正发热量Qnew的获取方法包括：
根据气压计信号Patom，计算大气压降低导致的空压机出口的空气温度上升差值ΔTout；
其中，Tout与Tin分别代表空压机出口和入口的空气温度，PNatom为标准大气压值，k为气体绝热指数，为定压比热容Cp和定容比热容Cv的比值；实时压缩比Pout、Pin分别代表空压机出口和入口的气压；
根据ΔTout计算中冷器增加的发热量ΔQinc；
其中，表示实时的空气质量流量。
根据当前实时电堆电压V和电堆输出电流I计算系统变化发热量ΔQstack；
ΔQstack＝(VNatom-V)×I
其中，VNatom表示电堆在一个标准大气压下的电压，I表示电堆输出电流，V表示当前实时电堆电压。
根据系统额定发热量Qe、冷器增加的发热量ΔQinc和系统变化发热量ΔQstack计算得到系统修正发热量Qnew。
Qnew＝Qe+ΔQinc+ΔQstack
节温器前馈模块输入为：散热器温度Trad、系统实际温度Tstack；输出为：节温器开度预设值TMSfrpos(范围0-100，0代表节温器全部走小循环，100代表全部走大循环)，具体算法包括：
若Tstack≤45℃，TMSfrpos＝0；
若Tstack＞45℃，根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad计算节温器开度预设值TMSfrpos，且TMSfrpos不超过100；
IMC闭环控制模块输入为：系统目标工作温度、系统实际温度；输出为节温器开度闭环值；
内模控制IMC，是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，适用于常规PID难以匹配的强耦合多变量、强非线性和大时滞过程，其具有设计简单、控制性能佳和系统分析方面的优势。本发明以一阶线性模型近似估计系统温度的变化，简化了以节温器为执行器的内模控制的难度：
1.建立被控过程的参考动态模型：通过一阶环节建立热管理子系统Gs的近似动态模型用以表示热管理系统的过程特性：
其中，为估计模型的传递函数、Gs为实际系统的传递函数，Km表示一阶环节的增益系数、Tm为时间常数、s为频域变换后函数表述；节温器开度值TMS；
2.确定控制器的结构：根据系统的要求和性能指标，控制器的参数和结构形式如下：
其中，IMC(s)节温器开度闭环值，Tf为控制器内设计的一阶环节时间常数。
3.嵌入动态模型：将被控过程的动态模型嵌入到控制器中，以使得控制器的输出能够根据动态模型的预测值进行调节。
4.实现反馈环路：将控制器输出与被控过程的实际输出相连，以形成闭环系统，结构见图3。
5.进行系统分析：在实现了控制器和反馈环路之后，需要对系统进行分析，以确定控制器的性能指标是否达到要求，并对控制器进行调整和优化。
根据上述策略(见图4)，将环境温度保真计算模块1)、风扇前馈模块2)、节温器前馈模块3)、以及IMC闭环控制模块4)搭建成完整的控制拓扑，以某60kW系统的近似一阶线性模型为被控对象，进行控制效果仿真，并以PID控制方法的效果作为对比，见图5：
可以看到在燃料电池系统由常温启动，两种控制方法下第一次达到目标温度时，IMC控制的波动更小和进入稳态时间也更短，温度目标在反复变化时，双前馈+IMC也能更快的实现温度的跟随，且超调量较小。
实施例3
第三方面，基于实施例1，本实施例提供了一种燃料电池系统温度控制装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述的方法。
实施例4
第四方面，基于实施例1，本实施例提供了一种设备，包括，
存储器；
处理器；
以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现实施例1所述的方法。
实施例5
第五方面，基于实施例1，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值；
根据系统目标工作温度和环境温度参考值或根据系统目标工作温度、环境温度参考值、系统修正发热量、系统额定发热量、气压计信号和风扇额定转速，确定风扇转速预设值；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
根据系统实际温度或根据系统实际温度和散热器温度，确定节温器开度预设值；
利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内；
其中，根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值Tave，包括：
(1)获取系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac；
判断系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac是否有效；
若Tsys、Ttank和Tac数值均有效，则进入三源模式，并锁存设定时长内系统内环境温度传感器信号的平均值氢瓶阀温度传感器信号的平均值和空调入口温度传感器信号的平均值
若有传感器信号存在失效，则剔除对应传感器信号，以剩余有效传感器信号进行后续计算；
若Tsys、Ttank和Tac数值均失效，则输出20℃的固定默认数值作为环境温度参考值Tave；
(2)检查三个温度传感器信号的一致性：计算三个锁存平均值 的算数平均值Tave3，若中有一个数值与Tave3的离均差超过2℃，则剔除此偏离信号，以剩余两个温度传感器信号计算平均值Tave2，并以Tave2作为最终的环境温度参考值Tave；若中有2-3个信号数值离均差超过2℃或三者离均差不超过2℃，则以Tave3作为最终的环境温度参考值Tave；
(3)计算参考值的更新规则：系统运行后跟踪三个信号Tsys、Ttank和Tac的变化趋势；
若Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升，则Tsys保持(1)中锁存的平均值结果，并持续判定其有效，Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升的规律需满足如下条件：
且Tsys≤Tstack；
其中Tstack为燃料电池系统电堆温度；t表示变化时间；
若Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降，则保持第一步锁存的Ttank平均值；Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降的规律需满足如下条件：
且Ttank≤Tac；
其中，表示氢瓶温度的估计值，F表示法拉第常数，Ptank表示氢瓶的实时压力，P0表示氢瓶的原始压力值，表示氢瓶内的原始储氢质量，若实际传感器数值Ttank的值始终落在的[-50％，50％]区间内，则判定其有效；
若Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定，且无明显波动的现象，则实时更新Tac的信号数值；Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定的规律需满足如下条件：
且Tac≤Tstack；
其中，利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，包括：
利用参考动态模型得到系统实际温度估计值具体包括：
通过一阶环节建立热管理子系统Gs的近似动态模型用以表示热管理系统的过程特性：
其中，为估计模型的传递函数、Gs为实际系统的传递函数，Km表示一阶环节的增益系数、Tm为时间常数、s为频域变换后函数表述；节温器开度值TMS；
根据系统目标工作温度Tset、系统实际温度估计值和系统实际温度Tstack计算得到节温器开度闭环值TMSfbpos，具体包括：
其中，TMSfbpos为节温器开度闭环值，Tf为控制器内设计的一阶环节时间常数；
根据节温器开度闭环值TMSfbpos和节温器开度预设值TMSfrpos得到节温器开度值TMS，具体包括：
TMS＝TMSfbpos+TMSfrpos。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，根据系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset≤Tave，则FANfw＝0。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，根据系统目标工作温度Tset、环境温度参考值Tave、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、气压计信号Patom、风扇额定转速FANe，确定风扇转速预设值FANfw，包括：
若Tset>Tave，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，根据气压计信号Patom、环境温度参考值Tave确定风扇散热修正系数α1，包括：
基于理想气体状态方程，根据气压计信号Patom和环境温度参考值Tave，计算得出当前环境下空气密度Mair：
其中R为气体常数，Mol是空气的摩尔质量；
根据当前环境下空气密度Mair计算风扇散热修正系数α1；
其中MNatom表示一个标准大气压下空气的密度。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，根据风扇额定转速FANe、风扇散热修正系数α1、系统修正发热量Qnew、系统额定发热量Qe、系统目标工作温度Tset和环境温度参考值Tave，计算得到风扇转速预设值FANfw，包括：
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，所述系统修正发热量Qnew的获取方法包括：
根据气压计信号Patom，计算大气压降低导致的空压机出口的空气温度上升差值ΔTout；
其中，Tout与Tin分别代表空压机出口和入口的空气温度，PNatom为标准大气压值，k为气体绝热指数，为定压比热容Cp和定容比热容Cv的比值；实时压缩比Pout、Pin分别代表空压机出口和入口的气压；
根据ΔTout计算中冷器增加的发热量ΔQinc；
其中，表示实时的空气质量流量；
根据当前实时电堆电压V和电堆输出电流I计算系统变化发热量ΔQstack；
ΔQstack＝(VNatom-V)×I
其中，VNatom表示电堆在一个标准大气压下的电压，I表示电堆输出电流，V表示当前实时电堆电压；
根据系统额定发热量Qe、冷器增加的发热量ΔQinc和系统变化发热量ΔQstack计算得到系统修正发热量Qnew；
Qnew＝Qe+ΔQinc+ΔQstack。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统温度控制方法，其特征在于，根据系统实际温度Tstack或根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad，确定节温器开度预设值TMSfrpos，包括：
若Tstack≤45℃，TMSfrpos＝0；
若Tstack>45℃，根据系统实际温度Tstack和散热器温度Trad计算节温器开度预设值TMSfrpos，且TMSfrpos不超过100；
8.一种燃料电池系统温度控制器，其特征在于，包括：
环境温度保真计算模块，用于：根据系统内环境温度传感器信号、氢瓶阀温度传感器信号、空调入口温度传感器信号，确定环境温度参考值；具体包括：
(1)获取系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac；
判断系统内环境温度传感器信号Tsys、氢瓶阀温度传感器信号Ttank、空调入口温度传感器信号Tac是否有效；
若Tsys、Ttank和Tac数值均有效，则进入三源模式，并锁存设定时长内系统内环境温度传感器信号的平均值氢瓶阀温度传感器信号的平均值和空调入口温度传感器信号的平均值
若有传感器信号存在失效，则剔除对应传感器信号，以剩余有效传感器信号进行后续计算；
若Tsys、Ttank和Tac数值均失效，则输出20℃的固定默认数值作为环境温度参考值Tave；
(2)检查三个温度传感器信号的一致性：计算三个锁存平均值 的算数平均值Tave3，若中有一个数值与Tave3的离均差超过2℃，则剔除此偏离信号，以剩余两个温度传感器信号计算平均值Tave2，并以Tave2作为最终的环境温度参考值Tave；若中有2-3个信号数值离均差超过2℃或三者离均差不超过2℃，则以Tave3作为最终的环境温度参考值Tave；
(3)计算参考值的更新规则：系统运行后跟踪三个信号Tsys、Ttank和Tac的变化趋势；
若Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升，则Tsys保持(1)中锁存的平均值结果，并持续判定其有效，Tsys随燃料电池系统工作而缓慢上升的规律需满足如下条件：
且Tsys≤Tstack；
其中Tstack为燃料电池系统电堆温度；t表示变化时间；
若Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降，则保持第一步锁存的Ttank平均值；Ttank随燃料电池系统工作而缓慢下降的规律需满足如下条件：
且Ttank≤Tac；
其中，表示氢瓶温度的估计值，F表示法拉第常数，Ptank表示氢瓶的实时压力，P0表示氢瓶的原始压力值，表示氢瓶内的原始储氢质量，若实际传感器数值Ttank的值始终落在的[-50％，50％]区间内，则判定其有效；
若Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定，且无明显波动的现象，则实时更新Tac的信号数值；Tac随燃料电池系统工作而保持相对恒定的规律需满足如下条件：
且Tac≤Tstack；
风扇转速前馈控制模块，用于：根据系统目标工作温度和环境温度参考值或根据系统目标工作温度、环境温度参考值、系统修正发热量、系统额定发热量、气压计信号和风扇额定转速，确定风扇转速预设值；根据风扇转速预设值对风扇转速进行控制；
节温器前馈模块，用于：根据系统实际温度或根据系统实际温度和散热器温度，确定节温器开度预设值；
IMC闭环控制模块，用于：利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，根据节温器开度值对节温器开度进行控制，使系统实际温度位于系统目标工作温度误差范围内；其中，利用参考动态模型结合节温器开度预设值计算出节温器开度值，包括：
利用参考动态模型得到系统实际温度估计值具体包括：
通过一阶环节建立热管理子系统Gs的近似动态模型用以表示热管理系统的过程特性：
其中，为估计模型的传递函数、Gs为实际系统的传递函数，Km表示一阶环节的增益系数、Tm为时间常数、s为频域变换后函数表述；节温器开度值TMS；
根据系统目标工作温度Tset、系统实际温度估计值和系统实际温度Tstack计算得到节温器开度闭环值TMSfbpos，具体包括：
其中，TMSfbpos为节温器开度闭环值，Tf为控制器内设计的一阶环节时间常数；
根据节温器开度闭环值TMSfbpos和节温器开度预设值TMSfrpos得到节温器开度值TMS，具体包括：
TMS＝TMSfbpos+TMSfrpos。
9.一种燃料电池系统温度控制装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种设备，其特征在于，包括：
存储器；
处理器；
以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
11.一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的方法。
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