CN117117253A - 燃料电池系统控制方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池系统控制方法、装置、存储介质及电子设备。涉及燃料电池领域，该方法包括：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力；获取燃料电池系统的当前运行功率；基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序；按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。本发明解决了相关技术中的燃料电池系统控制方法在频繁变载及环境条件变动条件下，空气流量和入堆压力控制准确性低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统控制方法、装置、存储介质及电子设备。
背景技术
氢燃料电池是通过电化学反应，将氢气与氧化剂直接转化为电能的发电装置，目前应用前景广泛，发展迅速。其中空气回路是燃料电池的重要组成部分，在运行中，空气回路系统的空气流量以及入堆压力都需满足控制目标。避免空气流量欠流损伤电堆，避免入堆压力过低影响电堆性能，避免压力波动破坏质子交换膜。
燃料电池多在10％～100％范围内频繁变载运行，其不同工况下要求的空气流量和空气回路入堆压力亦时时不同。但是空气回路运行调控中，压力和流量存在强耦合关系，两者互相影响。现有空气回路控制多采用简单的反馈控制器，在流量环控制的基础上加上压力调控，控制器参数多依据经验设置，参数不能优化及控制策略的简单导致回路难于在频繁变载过程快速追踪控制目标，控制效果不佳。在环境温度及压力发生变动的情形下，控制效果会更差。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种燃料电池系统控制方法、装置、存储介质及电子设备，以至少解决相关技术中的燃料电池系统控制方法在频繁变载及环境条件变动条件下，空气流量和入堆压力控制准确性低的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种燃料电池系统控制方法，包括：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定所述燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，所述外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取所述燃料电池系统的当前运行功率；基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，所述目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种燃料电池系统控制装置，包括：第一确定模块，用于基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定所述燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，所述外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取模块，用于获取所述燃料电池系统的当前运行功率；第二确定模块，用于基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，所述目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；控制模块，用于按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种非易失性存储介质，所述非易失性存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行任意一项所述的燃料电池系统控制方法。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现任意一项所述的燃料电池系统控制方法。
在本发明实施例中，通过获取燃料电池系统中空气回路对应的历史测试数据，其中，所述历史测试数据中至少包括：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定所述燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，所述外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取所述燃料电池系统的当前运行功率；基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，所述目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制，达到了在频繁变载及环境条件变动条件下，能够准确进行空气流量和入堆压力的控制的目的，从而实现了提升燃料电池系统中空气回路对应空气流量和入堆压力控制准确性的技术效果，进而解决了相关技术中的燃料电池系统控制方法在频繁变载及环境条件变动条件下，空气流量和入堆压力控制准确性低的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种燃料电池系统控制方法的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统空气回路结构示意图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统控制方法的示意图；
图4是根据本发明实施例的一种燃料电池系统控制装置的示意图；
图5是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统控制装置的示意图。
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。
相关技术中的燃料电池系统控制方法主要有以下几种：
(1)燃料电池空气回路控制系统利用多个阀门装置配合，各个阀门独立开闭，适应于燃料电池的不同工况需求。但该方法仅能适用于空气回路压力控制，难于实现流量控制，多个阀门控制配合较为复杂。
(2)利用PR(PageRank algorithm)算法，依据给定压强和反馈压强的差值以及给定流量和反馈流量的差值，分别通过调控背压阀开度和空压机转速，实现空气回路流量和压力的控制。但是该方法未能克服变载过程，空气流量震荡较大，难以解决空压机空气流量欠流问题。
(3)燃料电池空气回路流量控制模块根据设定新鲜空气量和I积分模块的质量修正系数，向压气机控制器发送设定转速信号；压气机控制器根据设定转速信号驱动空压机调控空气流量。但是该方法在不同环境条件下，空压机性能存在变化，难于适应不同环境条件。
(4)在系统启动过程中，控制器控制进气节气门和出气节气门全开，且控制空气压缩机以第一转速运行；当控制器根据燃料电池测试工况得到的出气节气门设定开度、出气节气门过渡开度和过渡时间后，开始计时时间，且同时输出出气节气门当前开度，当计时时间与过渡时间一致时，实现出口节气门控制平滑切换策略，有效规避空气压缩机喘振故障。该方法可以解决启动过程喘振问题，但是对于控制质量提升有限。
基于上述本发明实施例提供了一种燃料电池系统控制的方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的燃料电池系统控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力。
可选的，在燃料电池系统所带负载不同的情况下，燃料电池堆所需的空气流量和入堆压力也存在一定的差异，基于此，根据负载(即运行功率需求)的大小进行目标空气流量和目标入堆压力的确定，在此基础上获取到的空气流量和入堆压力的调控结果也更加准确可靠。
步骤S104，获取燃料电池系统的当前运行功率；
步骤S106，基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序。
在一种可选的实施例中，基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，包括：在运行需求功率大于当前运行功率的情况下，确定目标变化顺序为：优先基于目标空气流量对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，并在对进入燃料电池堆的空气流量进行控制预设第一时长后，基于目标入堆压力对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制；在运行需求功率小于当前运行功率的情况下，确定目标变化顺序为：优先基于目标入堆压力对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制，并在对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制预设第二时长后，基于目标空气流量对进入燃料电池堆的空气流量进行控制。
可选的，当运行需求功率大于当前运行功率时(即升载过程)，优先下达目标空气流量，对进入燃料电池堆的空气流量进行控制适当时间间隔(即预设第一时长)后，目标入堆压力进行入堆压力控制。当运行当前需求功率小于当前运行功率时(即降载过程)，优先下达目标入堆压力，对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制适当时间间隔(即预设第二时长)后，下达目标空气流量进行空气流量控制。通过以上方式能够实现在频繁变载及环境条件变动条件下，燃料电池空气路流量和压力的可靠稳定调控。
步骤S108，按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。
可选的，目标PID流量反馈控制回路的目的在于基于实际空气流量和目标空气流量之间的偏差进行空气流量的反馈控制，以使得实际空气流量趋近于目标空气流量。目标PID压力反馈控制回路的目的在于基于实际入堆压力和目标入堆压力之间的偏差进行入堆压力的反馈控制，以使得实际入堆压力趋近于目标入堆压力。通过以上方式，分别建立空气流量、入堆压力对应的PID反馈控制回路，分别进行空气流量、入堆压力的反馈控制，以最大程度的实现空气流量、入堆压力控制的解耦，提升调节准确性。
在一种可选的实施例中，该方法还包括：在运行需求功率大于当前运行功率的情况下，控制目标空气流量增加，其中，增加后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量；在当前运行功率达到运行需求功率预设第三时长后，将增加后的目标空气流量降低至运行需求功率对应的标准空气流量。
可选的，针对空气流量调控，优先确定不同负荷下对应的流量目标，变载过程中，适当对实际给定的流量目标做出调整，以避免运行过程中空气欠流。具体而言，升载过程中，流量控制目标先行阶跃；升载结束，流量控制目标较回路流量初始目标高出一定数值，之后慢慢回落。通过以上方式，在升载的过程中，适当对实际给定的流量目标做出调整，增加后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量，以避免运行过程中空气欠流。通过以上方式能够实现在频繁变载及环境条件变动条件下，燃料电池空气路流量和压力的可靠稳定调控。
在一种可选的实施例中，该方法还包括：在运行需求功率小于当前运行功率的情况下，控制目标空气流量降低，其中，降低后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量；在当前运行功率达到运行需求功率预设第四时长后，将降低后的目标空气流量降低至运行需求功率对应的标准空气流量。
可选的，降载过程中，物料电流延迟降低，在电堆电流降低一段时间后，物料电流随后下降，并在电堆电流之后达到设定值，且空气流量控制目标降载速率会较流量初始目标下降更慢。通过以上方式，在降载的过程中，适当对实际给定的流量目标做出调整，降低后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量，以避免运行过程中空气欠流。通过以上方式能够实现在频繁变载及环境条件变动条件下，燃料电池空气路流量和压力的可靠稳定调控。
在一种可选的实施例中，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，包括：在对燃料电池堆进行空气流量控制的过程中，获取进入燃料电池堆的实际空气流量；基于目标空气流量，外部环境参数以及第一图表，确定空压机对应的前馈转速，其中，第一图表用于指示空压机转速、空气流量与压比之间的对应关系，压比用于指示空压机出口压力与入口压力的比值；根据目标空气流量和实际空气流量之间的偏差，采用目标PID流量反馈控制回路对空压机转速进行反馈调控，得到目标PID流量反馈控制回路输出的反馈空压机转速；控制空压机由前馈转速调节至反馈空压机转速，对进入燃料电池堆的空气流量进行调节。
可选的，第一图表为空压机转速-流量-压比Map图，指示空压机转速、空气流量与压比之间的对应关系。通过调节空压机的转速实现空气流量的调节。空压机的前馈转速是基于实际空气流量和燃料电池堆所处的环境温度确定的，考虑环境温度对于空气流量的影响。第一图表可以为多个，多个第一图表对应于不同的外部环境温度)。首先根据燃料电池堆所处的环境温度，从多个第一如表中筛选出与根据燃料电池堆所处的环境温度相对应的目标图表，进一步根据实际空气流量，结合此时的实际压比(由外部环境压力得到)，可以从目标图表中确定空压机对应的前馈转速。通过对空气流量的PID反馈调节，可以得到反馈空气流量，再通过查阅目标图表可以确定出空压机的反馈空压机转速，将空压机调节至反馈空压机转速进行燃料电池堆的空气流量的调节。通过以上方式，在进行空压机转速的确定的过程中，不仅考虑空气流量、压比因素，同时考虑环境温度因素的影响，由此获取到的空压机转速更加转确可靠，进而使得进入燃料电池堆的空气流量更加贴近燃料电池系统的实际带载需要，以尽可能的避免流量偏差及欠流等情况的发生。
在一种可选的实施例中，基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制，包括：在对燃料电池堆进行入堆压力控制的过程中，获取进入燃料电池堆的实际入堆压力；基于实际入堆压力或运行需求功率，以及第二图表，确定节气门对应的前馈开度，其中，第二图表用于指示节气门开度与入堆压力之间的对应关系，或者用于指示节气门开度与运行需求功率之间的对应关系；根据目标入堆压力和实际入堆压力之间的偏差，采用目标PID压力反馈控制回路对节气门进行反馈调控，得到目标PID压力反馈控制回路输出的反馈节气门开度；控制节气门由前馈开度调节至反馈节气门开度，对进入燃料电池堆的入堆压力进行调节。
可选的，节气门开度可以通过占空比进行参数表征，不同的节气门开度对应于不同的占空比，通过调节占空比实现节气门开度的调节，进而实现燃料电池堆入堆压力的调节。例如，第二图表中存储有不同的占空比与入堆压力之间的对应关系，对于空气回路的压力控制，依据实际入堆压力和目标入堆压力之间的偏差，利用优化参数后的目标PID压力反馈控制回路，通过查阅第二图表得到节气门对应的反馈节气门开度反馈节气门开度，调控节气门快速动作，进行燃料电池堆入堆压力的调节，保证压力达到目标压力。
在一种可选的实施例中，在按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制之前，该方法还包括：获取空气回路对应的历史测试数据，其中，历史测试数据中至少包括：空气回路对应的历史空气流量和历史入堆压力，历史空气流量为预先获取到的进入燃料电池系统中的燃料电池堆的空气流量，入堆压力为预先获取到的进入燃料电池堆的空气的压力；基于历史空气流量生成第一二阶被控传递函数，以及基于历史入堆压力生成第二二阶被控传递函数，其中，第一二阶被控传递函数表征空气流量对调控的响应特征，第二二阶被控传递函数表征入堆压力对调控的响应特征；根据第一二阶被控传递函数构建第一状态空间方程，以及根据第二二阶被控传递函数构建第二状态空间方程；基于第一状态空间方程，采用第一线性二次型调节器对初始比例-积分-微分PID流量反馈控制回路进行参数优化，确立目标PID流量反馈控制回路(如确立目标PID流量反馈控制回路中的比例P、积分I、微分D系数)；以及基于第二状态空间方程，采用第二线性二次型调节器对初始PID压力反馈控制回路进行参数优化，得到目标PID压力反馈控制回路(如确立目标PID压力反馈控制回路中的比例P、积分I、微分D系数)。
可选的，历史空气流量为预先通过实验测试获取到的进入燃料电池系统中的燃料电池堆的空气流量，入堆压力为预先通过实验测试获取到的进入燃料电池堆的空气的压力。
可选的，二阶被控传递函数为一种传递函数模型，用于描述输入和输出之间的关系，可以通过对系统的输入和输出之间的关系进行数学建模得到。根据实验数据(即历史空气流量和历史入堆压力)，可以使用系统辨识或拟合的方法，拟合或辨识得到对应的二阶被控传递函数的形式和参数(如得到二阶被控传递函数的增益K、阻尼比ζ和自然频率ω_n的估计值)，基于历史空气流量和历史入堆压力，可以分别得到与空气流量关联的第一二阶被控传递函数，以及与入堆压力关联的第二二阶被控传递函数。
可选的，二阶被控传递函数可以通过对系统的输入和输出之间的关系进行数学建模得到。它可以转化为状态空间方程形式，状态空间方程是一种用于描述动态系统的数学模型。它通常由一组一阶微分方程表示，其中系统的状态变量和输入变量是方程的未知数。基于确定的二阶被控传递函数形式和参数，构建二阶被控传递函数的状态空间方程。状态空间方程可以表示为：
dx/dt＝Ax+Bu
y＝Cx+Du
其中，x为状态向量，u为控制输入，y为输出，A、B、C、D为状态空间矩阵。可选的，状态空间方程中的状态向量和输入向量还可以表示为PID控制器(即PID反馈控制回路)的输入和输出。
可选的，在获取到相应的状态空间方程之后，可以基于相应的状态空间方程对初始PID流量反馈控制回路和初始PID压力反馈控制回路进行线性二次型调节器LQR优化，以较快的获得PID控制器中比例、积分、微分三者系数。PID流量反馈控制回路和PID压力反馈控制回路参数优化控制方式相同，具体过程如下：首先，需要确定被控对象的二阶传递函数，并将之嵌入控制回路中，构建控制回路总体的状态空间方程。然后，可以使用LQR算法，求解Riccati方程，得到最优的状态反馈增益矩阵\(K\)。最后，根据状态反馈增益矩阵各个系数即可对应得到PID控制器(即目标PID流量反馈控制回路或目标PID压力反馈控制回路)的优化比例、积分和微分系数。具体来说，比例系数\(K_p\)等于\(K\)的第一行，积分系数\(K_i\)等于\(K\)的第二行，微分系数\(K_d\)等于\(K\)的第三行。
其中，Riccati方程是一种特殊形式的非线性微分方程，可表示为以下形式：
\[\frac{{dy}}{{dx}}＝a(x)y^2+b(x)y+c(x)\]
其中，a(x)，b(x)，c(x)是给定的函数，y(x)是待求的未知函数。
Riccati方程在控制理论和最优控制中扮演重要角色。它的主要作用是提供了一种方法来研究系统的稳定性、最优性以及控制器的设计。
具体来说，Riccati方程可以用于描述线性时不变系统的最优控制问题，以及线性二次型最优控制问题。通过求解Riccati方程，可以得到最优控制器的参数，使得系统在某种指定的性能指标下达到最优性。
可选的，在进行PID反馈控制回路(即PID流量反馈控制回路或PID压力反馈控制回路)进行参数优化之前，需要预先进行初始PID反馈控制回路的构建，初始PID流量反馈控制回路或初始PID压力反馈控制回路的构建过程相同。下面以初始PID压力反馈控制回路构建过程为例进行说明：
步骤S1081，设计比例控制器：将压力误差乘以比例增益系数Kp，得到比例控制输出；
步骤S1082，设计积分控制器：将压力误差累加并乘以积分增益系数Ki，得到积分控制输出；
步骤S1083，设计微分控制器：将压力误差的变化率乘以微分增益系数Kd，得到微分控制输出；
步骤S1084，将比例、积分和微分控制输出加权求和，得到PID控制器的输出；
步骤S1085，将PID控制器的输出作为反馈信号，与期望压力值进行比较，计算出压力误差；
步骤S1086，将压力误差作为输入信号，经过PID控制器得到控制输出。
至此，完成了初始PID压力反馈回路的构建。
可选的，在进行PID流量反馈控制回路和PID压力反馈控制回路参数优化之后，基于获取到的目标PID流量反馈控制回路和目标PID压力反馈控制回路分别对进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力进行控制，由此得到的控制结果更加准确可靠。
通过上述步骤S102至步骤S110，可以达到在频繁变载及环境条件变动条件下，能够准确进行空气流量和入堆压力的控制的目的，从而实现提升燃料电池系统中空气回路对应空气流量和入堆压力控制准确性的技术效果，进而解决相关技术中的燃料电池系统控制方法在频繁变载及环境条件变动条件下，空气流量和入堆压力控制准确性低的技术问题。
基于上述实施例和可选实施例，本发明提出一种可选实施方式，图2是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统空气回路结构示意图，图3是根据本发明实施例的另一种可选的燃料电池系统控制方法的流程图，如图2和图3所示，该方法包括：
步骤S1，基于实验测试数据，生成空气回路对应的空气流量的第一二阶被控传递函数，以及入堆压力对应的第二二阶被控传递函数，实验测试数据包括历史空气流量和历史入堆压力。
步骤S2，根据第一二阶被控传递函数和第二二阶被控传递函数，分别构建与空气流量对应的第一状态空间方程，以及与入堆压力对应的第二状态空间方程。
步骤S3，基于第一状态空间方程、第二状态空间方程分别对PID流量反馈控制回和PID压力反馈控制回路进行参数优化，得到目标PID流量反馈控制回路和目标PID压力反馈控制回路。
步骤S4，基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力。基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序。其中，对于目标变化顺序：
当运行需求功率大于当前运行功率时(即升载过程)，优先下达目标空气流量，对进入燃料电池堆的空气流量进行控制适当时间间隔(即预设第一时长)后，目标入堆压力进行入堆压力控制。当运行当前需求功率小于当前运行功率时(即降载过程)，优先下达目标入堆压力，对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制适当时间间隔(即预设第二时长)后，下达目标空气流量进行空气流量控制。通过以上方式能够实现在频繁变载及环境条件变动条件下，燃料电池空气路流量和压力的可靠稳定调控。
步骤S5，按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。具体的：
步骤S51，针对空气流量调控，优先确定不同负荷下对应的流量目标，变载过程中，适当对实际给定的流量目标做出调整，以避免运行过程中空气欠流。依据不同负荷下，给定的流量目标以及压力目标，装置依据内置的不同环境下的空压机转速-流量-压比Map图，给出在相应负荷下对应的前馈转速。
步骤S52，利用优化参数后的目标PID流量反馈控制回路，依据空气回路实际空气流量和目标空气流量间的偏差进行反馈调控，通过控制空压机的输出转速进行对进入燃料电池堆的空气流量进行调节，避免流量偏差及欠流。
步骤S53，对于空气回路的压力控制，利用优化参数后的目标PID压力反馈控制回路，依据实际入堆压力和目标入堆压力间的偏差，调控节气门快速动作，通过控制节气门开度进行对进入燃料电池堆的入堆压力进行调节，保证压力达到目标压力。
需要说明的是，本发明实施例可依据已有数据，在较少耗费标定资源情况下，实现不同环境温度和压力条件，氢燃料电池空气路空气回路频繁变载过程中的入堆压力和流量的快速稳定调控。避免流量欠流以及压力过低、压力震荡对于电堆性能和安全性的影响。
在本实施例中还提供了一种燃料电池系统控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”“装置”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述燃料电池系统控制方法的装置实施例，图4是根据本发明实施例的一种燃料电池系统控制装置的示意图，如图4所示，上述燃料电池系统控制装置，包括：第一确定模块400、获取模块402、第二确定模块404、控制模块406，其中：
第一确定模块400，用于基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；
获取模块402，连接于第一确定模块400，用于获取燃料电池系统的当前运行功率；
第二确定模块404，连接于获取模块402，用于基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；
控制模块406，连接于第二确定模块404，用于按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。
在本发明实施例中，通过设置第一确定模块400，用于基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取模块402，连接于第一确定模块400，用于获取燃料电池系统的当前运行功率；第二确定模块404，连接于获取模块402，用于基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；控制模块406，连接于第二确定模块404，用于按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制，达到了在频繁变载及环境条件变动条件下，能够准确进行空气流量和入堆压力的控制的目的，从而实现了提升燃料电池系统中空气回路对应空气流量和入堆压力控制准确性的技术效果，进而解决了相关技术中的燃料电池系统控制方法在频繁变载及环境条件变动条件下，空气流量和入堆压力控制准确性低的技术问题。
基于上述实施例和可选实施例，本发明提出一种可选实施方式，图5是根据本发明实施例的一种可选的燃料电池系统控制装置的示意图，如图5所示，该控制装置包括空气回路空气流量、入堆压力等关键参数的数据采集模块；实现空气路空气回路入堆压力及空气流量PID调控的控制器(即PID控制回路)，以及与空压机、节气门等执行装置通信的执行指令下达通讯器；还包括可实现自动LQR参数寻优以及空压机Map图识别的数据处理和运算核心。数据采集将测得信息提供给PID控制器和数据运行核心，数据运行核心预先对PID控制的控制参数进行LQR优化，指令控制器根据PID指令控制节气门和空压机的运行，使进入燃料电池堆的入堆压力和空气流量达到控制目标。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，例如，对于后者，可以通过以下方式实现：上述各个模块可以位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的方式位于不同的处理器中。
此处需要说明的是，上述第一确定模块400、获取模块402、第二确定模块404、控制模块406对应于实施例中的步骤S102至步骤S108，上述模块与对应的步骤所实现的实例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为装置的一部分可以运行在计算机终端中。
需要说明的是，本实施例的可选或优选实施方式可以参见实施例中的相关描述，此处不再赘述。
上述的燃料电池系统控制装置还可以包括处理器和存储器，上述第一确定模块400、获取模块402、第二确定模块404、控制模块406等均作为程序模块存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序模块来实现相应的功能。
处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序模块，上述内核可以设置一个或以上。存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
根据本申请实施例，还提供了一种非易失性存储介质的实施例。可选的，在本实施例中，上述非易失性存储介质包括存储的程序，其中，在上述程序运行时控制上述非易失性存储介质所在设备执行上述任意一种燃料电池系统控制方法。
可选的，在本实施例中，上述非易失性存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中，上述非易失性存储介质包括存储的程序。
可选的，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行以下功能：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取燃料电池系统的当前运行功率；基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。
根据本申请实施例，还提供了一种处理器的实施例。可选的，在本实施例中，上述处理器用于运行程序，其中，上述程序运行时执行上述任意一种燃料电池系统控制方法。
根据本申请实施例，还提供了一种计算机程序产品的实施例，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有上述任意一种的燃料电池系统控制方法步骤的程序。
可选的，上述计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取燃料电池系统的当前运行功率；基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。
本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；获取燃料电池系统的当前运行功率；基于当前运行功率和运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；按照目标变化顺序，基于目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入燃料电池堆的入堆压力进行控制。
上述本发明实施例顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
上述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
上述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取非易失性存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个非易失性存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的非易失性存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上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 (10)
1.一种燃料电池系统控制方法，其特征在于，包括：
基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定所述燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，所述外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；
获取所述燃料电池系统的当前运行功率；
基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，所述目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；
按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标比例-积分-微分PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，包括：
在所述运行需求功率大于所述当前运行功率的情况下，确定所述目标变化顺序为：优先基于所述目标空气流量对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，并在对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制预设第一时长后，基于所述目标入堆压力对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制；
在所述运行需求功率小于所述当前运行功率的情况下，确定所述目标变化顺序为：优先基于所述目标入堆压力对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制，并在对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制预设第二时长后，基于所述目标空气流量对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述运行需求功率大于所述当前运行功率的情况下，控制所述目标空气流量增加，其中，增加后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量；
在所述当前运行功率达到所述运行需求功率预设第三时长后，将所述增加后的目标空气流量降低至所述运行需求功率对应的标准空气流量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述运行需求功率小于所述当前运行功率的情况下，控制所述目标空气流量降低，其中，降低后的目标空气流量大于对应时刻的运行功率对应的标准空气流量；
在所述当前运行功率达到所述运行需求功率预设第四时长后，将所述降低后的目标空气流量降低至所述运行需求功率对应的标准空气流量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，包括：
在对所述燃料电池堆进行空气流量控制的过程中，获取进入所述燃料电池堆的实际空气流量；
基于所述目标空气流量，所述外部环境参数以及第一图表，确定空压机对应的前馈转速，其中，所述第一图表用于指示空压机转速、空气流量与压比之间的对应关系，所述压比用于指示空压机出口压力与入口压力的比值；
根据所述目标空气流量和所述实际空气流量之间的偏差，采用所述目标PID流量反馈控制回路对空压机转速进行反馈调控，得到所述目标PID流量反馈控制回路输出的反馈空压机转速；
控制所述空压机由所述前馈转速调节至所述反馈空压机转速，对进入所述燃料电池堆的空气流量进行调节。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制，包括：
在对燃料电池堆进行入堆压力控制的过程中，获取进入所述燃料电池堆的实际入堆压力；
基于所述实际入堆压力或所述运行需求功率，以及第二图表，确定节气门对应的前馈开度，其中，所述第二图表用于指示节气门开度与入堆压力之间的对应关系，或者用于指示节气门开度与运行需求功率之间的对应关系；
根据所述目标入堆压力和所述实际入堆压力之间的偏差，采用所述目标PID压力反馈控制回路对节气门进行反馈调控，得到所述目标PID压力反馈控制回路输出的反馈节气门开度；
控制所述节气门由所述前馈开度调节至所述反馈节气门开度，对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行调节。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制之前，所述方法还包括：
获取所述空气回路对应的历史测试数据，其中，所述历史测试数据中至少包括：所述空气回路对应的历史空气流量和历史入堆压力，所述历史空气流量为预先获取到的进入所述燃料电池系统中的燃料电池堆的空气流量，所述入堆压力为预先获取到的进入所述燃料电池堆的空气的压力；
基于所述历史空气流量生成第一二阶被控传递函数，以及基于所述历史入堆压力生成第二二阶被控传递函数，其中，所述第一二阶被控传递函数用于指示空气流量对调控的响应特征，所述第二二阶被控传递函数用于指示入堆压力对调控的响应特征；
根据所述第一二阶被控传递函数构建第一状态空间方程，以及根据所述第二二阶被控传递函数构建第二状态空间方程；
基于所述第一状态空间方程，采用第一线性二次型调节器对初始PID流量反馈控制回路进行参数优化，得到所述目标PID流量反馈控制回路；以及基于所述第二状态空间方程，采用第二线性二次型调节器对初始PID压力反馈控制回路进行参数优化，得到所述目标PID压力反馈控制回路。
8.一种燃料电池系统控制装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于基于燃料电池系统的运行需求功率和外部环境参数，确定所述燃料电池系统中空气回路的目标空气流量和目标入堆压力，其中，所述外部环境参数至少包括：外部环境温度和外部环境压力；
获取模块，用于获取所述燃料电池系统的当前运行功率；
第二确定模块，用于基于所述当前运行功率和所述运行需求功率，确定目标变化顺序，其中，所述目标变化顺序用于指示进入燃料电池堆的空气流量和入堆压力的调节顺序；
控制模块，用于按照所述目标变化顺序，基于所述目标空气流量，采用目标PID流量反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的空气流量进行控制，以及基于所述目标入堆压力，采用目标PID压力反馈控制回路对进入所述燃料电池堆的入堆压力进行控制。
9.一种非易失性存储介质，其特征在于，所述非易失性存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1至7中任意一项所述的燃料电池系统控制方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1至7中任意一项所述的燃料电池系统控制方法。
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