一种燃料电池空气系统控制方法
阅读说明：本技术 一种燃料电池空气系统控制方法 (Fuel cell air system control method ) 是由 韩竹 刘维 盛有冬 王鹏 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种燃料电池空气系统控制方法,包括燃料空气电池系统启动；将第一类空气流量计算方法设置为当前计算方法并执行当前计算方法；检测燃料电池空气系统的各个传感器的工作状态并判断燃料电池空气系统的传感器是否未处于正常工作状态,若“是”,判断当前计算方法是否为第一类空气流量计算方法,若“是”,使用缓冲控制方法将燃料电池空气系统内的空气流量值从当前的空气流量调整为使用第二类空气流量计算方法计算得到空气流量值；将第二类空气流量计算方法设置为当前计算方法并执行当前计算方法。这种方法的优点在于：对系统实时进行监控,保证了算法切换输出的稳定性,保证系统的可靠运行。(The invention provides a fuel cell air system control method, which comprises the steps of starting a fuel cell air system; setting a first type air flow calculation method as a current calculation method and executing the current calculation method; detecting the working state of each sensor of the fuel cell air system and judging whether the sensor of the fuel cell air system is not in a normal working state, if so, judging whether the current calculation method is a first type air flow calculation method, and if so, adjusting the air flow value in the fuel cell air system from the current air flow to the air flow value calculated by a second type air flow calculation method by using a buffer control method; the second type of air flow volume calculation method is set as the current calculation method and the current calculation method is executed. The advantages of this method are: the system is monitored in real time, so that the stability of algorithm switching output is ensured, and the reliable operation of the system is ensured.)
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池空气系统控制方法。
背景技术
氢燃料电池是一种将氢与氧反应产生的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，具有发电效率高，环境污染小等优点，因此被广泛应用于汽车领域。燃料电池运行时需要氢气空气反应产生电能，空气的提供时靠空压机提供空气供应一定的空气流量，且需要通过节气门将空气侧压力升高，保持质子交换膜空气测的压力恒定，减少膜的机械损伤。当传感器无法检测正常数值，即传感器失效时，此时传感器无法检测真实数值，计算方法没有正常数值反馈，传统的计算方法无法正常计算，导致空气流量及压力控制异常。
现有技术一般采用两种方式控制燃料电池空气系统中的空气流量：1.采用实时控制调整，通过实际流量或压力与目标流量或压力的差值计算，经过实时控制调节，达到高精度控制。这种方法的缺点在于依赖于实际值与目标值的差值进行计算，所以对传感器的稳定性要求极高，当传感器失效时，算法无法正常执行。
2、通过标定+修正方式，首先标定出正常工作状态对应的空压机、节气门输出状态，然后根据要执行的目标输出状态设定空压机、节气门的工作状态，再根据燃料电池空气系统的空气流量目标值与实际值的差值对燃料电池空气系统的工作状态进行修正，这种方法当前算法对传感器稳定性要求存在一定的要求，可以保证传感器失效时，可以继续运行：但此种方式存在的问题，为当传感器失效时，修正量将变为标定输出的扰动量，导致输出出现偏差加剧或不确定；且此种方式修正范围均存在修正范围限制，当测试环境超过此限制时，算法无法达到预期输出。
综上所述，需要提供一种燃料电池空气系统控制方法，其能够克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池空气系统控制方法，其能够克服现有技术的缺陷。本发明的发明目的通过以下技术方案得以实现。
本发明的一个实施方式提供了一种燃料电池空气系统控制方法,其中所述燃料电池空气系统控制方法包括多个步骤：
步骤1：燃料电池空气系统启动；
步骤2：执行第一类空气流量计算方法，所述第一类空气流量计算方法是根据电堆的输出电流、实际测量的空气流量和预先设定的目标空气流量使用PI闭环算法分别计算转速占空比和开度占空比，然后根据转速占空比控制空压机的转速并根据开度占空比计算电堆空气出气口节气门的开度从而控制燃料电池空气系统的空气流量；
步骤3：检测燃料电池空气系统的各个传感器的工作状态并判断燃料电池空气系统的传感器是否未处于正常工作状态，若“是”，执行步骤4；
步骤4：判断当前计算方法是否为第一类空气流量计算方法，若“是”,执行步骤5；
步骤5：使用缓冲控制方法将燃料电池空气系统内的空气流量值从当前的空气流量调整为使用第二类空气流量计算方法计算得到空气流量值，所述第二类空气流量计算方法首先根据标定出的正常工作状态设定的空压机的转速和电堆空气出气口节气门的开度，再根据目标输出电流和当前电堆的实际输出电流以查表得方式对空压机的转速和电堆空气出气口节气门的开度进行修正；
步骤6：执行第二类空气流量计算方法；
步骤7：判断燃料电池空气系统是否关机，若“是”处理结束；若“否”，再次执行步骤3。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其燃料电池空气系统的传感器包括但不限于气压传感器、流量计、温度传感器等。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤4：判断当前计算方法是否为第一类空气流量计算方法，若“否”，执行步骤6；
步骤8：继续执行当前计算方法，然后执行步骤7。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤3：检测燃料电池空气系统的各个传感器的工作状态并判断燃料电池空气系统的传感器是否未处于正常工作状态，若“否”，执行步骤9；
步骤9：判断当前计算方法是否为第二类空气流量计算方法，若“是”,执行步骤10；
步骤10：使用缓冲控制方法将燃料电池空气系统内的空气流量值从当前的空气流量调整为使用第一类空气流量计算方法计算得到空气流量值；
步骤11：执行第一类空气流量计算方法，然后执行步骤7。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤9：判断当前计算方法是否为第二类空气流量计算方法，若“否”，执行步骤8。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中缓冲控制方法使燃料电池空气系统内的空气流量在第一类空气流量计算方法计算得到的空气流量值和第二类空气流量计算方法计算得到的空气流量值之间平缓切换。
该燃料电池空气系统控制方法的优点在于：保证了传感器正常情况下空气流量算法的准确性与适应性，同时在传感器失效情况下保证了燃料电池空气系统的正常工作；实现了在两种算法中根据实际情况进行切换，平缓过度，保证系统的可靠运行。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池空气系统的框图。
图2示出了如图1所述的根据本发明一个实施方式的燃料电池空气系统控制方法的流程图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
图1示出了根据本发明一个实施方式的燃料电池空气系统的框图。如图1所示，所述空气系统包括空气滤清器20、空压机21、中冷器22、增湿器23、电堆24、背压阀25及控制器26，空气滤清器20设置在在空压机21的进气端，空压机21通过中冷器22和增湿器23与电堆24连通，背压阀25设置在电堆24的出气端连接，控制器26分别与空压机21、电堆24和背压阀25电连接，空压机21将经过空气滤清器20过滤的空气经中冷器22降温及增湿器23加湿后送入电堆24，空气在电堆24内部与氢气在催化剂作用下发生电化学反应产生电能，背压阀25控制空气系统内的压力并将未反应的废气排入大气中。
图2示出了如图1所述的根据本发明一个实施方式的燃料电池空气系统控制方法的流程图。如图2所示，所述燃料电池空气系统控制方法包括多个步骤：
步骤1：燃料电池空气系统启动；
步骤2：执行第一类空气流量计算方法，所述第一类空气流量计算方法是根据电堆的输出电流、实际测量的空气流量和预先设定的目标空气流量使用PI闭环算法分别计算转速占空比和开度占空比，然后根据转速占空比控制空压机的转速并根据开度占空比计算电堆空气出气口节气门的开度从而控制燃料电池空气系统的空气流量和空气压力；所述第一类空气流量计算方法的计算公式为：
其中u(t)为占空比，e(t)为实际测量的空气流量和预先设定的目标空气流量之差，Ff为根据电堆的输出电流预先标定的前馈参数，Kp为根据电堆的输出电流预先标定的可调比例系数，Ki为根据电堆的输出电流预先标定的可调积分系数，Ti为积分时间常数，在计算转速占空比和开度占空比时Ff、Kp和Ti分别进行标定；
步骤3：检测燃料电池空气系统的各个传感器的工作状态并判断燃料电池空气系统的传感器是否未处于正常工作状态，若“是”，执行步骤4；所述传感器包括但不限于用于检测空气温度的温度计、空气流量计、气压计和用于检测电堆输出电流的电流表；
步骤4：判断当前计算方法是否为第一类空气流量计算方法，若“是”,执行步骤5；
步骤5：使用缓冲控制方法将燃料电池空气系统内的空气流量值从当前的空气流量调整为使用第二类空气流量计算方法计算得到空气流量值，所述第二类空气流量计算方法首先根据标定出的正常工作状态设定的空压机的转速和电堆空气出气口节气门的开度，再根据目标输出电流和当前电堆的实际输出电流以查表得方式对空压机的转速和电堆空气出气口节气门的开度进行修正，优选的，在上述修正处理中可以根据大气压力和空气温度以预先标定系数的方式对空压机的转速和电堆空气出气口节气门的开度进行进一步修正；
步骤6：将第二类空气流量计算方法设置为当前计算方法并执行当前计算方法；
步骤7：判断燃料电池空气系统是否关机，若“是”处理结束；若“否”，再次执行步骤3。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤4：判断当前计算方法是否为第一类空气流量计算方法，若“否”，执行步骤6；
步骤8：继续执行当前计算方法，然后执行步骤7。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤3：检测燃料电池空气系统的各个传感器的工作状态并判断燃料电池空气系统的传感器是否未处于正常工作状态，若“否”，执行步骤9；
步骤9：判断当前计算方法是否为第二类空气流量计算方法，若“是”,执行步骤10；
步骤10：使用缓冲控制方法将燃料电池空气系统内的空气流量值从当前的空气流量调整为使用第一类空气流量计算方法计算得到空气流量值；
步骤11：执行第一类空气流量计算方法，然后执行步骤7。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中所述步骤9：判断当前计算方法是否为第二类空气流量计算方法，若“否”，执行步骤8。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中缓冲控制方法使燃料电池空气系统内的空气流量在第一类空气流量计算方法计算得到的空气流量值和第二类空气流量计算方法计算得到的空气流量值之间平缓切换。优选地，当从第一类空气流量计算方法计算得到的空气流量值切换至第二类空气流量计算方法计算得到的空气流量值时，缓冲控制方法在预先设定的时间区间内控制燃料电池空气系统内的空气流量在第一类空气流量计算方法计算得到的空气流量值和第二类空气流量计算方法计算得到的空气流量值之间以斜率控制方式进行切换；当从第二类空气流量计算方法计算得到的空气流量值切换至第一类空气流量计算方法计算得到的空气流量值时，缓冲控制方法将预先标定的Ki初值、根据大气压力标定Kp的初值，以及根据电堆的输出电流标定的Ff初值作为第一类空气流量计算方法的初始值执行第一类空气流量计算方法。
根据本发明的上述一个实施方式提供的燃料电池空气系统控制方法，其中燃料电池空气系统的空气流量和空气压力相关，因此方法中对于空气流量的控制和计算方法也能够通过控制和计算空气压力的方式实现。
该燃料电池空气系统控制方法的优点在于：保证了传感器正常情况下空气流量算法的准确性与适应性，同时在传感器失效情况下保证了燃料电池空气系统的正常工作；实现了在两种算法中根据实际情况进行切换，平缓过度，保证系统的可靠运行。
当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。
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