CN111430750A - 一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,属于电动汽车技术领域。该***包括有一级减压阀、二级减压阀Ⅰ和二级减压阀Ⅱ、三通电磁阀、功率需求预测模块和燃料电池***控制器;***分别采用两个二级减压阀构成两个单独的供气支路:其中二级减压阀Ⅰ输出压力为0.5bar,构成低压供气支路;另一个二级减压阀Ⅱ输出压力为1.5bar,构成高压供气支路;***根据功率需求预测模块预测的压力信号和整车需求功率及功率变化率信号切换工作模式。本发明能高压/低压模式切换智能控制,用以提升燃料电池在短时电力负荷拉升期间的动态响应性能,同时使长时间使用下的氢气利用率最优,并最大程度地保证了动态响应性能提升效果。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域,涉及一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***。
背景技术
由于燃料电池内部物质传输缓慢,当其作为汽车动力***主要电源时,通常无法对急加速工况下的需求功率瞬态爬升做出快速而及时的响应,甚至会因为功率拉升过快而反应物无法及时供应到催化剂反应界面导致气体饥饿,进而对燃料电池造成不可逆转的损伤,因此改善内部物质传输以提升动态功率响应速率是燃料电池业内公认亟待解决的问题之一。提升燃料电池阳极(氢气)压力已被证明能很好地改善内部物质传输,加快动态功率响应。然而单一式地提高传统的阳极固定供气压力,虽能加快功率响应,但是也会造成在间歇式阳极泄放排水期间过多的氢气浪费。
因此,针对燃料电池内部物质传输滞后所引起的动态响应缓慢以及燃料浪费的问题,目前亟需一种新的预测式阳极压力智能控制***。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,根据车辆未来功率需求预测值对燃料电池阳极供气压力进行高低压之间的智能切换,提升需求功率爬升期间的燃料电池动态响应速率,同时最大程度地保证长时间运行的氢气利用率最优。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,包括依次连接的储氢瓶(1)、减压阀、电磁阀、氢气压力传感器(6)、泄放阀(7)和燃料电池(10)本体(含其他子***附件),还包括整车动力***控制器的功率需求预测模块(8)和燃料电池***控制器(9);所述减压阀包括一级减压阀(2)、二级减压阀Ⅰ(3)和二级减压阀Ⅱ(4);所述电磁阀为三通电磁阀(5);
所述一级减压阀(2)分别与二级减压阀Ⅰ(3)和二级减压阀Ⅱ(4)级联,构成两个单独的供气支路;其中,二级减压阀Ⅰ(3)的输出压力为0.5bar,构成低压供气支路;二级减压阀Ⅱ(4)输出压力为1.5bar,构成高压供气支路;
所述燃料电池***控制器(9)根据接收的燃料电池阳极入口的压力信号和整车需求功率及其功率变化率信号,控制输出三通电磁阀(5)的工作模式切换信号,从而控制三通电磁阀(5)工作模式的切换。
进一步,所述三通电磁阀(5)的工作模式包括高压模式和低压模式;其中,
高压模式:三通电磁阀(5)选择接通二级减压阀Ⅱ(4),燃料电池阳极入口压力为1.5bar;
低压模式:三通电磁阀(5)选择接二级减压阀Ⅰ(3),燃料电池阳极入口压力为0.5bar。
进一步,所述燃料电池***控制器(9)根据功率需求预测模块(8)对近未来时刻的整车需求功率及其功率变化率,控制三通电磁阀(5)的工作模式,具体包括:若预测的未来2秒时刻功率和功率变化率分别同时超过一定阈值,则***开启高压模式运行,直到功率爬升结束前0.4秒切换回低压模式运行,之后若预测的未来2秒时刻功率和功率变化率始终不超过设定阈值,则***维持在低压模式运行,继续等待下一次功率爬升再切换高压模式运行,依次类推。
进一步,所述燃料电池***控制器(9)控制***中三通电磁阀(5)工作模式,具体包括:
1)车辆启动后,控制***开启阳极低压模式运行,设置判断标志位:S0.4=0,S2.0=0;
2)车辆开始行驶后,动力***控制器中功率需求预测模块不间断预测相对于当前时刻的0.4秒后和2.0秒后的整车需求功率和功率变化率;
3)当未来2.0秒时刻的预测功率和功率变化率分别且同时超过相应的设定阈值,***由阳极低压模式切换为阳极高压模式运行,紧接着判断未来0.4秒时刻的预测数值是否也同时超过相应的设定阈值,若是,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=1,若否,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1;
4)随着时间的推移,功率需求预测模块继续预测,***在阳极高压模式持续运行,直到某一时刻所预测的未来2.0秒的功率和功率变化率低于设定阈值,紧接着判断S2.0是否等于1,若是,再次判断未来0.4秒时刻的预测数值是否超过相应的设定阈值,若超过,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=0,若未超过,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=0;
5)进入条件循环,在此循环中持续预测未来0.4秒和2.0秒时刻的功率和功率变化率,直到满足条件:未来0.4秒的预测功率和功率变化率低于设定阈值且S0.4=1,跳出循环继续判断;
6)判断未来2.0秒的预测功率和功率变化率是否超过设定阈值,若是,***以阳极高压模式运行,同时设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1,若否,***以阳极低压模式运行,设置标志位为S0.4=0,S2.0=0;
7)在车辆停车熄火关闭***之前,重复执行第2步到第6步。
本发明的有益效果在于:
1)本发明通过两个输入压力不同的二级减压阀和一个电磁三通阀的组合简化了阳极氢气压力的调节方式,从硬件层面保证了能够快速将阳极压力在高压模式和低压模式之间进行切换,***构成简单,易于实现。
2)本发明利用预测的未来时刻的整车需求功率和功率变化率进行阳极压力模式切换的控制决策,使得低压模式和高压模式之间的切换时机比实际需求功率的变化时刻更加提前,从而保证能在需求功率爬升之前尽可能通过增大阳极压力来增强燃料电池内部物质传输,改善其动态响应性能。
3)本发明***控制逻辑中使用了双重判断标志位来跟踪未来0.4秒和2.0秒时刻的功率需求预测值在设定阈值上下波动的情况,避免在需求功率爬升过程中因为短暂的功率回调导致压力模式错误地切换回低压模式,保证高压模式能在功率爬升结束前始终维持。
4)本发明采用的双阳极压力模式不仅能在车辆需求功率爬升期间提升燃料电池动态响应,还能确保长期运行的氢气利用率最优。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详细描述,其中:
图1为本发明的燃料电池阳极压力智能控制***硬件构成图;
图2为本发明***的高压运行模式示意图;
图3为本发明***的低压运行模式示意图;
图4为本发明的***控制逻辑流程图;
图5为本发明的阳极入口压力和燃料电池功率响应变化示例图。
附图标记:1-储氢瓶,2-一级减压阀,3-二级减压阀Ⅰ,4-二级减压阀Ⅱ,5-三通电磁阀,6-氢气压力传感器,7-泄放阀,8-功率需求预测模块,9-燃料电池***控制器,10-燃料电池。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明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,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。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发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1~图5,为一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,包括储氢瓶1、减压阀、电磁阀、氢气压力传感器6、泄放阀7、整车动力***控制器的功率需求预测模块8和燃料电池***控制器9及燃料电池10本体(含其他子***附件);减压阀包括一级减压阀2、二级减压阀Ⅰ3和二级减压阀Ⅱ4;所述电磁阀为三通电磁阀5;
一级减压阀2分别与二级减压阀Ⅰ3和二级减压阀Ⅱ4级联,构成两个单独的供气支路;其中,二级减压阀Ⅰ3的输出压力为0.5bar,构成低压供气支路;二级减压阀Ⅱ4输出压力为1.5bar,构成高压供气支路。燃料电池阳极入口的供气压力由三通电磁阀5在高压模式和低压模式之间进行切换。
按图1所示完成本发明的燃料电池阳极压力智能控制***硬件搭建,并将二级减压阀3和二级减压阀4的输出压力分别调节至0.5bar和1.5bar。
然后当车辆启动运行后:
1)整车动力***控制器实时采集直流母线功率数值,并交由控制器内的功率需求预测模块进行需求功率和功率变化率预测;
2)燃料电池***控制器根据图4所示的控制逻辑,并依据整车动力***控制器所预测的需求功率和功率变化率决定燃料电池阳极供气压力的运行模式;
3)如果以高压模式运行,燃料电池***控制器将会选通三通电磁阀的b-c端口,此时阳极入口的供气压力为1.5bar,如图2所示;
4)如果以低压模式运行,燃料电池***控制器将会选通三通电磁阀的a-c端口,此时阳极入口的供气压力为0.5bar,如图3所示。
其中,***的控制逻辑,如图4所示,具体包括以下步骤:
S1:车辆启动后,本控制***随即开启阳极低压模式运行,设置判断标志位S0.4=0,S2.0=0;
S2:车辆开始行驶后,动力***控制器中功率需求预测模块不间断预测相对于当前时刻的0.4秒后和2.0秒后的整车需求功率和功率变化率;
S3:当未来2.0秒时刻的预测功率和功率变化率分别且同时超过相应的设定阈值,***由阳极低压模式切换为阳极高压模式运行,紧接着判断未来0.4秒时刻的预测数值是否也同时超过相应的设定阈值,若是,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=1,若否,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1;
S4:随着时间的推移,功率需求预测模块继续预测,***在阳极高压模式持续运行,直到某一时刻所预测的未来2.0秒的功率和功率变化率低于设定阈值,紧接着判断S2.0是否等于1,若是,再次判断未来0.4秒时刻的预测数值是否超过相应的设定阈值,若超过,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=0,若未超过,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=0;
S5:进入条件循环,在此循环中持续预测未来0.4秒和2.0秒时刻的功率和功率变化率,直到满足条件:未来0.4秒的预测功率和功率变化率低于设定阈值且S0.4=1,跳出循环继续判断;
S5:判断未来2.0秒的预测功率和功率变化率是否超过设定阈值,若是,***以阳极高压模式运行,同时设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1,若否,***以阳极低压模式运行,设置标志位为S0.4=0,S2.0=0;
S6:在车辆停车熄火关闭***之前,重复执行第2步到第6步。
如图5所示,对比分析采用0.5bar固定阳极压力的控制***与本发明实施例搭建的阳极压力智能控制***的阳极入口压力和燃料电池功率响应变化,从图5中可看出,本发明提出的阳极压力智能控制***能好的满足实际压力需求。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,包括依次连接的储氢瓶(1)、减压阀、电磁阀、氢气压力传感器(6)、泄放阀(7)及燃料电池(10),其特征在于,该***还包括功率需求预测模块(8)和燃料电池***控制器(9);所述减压阀包括一级减压阀(2)、二级减压阀Ⅰ(3)和二级减压阀Ⅱ(4);所述电磁阀为三通电磁阀(5);
所述一级减压阀(2)分别与二级减压阀Ⅰ(3)和二级减压阀Ⅱ(4)级联,构成两个单独的供气支路;其中,二级减压阀Ⅰ(3)的输出压力为0.5bar,构成低压供气支路;二级减压阀Ⅱ(4)输出压力为1.5bar,构成高压供气支路;
所述燃料电池***控制器(9)根据接收的燃料电池阳极入口的压力信号和整车需求功率及其功率变化率信号,控制输出三通电磁阀(5)的工作模式切换信号,从而控制三通电磁阀(5)工作模式的切换。
2.根据权利要求1所述的一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,其特征在于,所述三通电磁阀(5)的工作模式包括高压模式和低压模式;其中,
高压模式:三通电磁阀(5)选择接通二级减压阀Ⅱ(4),燃料电池阳极入口压力为1.5bar;
低压模式:三通电磁阀(5)选择接二级减压阀Ⅰ(3),燃料电池阳极入口压力为0.5bar。
3.根据权利要求2所述的一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,其特征在于,所述燃料电池***控制器(9)根据功率需求预测模块(8)对近未来时刻的整车需求功率及其功率变化率,控制三通电磁阀(5)的工作模式,具体包括:若预测的未来2秒时刻功率和功率变化率分别同时超过一定阈值,则***开启高压模式运行,直到功率爬升结束前0.4秒切换回低压模式运行,之后若预测的未来2秒时刻功率和功率变化率始终不超过设定阈值,则***维持在低压模式运行,继续等待下一次功率爬升再切换高压模式运行,依次类推。
4.根据权利要求3所述的一种预测式燃料电池汽车电堆阳极压力智能控制***,其特征在于,所述燃料电池***控制器(9)控制***中三通电磁阀(5)工作模式,具体包括:
1)车辆启动后,控制***开启阳极低压模式运行,设置判断标志位:S0.4=0,S2.0=0;
2)车辆开始行驶后,动力***控制器中功率需求预测模块不间断预测相对于当前时刻的0.4秒后和2.0秒后的整车需求功率和功率变化率;
3)当未来2.0秒时刻的预测功率和功率变化率分别且同时超过相应的设定阈值,***由阳极低压模式切换为阳极高压模式运行,紧接着判断未来0.4秒时刻的预测数值是否也同时超过相应的设定阈值,若是,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=1,若否,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1;
4)随着时间的推移,功率需求预测模块继续预测,***在阳极高压模式持续运行,直到某一时刻所预测的未来2.0秒的功率和功率变化率低于设定阈值,紧接着判断S2.0是否等于1,若是,再次判断未来0.4秒时刻的预测数值是否超过相应的设定阈值,若超过,设置判断标志位为S0.4=1,S2.0=0,若未超过,则设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=0;
5)进入条件循环,在此循环中持续预测未来0.4秒和2.0秒时刻的功率和功率变化率,直到满足条件:未来0.4秒的预测功率和功率变化率低于设定阈值且S0.4=1,跳出循环继续判断;
6)判断未来2.0秒的预测功率和功率变化率是否超过设定阈值,若是,***以阳极高压模式运行,同时设置判断标志位为S0.4=0,S2.0=1,若否,***以阳极低压模式运行,设置标志位为S0.4=0,S2.0=0;
7)在车辆停车熄火关闭***之前,重复执行第2步到第6步。
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