CN112635802A - 一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法 - Google Patents

一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，所述方法为：获取燃料电池堆阳极入口氢气压力以及阴极入口氢气压力，并计算目标氢气压力；计算目标氢气压力与实测氢气压力的压力偏差；设计氢气控制计算模型，将压力偏差和压力偏差的变化量输入氢气控制计算模型计算氢气控制量；将计算出来的氢气控制量输入到执行器中进行氢气控制。采用了模糊逻辑PI算法，模糊逻辑可根据工程师经验随时调整，控制更加灵活，适应性更强；采用了前馈补偿，与传统PID控制算法相比，能够进一步减小氢气压力波动，提高氢气压力控制精度；不需要建立燃料电池氢气流量数学模型和压差物理模型，避免了模型辨识的繁琐过程，响应速度更快，鲁棒性更高。

Description

一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法。
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。燃料电池在交替负载下工作时，氢气压力对发动机性能和使用寿命具有重要影响，长期的过低压力条件容易引起氢饥饿或水管理问题。同时，阴阳极压差过大会导致交换膜出现过大的机械应力，针孔或裂纹在压力不平衡的情况下会自发形成，交换膜的渗氢率和氟化物释放率增加，最终导致燃料电池的性能和耐久性变差。因此，需要对燃料电池***的氢气压力进行精确控制。
专利CN111129550A采用传统PID控制算法对燃料电池氢气子***进行控制。但是，燃料电池***实际运行时会受到负载电流变化和排氢阀开闭的扰动，固定增益的PID控制算法受负载变化和排氢扰动影响较大，氢气流量或压力波动无法控制在要求的范围内。
专利CN110828863A基于燃料电池氢气流量数学模型和压差物理模型对比例阀的开度进行修正。但是，燃料电池***是一个非线性强、时变性强的***。当燃料电池汽车工作环境或零部件参数发生变化时，模型参数需要进行修正。
为此，需要提出适用性广、鲁棒性强的质子交换膜燃料电池***的氢气压力控制方法。
发明内容
本发明提供了一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，克服现有氢气压力控制方法无法将氢气流量或压力波动精确控制在要求范围内，且控制方法响应速度慢，鲁棒性不高的问题。
本发明提供的一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，依次保护如下步骤：
S1、获取燃料电池堆阳极入口氢气压力以及阴极入口氢气压力，并计算目标氢气压力，
S2、计算目标氢气压力与实测氢气压力的压力偏差，
S3、设计氢气控制计算模型，所述氢气控制计算模型包括比例积分PI模块、模糊逻辑模块和前馈补偿模块，所述比例积分PI模块用于计算执行器的氢气控制量，所述模糊逻辑模块用于根据压力偏差以及压力偏差的变化量输出比例参数修正量和积分参数修正量，所述前馈补充模块用于将车用质子交换膜燃料电池***的燃料电池电流和排氢阀开启命令作为扰动，实时进行补偿调节，
所述比例积分PI模块根据公式(1)计算氢气控制量，
Figure BDA0002858003750000021
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，I为燃料电池电流，upug为排氢阀开启命令，kc和kpug为前馈补偿参数，kp_c、ki_c分别为提前标定好的固定比例参数和积分参数，Δkp_FL、Δki_FL分别为模糊逻辑模块输出的比例参数修正量和积分参数修正量，
S4、将步骤3计算出来的氢气控制量输入到执行器中进行氢气控制。
优选的，所述模糊逻辑模块采用的模糊逻辑控制规则如下表所示：
Figure BDA0002858003750000022
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，Δe(t)为压力偏差的变化量，kp和ki分别为比例、积分增益，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。
优选的，所述模糊逻辑模块的输入隶属度函数由三角分布描述。
优选的，所述模糊逻辑模块的输出隶属度函数由高斯分布描述。
优选的，所述模糊逻辑模块采用重心法将模糊输出转换为精确输出。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的氢气控制方法不需要建立燃料电池氢气流量数学模型和压差物理模型，避免了模型辨识的繁琐过程，响应速度更快，鲁棒性更高；
(2)本发明采用了模糊逻辑PI算法，模糊逻辑可根据工程师经验随时调整，控制更加灵活，适应性更强；
(3)本发明采用了前馈补偿，与传统PID控制算法相比，能够进一步减小氢气压力波动，提高氢气压力控制精度。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明实施例中目标氢气压力示意图。
图3为本发明实施例中氢气控制计算模型框架图。
图4为本发明实施例氢气压力控制效果图。
图5为本发明实施例控制压差效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，不能理解为对本发明具体保护范围的限定。
实施例
参照图1，本实施例的车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法依次包括如下步骤：
S1、利用压力传感器检测燃料电池堆阳极入口压力以及阴极入口压力，并经过燃料电池***控制器采样获取燃料电池堆阳极入口氢气压力以及阴极入口氢气压力，并根据阴极入口氢气压力计算目标氢气压力。
阴极入口氢气压力是根据燃料电池堆的输出功率计算当前功率下反应所需的压力而得。为保证燃料电池阴阳极压差在一定范围内，目标氢气压力由阴极入口氢气压力加上固定常数获得，该常数同样根据燃料电池堆所需功率决定。
如图2所示，本实施例假设目标氢气压力在100kPa到230kPa之间变化。
S2、计算目标氢气压力与实测氢气压力的压力偏差。
其中，实测氢气压力即为步骤1所获取的阳极入口氢气压力，将目标氢气压力与实测氢气压力进行做差，得到压力偏差值。
S3、设计氢气控制计算模型，所述氢气控制计算模型包括比例积分PI模块、模糊逻辑模块和前馈补偿模块，所述比例积分PI模块是整个计算模型的基础框架，用于计算执行器的氢气控制量。所述模糊逻辑模块用于根据压力偏差以及压力偏差的变化量输出比例参数修正量和积分参数修正量，以提高PI控制器的响应速度和响应精度。所述前馈补充模块用于将车用质子交换膜燃料电池***的燃料电池电流和排氢阀开启命令作为扰动，实时进行补偿调节，以进一步减少压力波动和提高压力控制响应速度，整个氢气控制计算模型如图3所示，
所述比例积分PI模块根据公式(1)计算氢气控制量，
Figure BDA0002858003750000041
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，I为燃料电池电流，upug为排氢阀开启命令，kc和kpug为前馈补偿参数，kp_c、ki_c分别为提前标定好的固定比例参数和积分参数，Δkp_FL、Δki_FL分别为模糊逻辑模块输出的比例参数修正量和积分参数修正量。
公式(1)的推导过程如下：比例积分PI模块具体表达式如式(2)所示：
Figure BDA0002858003750000042
其中，u(t)PI为比例积分PI模块计算的控制输出，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，kp和ki分别为比例、积分增益。
模糊逻辑模块输出的比例参数修正量Δkp_FL和积分参数修正量Δki_FL，与提前标定好的固定比例参数kp_c和积分参数ki_c进行求和，表达如式(3)、式(4)：
kp＝kp_c+Δkp_FL (3)
ki＝ki_c+Δki_FL (4)
燃料电池电流和排氢阀开启命令视为扰动，用于补偿控制计算，燃料电池电流I根据当前功率需求查表获取，排氢阀开启命令upug也根据当前功率需求查表获取，据此，基于扰动的前馈补偿控制表达如式(5)：
u(t)fed＝kcI+kpugupug (5)
其中，kc和kpug为前馈补偿参数，通过实验标定获取。
执行器的总控制量可表达为：u(t)＝u(t)fed+u(t)PI(6)，将公式(2)、(3)、(4)、(5)带入公式(6)即为本实施例的计算氢气控制量的公式(1)。
S4、将步骤3计算出来的氢气控制量输入到执行器中进行氢气控制。
若执行器为氢气比例阀或喷射器，则控制量输出为PWM信号占空比。本实施例中，氢气压力控制效果如图4和图5所示，其中目标氢气压力和实测氢气压力的差值时刻保持在±2kPa范围内。
作为本实施例的一个优选实施方式，为了保证氢气压力能够快速响应，一般选用较大的比例参数，但过大的比例参数容易导致明显超调，因此当压力偏差较大时，不能选用较大的比例参数，据此模糊逻辑模块采用的模糊逻辑控制规则如表(1)所示：
表(1)模糊逻辑控制规则
Figure BDA0002858003750000051
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，Δe(t)为压力偏差的变化量，kp和ki分别为比例、积分增益，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。
作为本实施例的一个优选实施方式，模糊逻辑模块的输入为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差以及该压力偏差的变化量，一般来说，输入隶属度函数变化斜率越大，模糊逻辑对误差的变化越敏感，所以为充分检测燃料电池***入口的氢气压力波动，所述模糊逻辑模块的输入隶属度函数由三角分布描述。
作为本实施例的一个优选实施方式，模糊逻辑模块的输出为比例参数修正量Δkp_FL和积分参数修正量Δki_FL，输出隶属度函数越平缓，则输出的修正量变化越平缓，由于燃料电池***的压力波动对轻微比例阀的开度变化明显，因此输出隶属度函数变化不宜明显，所以本实施例的模糊逻辑模块的输出隶属度函数由高斯分布描述。
作为本实施例的一个优选实施方式，所述模糊逻辑模块采用重心法将模糊输出转换为精确输出。

Claims (5)

1.一种车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
S1、获取燃料电池堆阳极入口氢气压力以及阴极入口氢气压力，并计算目标氢气压力，
S2、计算目标氢气压力与实测氢气压力的压力偏差，
S3、设计氢气控制计算模型，所述氢气控制计算模型包括比例积分PI模块、模糊逻辑模块和前馈补偿模块，所述比例积分PI模块用于计算执行器的氢气控制量，所述模糊逻辑模块用于根据压力偏差以及压力偏差的变化量输出比例参数修正量和积分参数修正量，所述前馈补充模块用于将车用质子交换膜燃料电池***的燃料电池电流和排氢阀开启命令作为扰动，实时进行补偿调节，
所述比例积分PI模块根据公式(1)计算氢气控制量，
Figure FDA0002858003740000011
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，I为燃料电池电流，upug为排氢阀开启命令，kc和kpug为前馈补偿参数，kp_c、ki_c分别为提前标定好的固定比例参数和积分参数，Δkp_FL、Δki_FL分别为模糊逻辑模块输出的比例参数修正量和积分参数修正量，
S4、将步骤3计算出来的氢气控制量输入到执行器中进行氢气控制。
2.根据权利要求1所述的车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，其特征在于，所述模糊逻辑模块采用的模糊逻辑控制规则如下表所示：
Figure FDA0002858003740000012
Figure FDA0002858003740000021
其中，e(t)为目标氢气压力和实测氢气压力的压力偏差，Δe(t)为压力偏差的变化量，kp和ki分别为比例、积分增益，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。
3.根据权利要求2所述的车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，其特征在于：所述模糊逻辑模块的输入隶属度函数由三角分布描述。
4.根据权利要求3所述的车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，其特征在于：所述模糊逻辑模块的输出隶属度函数由高斯分布描述。
5.根据权利要求4所述的车用质子交换膜燃料电池***氢气控制方法，其特征在于：所述模糊逻辑模块采用重心法将模糊输出转换为精确输出。
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