CN114725445B - 一种燃料电池空压机流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池空压机流量控制方法，步骤包括：计算目标流量和实际流量，根据目标流量和实际流量建立滑膜面，根据滑膜面计算当前目标扭矩并调整电机转速；获取电机当前转速并计算实际扭矩，根据目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率，若预期转速变化率不满足条件，则调整当前目标扭矩并调整电机转速；根据经验公式以及空压机两端压力值和实际流量，计算当前工况点与当前喘振点的距离，若该距离小于第一阈值，根据修正表格得到对应的修正系数，用修正系数再次调整当前目标扭矩并调整电机转速，根据目标流量和实际流量之差调整旁通阀的开度。本发明通过构造滑膜面，提高了空压机流量控制的响应速度和控制精度，并且可以规避喘振风险。

Description

一种燃料电池空压机流量控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池空压机流量控制方法。

背景技术

能源问题长期受到全球关注，尤其在新能源迅速发展的近年来，氢气作为清洁能源厚积薄发，在碳中和的背景下，燃料电池成为了新的关注点。

燃料电池依靠氢气与氧气反应生成水，因此氢气供应、氧气供应是其工作逻辑的核心，空压机作为空气供给的执行器，其流量控制也就非常重要，影响到燃料电池的输出特性、安全特性。长期空气供给不足会降低电池的寿命，并破坏质子交换膜。

如果对空压机进行精确控制，保证工作流量特性的前提下对于空气流量进行精确计算与匹配，就有助于燃料电池健康工作。传统的空压机控制方法，依然保留了燃油时代的执行器控制逻辑，采用工况查表的标定方式，依据事先标定好的表，和实际工况，查得空压机的目标流量，并通过压力、传感器值，查表得到预估的实际流量，基于PID控制方法，对电机转速进行调节。由于空压机是复杂的非线性***，PID仅能够实现基础控制，无法对***流量进行精确的感知、评价，控制精度有限，在某些环境因素的干扰下，基础控制无法自行识别和调整，容易引起喘振，影响燃料电池的工作特性与寿命，且空压机作为燃料电池***当中能耗最高的附件之一，基础控制无法实现其能量管理。

专利CN111342086A公开了一种燃料电池空气过氧比与流量压力协同控制方法及***，旨在提高燃料电池的工作效率的同时延长燃料电池的寿命，提高电堆的安全性，但是其使用过氧比处理滑模面(即对控制***出现误差时，需要进行调整对比的条件依据)，导致响应迟滞、精度较低，并且其采用的PID神经网络模型需要大量的训练数据支持，对于大数据的依赖性较高，并且存在异常数据导致模型崩塌的风险，此外，该方案中也没有考虑到针对喘振风险的修正。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种燃料电池空压机流量控制方法，依据整车实际运行需求，计算所需的目标空气流量，并根据滑模变结构对电机扭矩进行调节，使实际流量与目标流量实现匹配，并且可以对喘振风险进行评估，主动调整风险工况，规避喘振。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种燃料电池空压机流量控制方法，包括以下步骤：

根据燃料电池工况计算目标流量；

获取节流阀的阀前及阀后压力值、阀前温度值以及开度，将所述开度、阀前及阀后压力值匹配预设的流量曲线图，根据匹配结果和温度值计算得到实际流量；

根据目标流量和实际流量建立当前滑模面，根据当前滑模面和上一滑模面，计算当前目标扭矩，并根据当前目标扭矩调整电机转速；

获取电机当前转速，根据电机当前转速和实际流量计算实际扭矩，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率，若预期转速变化率不在预设的阈值范围内，则根据阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值，根据当前目标扭矩调整电机转速；

根据预设的经验公式，计算电机当前转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量，根据空压机两端的压力值、所述实际流量、所述当前喘振点压力和所述当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离，若该距离小于预设的第一阈值，将该距离和第一阈值的差值匹配预设的修正表格，得到对应的修正系数，用修正系数再次调整当前目标扭矩的值，根据当前目标扭矩调整电机转速，根据目标流量和实际流量之差调整旁通阀的开度；

继续开始执行根据燃料电池工况计算目标流量的步骤，直到车辆下电。

进一步的，根据燃料电池工况计算目标流量之前，还包括空压机自检的步骤，具体包括：若车辆上电，关闭节流阀并设置旁通阀全开，向空压机发送启动需求转速并在预设的自检时间窗口内获取空压机反馈的转速，若空压机反馈的转速和启动需求转速之差小于预设的第二阈值，且无故障码，则自检通过，执行获取需求功率的步骤，否则自检不通过，进行异常报警。

进一步的，将所述开度、压力值匹配预设的流量曲线图，根据匹配结果和温度值计算得到实际流量的具体步骤包括：根据所述开度匹配流量曲线图得到对应的流量曲线，并将所述节流阀出气端的压力值和进气端的压力值的比值匹配所述流量曲线，得到对应的流量百分比，根据所述流量百分比、节流阀阀前压力值、节流阀阀前温度值以及所述流量曲线的超音速流量，计算得到实际流量，函数表达式如下：

m_act＝[(m0-pos1-max)*P_befval/p0*(T0/T_befval)^0.5]*per

上式中，m0-pos1-max为所述流量曲线图中，所述开度对应的流量曲线的超音速流量，P_befval为节流阀阀前压力值，T_befval为节流阀阀前温度值，per为所述开度对应的流量曲线中，阀后压力值和阀前压力值的比值对应的流量百分比，p0为标准状态的压力，T0为标准状态的温度。

进一步的，当前滑模面为实际流量和目标流量之差，根据当前滑模面和上一滑模面，计算当前目标扭矩的步骤具体包括：

计算第一扭矩控制率，函数表达式如下：

u₁＝-k₁*sign(s_n)

上式中，k₁为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面；

计算第二扭矩控制率，函数表达式如下：

u₂＝-k₂*(|s_n-1|^a)*sign(s_n) |s_n|>|s_n-1|

u₂＝-k₂*(|s_n|^b)*sign(s_n) |s_n|≤|s_n-1|

上式中，k₂为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面，s_n-1为上一滑模面，a和b均是预设的常数；

将第一扭矩控制率和第二扭矩控制率相加，得到当前目标扭矩。

进一步的，根据电机当前转速和实际流量计算实际扭矩的函数表达式如下：

T_act＝α*(r_imp^2)*n_spd*m_act

上式中，α为预设的修正系数，r_imp为空压机的叶轮叶片半径，n_spd为电机当前转速，m_act为实际流量。

进一步的，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率之前，还包括：判断当前目标扭矩和实际扭矩的误差是否小于预设的第三阈值，是则执行根据预设的经验公式，计算电机当前转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量的步骤，否则执行根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率的步骤。

进一步的，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率的函数表达式如下：

n_rate＝(T_ref-T_act)/J

上式中，T_ref为当前目标扭矩，T_act为实际扭矩，J为空压机转动惯量。

进一步的，根据阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值的步骤具体包括：

将阈值范围的下限值n_{rate_low}或者上限值n_{rate_high}作为目标值n_{rate_mod}；

将所述目标值n_{rate_mod}与空压机转动惯量J相乘，并将该乘积与实际扭矩T_act相加，得到目标扭矩T_{ref_mod}，将当前目标扭矩T_ref的值替换为目标扭矩T_{ref_mod}的值。

进一步的，所述经验公式的表达式如下：

P_st＝e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1

m_st＝e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2

上式中，n是电机当前转速n_spd，P_st为当前喘振点压力，m_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数。

进一步的，根据空压机两端的压力值、所述实际流量、所述当前喘振点压力和所述当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离的步骤具体包括：

获取空压机两端的压力值，将空压机出气端和压力值P2除以进气端的压力值P1，得到实际压比Ratio_P；

将实际流量m_act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量m_st分别进行归一化，得到归一化后的实际流量m_act_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量m_st_std；

将归一化后的实际流量m_act_std和当前喘振点流量m_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1.本发明基于实际流量与目标流量构造滑模面，对电机扭矩进行快速控制，实际流量与目标流量是燃料电池所需求的最直接的参数，以此构造滑模面提高了响应速度和控制精度，也解决传统PID控制方法当中，因为P、I参数难以标定，容易出现的超调、振荡问题。

2.本发明基于流量进行扭矩控制，仅通过一层滑模面，实现了对空压机的控制，满足了燃料电池的需求，提高了***稳定性，且算法简单，计算速度快、计算资源需求少。

3.由于燃料电池的实际工况，空压机经常性地工作在喘振边界，风险很高，本发明通过内置经验公式对喘振风险进行评价，可以主动对喘振风险进行规避，为电堆性能提供更好的工作环境。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为燃料电池内部工作原理图。

图3为本发明实施例中的流量曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提出一种燃料电池空压机流量控制方法，包括以下步骤：

S1)车辆上电后，进行空压机自检，自检通过则执行步骤S2)，否则进行异常报警，然后进入故障模式，故障模式下燃料电池禁止工作；

S2)根据燃料电池工况计算所需求的目标流量m_ref；

S3)获取节流阀阀前及阀后的压力值、节流阀阀前温度值以及节流阀的开度，将所述开度、压力值匹配预设的流量曲线图，根据匹配结果和温度值计算得到实际流量m_act；

S4)根据目标流量m_ref和实际流量m_act建立当前滑模面s_n，根据当前滑模面s_n和上一滑模面s_n-1，计算当前目标扭矩T_ref，并根据当前目标扭矩T_ref调整电机转速；

S5)获取电机当前转速n_spd，根据电机当前转速n_spd和实际流量m_act计算实际扭矩T_act，根据当前目标扭矩T_ref和实际扭矩T_act计算预期转速变化率n_rate，若预期转速变化率n_rate不在预设的阈值范围内，则根据阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值T_ref的值，根据调整后的当前目标扭矩T_ref的值调整电机转速；

S6)根据预设的经验公式，计算电机当前转速n_spd对应的当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量m_st，根据空压机两端的压力值、所述实际流量m_act、所述当前喘振点压力P_st和所述当前喘振点流量m_st计算当前工况点与当前喘振点的距离dist，若距离dist小于预设的第一阈值dist_err，将距离dist和第一阈值dist_err的差值匹配预设的修正表格Map_dist_mod，得到对应的修正系数cof_dist_mod，用修正系数cof_dist_mod再次调整当前目标扭矩的值T_ref的值，根据再次调整后的当前目标扭矩T_ref的值调整电机转速，并根据m_ref和实际流量m_act之差调整旁通阀的开度；

S7)返回步骤S2)，直到车辆下电。

通过上述步骤，本实施例基于实际流量与目标流量构造滑模面，对电机扭矩进行快速控制，实际流量与目标流量是燃料电池所需求的最直接的参数，以此构造滑模面提高了响应速度和控制精度，也解决传统PID控制方法当中，因为P、I参数难以标定，容易出现的超调、振荡问题；仅通过一层滑模面，实现了对空压机的控制，满足了燃料电池的需求，提高了***稳定性，且算法简单，计算速度快、计算资源需求少；此外本实施例通过内置的经验公式对喘振风险进行评价，可以主动对喘振风险进行规避，为燃料电池提供更好的工作环境。

以下对步骤S1)至S6)进行详细说明：

本实施例通过步骤S1)，保证车辆上电后燃料电池空压机可正常工作，且信号可靠，具体步骤包括：

燃料电池ECU(电子控制单元)在识别到整车上电B_k15＝1时，关闭节流阀，并开启旁通阀至全开状态，然后对空压机发送一个启动需求转速的信号n_SelfCheck(启动需求转速的值可通过试验标定，一般为最高转速的40％-60％)，要求空压机运行至该转速，并开始进行自检计时t_SelfCheck，在自检时间窗口t_SelfCheck_threshold内，如空压机的反馈转速n_feedback和启动需求转速n_SelfCheck之差小于预设的第二阈值threshold_t_SelfCheck，即满足：

n_SelfCheck_diff＝(n_feedback-n_SelfCheck)<threshold_t_SelfCheck (1)

上式中，n_SelfCheck_diff为误差，n_feedback为空压机的反馈转速，n_SelfCheck为启动需求转速，threshold_t_SelfCheck为预设的第二阈值；

若满足式(1)并稳定运行，且无其他故障码，则认为空压机正常，可进入下一步进行计算；否则，若不满足前述的条件，如空压机反馈任意故障码，或时间超过t_SelfCheck_threshold后，误差n_SelfCheck_diff依然大于或等于第二阈值threshold_t_SelfCheck，无法满足条件，则进行异常报警并进入故障模式，禁止燃料电池继续工作。

本实施例通过步骤S2)采用常规方案计算空气流量需求，具体包括以下步骤：

在燃料电池工作过程中，基于其实际工作电流I_st，计算单位时间内所需求的氧气质量m₀₂，有：

m₀₂＝M₀₂*n_cell*I_st/4F (2)

上式中，M₀₂为氧气摩尔质量，是常量，n_cell为燃料电池单体个数，是设计值，F为法拉第常数，I_st为燃料电池实际工作电流；

此后计算燃料电池需求的空气流量，作为目标流量，表达式如下：

m_ref＝(1+φ_atm)*M₀₂*(lambda₀₂*n_cell*I_st)/4*X₀₂*F (3)

上式中，M₀₂为氧气摩尔质量，φ_atm为湿度传感器读取的相对湿度，X₀₂是空气中氧气的摩尔比，n_cell为燃料电池单体个数，F为法拉第常数，I_st为燃料电池实际工作电流，另外，lambda₀₂是进入燃料电池的氧气与实际消耗的氧气比值。

lambda₀₂的值一般大于等于1，且处于2-3的范围时，燃料电池输出功率最高。本实施例中，基于内部信号读取燃料电池工作电压U_st和电流I_st，在事先标定、预设好的MAP_lambda₀₂表格内匹配对应的lambda₀₂的值，MAP_lambda₀₂表格的横纵坐标分别为电压U_st、电流I_st，第三维为lambda₀₂，每个维度的参数都是通过实验确定或者标定好的数据，该表格维度也不限于前述的形式，可以基于实际情况进行调整。

本实施例的步骤S3)将传感器检测的参数在预设的流量曲线图中进行匹配，基于喷管流量计算原理，针对阀前后压力的压差，对气体流量进行精确计算得到实际流量，从而确保实际流量计算结果的准确性。

如图2所示，节流阀的进气端设有第一压力传感器和温度传感器，节流阀的出气端设有第二压力传感器，温度传感器的温度值T_befval作为阀前温度，第一压力传感器的压力值P_befval作为阀前压力，第二压力传感器的压力值P_aftval作为阀后压力。

喷管流量计算原理为：气体经过调节阀时，可将阀视为喷管，则气体在阀前压力为p1，气体流经阀门后，在阀后压力为p2，则基于理想气体的假设，当p2/p1值非常小时，气体流速将达到超音速，此时流量达到最大；随p2/p1值增大，气体流速快速下降；基于气体流速、阀门打开等效面积可以计算当前气体流量。

假定阀门开度为固定值，如50％，在标准状态的压力p0，温度T0下，通过对阀后压力p2、阀前压力p1的调整，测得超音速流量为q0max，以及随压比p2/p1发生变化时，流量的变化曲线m0-50％；则在实际工况温度T1下时，实际超音速流量(最大流量)为：

q1max＝q0max*p1/p0*(T0/T1)^0.5 (4)

上式中，p1为阀前压力，q0max为标准状态的压力和温度下的超音速流量，T1为实际工况温度，p0为标准状态的压力，T0为标准状态的温度。

此时，基于实际的阀后压力p2c、阀前压力p1c，计算得到压比值p2c/p1c，则可在标定好的m0-50％曲线上查表得到实际压比p2c/p1c对应的流量百分比per，则实际流量为：

qc＝q1max*per (5)

上式中，q1max为实际工况温度T1下的超音速流量，per为实际压比对应的流量百分比。

本实施例基于大量试验的标定数据绘制流量曲线图，如图3所示，图中纵坐标为流量，横坐标为阀后压力与阀前压力的比值，每一条流量曲线分别对应阀门的不同开度，包括阀门开度100％时的曲线m0-100％，开度75％的曲线m0-75％等各个开度下的曲线，则基于阀前压力、阀后压力和阀前温度，即可得到节流阀在各个开度下的实际流量，因此步骤S3)的具体步骤包括：

读取节流阀的位置反馈信号，得到节流阀的开度Valve_pos，根据所述开度Valve_pos匹配流量曲线图得到对应的流量曲线m0-pos以及该流量曲线标准状态的压力和温度下的超音速流量m0-pos1-max，然后读取温度传感器的温度值T_befval作为阀前温度，第一压力传感器的压力值P_befval作为阀前压力，第二压力传感器的压力值P_aftval作为阀后压力，将阀后压力值P_aftval和阀前压力值P_befval的比值匹配流量曲线m0-pos即可得到对应的流量百分比per，根据式(4)和式(5)，由流量百分比per、阀前压力P_befval、阀前温度T_befval以及流量曲线标准状态的压力和温度下的超音速流量m0-pos1-max，计算得到实际流量，函数表达式如下：

m_act＝[(m0-pos1-max)*P_befval/p0*(T0/T_befval)^0.5]*per (6)

上式中，m0-pos1-max为所述流量曲线图中，开度Valve_pos对应的流量曲线标准状态的压力和温度下的超音速流量，P_befval为节流阀阀前压力值，T_befval为节流阀阀前温度值，per为开度Valve_pos对应的流量曲线中，阀后压力P_aftval和阀前压力P_befval的比值对应的流量百分比，p0为标准状态的压力，T0为标准状态的温度。

本实施例通过步骤S4)构造滑模面，并设定目标转矩，以此提高空压机控制的精度和响应速度，具体步骤包括：

计算当前滑模面，当前滑模面为实际流量和目标流量之差，在燃料电池被启动后，空压机进行自检的过程中，燃料电池ECU的滑模变结构计算模块初始化标志位B_ini＝0，空压机完成自检后，初始化标志位B_ini＝1，此时进入第一个迭代计算循环，滑模变结构计算模块开始工作，此时有：

s＝m_act-m_ref (7)

上式中，m_act为实际流量，m_ref为目标流量；

根据当前滑模面和上一滑模面，计算第一扭矩控制率u₁，函数表达式如下：

u₁＝-k₁*sign(s_n) (8)

上式中，k₁为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面；

根据当前滑模面和上一滑模面，计算第二扭矩控制率u₂，函数表达式如下：

u₂＝-k₂*(|s_n-1|^a)*sign(s_n) |s_n|>|s_n-1| (9)

u₂＝-k₂*(|s_n|^b)*sign(s_n) |s_n|≤|s_n-1| (10)

即本计算循环滑模面的绝对值大于上一个计算循环滑模面的绝对值则根据式(9)计算第二扭矩控制率u₂，反之则据式(10)计算第二扭矩控制率u₂，式(9)和式(10)中，k₂为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面，s_n-1为上一滑模面，a和b均是预设的常数；

将第一扭矩控制率和第二扭矩控制率相加，得到当前目标扭矩T_ref，即T_ref＝u₁+u₂；

得到当前目标扭矩T_ref之后，空压机电机开始内部闭环，根据当前目标扭矩T_ref调整电机转速，与此同时，空压机电机状态的变化带来下一个迭代计算循环，燃料电池ECU根据步骤S4)，将在下一次迭代计算循环当中更新目标扭矩。

本实施例通过步骤S5)，对电机转速进行闭环调整，并对于当前目标转矩进行修正，具体步骤包括：

获取电机当前转速n_spd，根据电机当前转速n_spd和实际流量m_act计算实际扭矩T_act，函数表达式如下：

T_act＝α*(r_imp^2)*n_spd*m_act (11)

上式中，α为预设的修正系数，r_imp为空压机的叶轮叶片半径，n_spd为电机当前转速，m_act为实际流量；

接下来，将当前目标扭矩T_ref和实际扭矩T_act进行比较，如果实际扭矩T_act已经接近当前目标扭矩T_ref，说明电机转速已经调整完毕，不需要再进行调整，因此跳出闭环执行后续步骤，否则继续在闭环中进行调整，具体的，判断当前目标扭矩T_ref和实际扭矩T_act的误差是否小于预设的第三阈值，是则执行根据预设的经验公式，计算电机当前转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量的步骤，否则执行下一步骤；

根据当前当前目标扭矩T_ref和实际扭矩T_act计算预期转速变化率n_rate，函数表达式如下：

n_rate＝(T_ref-T_act)/J (12)

上式中，T_ref为当前目标扭矩，T_act为实际扭矩，J为空压机转动惯量；

接下来，基于预期转速变化率n_rate的许用上下限阈值，对预期转速变化率n_rate进行约束，具体的，判断预期转速变化率n_rate是否满足预设的阈值范围，该阈值范围为：

n_{rate_low}≤n_rate≤n_{rate_high} (13)

上式中，阈值范围的下限值n_{rate_low}以及上限值n_{rate_high}为基于试验标定、预设好的值，如n_rate的值在上述范围内，则瞬态变化满足要求，设Bit_trans＝1，不对当前目标扭矩T_ref的值做任何修正，根据当前目标扭矩T_ref的原始值调整电机转速，并执行获取电机当前转速n_spd的步骤；

如n_rate的值不在该范围内，则根据该阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值，具体的，将阈值范围的下限值n_{rate_low}或者上限值n_{rate_high}作为目标值n_{rate_mod}，设Bit_trans＝0，准备对变化率进行干预；

将所述目标值n_{rate_mod}与空压机转动惯量J相乘，并将该乘积与实际扭矩T_act相加，得到目标扭矩T_{ref_mod}，函数表达式如下：

T_{ref_mod}＝J*n_{rate_mod}+T_act (14)

上式中，n_{rate_mod}为目标值，T_act为实际扭矩，J为空压机转动惯量；

将当前目标扭矩T_ref的值替换为目标扭矩T_{ref_mod}的值，根据当前目标扭矩T_ref的调整后的值调整电机转速，并执行获取电机当前转速n_spd的步骤。

本实施例通过步骤S6)，评估喘振风险，并同时进行工况优化，配合旁通阀来规避喘振，具体步骤包括：

基于经验公式和电机当前转速n_spd计算当前喘振点压力、当前喘振点流量，经验公式为：

P_st＝e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1 (15)

m_st＝e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2 (16)

式(15)和式(16)中，n是电机当前转速n_spd，P_st为当前喘振点压力，m_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2基于大量的试验，确定转速n下的当前点喘振点压力、当前喘振点流量；

接下来，评估当前工况点和当前喘振点的距离，包括以下步骤：

获取空压机两端的压力值，将空压机出气端的压力值P2除以进气端的压力值P1，得到实际压比Ratio_P，如图2所示，空压机的进气端设有第三压力传感器，且第一压力传感器设置于空压机的出气端，第一压力传感器的检测值为P2(增压后)，第三压力传感器的检测值为P1(增压前)，因此，实际压比Ratio_P表达式如下：

Ratio_P＝P2/P1 (17)

上式中，P2为增压后压力，P1为增压前压力；

由于流量、压比两组参数单位不同，在使用“距离”进行综合评估时，先要将其转化为统一的无量纲单位，因此将实际流量m_act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量m_st分别进行归一化，得到归一化后的实际流量m_act_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量m_st_std，表达式如下：

m_act_std＝m_act/m_max (18)

m_st_std＝m_st/m_max (19)

Ratio_P_std＝Ratio_P/P_max (20)

P_st_std＝P_st/P_max (21)

式(18)至式(21)中，m_act为实际流量，Ratio_P为实际压比、P_st为当前喘振点压力，Q_st为当前喘振点流量，m_max为空压机的最大流量值，P_max为空压机的最大压比值；

然后计算等效距离，具体的，将归一化后的实际流量m_act_std和当前喘振点流量m_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist，表达式为：

dist＝sqrt[(m_act_std-m_st_std)^2+(Ratio_P_std-P_st_std)^2] (22)

上式中，m_act_std为归一化后的实际流量，m_st_std为归一化后的当前喘振点流量，Ratio_P_std为归一化后的实际压比，P_st_std为归一化后的当前喘振点压力；

将距离dist与预设的第一阈值dist_err进行对比，当距离dist大于或等于第一阈值dist_err时，则跳转步骤S7)，当距离dist小于第一阈值dist_err时，则计算危险距离，表达式为：

dist_diff＝dist-dist_err (23)

上式中，dist为当前工况点与当前喘振点的距离，dist_err为预设的第一阈值；

接下来进行查表操作，将危险距离dist_diff匹配预设的距离修正表格Map_dist_mod得到对应的修正系数cof_dist_mod，该表格为二维表格，横坐标为危险距离，纵坐标为修正系数cof_dist_mod，危险距离与修正系数cof_dist_mod一一对应，一般情况下，危险距离dist_diff越小，说明空压机距离喘振边界越近，此时风险越高，修正系数cof_dist_mod的值较大，反之亦然；

得到修正系数cof_dist_mod后，在当前目标扭矩T_ref的基础上，用修正系数cof_dist_mod将当前目标扭矩T_ref的值进行修正，即首先计算新的目标扭矩T_new__ref，表达式如下：

T_new__ref＝T_ref+cof_dist_mod (24)

上式中，T_ref为当前目标扭矩，cof_dist_mod为修正系数；

接下来将当前目标扭矩T_ref的值替换为目标扭矩T_new__ref的值，根据当前目标扭矩T_ref调整后的值调整电机转速；

由于当前目标扭矩T_ref的值发生变化，电机转速加速度将提高，此时空压机的转速将超过实际需求值，从而远离喘振点，但由于流量过剩，此时将需对流量进行额外调整，首先计算过剩值：

m_cod＝m_act-m_ref (25)

上式中，m_act为实际流量，m_ref为目标流量；

然后将过剩值m_cod发送给燃料电池ECU的旁通阀控制模块，由该模块根据过剩值m_cod进行旁通阀的阀门开度调整，旁通部分流量，以确保进入节流阀的流量刚好满足需求，确保燃料电池工作正常。

综上所述，本实施例的方法基于实际流量与目标流量构建滑模面，对电子空压机的扭矩进行控制，并进行喘振风险评价和工况优化，大幅度地提升控制精度、改善燃料电池的寿命。上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据燃料电池工况计算目标流量；

获取节流阀的阀前及阀后压力值、阀前温度值以及开度，将所述开度、阀前及阀后压力值匹配预设的流量曲线图，根据匹配结果和阀前温度值计算得到实际流量；

根据目标流量和实际流量建立当前滑模面，根据当前滑模面和上一滑模面，计算当前目标扭矩，并根据当前目标扭矩调整电机转速；

获取电机当前转速，根据电机当前转速和实际流量计算实际扭矩，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率，若预期转速变化率不在预设的阈值范围内，则根据阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值，根据当前目标扭矩调整电机转速；

根据预设的经验公式，计算电机当前转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量，根据空压机两端的压力值、所述实际流量、所述当前喘振点压力和所述当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离，若该距离小于预设的第一阈值，将该距离和第一阈值的差值匹配预设的修正表格，得到对应的修正系数，用修正系数再次调整当前目标扭矩的值，根据当前目标扭矩调整电机转速，根据目标流量和实际流量之差调整旁通阀的开度；

继续开始执行根据燃料电池工况计算目标流量的步骤，直到车辆下电。

2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据燃料电池工况计算目标流量之前，还包括空压机自检的步骤，具体包括：若车辆上电，关闭节流阀并设置旁通阀全开，向空压机发送启动需求转速并在预设的自检时间窗口内获取空压机反馈的转速，若空压机反馈的转速和启动需求转速之差小于预设的第二阈值，且无故障码，则自检通过，执行获取需求功率的步骤，否则自检不通过，进行异常报警。

3.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，将所述开度、阀前及阀后压力值匹配预设的流量曲线图，根据匹配结果和阀前温度值计算得到实际流量的具体步骤包括：根据所述开度匹配流量曲线图得到对应的流量曲线以及所述流量曲线的超音速流量，并将所述节流阀阀后压力值和阀前压力值的比值匹配所述流量曲线，得到对应的流量百分比，根据所述流量百分比、节流阀阀前压力值、节流阀阀前温度值以及所述流量曲线的超音速流量，计算得到实际流量，函数表达式如下：

m_act=[(m0-pos1-max)* P_befval /p0*(T0/T_befval)^0.5]*per

上式中，m0-pos1-max为所述流量曲线图中，所述开度对应的流量曲线的超音速流量，P_befval为节流阀阀前压力值，T_befval为节流阀阀前温度值，per为所述开度对应的流量曲线中，阀后压力值和阀前压力值的比值对应的流量百分比，p0为标准状态的压力，T0为标准状态的温度。

4.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，当前滑模面为实际流量和目标流量之差，根据当前滑模面和上一滑模面，计算当前目标扭矩的步骤具体包括：

计算第一扭矩控制率，函数表达式如下：

u₁=-k₁*sign(s_n)

上式中，k₁为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面；

计算第二扭矩控制率，函数表达式如下：

u₂=-k₂*(| s_n-1|^a)*sign(s_n) |s_n|>|s_n-1|

u₂=-k₂*(| s_n|^b)*sign(s_n) |s_n|≤|s_n-1|

上式中，k₂为预设的大于0的控制参数，s_n为当前滑模面，s_n-1为上一滑模面，a和b均是预设的常数；

将第一扭矩控制率和第二扭矩控制率相加，得到当前目标扭矩。

5.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据电机当前转速和实际流量计算实际扭矩的函数表达式如下：

T_act=α*(r_imp^2)*n_spd*m_act

上式中，α为预设的修正系数，r_imp为空压机的叶轮叶片半径，n_spd为电机当前转速，m_act为实际流量。

6.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率之前，还包括：判断当前目标扭矩和实际扭矩的误差是否小于预设的第三阈值，是则执行根据预设的经验公式，计算电机当前转速对应的当前喘振点压力和当前喘振点流量的步骤，否则执行根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率的步骤。

7.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据当前目标扭矩和实际扭矩计算预期转速变化率的函数表达式如下：

n_rate=（T_ref- T_act）/J

上式中，T_ref为当前目标扭矩，T_act为实际扭矩，J为空压机转动惯量。

8.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据阈值范围中的目标值调整当前目标扭矩的值的步骤具体包括：

将阈值范围的下限值n_{rate_low}或者上限值n_{rate_high}作为目标值n_{rate_mod}；

将所述目标值n_{rate_mod}与空压机转动惯量J相乘得到乘积，并将该乘积与实际扭矩T_act相加，得到目标扭矩T_{ref_mod}，将当前目标扭矩T_ref的值替换为目标扭矩T_{ref_mod}的值。

9.根据权利要求1所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，所述经验公式的表达式如下：

P_st= e1·n^3+f1·n^2+g1·n+h1

m_st=e2·n^3+f2·n^2+g2·n+h2

上式中，n是电机当前转速n_spd，P_st为当前喘振点压力，m_st为当前喘振点流量，e1、e2、f1、f2、g1、g2、h1、h2为标定得到的工程系数。

10.根据权利要求9所述的燃料电池空压机流量控制方法，其特征在于，根据空压机两端的压力值、所述实际流量、所述当前喘振点压力和所述当前喘振点流量计算当前工况点与当前喘振点的距离的步骤具体包括：

获取空压机两端的压力值，将空压机出气端的压力值P2除以进气端的压力值P1，得到实际压比Ratio_P；

将实际流量m_act、实际压比Ratio_P、当前喘振点压力P_st和当前喘振点流量m_st分别进行归一化，得到归一化后的实际流量m_act_std、实际压比Ratio_P_std、当前喘振点压力P_st_std和当前喘振点流量m_st_std；

将归一化后的实际流量m_act_std和当前喘振点流量m_st_std之差的平方，与归一化后的实际压比Ratio_P_std和当前喘振点压力P_st_std之差的平方相加后，计算平方根，得到当前工况点与当前喘振点的距离dist。

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