一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法与流程

[0001]
本发明属于燃料电池发动机技术领域，具体涉及一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法。


背景技术：

[0002]
燃料电池由于能量转换效率高、零污染、运行平稳、无噪声等优点，非常适用于汽车领域。目前国内外燃料电池汽车制造与示范运行已成为国内外相关企业和单位的研发热点。燃料电池发动机包含有电堆、氢气供给系统、空气供给系统、冷却系统、控制系统，在整车路况运行或台架工况测试实验中，由于各种内外部因素(如电磁干扰、机械振动、元件寿命)的影响，相关传感器难免出现失效甚至故障，目前大多数燃料电池控制器当检测到故障信号时会采取直接关机的方式进行系统保护，这样导致系统启停次数增加，加速燃料电池堆的寿命衰减，同时造成其控制系统的容错性能较差。为了提高燃料电池发动机的安全可靠性，当某些传感器出现轻微失效和故障时，燃料电池控制器可有效控制相关执行部件，保证燃料电池发动机以及燃料电池汽车在一定时间内的稳定运行。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能对燃料电池发动机出堆温度传感器故障信号进行重构的冷却系统温度容错控制方法。
[0004]
为实现上述目的，本发明所设计的燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法如下：
[0005]
一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法，其特征在于，包括:
[0006]
一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法，其特征在于，包括:
[0007]
步骤1、采集数据，数据具体包括：燃料电池控制器(fcu)控制燃料电池发动机的循环水泵转速为固定值r
pump
，燃料电池发动机运行时当前采样时刻k对应的进堆温度t
in
(k)、出堆温度t
out
(k)、电堆电压v(k)、电堆电流i(k)、电堆内阻r(k)和去离子水体积流量f(k)，以及当前时刻之前的前k-1、k-2、
……
、k-m采样时刻对应的进堆温度t
in
(k-1)～t
in
(k-m)、出堆温度t
out
(k-1)～t
out
(k-m)、电堆电压v(k-1)～v(k-m)、电堆电流i(k-1)～i(k-m)、电堆内阻r(k-1)～r(k-m)和去离子水体积流量f(k-1)～f(k-m)，选取m＞1，任意两个相邻采样时刻之间的时间间隔均选取为h；
[0008]
步骤2、计算燃料电池发动机在当前采样时刻k与当前时刻之前的前k-m采样时刻之间累计产生并传递给去离子水的热量q：
[0009]
[0010]
其中，λ(i)为k-i采样时刻与k-i+1采样时刻之间燃料电池产生的热量与去离子水的传热效率，i(k-i)为k-i采样时刻的电堆电流，r(k-i)为k-i采样时刻的电堆内阻，i＝1，2，
……
，m；
[0011]
步骤3、计算k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)：
[0012]
(t’out
(k)-t
in
(k-m))*(f(k-1)+f(k-2)+
……
+f(k-m))*h*ρ*c＝q
[0013]
其中，ρ为去离子水的密度，c为去离子水的比热容；
[0014]
步骤4、通过采样值判断后进行信号重构，具体是：将k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)与k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)进行比较，并根据比较结果执行：
[0015]
若两者之间的误差绝对值大于或等于设定阈值，则判断k时刻燃料电池发动机的出堆电流传感器发生失效，以k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)代替k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)，并以k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据控制冷却系统中散热器的风扇转速；
[0016]
若两者之间的误差绝对值小于设定阈值，则判断k时刻燃料电池发动机的出堆电流传感器信号正常，以k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据控制冷却系统中散热器的风扇转速。
[0017]
在上述的一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法，所述步骤2中，λ(i)的取值依据如下条件：
[0018]
若i(k-i)≥90％*i
f
，选取λ(i)＝0.98；
[0019]
若80％*i
f
≤i(k-i)＜90％*i
f
，选取λ(i)＝0.95；
[0020]
若70％*i
f
≤i(k-i)＜80％*i
f
，选取λ(i)＝0.9；
[0021]
若60％*i
f
≤i(k-i)＜70％*i
f
，选取λ(i)＝0.88；
[0022]
若50％*i
f
≤i(k-i)＜60％*i
f
，选取λ(i)＝0.85；
[0023]
若40％*i
f
≤i(k-i)＜50％*i
f
，选取λ(i)＝0.82；
[0024]
若i(k-i)≤40％*i
f
，选取λ(i)＝0.8；
[0025]
i
f
为燃料电池发动机的额定输出电流，i＝1，2，
……
，m。
[0026]
在上述的一种燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法，所述步骤4中，若k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)与k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)之间的误差大于或等于设定阈值时，根据k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据控制冷却系统中散热器的风扇转速具体方法如下：
[0027]
判断条件一，当i(k)≤30％*i
f
时，
[0028]
若t
in
(k)＜60℃或t’out
(k)＜61℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；
[0029]
若60℃≤t
in
(k)＜61℃或61℃≤t’out
(k)＜62℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；
[0030]
若61℃≤t
in
(k)＜62℃或62℃≤t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；
[0031]
若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；
[0032]
若t
in
(k)≥63℃或t’out
(k)≥64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；
[0033]
判断条件二，当30％*i
f
＜i(k)≤40％*i
f
时，
[0034]
若t
in
(k)＜61℃或t’out
(k)＜62℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若61℃≤t
in
(k)＜62℃或62℃≤t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜65℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；若t
in
(k)≥64℃或t’out
(k)≥65℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；
[0035]
判断条件三，当40％*i
f
＜i(k)≤50％*i
f
时，
[0036]
若t
in
(k)＜62℃或t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若t
in
(k)≥65℃或t’out
(k)≥68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；
[0037]
判断条件四，当50％*i
f
＜i(k)≤60％*i
f
时，
[0038]
若t
in
(k)＜63℃或t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若65℃≤t
in
(k)＜66℃或68℃≤t’out
(k)＜69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若t
in
(k)≥66℃或t’out
(k)≥69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其60％额定转速；
[0039]
判断条件五，当60％*i
f
＜i(k)≤80％*i
f
时，
[0040]
若t
in
(k)＜64℃或t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若65℃≤t
in
(k)＜67℃或68℃≤t’out
(k)＜70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；若t
in
(k)≥67℃或t’out
(k)≥70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其80％额定转速；
[0041]
判断条件六，当80％*i
f
＜i(k)≤100％*i
f
时，
[0042]
若t
in
(k)＜65℃或t’out
(k)＜67℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若65℃≤t
in
(k)＜67℃或67℃≤t’out
(k)＜69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；若67℃≤t
in
(k)＜69℃或69℃≤t’out
(k)＜71℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；若t
in
(k)≥69℃或t’out
(k)≥71℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其80％额定转速；
[0043]
判断条件七，当i(k)＞100％*i
f
时，
[0044]
若t
in
(k)＜66℃或t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若66℃≤t
in
(k)＜68℃或68℃≤t’out
(k)＜70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若68℃≤t
in
(k)＜70℃或70℃≤t’out
(k)＜72℃，控制冷却系统中散热器的
所有风扇转速为其60％额定转速；若t
in
(k)≥70℃或t’out
(k)≥72℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其100％额定转速。
[0045]
因此，本发明具有如下优点：本发明燃料电池发动机温度容错控制方法，在出堆温度传感器采集数据不准或出现失效和故障情况下，可根据其它传感器的准确值估计出堆温度传感器的有效值对其故障信号进行重构，从而实现进一步控制冷却系统散热器的风扇转速，避免频繁停机操作或实际出堆温度过高对电堆的损害，从而进一步提高了燃料电池发动机的容错性能。
附图说明
[0046]
图1为本发明燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法流程框图。
[0047]
图2为本发明燃料电池发动机的控制系统结构框图。
[0048]
图3为本发明k-i采样时刻与k-i+1采样时刻之间燃料电池产生的热量与去离子水的传热效率选取流程图。
[0049]
图4为本发明冷却系统中散热器的风扇转速控制流程图。
具体实施方式
[0050]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0051]
实施例：
[0052]
如图1和图2所示，燃料电池发动机出堆温度传感器失效的温度容错控制方法：
[0053]
1)、采集数据，数据具体包括：
[0054]
首先，燃料电池控制器(fcu)控制燃料电池发动机的循环水泵转速为固定值r
pump
，然后燃料电池控制器(fcu)采集燃料电池发动机运行时当前采样时刻k对应的进堆温度t
in
(k)、进堆温度t
out
(k)、电堆电压v(k)、电堆电流i(k)、电堆内阻r(k)和去离子水体积流量f(k)，以及当前时刻之前的前k-1、k-2、
……
、k-m采样时刻对应的进堆温度t
in
(k-1)～t
in
(k-m)、进堆温度t
out
(k-1)～t
out
(k-m)、电堆电压v(k-1)～v(k-m)、电堆电流i(k-1)～i(k-m)、和去离子水体积流量f(k-1)～f(k-m)，利用内阻测试仪检测电堆内阻r(k-1)～r(k-m)，选取m＞1，任意两个相邻采样时刻之间的时间间隔均选取为h。
[0055]
2)进行热量计算，具体是：
[0056]
计算燃料电池发动机在当前采样时刻k与当前时刻之前的前k-m采样时刻之间累计产生并传递给去离子水的热量q：
[0057][0058]
其中，λ(i)为k-i采样时刻与k-i+1采样时刻之间燃料电池产生的热量与去离子水的传热效率，i(k-i)为k-i采样时刻的电堆电流，r(k-i)为k-i采样时刻的电堆内阻，i＝1，2，
……
，m。
[0059]
3)进行温度估计，具体是：
[0060]
由(t’out
(k)-t
in
(k-m))*(f(k-1)+f(k-2)+
……
+f(k-m))*h*ρ*c＝q，得到k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)。其中，ρ为去离子水的密度，c为去离子水的比热容。
[0061]
4)通过采样值判断后进行信号重构，具体是：
[0062]
将k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)与k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)进行比较，若两者之间的误差绝对值大于或等于5℃，则判断k时刻燃料电池发动机的出堆电流传感器发生失效，以k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)代替k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)，并以k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据由燃料电池控制器控制冷却系统中散热器的风扇转速；否则以k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据由燃料电池控制器输出不同占空比pwm信号控制冷却系统中散热器的风扇转速。
[0063]
如图3所示，所述步骤2)中，若i(k-i)≥90％*i
f
，选取λ(i)＝0.98；若80％*i
f
≤i(k-i)＜90％*i
f
，选取λ(i)＝0.95；若70％*i
f
≤i(k-i)＜80％*i
f
，选取λ(i)＝0.9；若60％*i
f
≤i(k-i)＜70％*i
f
，选取λ(i)＝0.88；若50％*i
f
≤i(k-i)＜60％*i
f
，选取λ(i)＝0.85；若40％*i
f
≤i(k-i)＜50％*i
f
，选取λ(i)＝0.82；若i(k-i)≤40％*i
f
，选取λ(i)＝0.8；i
f
为燃料电池发动机的额定输出电流，i＝1，2，
……
，m。
[0064]
如图4所示，所述步骤4)中，若k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)与k时刻出堆温度传感器的实际采样值t
out
(k)之间的误差绝对值大于或等于设定值5℃，根据k时刻出堆温度传感器的估计值t’out
(k)、进堆温度传感器的实际采样值t
in
(k)和电堆电流实际采样值i(k)为依据由燃料电池控制器输出不同占空比pwm信号控制冷却系统中散热器的风扇转速具体方法如下：
[0065]
1)当i(k)≤30％*i
f
时
[0066]
若t
in
(k)＜60℃或t’out
(k)＜61℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若60℃≤t
in
(k)＜61℃或61℃≤t’out
(k)＜62℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若61℃≤t
in
(k)＜62℃或62℃≤t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；若t
in
(k)≥63℃或t’out
(k)≥64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速。
[0067]
2)当30％*i
f
＜i(k)≤40％*i
f
时
[0068]
若t
in
(k)＜61℃或t’out
(k)＜62℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若61℃≤t
in
(k)＜62℃或62℃≤t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜65℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；若t
in
(k)≥64℃或t’out
(k)≥65℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速。
[0069]
3)当40％*i
f
＜i(k)≤50％*i
f
时
[0070]
若t
in
(k)＜62℃或t’out
(k)＜63℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若62℃≤t
in
(k)＜63℃或63℃≤t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若t
in
(k)≥65℃或t’out
(k)≥68℃，控
制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速。
[0071]
4)当50％*i
f
＜i(k)≤60％*i
f
时
[0072]
若t
in
(k)＜63℃或t’out
(k)＜64℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若63℃≤t
in
(k)＜64℃或64℃≤t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其10％额定转速；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若65℃≤t
in
(k)＜66℃或68℃≤t’out
(k)＜69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若t
in
(k)≥66℃或t’out
(k)≥69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其60％额定转速。
[0073]
5)当60％*i
f
＜i(k)≤80％*i
f
时
[0074]
若t
in
(k)＜64℃或t’out
(k)＜66℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若64℃≤t
in
(k)＜65℃或66℃≤t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其20％额定转速；若65℃≤t
in
(k)＜67℃或68℃≤t’out
(k)＜70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；若t
in
(k)≥67℃或t’out
(k)≥70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其80％额定转速。
[0075]
6)当80％*i
f
＜i(k)≤100％*i
f
时
[0076]
若t
in
(k)＜65℃或t’out
(k)＜67℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若65℃≤t
in
(k)＜67℃或67℃≤t’out
(k)＜69℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其30％额定转速；若67℃≤t
in
(k)＜69℃或69℃≤t’out
(k)＜71℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其50％额定转速；若t
in
(k)≥69℃或t’out
(k)≥71℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其80％额定转速。
[0077]
7)当i(k)＞100％*i
f
时
[0078]
若t
in
(k)＜66℃或t’out
(k)＜68℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为0；若66℃≤t
in
(k)＜68℃或68℃≤t’out
(k)＜70℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其40％额定转速；若68℃≤t
in
(k)＜70℃或70℃≤t’out
(k)＜72℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其60％额定转速；若t
in
(k)≥70℃或t’out
(k)≥72℃，控制冷却系统中散热器的所有风扇转速为其100％额定转速。
[0079]
本发明中“*”为乘以。
[0080]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
[0081]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。