一种燃料电池发动机功率响应控制方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池性能技术领域，具体是一种燃料电池发动机功率响应控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池与动力电池组采取并联的方式为汽车供给能量，随着技术的进步，燃料电池的能量供给占比越来越大。为了满足车辆加减速驱动性能，燃料电池的功率响应速度变得越来越重要，同时，燃料电池作为核心能量源部件，其寿命长久也是非常重要的。燃料电池发动机在增加功率时，如果增加速度过快，会导致燃料电池燃料、氧化剂供给不足，致使系统各回路工作出现紊乱，造成系统停机，影响实际使用，同时会导致质子交换膜受损，催化剂性能变差，长时间下导致燃料电池性能衰减。汽车的使用工况比较复杂，尤其使用的环境温度范围比较宽泛，燃料电池温度是其化学反应重要的影响因素之一，化学反应的效率直接影响着电能的供给能力，因此，功率响应也必须考虑温度的影响。燃料电池用dc/dc作为燃料电池发动机内的能量转换部件，其转换能力也影响电能的供给能力，因此，功率响应也必须考虑其转换能力的影响。综上所述，燃料电池发动机的功率响应需要在保证寿命满足要求的情况下尽量快速，需要通过合理的控制方法找到最优的平衡点。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种燃料电池发动机功率响应控制控制方法。这种方法能在保证燃料电池发动机稳定运行状态、且满足寿命要求的情况下提高燃料电池发动机的功率响应速度。
4.实现本发明目的的技术方案是：
5.一种燃料电池发动机功率响应控制控制方法，包括现有技术中的燃料电池发动机功率响应控制系统，所述系统包括内嵌功率响应程序的燃料电池发动机控制器和与燃料电池发动机控制器连接的电力转换装置、燃料电池温度传感器、空气流量传感器，电力转换装置的输入端与电堆连接，电力转换装置的输出端、燃料电池发动机控制器均与负载连接，所述方法包括如下步骤：
6.1)采用燃料电池发动机台架获得稳态下燃料电池允许功率p
fcm
和空气流量mf的映射关系表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),以及功率减小斜率系数k、最大允许功率p
max
，其中，i＝1,
…
,n，n为自然数；
7.2)将燃料电池温度t
fcm
按温度数值高低进行分区，每个区间设定趋近允许功率百分比pct
t
(n)，对应关系如下：冷启动区间(t
fcm
＜t1)：pct
t
(1)、低温区间(t1≤t
fcm
＜t2)：pct
t
(2)、次低温区间(t2≤t
fcm
＜t3)：pct
t
(3)、正常温度区间(t
fcm
≥t3)：pct
t
(4)，其中，pct
t
(1)、pct
t
(2)、pct
t
(3)、pct
t
(4)分别为不同温度区间对应的趋近允许功率百分比；
8.3)将p
fcm
按功率大小进行分区，每个区间设定趋近允许功率百分比pct
pf
(n)：低功率区间(0≤p
fcm
＜p
max
*30％)：pct
pf
(1)、中功率区间(p
max
*30％≤p
fcm
＜p
max
*90％)：pct
pf
(2)、高功率区间(p
max
*90％≤p
fcm
＜p
max
*100％)：pct
pf
(3)，其中，pct
pf
(1)、pct
pf
(2)、pct
pf
(3)为不同允许功率区间对应的趋近允许功率百分比，p
max
为燃料电池出厂最大允许功率；
9.4)获取燃料电池发动机控制器接收负载功率需求p
req
、电力转换装置允许转换功率p
dcdc
、当前燃料电池输出功率p，采集燃料电池温度t
fcm
、空气侧进气流量mf；
10.5)依据当前空气侧进气流量mf查表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),i＝1,
…
,n，如mf(k)≤mf(t)≤mf(k+1)时，采用线性差值法计算得到p
fcm
：p
fcm
(t)＝lk*p
fcm
(k)+l
k+1
*p
fcm
(k+1)，lk＝(mf(k+1)-mf(t))/mf(k+1)-mf(k))，l
k+1
＝(mf(t)-mf(k))/mf(k+1)-mf(k))，其中，k为自然数，用于体现工况点序号，t为自然数，表示要计算的工况点序号，lk，l
k+1
为自然数、为计算比例系数；
11.6)根据当前t
fcm
查表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),i＝1,
…
,n，得到pct
t
，根据当前p
fcm
查表得到pct
pf
；
12.7)计算燃料电池发动机的允许功率p
allow
：p
allow
＝min((p+min(pct
pf
，pct
t
)*(p
fcm-p))，p
dcdc
)，其中，p为燃料电池发动机的当前功率，p
dcdc
为电力转换装置的允许转换功率；
13.8)判定负载需求功率p
req
是否大于当前功率p，进而决定燃料电池发动机是增大功率还是减小功率，如增大功率则执行步骤9)、如减小功率则执行步骤10)；
14.9)判定需求功率p
req
是否大于当前燃料电池发动机允许功率p
allow
，如是，则设定系统输出功率p
set
＝p
allow
；如否，则p
set
＝p
req
；
15.10)判定p
req
＜(p-k*p
max
)，如是，则设定系统输出功率p
set
＝p-k*p
max
；如否，则p
set
＝p
req
；
16.11)控制燃料电池发动机按照p
set
对应的工况点工作，输出对应功率，
17.以上步骤中，步骤1)-步骤3)的数据为系统设计之初进行标定，将对应的关系以数据的形式固化在功率响应程序里，在控制过程中随时调取使用，步骤4)-步骤11)按照控制周期t
com
循环执行。
18.本技术方案通过采集燃料电池温度、燃料电池空气流量，接收电力转换装置允许功率信息，基于不同的工况确定对应功率趋近百分比，进而得到燃料电池系统允许功率，结合电力转换装置允许功率，共同得到燃料电池发动机的允许功率，再以燃料电池发动机的允许功率作为下一次发动机输出的功率，不断地趋近并达到负载需求功率，在需求功率小于当前功率时，按照斜率系数减小功率，不断地趋近并达到负载需求功率，进而实现了功率响应即在综合考虑燃料电池温度、电力转换装置转换能力的情况下，实时评估燃料电池发动机的输出能力，以当前状态下最大的允许能力输出功率，允许功率会随着当前功率的提升而提升，因此，不断地趋近并达到负载需求功率。
19.这种控制系统成本低、容易实现，这种方法能在保证燃料电池发动机稳定运行状态、且满足寿命要求的情况下提高燃料电池发动机的功率响应速度。
附图说明
20.图1是本发明涉及的一种燃料电池发动机功率响应控制系统示意框图；
21.图2是本发明涉及的一种燃料电池发动机功率响应控制方法示意框图。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
23.实施例：
24.一种燃料电池发动机功率响应控制控制方法，包括现有技术中的燃料电池发动机功率响应控制系统，如图1所示，所述系统包括内嵌功率响应程序的燃料电池发动机控制器和与燃料电池发动机控制器连接的电力转换装置、燃料电池温度传感器、空气流量传感器，电力转换装置的输入端与电堆连接，电力转换装置的输出端、燃料电池发动机控制器均与负载连接，所述方法如图2所示，包括如下步骤：
25.1)采用燃料电池发动机台架获得稳态下燃料电池允许功率p
fcm
和空气流量mf的映射关系表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),以及功率减小斜率系数k、最大允许功率p
max
，其中，i＝1,
…
,n，n为自然数；
26.2)将燃料电池温度t
fcm
按温度数值高低进行分区，每个区间设定趋近允许功率百分比pct
t
(n)，对应关系如下：冷启动区间(t
fcm
＜t1)：pct
t
(1)、低温区间(t1≤t
fcm
＜t2)：pct
t
(2)、次低温区间(t2≤t
fcm
＜t3)：pct
t
(3)、正常温度区间(t
fcm
≥t3)：pct
t
(4)，其中，pct
t
(1)、pct
t
(2)、pct
t
(3)、pct
t
(4)分别为不同温度区间对应的趋近允许功率百分比；
27.3)将p
fcm
按功率大小进行分区，每个区间设定趋近允许功率百分比pct
pf
(n)：低功率区间(0≤p
fcm
＜p
max
*30％)：pct
pf
(1)、中功率区间(p
max
*30％≤p
fcm
＜p
max
*90％)：pct
pf
(2)、高功率区间(p
max
*90％≤p
fcm
＜p
max
*100％)：pct
pf
(3)，其中，pct
pf
(1)、pct
pf
(2)、pct
pf
(3)为不同允许功率区间对应的趋近允许功率百分比，p
max
为燃料电池出厂最大允许功率；
28.4)获取燃料电池发动机控制器接收负载功率需求p
req
、电力转换装置允许转换功率p
dcdc
、当前燃料电池输出功率p，采集燃料电池温度t
fcm
、空气侧进气流量mf；
29.5)依据当前空气侧进气流量mf查表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),i＝1,
…
,n，如mf(k)≤mf(t)≤mf(k+1)时，采用线性差值法计算得到p
fcm
：p
fcm
(t)＝lk*p
fcm
(k)+l
k+1
*p
fcm
(k+1)，lk＝(mf(k+1)-mf(t))/mf(k+1)-mf(k))，l
k+1
＝(mf(t)-mf(k))/mf(k+1)-mf(k))，本例中，k为自然数，用于体现工况点序号，t为自然数，表示要计算的工况点序号，lk，l
k+1
为自然数、为计算比例系数；
30.6)根据当前t
fcm
查表p
fcm
(i)＝lut(mf(i)),i＝1,
…
,n，得到pct
t
，根据当前p
fcm
查表得到pct
pf
；
31.7)计算燃料电池发动机的允许功率p
allow
：p
allow
＝min((p+min(pct
pf
，pct
t
)*(p
fcm-p))，p
dcdc
)，其中，p为燃料电池发动机的当前功率，p
dcdc
为电力转换装置的允许转换功率；
32.8)判定负载需求功率p
req
是否大于当前功率p，进而决定燃料电池发动机是增大功率还是减小功率，如增大功率则执行步骤9)、如减小功率则执行步骤10)；
33.9)判定需求功率p
req
是否大于当前燃料电池发动机允许功率p
allow
，如是，则设定系统输出功率p
set
＝p
allow
；如否，则p
set
＝p
req
；
34.10)判定p
req
＜(p-k*p
max
)，如是，则设定系统输出功率p
set
＝p-k*p
max
；如否，则p
set
＝p
req
；
35.11)控制燃料电池发动机按照p
set
对应的工况点工作，输出对应功率，
36.以上步骤中，步骤1)-步骤3)的数据为系统设计之初进行标定，将对应的关系以数
据的形式固化在功率响应程序里，在控制过程中随时调取使用，步骤4)-步骤11)按照控制周期t
com
循环执行，最终实现实时的接收和响应负债的需求的功率。
37.本例中，p
fcm
为燃料电池允许功率，单位kw；
38.mf为空气流量,单位g/s；
39.p
max
为燃料电池出厂最大允许功率，单位kw；
40.p为燃料电池发动机当前功率，单位kw；
41.t
fcm
为燃料电池温度，单位℃；
42.t1、t2、t3、t4为温度分区阀值，单位℃；
43.pct
t
为基于温度的趋近允许功率百分比，单位％；
44.pct
t
(1)、pct
t
(2)、pct
t
(3)、pct
t
(4)为不同温度区间对应的趋近允许功率百分比，单位％；
45.pct
pf
(1)、pct
pf
(2)、pct
pf
(3)为不同允许功率区间对应的趋近允许功率百分比，单位％；
46.p
req
为负载需求功率，单位kw；
47.p
allow
为燃料电池发动机允许功率，单位kw；
48.p
set
为系统输出设定功率，单位kw；
49.k为功率减小斜率系数，单位％；
50.t
com
为功率响应控制周期，单位s。
51.实验例：
52.采用36kw的燃料电池发动机，用上位机模拟整车控制器，通过can总线发送需求功率，燃料电池发动机控制器采集温度、空气流量，接收电力转换装置允许转换功率、当前输出功率、接收负载需求功率，计算出燃料电池发动机的输出功率设定值，按照功率设定值驱动系统改变工作状态，通过几个控制周期，使得燃料电池发动机的输出功率达到负债需求功率，完成试验。
53.通过台架试验得到如下参数：
54.稳态下燃料电池允许功率p
fcm
和空气流量mf的映射关系表如表1所示：
55.表1
56.mf(g/s)371115192327313438p
fcm
(kw)4.39.113.617.821.625.128.331.233.836.0
57.燃料电池发动机的最大允许功率p
max
＝36kw；燃料电池发动机功率减小时的斜率系数k＝5％；
58.功率响应控制周期t
com
＝1s；
59.不同温区的允许功率百分比pct
t
(n)，如表2所示：
60.表2
61.t
fcm
pct
t
t
fcm
＜5℃70％5℃≤t
fcm
＜20℃80％20℃≤t
fcm
＜50℃90％t
fcm
≥50℃96％
62.不同允许功率区间的允许功率百分比pct
pf
(n)如表3所示：
63.表3
64.p
fcm
pct
pf
p
fcm
＜11kw80％10kw≤p
fcm
＜32kw90％32kw≤p
fcm
＜36kw95％
65.将如上参数内容固化于燃料电池系统控制器的程序中，接下来：
66.一：以功率增加为例实现控制过程：
67.燃料电池发动机工作在当前功率p＝20kw的工况点，此时的燃料电池温度t
fcm
＝48℃，空气流量为mf＝19.5g/s,电力转换装置允许转换功率p
dcdc
＝38kw,负债需求功率p
req
＝25kw；
68.按mf＝19.5g/s查表，采用线性差值法计算得到p
fcm
＝22kw；
69.根据t
fcm
查表得到pct
t
＝90％，根据p
fcm
查表得到pct
pf
＝90％；
70.计算燃料电池发动机的允许功率p
allow
＝min((p+min(pct
pf
，pct
t
)*(p
fcm-p))，p
dcdc
)＝21.8kw；
71.燃料电池发动机输出功率：设定系统输出功率p
set
＝21.8kw；
72.控制燃料电池发动机按照p
set
＝21.8kw对应的工况点工作，输出功率21.8kw，
73.1s后：p＝21.5kw，t
fcm
＝49℃，mf＝21g/s，p
dcdc
＝38kw，p
req
＝25kw；
74.通过计算p
allow
＝23.2kw，p
set
＝23.2kw；
75.控制燃料电池发动机23.2kw的功率；
76.再1s后：p＝23.1kw，t
fcm
＝49℃，mf＝22.7g/s，p
dcdc
＝38kw，p
req
＝25kw；
77.通过计算p
allow
＝24.6kw，p
set
＝24.6kw；
78.控制燃料电池发动机24.6kw的功率；
79.再1s后：p＝24.5kw，t
fcm
＝50℃，mf＝24g/s，p
dcdc
＝38kw，p
req
＝25kw；
80.通过计算p
allow
＝25.8kw，p
allow
》p
req
，p
set
＝p
req
＝25kw；
81.控制燃料电池发动机25kw的功率,完成功率响应增加；
82.二：以功率减小为例实现控制过程：
83.燃料电池发动机工作在当前功率p＝20kw的工况点，负债需求功率p
req
＝15kw；
84.此时的燃料电池发动机允许功率p
allow
》20kw，因此减载时无需考虑设定系统输出功率p
set
小于p
allow
；
85.设定系统输出功率p
set
＝p-k*p
max
＝20kw-0.05*36kw＝18.25kw；
86.控制燃料电池发动机各子系统回路按照p
set
＝18.25kw对应的工况点工作，输出功率18.25kw；
87.1s后：p
set
＝p-k*p
max
＝18.25kw-0.05*36kw＝16.5kw；
88.控制燃料电池发动机各子系统回路按照p
set
＝16.5kw对应的工况点工作，输出功率16.5kw。
89.再1s后：p
set
＝p-k*p
max
＝16.5kw-0.05*36kw＝14.75kw，小于p
req
，因此，p
set
＝p
req
＝15kw；
90.控制燃料电池发动机各子系统回路按照p
set
＝15kw对应的工况点工作，输出功率
15kw，完成功率响应减小。
91.通过如上试验，证明采用本例方法安全快速地实现了燃料电池发动机对负债功率的响应。