燃料电池动力系统的负载响应式自适应控制方法及其应用的无人机与流程

本发明属于燃料电池应用控制领域，具体涉及了一种燃料电池动力系统的负载响应式自适应控制方法，本发明还涉及了应用该负载响应式自适应控制方法的无人机。

背景技术：

1、当前氢能无人机研究领域的创新方向通常把燃料电池动力（通常为氢燃料电池，本技术将其简称为“氢动力”）技术路线和纯锂电技术路线作为对立的两条路线来开展。

2、虽然氢动力无人机在长续航、环保等方面具备纯充电电池型无人机所不具备的巨大优势，然而当前的氢动力无人机领域研究方向多为整机集成及其对应的动力系统布置、功率能量管理与控制等，在安全性与智能化方面的研究较少，特别来说，很少有对氢动力系统的负载跟随性功率控制方法的研究。

3、为此，本技术希望寻求技术方案来实现氢动力系统的负载跟随性功率控制。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池动力系统的负载响应式自适应控制方法及其应用的无人机，能够实现燃料电池的拉载功率随着负载的变化而变化，以达到电堆系统的输出功率自适应调节的作用。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种燃料电池动力系统的负载响应式自适应控制方法，所述燃料电池动力系统包括分别连接有还原剂输入管线、氧化剂输入管线以及冷却介质输入管线的电堆、燃料电池系统控制器以及充电电池；所述电堆的电能输出端与dc-dc转化器的输入端连接，dc-dc转化器的输出端与充电电池以及外部负载的供电输入端三者相并联；

4、所述负载响应式自适应控制方法至少包括如下控制过程：

5、进行能量管理控制：预先建立充电电池母线电压与soc的查表关系，基于实时检测到的充电电池母线电压，通过查表法得到该母线电压下对应的充电电池的soc，燃料电池系统控制器基于soc的变化对电堆请求输出功率进行自适应调节设定。

6、优选地，所述燃料电池动力系统工作运行时，当外部负载的消耗功率高于燃料电池的输出功率时，充电电池的母线电压变化呈下降趋势；当外部负载的消耗功率低于燃料电池的输出功率时，充电电池的母线电压变化呈上升趋势；在所述能量管理控制过程中,利用该输出功率与充电电池的母线电压之间所形成的对应关系，来实现对电堆请求输出功率根据外部负载的消耗功率情况进行自适应调节设定。

7、优选地，所述自适应调节采用如下控制过程：

8、先完成初始化：将功率控制使能信号ems_en置为0，系统处于未开机状态；将请求输出功率设定值ems_pwr设为0；

9、通过实时检测到的充电电池母线电压得到soc的实时变化，基于soc的实时变化情况来设置请求输出功率设定值ems_pwr。

10、优选地，所述功率控制使能信号ems_en存储于燃料电池系统控制器(即为fuelcell control unit，通常也简称为“fcu”)中，通过外部输入变量来决定将功率控制使能信号ems_en置为0或置为1（该“0”和“1”即为功率控制使能信号ems_en的值）；其中，所述外部输入变量至少包括一项如下所述外部输入变量：

11、外部负载的解锁状态；

12、充电电池的soc；

13、电堆的自检状态；

14、外部负载的自检状态；

15、外部负载的故障状态；

16、电堆的故障状态。

17、优选地，当外部负载处于已解锁状态（st2大于0），且当前soc小于soc较低阈值（例如为socmin），则将功率控制使能信号ems_en置为1；

18、当外部负载处于已解锁状态（st2大于0），且当soc位于soc较低阈值与soc较高阈值（例如为socmax）之间，将功率控制使能信号ems_en根据燃料电池动力系统在上一时刻的状态，维持在1或0；

19、当soc高于soc较高阈值或外部负载处于未解锁状态（st2=0）时，则保持在初始化状态，将功率控制使能信号ems_en置为0。

20、进一步优选地，采用如下公式来决定将功率控制使能信号ems_en置为0或置为1：

21、；

22、式中，st2为外部负载的解锁状态码、cst1为燃料电池动力系统的自检状态、cst2为外部负载的自检状态码、er1为燃料电池动力系统的故障状态码（即为电堆的故障状态码）、er2为外部负载的故障状态、soc为充电电池的soc、soc0为启动燃料电池动力系统的soc阈值常量；其中，

23、当st2=0时，代表外部负载未解锁，当st2=1时，代表外部负载已解锁；

24、当cst1=0时，代表燃料电池动力系统自检失败，当cst1=1时，代表燃料电池动力系统自检通过；

25、当cst2=0时，代表外部负载自检失败，当cst2=1时，代表外部负载自检通过；

26、当er1=0时，代表燃料电池动力系统无故障，当er1=1时，代表燃料电池动力系统出现警告故障；当er1=2或3时，代表燃料电池动力系统出现关机故障；

27、当er2=0时，代表外部负载无故障，当er2=1时，代表外部负载出现警告故障；当er2=2或3时，代表外部负载出现关机故障。

28、还需要特别说明的是，首先，当燃料电池动力系统与充电电池相连的控制开关（通常为手动控制空气开关）由断开状态变为闭合后，燃料电池动力系统由下电状态变为上电状态，变为上电状态的燃料电池动力系统并不会立即开始工作，而是需要判断一些参数是否满足使燃料电池动力系统开机的条件，这些参数经过运算处理后就以ems_en这个信号输出开机使能或未使能指令，其中，ems_en这个信号的输出值为布尔值，输出只有0和1两种值状态；0为未使能，即阻止开机；1为使能，执行开机；

29、其次，ems_en这个信号的作用是控制燃料电池动力系统的开、关机，当ems_en=0时，若燃料电池动力系统未启动，则阻止燃料电池动力系统启动，若燃料电池动力系统已处于运行状态，则使燃料电池动力系统执行关机程序；当ems_en=1时，若燃料电池动力系统未启动，则使燃料电池动力系统执行开机程序，若燃料电池动力系统已处于运行状态，则保持燃料电池动力系统继续运行。

30、还需要注意的是，当ems_en=1时只会是燃料电池动力系统由待机状态（也可称为上电关机状态）执行开机程序，并进入到怠速状态（即最小电堆输出功率点），如果ems_pwr的值低于怠速点时电堆的功率输出，则会一直维持在怠速点运行，直到ems_en=0时执行关机程序进行燃料电池动力系统关机，只有当ems_en=1且ems_pwr的值大于怠速点的功率（即最小电堆输出功率点）时，燃料电池动力系统才会进入动态拉载状态并响应ems_pwr的请求值使电堆的输出功率进行相应变化。

31、特别举例来说，当外部负载为无人机时，本方案中ems_en=1的充分不必要条件是无人机已解锁 且soc低于soc0，ems_en=1的充要条件是无人机为解锁状态 且 soc低于soc0且燃料电池动力系统自检通过 且无人机自检通过且无人机故障状态为无故障或仅有警告故障且电堆故障状态为无故障或仅有警告故障；而当负载为其他实例时，ems_en=1的必要条件可设置为负载开机。

32、优选地，基于soc的实时变化情况，并结合燃料电池动力系统的状态以及充电电池母线电压变化δu，来设置请求输出功率设定值ems_pwr。

33、进一步优选地，请求输出功率设定值ems_pwr的计算公式如下：

34、；

35、式中，为上一次计算得出的电堆请求输出功率，属于变量，其单位为kw；为当前计算得出的电堆请求输出功率，即为请求输出功率设定值ems_pwr，属于变量，其单位为kw；pidle为电堆谷值功率，即为燃料电池的功率输出下限；prate为电堆额定功率，属于常量，其单位为kw；ppeak为电堆峰值功率，属于常量，其单位为kw；δp为输出功率增量值，属于常量，其单位为kw；soc为充电电池的soc，属于变量，其单位为%；socultra、socmax、socmin和socmed均属于常量，单位为%，其中，socultra为soc最高阈值，socmax为soc较高阈值，socmed为soc中等阈值，socmin为soc较低阈值；st1为燃料电池动力系统的状态码，属于变量；x1为系统以最小拉载电流i0维持稳定的功率p0（也可称为最小输出功率p0）输出时的状态，属于常量；x2为电堆处于一个输出功率高于p0的运行状态，属于常量（需要特别指出的是，该最小输出功率p0=电堆谷值功率pidle）；δu为充电电池母线电压变化率，单位为v/s，属于变量，即为充电电池母线电压变化；β1和β2分别是指两个不同的母线电压变化量，均属于常量，其单位均为v/s；st2为外部负载的解锁状态码，属于变量；y1为外部负载处于已解锁的状态，属于常量。

36、优选地，还包括如下控制过程：

37、进行请求输出功率控制：根据燃料电池的功率输出上、下限以及燃料电池的当前冷却介质输入温度来对计算得到的电堆请求输出功率进行功率限制；所采用的计算公式如下：

38、；

39、式中，pout为经过水温限制处理后的电堆实际响应的请求输出功率；为经过上下限值处理之后的电堆请求输出功率；为当前计算得出的电堆请求输出功率，即为ems_pwr；ppeak为电堆峰值功率，属于常量，其单位为kw；pidle为电堆谷值功率，即为燃料电池的功率输出下限，属于常量，其单位为kw；p1为限制功率，属于常量，其单位为kw；t为当前冷却介质输入温度，属于变量，单位为℃；t1为冷却介质输入温度限制阈值，属于常量，单位为℃；st1为燃料电池动力系统的状态码，属于变量；x1为系统以最小拉载电流i0维持稳定的功率p0输出时的状态，属于常量；x3为电堆启动dc-dc转化器的状态，即由fcu向dc-dc转化器下发dcdc启动指令的状态，属于常量；x4为电堆收到关机指令的状态，即功率控制使能信号ems_en由值1变为值0的状态，属于常量。

40、优选地，还包括如下控制过程：

41、进行请求功率响应速度处理控制：对完成请求输出功率控制得到的请求输出功率值进行线性变载处理；所采用的计算公式如下：

42、；

43、式中，δpout为输出功率变化值，属于变量,单位为kw/s；δp1为输出功率变化较高阈值，属于常量，单位为kw/s；δp2为输出功率变化较低阈值，属于常量，单位为kw/s；t为当前冷却介质输入温度，属于变量，单位为℃；t2为电堆所需的合适冷却介质输入温度值，属于常量，单位为℃。

44、需要特别说明的是，以上计算公式是根据不同的电堆入堆水温，对电堆响应请求功率设定值的速率进行限制，这样做速率限制的原因是电堆和dcdc（即代表dc-dc转化器，本文简称为:dcdc）本身存在一种物理特性，即电堆的功率输出特性较软，电堆无法实现在瞬间时刻就输出功率达到一个较大的功率设定值，在拉载功率设定值较大时，如果拉载速率过快可能会导致电堆内部的pem膜老化或损伤，进而导致电堆寿命急剧下降，故作速率限制可以在一定程度上保护电堆。对于dcdc来说，由于电堆的输出电流最终流向dcdc的输入端，如果拉载功率过大时，拉载速率过快，则有可能会导致dcdc的输入端电流急剧上升，进而使dcdc内部的一些功率器件发热量急剧升高，严重时会损坏dcdc。

45、另一方面，关于本技术根据电堆的入堆水温来设定不同的拉载速率，其根本原因在于：电堆内部的催化剂的物理特性所决定的，即附着在pem膜上的pt催化剂在不同的温度下具有不同的活性，入堆水温较低时，pt催化剂的活性较低，进而使电堆内部的电化学反应速率较慢，此时若电堆的输出功率过大（输出功率大时，电流也相应较大），则可能导致催化剂出现不可逆损伤（本质是催化剂活性低，化学反应不充分，在大电流的影响下，反应不充分的氧气分子会促使催化剂被氧化）；故在入堆水温较低时，刻意的放慢拉载速率，放慢拉载速率本质就是让输出功率的变化随时间变化的功率值放缓，给电化学反应充分的反应时间。

46、优选地，一种无人机，无人机动力系统采用如上所述燃料电池动力系统的负载响应式自适应控制方法，其中，

47、所述燃料电池系统控制器与无人机双向通信连接；所述燃料电池动力系统优选还包括dc-ac转化器,所述电堆的电能输出端与dc-ac转化器的输入端连接，dc-ac转化器的输出端用于连接其他外部负载。

48、本发明的主要工作原理和优点：

49、首先，本技术提出了能量管理算法（ems），其实现的功能是根据检测到的充电电池母线电压来通过查表算法得出该母线电压下充电电池的soc，然后以此soc为注入量进行功率自适应调节，该功率自适应调节算法遵循的基本原则是：当外部负载（包括直流端和交流端）的消耗功率高于燃料电池的输出功率时，充电电池的母线电压变化呈下降趋势，反之则上升；基于这一基本物理规律，能够实现燃料电池的拉载功率能够随着负载的变化而变化，以达到电堆系统的输出功率自适应调节的作用；

50、优选地，由于本系统采用的充电电池为小容量、高充放电倍率型的锂电池，故能够在不为电堆整体重量和体积增加负担的同时，还能够保证当外部负载发生急剧变化时锂电池能够利用快速充放的特性来缓解燃料电池功率响应曲线较软的现象。

51、需要特别说明的是，本技术全文涉及的各公式中出现的运算符号倒三角“∨”代表“或or”的运算逻辑关系，涉及的各公式中出现的运算符号正三角“∧”代表“与and”的运算逻辑关系；本技术全文涉及的各公式中逗号“，”后出现的内容即为其所在行成立时所需要满足的参数条件；因为这些均属于本领域技术人员的公知常识，为了节约说明篇幅，本技术对于公式中所代表的各种条件内容不做具体展开例举说明。

52、本技术还进一步提出了请求功率ramp算法，其实现的功能是将ems算法模块计算得出的系统请求功率，来根据燃料电池的功率输出上、下限以及燃料电池的当前入堆水温进行进一步功率限制；该算法能够有效防止ems算法计算出来的请求功率超出燃料电池所支持的功率界限，同时还能防止以下现象发生：入堆水温未达到燃料电池的额定运行水温时，因请求功率过大而导致的燃料电池出现堵水或催化剂活性过低，进而导致燃料电池出现电堆单片电压极差过大或电堆单片平均电压过低。

53、本技术还进一步提出了请求功率响应速度处理算法，其实现的功能时将请求功率ramp算法处理之后得出的请求功率值进行线性变载，并设定合理的线性加、减载斜率；此算法能够有效避免燃料电池的请求功率呈阶梯跃变，进而防止因燃料电池的燃料（如为h2）和氧化剂（如为o2）响应滞后性而带来的欠功、阴阳极气体压差失衡甚至失控等现象的发生。本设计采用线性斜率变载算法，可以使燃料电池的在急剧变载工况时（功率突增或突降）的功率响应具备均匀的调节区间与缓冲时间，进而使电堆的功率响应具备稳定性和可靠性。