一种燃料电池系统的环境适应控制方法及装置与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统的环境适应控制方法及装置，属于燃料电池技术领域。


背景技术：

2.目前主要用以下两种方法解决燃料电池系统的环境适应问题：
3.方法1、针对长期在同一城市运行的燃料电池车辆，按当地温度、海拔及气压条件，直接现场标定燃料电池系统的控制参数，完成燃料电池系统在当地环境下的适应控制。但是这种固定的控制参数无法适应不同的海拔和环境温度，当车辆运营线路上海拔、环境温度变化较大时若仍采用固定的控制参数进行燃料电池系统控制，会导致燃料电池性能下降；
4.方法2、在空压机进气前额外增加温度传感器、压力传感器，根据不同海拔造成的不同进气压力，调节空压机转速等参数，完成燃料电池系统在不同环境下的适应控制。虽然该方法能适应不同的海拔，但该方法增加了传感器布置，增加了成本，且传感器易受燃料电池系统布置所处的局部环境影响，可靠性较低。
5.综上所述，目前方法1无法适应车辆运营线路上海拔、温度变化较大的情况，方法2虽然能适应不同的海拔，但增加了传感器布置，成本较高、可靠性较低。
6.另外，目前燃料电池系统的关机吹扫方法均是根据燃料电池系统关机时的环境温度判断是否需要吹扫，当车辆所处的环境温度高低变化剧烈时，可能会出现关机时环境温度较高、开机时环境温度较低的情况，这时若根据关机时的环境温度没有进行吹扫，则可能导致无法正常开机，因此该方法不能适应车辆所处的环境温度高低剧烈变化的情况，环境适应能力差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种燃料电池系统的环境适应控制方法及装置，能够使燃料电池系统的控制参数始终与车辆当前所处的海拔和环境温度相适应，提高燃料电池系统的环境适应性，且无需额外布置传感器，成本较低，可靠性较高。
8.为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统的环境适应控制方法，该方法包括以下步骤：
9.燃料电池系统运行过程中，获取车辆当前需求的燃料电池系统输出功率和车辆当前包含有海拔信息的位置数据，并通过网络获取所述位置数据对应的环境温度；
10.利用预先建立的燃料电池系统输出功率、海拔和燃料电池系统压力控制参数之间的对应关系，获得车辆当前需求的燃料电池系统输出功率和车辆当前所处的海拔对应的最优压力控制参数，所述压力控制参数包括空压机转速和背压阀开度；
11.利用预先建立的燃料电池系统输出功率、环境温度和燃料电池系统温度控制参数之间的对应关系，获得车辆当前需求的燃料电池系统输出功率和车辆当前所处的环境温度
对应的最优温度控制参数，所述温度控制参数包括水泵转速、节温器开度和散热风扇转速；
12.根据所述最优压力控制参数和最优温度控制参数对燃料电池系统进行控制。
13.本发明还提供了一种燃料电池系统的环境适应控制装置，该控制装置包括处理器和存储器，所述处理器执行由所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的燃料电池系统的环境适应控制方法。
14.本发明的有益效果是：(1)通过实时获取车辆所处的海拔和环境温度(即环境参数)，利用预先建立的燃料电池系统输出功率、海拔和燃料电池系统压力控制参数之间的对应关系和燃料电池系统输出功率、环境温度和燃料电池系统温度控制参数之间的对应关系，确定与燃料电池系统所处的环境参数相匹配的最优控制参数(包括最优压力控制参数和最优温度控制参数)，使燃料电池系统的控制参数始终与当前环境参数相匹配，保证燃料电池系统处于最佳输出状态，提升了燃料电池系统的环境适应性；(2)通过获取车辆包含有海拔信息的位置数据来得到车辆所处的海拔，通过网络获取车辆的位置数据对应的环境温度来得到车辆所处的环境温度，不用在车辆上额外布置传感器，成本较低，可靠性较高。
15.进一步地，在上述方法及装置中，该方法还包括燃料电池系统的关机控制步骤，所述关机控制步骤包括：燃料电池系统接收到关机指令后，先判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫，若满足吹扫条件，则先吹扫，吹扫结束后再关机；若不满足吹扫条件，则直接关机；所述满足吹扫条件为：燃料电池系统关机时车辆所处位置未来设定时间段内的最低环境温度t
min
≤0，或者t
min
≤0且燃料电池系统为当天最后一次关机。
16.这样做的有益效果是：利用燃料电池系统关机时车辆所处位置未来设定时间段内的最低环境温度t
min
判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫，与现有技术中利用燃料电池系统关机时车辆所处位置当前的环境温度判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫相比，能适应车辆所处位置的环境温度高低剧烈变化的情况，燃料电池系统的环境适应能力更强。
17.进一步地，在上述方法及装置中，当判定燃料电池系统关机前需要进行吹扫时，利用预先建立的t
min
和吹扫控制参数之间的对应关系，获得t
min
对应的吹扫控制参数，按照该吹扫控制参数进行吹扫；所述吹扫控制参数包括空压机转速、背压阀开度、节温器开度和吹扫时间。
18.这样做的有益效果是：充分考虑到后续启机前，电堆含水量的控制与最低环境温度有直接关系，按t
min
确定关机吹扫的吹扫控制参数，可使燃料电池系统处于最佳启动状态，同时有效提升燃料电池寿命。
附图说明
19.图1本发明装置实施例中燃料电池系统的结构示意图；
20.图2本发明装置实施例中燃料电池系统运行控制的流程图；
21.图3本发明装置实施例中燃料电池系统关机控制的流程图；
22.图中，1-1是水泵，1-2是节温器，1-3是散热风扇，2-1是空压机，2-2是背压阀，3-1是燃料电池系统控制装置。
具体实施方式
23.本发明提供了一种燃料电池系统的环境适应控制方法及装置，能够使燃料电池系统的控制参数始终与车辆当前所处的海拔和环境温度相适应，提高燃料电池系统的环境适应性，且无需额外布置传感器，成本较低，可靠性较高。
24.其中，燃料电池系统为：把燃料(氢气)所具有的化学能在催化剂的作用下通过电化学反应直接转化为电能的装置；燃料电池空气回路的作用是：提供燃料电池系统反应所需的氧(空气)，由空气滤清器、空压机、中冷器、增湿器、压力调节装置(通常为节气门)、消音器、管道等零部件组成氧(空气)供给系统。
25.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。
26.装置实施例：
27.如图1所示，本实施例的燃料电池系统包括：
28.水泵1-1，用于提供冷却液流动动力，反馈运行转速nw；
29.节温器1-2，用于实现大小循环的变化，与散热风扇一起实现电堆温度的控制，反馈运行开度kw；
30.散热风扇1-3，用于将电堆产生的热量散发到环境中，反馈运行转速nf；
31.空压机2-1，用于提供空气动力，提供燃料电池系统反应所需空气，反馈运行转速n
ac
；
32.背压阀2-2，用于通过控制调节背压来调节电堆空气入口压力，反馈运行开度ka；背压阀可以是节气门或者其他类型的阀门；
33.燃料电池系统控制装置3-1，可以通过传感器、其他零部件反馈进行信号的采集、控制算法的运算和将控制指令下发给响应执行器的装置，用于控制燃料电池系统的运行，并能实现一种燃料电池系统的环境适应控制方法，具有根据该控制方法的运行结果修改燃料电池系统控制参数(包括燃料电池系统压力控制参数(空压机转速、背压阀开度)和燃料电池系统温度控制参数(水泵转速、节温器开度、散热风扇转速))的能力。
34.考虑到燃料电池系统运行时需要不同的控制参数来适应海拔变化和环境温度变化、燃料电池系统关机时需要不同的吹扫控制参数来适应环境温度变化，本实施例的燃料电池系统的环境适应控制方法包括燃料电池系统运行控制(见图2)和燃料电池系统关机控制(见图3)两大部分。
35.如图2所示，燃料电池系统运行控制的具体步骤如下：
36.s1：燃料电池系统运行过程中，获取车辆当前需求的燃料电池系统输出功率w、车辆当前包含有海拔信息的位置数据、燃料电池系统当前的控制参数(包括压力控制参数i0和温度控制参数z0)；
37.s2：从车辆当前的位置数据中获取车辆当前所处的海拔h，并通过网络获取车辆当前位置数据对应的环境温度t(即车辆当前所处的环境温度t)；
38.s3：利用预先建立的燃料电池系统输出功率、海拔和燃料电池系统压力控制参数之间的对应关系(以下简称功率-海拔-i
x
对应关系)，获得车辆当前需求的燃料电池系统输出功率w和车辆当前所处的海拔h对应的最优压力控制参数i
x
；
39.利用预先建立的燃料电池系统输出功率、环境温度和燃料电池系统温度控制参数
之间的对应关系(以下简称功率-温度-z
x
对应关系)，获得车辆当前需求的燃料电池系统输出功率w和车辆当前所处的环境温度t对应的最优温度控制参数z
x
；
40.s4：根据最优压力控制参数i
x
和最优温度控制参数z
x
对燃料电池系统进行控制，从而实现燃料电池系统运行中的环境适应控制，具体包括：
41.当i0＝i
x
且z0＝z
x
时，不做处理，回到s1周期性检测；
42.当i0≠i
x
但z0＝z
x
时，将燃料电池系统的压力控制参数修改为最优压力控制参数i
x
，回到s1周期性检测；
43.当i0＝i
x
但z0≠z
x
时，将燃料电池系统的温度控制参数修改为最优温度控制参数z
x
，回到s1周期性检测；
44.当i0≠i
x
且z0≠z
x
时，将燃料电池系统的压力控制参数修改为最优压力控制参数i
x
、并将燃料电池系统的温度控制参数修改为最优温度控制参数z
x
，回到s1周期性检测；
45.其中，上述功率-海拔-i
x
对应关系和功率-温度-z
x
对应关系通过燃料电池系统环境实验测试标定，燃料电池系统环境实验可以在燃料电池系统环境舱中进行，以测试标定功率-温度-z
x
对应关系为例，标定时所有温度控制参数一起标定，即一组功率 温度对应一组最优的温度控制参数；在实际应用中，这两种对应关系可以以表格的形式呈现，也可以以数组或链表等形式呈现；另外，这两种对应关系中的各参数可以是具体数值的形式，也可以是数值范围的形式，例如功率-海拔-i
x
对应关系中的海拔参数可以是具体的海拔值，也可以是海拔范围[hn，h
n 1
]；功率-温度-z
x
对应关系中的环境温度参数可以是具体的温度值，也可以是温度范围[t
x
，t
x 1
]。
[0046]
本实施例中，上述燃料电池系统的运行控制过程由燃料电池系统控制器(fcu)和远程数据中心协同实现，其中，由fcu获取车辆当前需求的燃料电池系统输出功率w、车辆当前包含有海拔信息的位置数据和燃料电池系统当前的控制参数，并发送给远程数据中心；由远程数据中心通过网络获取车辆当前所处的环境温度、计算最优压力控制参数和最优温度控制参数，并将最优控制参数发送给fcu；由fcu实现逻辑判断和控制参数修改。作为其他实施方式，上述燃料电池系统的运行控制过程还可以全部由fcu实现，或全部由远程数据中心实现。
[0047]
如图3所示，燃料电池系统关机控制的具体步骤如下：
[0048]
s1：燃料电池系统接收到关机指令；
[0049]
s2：获取燃料电池系统关机时车辆所处的位置；
[0050]
s3：根据燃料电池系统关机时车辆所处的位置，通过网络获取该位置当前的环境温度以及该位置未来设定时间段内(例如未来24小时)的最低环境温度t
min
；
[0051]
s4：判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫，具体如下：
[0052]
当t
min
＞0时，判定燃料电池系统关机前不需要进行吹扫，直接关机；
[0053]
当t
min
≤0但燃料电池系统不是当天最后一次关机时，判定燃料电池系统关机前不需要进行吹扫，直接关机；
[0054]
当t
min
≤0时且燃料电池系统为当天最后一次关机时，判定燃料电池系统关机前需要进行吹扫，吹扫结束后再关机；
[0055]
其中，通过在收到车辆停车及燃料电池系统关机指令时向司机询问是否为当天最后一次停车来判断燃料电池系统是否为当天最后一次关机，若车辆是当天最后一次停车
(即车辆当天运营结束)，则燃料电池系统是最后一次关机。
[0056]
s5：当判定燃料电池系统关机前需要进行吹扫时，利用预先建立的t
min
和吹扫控制参数之间的对应关系，获得t
min
对应的吹扫控制参数，按照该吹扫控制参数进行吹扫。
[0057]
其中，吹扫控制参数包括空压机转速(用以调节空气流量)、背压阀开度(用以调节空气压力)、节温器开度(用于调节冷却液温度)和吹扫时间；t
min
和吹扫控制参数之间的对应关系通过燃料电池系统低温环境实验建立。作为其他实施方式，判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫时，还可以仅对t
min
是否小于0进行判断，当t
min
≤0时就判定燃料电池系统关机前需要进行吹扫。
[0058]
本实施例中，上述燃料电池系统的停机控制过程由fcu和远程数据中心协同实现，其中，由fcu获取燃料电池系统关机时车辆所处的位置，并发送给远程数据中心；由远程数据中心通过网络获取燃料电池系统关机时车辆所处位置当前的环境温度以及该位置未来设定时间段内的最低环境温度t
min
，并将t
min
发送给fcu；由fcu实现逻辑判断和吹扫控制。作为其他实施方式，上述燃料电池系统的停机控制过程还可以全部由fcu实现，或全部由远程数据中心实现。
[0059]
本实施例的燃料电池系统的环境适应控制方法具有以下优点：
[0060]
(1)通过获取车辆包含有海拔信息的位置数据来得到车辆所处的海拔，通过网络获取车辆的位置数据对应的环境温度来得到车辆所处的环境温度，不用在车辆上额外布置传感器，成本较低，可靠性较高；
[0061]
(2)通过实时获取车辆所处的海拔和环境温度(即环境参数)，利用预先建立的功率-海拔-i
x
对应关系和功率-温度-z
x
对应关系确定与燃料电池系统所处的环境参数相匹配的最优控制参数(包括最优压力控制参数和最优温度控制参数)，使燃料电池系统的控制参数始终与当前环境参数相匹配，保证燃料电池系统处于最佳输出状态，提升了燃料电池系统的环境适应性；
[0062]
(3)利用燃料电池系统关机时车辆所处位置未来设定时间段内的最低环境温度t
min
判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫，与现有技术中利用燃料电池系统关机时车辆所处位置当前的环境温度判断燃料电池系统关机前是否需要进行吹扫相比，能适应车辆所处位置的环境温度高低剧烈变化的情况，燃料电池系统的环境适应能力更强；
[0063]
(4)充分考虑到后续启机前，电堆含水量的控制与最低环境温度有直接关系，本实施例按t
min
确定关机吹扫的吹扫控制参数，可使燃料电池系统处于最佳启动状态，同时有效提升燃料电池寿命。
[0064]
本实施例中将燃料电池系统控制器作为燃料电池系统的环境适应控制装置，利用燃料电池系统控制器实现燃料电池系统的环境适应控制方法；作为其他实施方式，还可以单独设置一个燃料电池系统的环境适应控制装置，利用该控制装置实现燃料电池系统的环境适应控制方法，只要该控制装置包括处理器、存储器，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现燃料电池系统的环境适应控制方法即可。
[0065]
其中，处理器是指微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置。
[0066]
存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器，ram、rom等；利
用磁能方式存储信息的的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、u盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，cd或dvd。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。
[0067]
通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的装置，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、ios系统等。
[0068]
方法实施例：
[0069]
本实施例的燃料电池系统的环境适应控制方法与装置实施例中的燃料电池系统的环境适应控制方法相同，此处不再赘述。