一种燃料电池以及控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池以及控制方法。

背景技术

燃料电池系统采用氢气和空气作为供能材料，通过控制电化学反应的流量和压力，来实现膜电极的不同的电流密度。因此，在电控方面，对氢气和空气的压力控制要求非常严格。而气体压力又是一个非常敏感的物理量，因此现在的燃料电池控制器控制程序，为了保证运行精度，将所有的程序都放在一个指定较短的运行周期内。在这个的运行周期内，FCU需要依次执行程序应用层、算法层、驱动层以及硬线信号与总线信号的处理。

现有技术主要考虑的是系统的运行精度，将燃料电池从电控角度看作了一个系统。但其实把燃料电池放在控制系统中来看，空气解耦系统、氢喷引射系统、冷却系统和电气系统是四个相对独立且有着不同控制特征的系统，将燃料电池控制系统放在指定执行周期内作为一个整体去执行，在一定程度上造成了FCU内存的浪费和程序执行的冗杂度。在燃料电池控制系统策略增加到一定规模时，由于代码过多，就会造成执行过程中一旦单个任务执行时间超过指定周期，就会有部分代码未被执行或跳过一个10ms的执行周期。这样程序执行的精度和稳定性都不能保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种将空气解耦系统、氢喷引射系、冷却系统和电气系统进行分类独立，将各零部件控制程序特征化并进行优先级排序以满足需要的燃料电池以及控制方法。

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，包括氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统以及控制器；

所述氢喷引射系统包括氢气压力信号和氢气喷射信号，并将氢气压力信号和氢气喷射信号传输至控制器内；

所述空气解耦系统包括空气压力信号，并将空气压力信号传输至控制器内；

所述冷却系统包括温度变化信号，并将温度信号传输至控制器内；

所述电气系统包括DC模块，所述DC模块产生的DC信号传输至控制器内；

所述控制器将氢气压力信号和氢气喷射信号设置为第一优先级，将空气压力信号设置为第二优先级，将温度信号设置为第三优先级，将DC信号设置为第四优先级，并依照优先级顺序进行对应程序执行。

优选地，所述氢喷引射系统包括氢喷射器和氢气压力传感器，所述氢喷射器包括电磁阀，所述电磁阀的工作周期为20Hz-90Hz，所述电磁阀产生的信号为氢气喷射信号；

所述氢气压力传感器产生的信号为氢气压力传感器。

优选地，所述空气解耦系统包括空气压力传感器，所述空气压力传感器产生的型号为空气压力信号。

优选地，所述冷却系统包括温度传感器，所述温度传感器产生的信号为温度变化信号。

优选地，所述燃料电池还包括独立的计时器，所述控制器与计时器电性连接。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：

一种燃料电池控制方法，包括

对燃料电池的控制程序进行模块化处理，将每个零部件控制模型的输入输出都改为全局变量，并通过全局变量进行信息传递；

将燃料电池的各个系统以及对应的零部件分别形成独立的控制模块，每个独立的控制模块实现单独独立提取后将燃料电池划分出氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统；

将氢喷引射系统产生的氢气压力信号和氢气喷射信号第一优先级处理；将空气解耦系统产生的空气压力信号第二优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将电气系统产生的DC信号第四优先级处理。

优选地，所述对燃料电池的控制程序进行模块化处理进一步包括：采用Simulink对燃料电池的控制程序进行模块化处理。

优选地，所述Simulink采用Data Store Read和Data StoreWrite两个模型对燃料电池的控制程序进行模块化处理。

优选地，所述方法还包括独立的计时程序，所述计时程序通过计时器实现，所述计时器每500us自动+1，当运行至20的倍数时，Eventflag_10ms会被置1，当运行至40的倍数时Eventflag_20ms会被置1，当运行至100的倍数时，Eventflag_50ms会被置1；

在每个运行周期节点开始的时刻计算Flag的程序会以极短的时间优先执行，将本周期内需要执行的程序Flag置1，并按执行周期从短到长的时序依次执行。

优选地，所述电气模块还包括状态机策略层；所述方法还包括应用层与CAN通讯模块的通信；

所述氢气压力信号和氢气喷射信号对的氢气喷射控制程序和压力传感器驱动程序放入10ms周期的任务中；所述空气压力信号对应的空气供给算法放入20ms周期的任务中；所述冷却系统的温度变化信号对应的程序、电气系统的DC型号和状态机策略放入50ms周期的任务中，将应用层与CAN通讯模块放入50ms周期的任务中。

本发明的有益效果在于：通过氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统四个系统相互独立形成四个独立的模块，产生的信号独立输送至控制器内进行处理，通过优先级的排序，将FCU需要执行的程序分为4个优先级去运算，满足不同程序的响应速率要求，然后配合任务调度的策略，就可以达到优化FCU运行的目的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的一种燃料电池系统框图；

图2为本发明具体实施方式的一种燃料电池控制方法的执行周期的示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1以及图2，一种燃料电池，包括氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统以及控制器；

所述氢喷引射系统包括氢气压力信号和氢气喷射信号，并将氢气压力信号和氢气喷射信号传输至控制器内；

所述空气解耦系统包括空气压力信号，并将空气压力信号传输至控制器内；

所述冷却系统包括温度变化信号，并将温度信号传输至控制器内；

所述电气系统包括DC模块，所述DC模块产生的DC信号传输至控制器内；

所述控制器将氢气压力信号和氢气喷射信号设置为第一优先级，将空气压力信号设置为第二优先级，将温度信号设置为第三优先级，将DC信号设置为第四优先级，并依照优先级顺序进行对应程序执行。

从上述描述可知，通过氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统四个系统相互独立形成四个独立的模块，产生的信号独立输送至控制器内进行处理，通过优先级的排序，将FCU需要执行的程序分为4个优先级去运算，满足不同程序的响应速率要求，然后配合任务调度的策略，就可以达到优化FCU运行的目的。

进一步的，所述氢喷引射系统包括氢喷射器和氢气压力传感器，所述氢喷射器包括电磁阀，所述电磁阀的工作周期为20Hz-90Hz，所述电磁阀产生的信号为氢气喷射信号；

所述氢气压力传感器产生的信号为氢气压力传感器。

进一步的，所述空气解耦系统包括空气压力传感器，所述空气压力传感器产生的型号为空气压力信号。

进一步的，所述冷却系统包括温度传感器，所述温度传感器产生的信号为温度变化信号。

进一步的，所述燃料电池还包括独立的计时器，所述控制器与计时器电性连接。

一种燃料电池控制方法，包括

对燃料电池的控制程序进行模块化处理，将每个零部件控制模型的输入输出都改为全局变量，并通过全局变量进行信息传递；

将燃料电池的各个系统以及对应的零部件分别形成独立的控制模块，每个独立的控制模块实现单独独立提取后将燃料电池划分出氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统；

将氢喷引射系统产生的氢气压力信号和氢气喷射信号第一优先级处理；将空气解耦系统产生的空气压力信号第二优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将电气系统产生的DC信号第四优先级处理。

从上述描述可知，燃料电池模块化后的系统架构及执行时序方法，通过将一套燃料电池不同部件的物理特征进行分类并实现模块化，将不同模块依据物理特征的灵敏度放入到不同的执行时序中，达到的优化程序执行效率和FCU内存运行速度的方法及评价。

进一步的，所述对燃料电池的控制程序进行模块化处理进一步包括：采用Simulink对燃料电池的控制程序进行模块化处理。

进一步的，所述Simulink采用Data Store Read和Data Store Write两个模型对燃料电池的控制程序进行模块化处理。

进一步的，所述方法还包括独立的计时程序，所述计时程序通过计时器实现，所述计时器每500us自动+1，当运行至20的倍数时，Eventflag_10ms会被置1，当运行至40的倍数时Eventflag_20ms会被置1，当运行至100的倍数时，Eventflag_50ms会被置1；

在每个运行周期节点开始的时刻计算Flag的程序会以极短的时间优先执行，将本周期内需要执行的程序Flag置1，并按执行周期从短到长的时序依次执行。

进一步的，所述电气模块还包括状态机策略层；所述方法还包括应用层与CAN通讯模块的通信；

所述氢气压力信号和氢气喷射信号对的氢气喷射控制程序和压力传感器驱动程序放入10ms周期的任务中；所述空气压力信号对应的空气供给算法放入20ms周期的任务中；所述冷却系统的温度变化信号对应的程序、电气系统的DC型号和状态机策略放入50ms周期的任务中，将应用层与CAN通讯模块放入50ms周期的任务中。

从上述描述可知，这样的任务调度方式既保证了氢喷算法和压力传感器的运算精度，又保证了氢、空、冷却三个子系统分时序的配合，避免了因为单个任务代码过长，导致部分任务丢失的问题。

实施例一

参照图1(部分内容与实施例一对应，即图1是一个参照)，一种燃料电池，包括氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统以及控制器；

所述氢喷引射系统包括氢气压力信号和氢气喷射信号，并将氢气压力信号和氢气喷射信号传输至控制器内；

所述空气解耦系统包括空气压力信号，并将空气压力信号传输至控制器内；

所述冷却系统包括温度变化信号，并将温度信号传输至控制器内；

所述电气系统包括DC模块，所述DC模块产生的DC信号传输至控制器内；

所述控制器将氢气压力信号和氢气喷射信号设置为第一优先级，将空气压力信号设置为第二优先级，将温度信号设置为第三优先级，将DC信号设置为第四优先级，并依照优先级顺序进行对应程序执行。

所述氢喷引射系统包括氢喷射器和氢气压力传感器，所述氢喷射器包括电磁阀，所述电磁阀的工作周期为20Hz-90Hz，所述电磁阀产生的信号为氢气喷射信号；

所述氢气压力传感器产生的信号为氢气压力传感器。

所述空气解耦系统包括空气压力传感器，所述空气压力传感器产生的型号为空气压力信号。

所述冷却系统包括温度传感器，所述温度传感器产生的信号为温度变化信号。

所述燃料电池还包括独立的计时器，所述控制器与计时器电性连接。

实施例二

一种燃料电池控制方法，包括

在做燃料电池任务调度之前，我们首先要对燃料电池的控制程序进行模块化处理。这个处理过程在Simulink中完成，对simulink的程序进行模块化打包，需要将每个零部件控制模型的输入输出都改为全局变量，这样每个模块都可以独立起来，并通过全局变量进行信息传递。具体方式可以采用Simulink的Data Store Read和Data Store Write两个模型；将燃料电池控制系统模块化以后，我们可以将控制系统的程序按图1的架构进行分解。

将燃料电池的各个系统以及对应的零部件分别形成独立的控制模块，每个独立的控制模块实现单独独立提取后将燃料电池划分出氢喷引射系统、空气解耦系统、冷却系统、电气系统；

将氢喷引射系统产生的氢气压力信号和氢气喷射信号第一优先级处理；将空气解耦系统产生的空气压力信号第二优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将冷却系统产生的温度变化信号第三优先级处理；将电气系统产生的DC信号第四优先级处理。

对于燃料电池来说，由于氢气供给系统的高压，导致氢气喷射压力具备非常高的敏感性，氢气喷射电磁阀的工作周期在20Hz-90Hz之间。因此氢气压力信号的采集和氢气喷射的计算都应放在最高的程序执行优先级中。空气供给系统中，受空压机和节气门自身响应速度的影响，空气压力算法相关模块的执行优先级可放在第二优先级的位置，将空气压力传感器采集放在程序执行的第二优先级。而冷却系统中，由于温度的响应和变化速率都远远低于气体压力的变化，可以将冷却系统整体都放在第三优先级。DC与应用层由于涉及到与整车的交互过程，不需要极高的毫秒级精度，可放在程序执行第四优先级。

这样，将FCU需要执行的程序分为4个优先级去运算，然后配合任务调度的策略，就可以达到优化FCU运行的目的。

燃料电池控制器程序任务调度的策略：

首先，需要提出的一个概念是燃料电池控制器底层程序在执行时有一个最基础的程序执行周期，这个执行周期是FCU芯片能支持的最小执行周期。

假设：本文描述的控制器的最小执行周期为10ms，我们现在的燃料电池控制程序大多都是在这个执行周期下运行。随着控制策略的增多，程序的代码量也在增加，单独的10ms执行周期，逐渐不能满足燃料电池控制系统的需求。

针对燃料电池系统，控制工程师可通过编写程序的执行代码来实现程序在不同周期内执行，比如10ms，20ms，50ms等。将燃料电池子系统进行模块化处理，并放到不同执行周期内去运行，可以有效提高效率。在系统中有一个最基础的计时器Counter，这个计时器的程序独立于用户的执行程序，对于执行周期的具体实现方法如图2；

在程序执行过程中，计时器Counter每500us会自动+1，当程序Counter运行至20的倍数时，Eventflag_10ms会被置1(10ms周期)，当Counter运行至40的倍数时Eventflag_20ms会被置1(20ms周期)，当Counter运行至100的倍数时，Eventflag_50ms会被置1(50ms周期)。在每个运行周期节点开始的时刻计算Flag的程序会以极短的时间优先执行，将本周期内需要执行的程序Flag置1，然后按执行周期从短到长的时序依次执行。

在这个时序执行系统中，我们将燃料电池的氢气喷射控制程序和压力传感器驱动程序放入10ms周期的任务中，空气供给算法放入20ms周期的任务中，冷却系统、DC和状态机策略放入50ms周期的任务中，将应用层与CAN通讯模块放入50ms周期的任务中。

这样的任务调度方式既保证了氢喷算法和压力传感器的运算精度，又保证了氢、空、冷却三个子系统分时序的配合，避免了因为单个任务代码过长，导致部分任务丢失的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。