高适应性燃料电池热管理控制方法及系统

技术领域

本发明涉及燃料电池的散热控制技术领域，具体地涉及一种高适应性燃料电池热管理控制方法及系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能转化为电能的发电装置，其在工作过程中，燃料中的化学能约有40％～60％可以转换为电能，其余的绝大多数能量会转换为热能。其中只有约5％的热能随排气排出电堆，而95％的热量依赖于需要依靠冷却介质散热。目前运用较多的质子交换膜燃料电池的适宜工作温度为60℃～80℃，温度过高将导致质子交换膜发生不同程度脱水现象，致使膜内质子传导受阻，电池欧姆损耗增大，极端情况下交换膜甚至可能干涸破裂产生不可恢复性损坏，两极反应气体直接接触造成安全事故，若电池实际工作温度低于电化学反应催化剂活性温度，将不能最大程度发挥催化剂效用，使得电池输出功率降低，合理的热管理不仅能提高电堆的发电效率，维持燃料电池状态健康。

目前，建模仿真是研究燃料电池温度控制的重要方法，深入研究燃料电池冷却系统的运行机理，建立燃料电池的仿真模型可以更好地研究燃料电池冷却系统输出特性和性能，方便开展冷却系统控制管理工作。如公布号：CN111403779A的发明专利提出一种模型参考的自适应控制方法根据燃料电池热管理系统动态模型，完成被控对象多变量线性状态空间模型，在考虑外部温度和负载动态干扰的情况下，空间模型的参考自适应控制系统通过控制冷却液质量流量和旁通阀开启系数，对电堆温度和冷却液入口温度进行有效控制。但状态空间模型依赖于物理模型结构以及人工参数的标定，不利于燃料电池系统市场推广和普及。Yangjun等人分别构建了水泵、燃料电池电堆、风扇、冷却水管路等模块，进行拼接搭建了燃料电池冷却系统的模型，验证了冷却系统模型的性能。J.C.Amphlett等人采用能量守恒的方法搭建了燃料电池热管理系统模型，并与前人搭建的模型融合，建立了燃料电池稳态整体动力学模型，之后邓宇翔、浦及等人均使用能量守恒的方法搭建了燃料电池冷却系统模型，并进行了热管理控制策略的开发工作，但两人的研究均存在一定的不足，邓宇翔的模型假设入口水温恒定，浦及忽略了辐射散热等，这些假设上的不足可能使模型计算结果存在一定的误差。综上所述，通过一些合理地假设，可以使用一些清晰易懂的数学表达式解释冷却系统的运行机理，指导搭建仿真模型，获得较好的预测效果。

由于燃料电池热管理系统具有高度的非线性，在控制过程中受到环境温度、工况瞬变等的影响，因此系统温度的控制容易出现迟滞、超调等现象。由于PID控制算法简单、可靠性高、无需了解受控对象的详细模型，因此在大多数工业控制中得到了广泛应用，但PID控制参数面对复杂系统时难以整定，一旦实验条件发生变化则需要重新调整，适应性不强。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种高适应性燃料电池热管理控制方法及系统，该控制方法及系统能够提高燃料电池热管理的控制效率。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种高适应性燃料电池热管理控制方法，包括：

获取当前的动力电池散热需求；

确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；

在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；

获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；

采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；

根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。

可选地，采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号包括：

依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；

对所述目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；

采用模糊判断方法依据模糊化处理后的所述目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出所述第二控制信号。

可选地，依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率包括：

根据公式(1)计算所述目标温度偏差，

e＝ΔT＝T

其中，e为所述目标温度偏差，T

可选地，所述散热模式包括加热模式；

所述控制方法包括：

在所述动力电池的散热模式为加热模式的情况下，控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。

可选地，所述散热模式包括强制冷却模式；

所述控制方法包括：

在所述动力电池的散热模式为强制冷却模式的情况下，控制PTC加热器关闭，调节所述风扇和冷却水泵至最大转速。

另一方面，本发明还提供一种高适应性燃料电池热管理控制系统，所述控制系统包括：

冷却水泵，用于启动以对燃料电池进行水循环散热；

风扇，用于启动以对所述燃料电池、冷却水进行风冷散热；

控制器，与所述冷却水泵、风扇连接，用于：

获取当前的动力电池散热需求；

确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；

在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；

获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；

采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；

根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。

可选地，所述控制器用于：

依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；

对所述目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；

采用模糊判断方法依据模糊化处理后的所述目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出所述第二控制信号。

可选地，所述控制器用于包括：

根据公式(1)计算所述目标温度偏差，

e＝ΔT＝T

其中，e为所述目标温度偏差，T

可选地，所述散热模式包括加热模式；

所述控制器用于：

在所述动力电池的散热模式为加热模式的情况下，控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。

可选地，所述散热模式包括强制冷却模式；

所述控制器用于：

在所述动力电池的散热模式为强制冷却模式的情况下，控制PTC加热器关闭，调节所述风扇和冷却水泵至最大转速。

通过上述技术方案，本发明提供的高适应性燃料电池热管理控制方法及系统通过引入MAP控制器对动力电池散热需求进行计算，引入模糊控制器对冷却水出口目标温度和冷却水出口温度进行处理，并将两者输出的控制信号进行叠加，使得计算出的冷却水泵和风扇转速能够抑制环境温度变化和系统瞬变带来的扰动和控制偏差，提高控制系统的控制精度和鲁棒性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的在自循环模式下的控制框图；

图3是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的在自循环模式下的流程图；

图4是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的在加热模式/强制冷却模式下的控制框图；

图5是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制系统的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的流程图。在该图1中，该控制方法可以包括：

在步骤S10中，获取当前的动力电池散热需求；

在步骤S11中，确定动力电池的散热模式，其中，散热模式包括自循环模式；

在步骤S12中，在散热模式为自循环模式的情况下，根据散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；

在步骤S13中，获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；

在步骤S14中，采用模糊控制器根据冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；

在步骤S15中，根据第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。

在该如图1所示出的方法中，步骤S10可以用于获取动力电池散热需求，从而便于后续针对该动力电池散热需求计算出对应的散热方案。

步骤S11可以用于确定电池的散热模式，从而便于在计算散热计算的同时，增加对电池当前所处状态的参考。动力电池本身所处的模式在本发明的一个实施方式中可以分为三种：自循环模式、加热模式以及强制冷却模式。其中，自循环模式可以是表示动力电池的常规工作状态。

具体地，在确定该动力电池处于自循环模式的情况下，步骤S12可以用于根据动力电池的散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号，而步骤S13和步骤S14则可以是通过模糊控制器对冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度进行处理，得到第二控制信号，最后通过步骤S15将两个控制信号进行叠加，从而得到当前需要控制的冷却水泵转速以及风扇转速。

步骤S12至步骤S15的控制框图可以是如图2所示，模糊控制器的方法步骤则可以是如图3所示。在该图3中，该模糊控制器的方法步骤可以包括：

在步骤S20中，依据冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；

在步骤S21中，对目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；

在步骤S22中，采用模糊判断方法依据模糊化处理后的目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出第二控制信号。

在该图2和图3中，MAP控制器(前馈MAP控制器)可以是根据实验标定的MAP图和散热需求得到对应的控制信号，即第一控制信号。但是，由于MAP控制器属于开环控制，即单向控制。该MAP控制器是根据扰动(外部输入)进行补偿的，所以前馈控制只能够克服这一单一扰动对系统响应，对于系统存在的其他扰动就起不到作用。因此，为了更好的控制燃料电池系统温度，将前馈控制(即MAP控制器)和反馈控制(模糊控制)结合起来，搭建前馈反馈控制系统，即：前馈+模糊控制(反馈控制采用的是模糊控制器)。

在该图2和图3中，模糊控制的核心为模糊控制器，能够很好地适应环境温度变化和工况变化造成的扰动。模糊控制器主要由四部分组成，即：模糊控制器输入、模糊化步骤、去模糊化步骤和模糊推断。其中，模糊控制由冷却水出口温度与参考温度偏差E，冷却水出口温度与参考温度偏差变化率EC作为输入，经过模糊控制器模糊化、模糊推理、去模糊化后，输出水泵转速和风扇转速的修正量，与前馈控制器共同组成水泵转速和风扇转速的控制输出。该模糊控制器的模糊控制规则可以是如表1所示：

表1

通过上述表1中所示出的模糊控制规则，可以根据模糊语言变量(E和EC)和模糊规则，得到模糊修正量输出NO。在本发明的一个示例中，将以EC和E均为负大和正大为例。当EC为负大时，表示冷却水出口温度在降低，且降低速率为快速，同时E为负大，表示冷却水出口温度低于目标温度，且差值很大，因此将输出的水泵转速和风扇转速的修正量为负大，以此降低散热量，降低冷却水流量，提高冷却水出口温度；当EC为正大时，表示冷却水出口温度在升高，且降低速率为快速，同时E为正大，表示冷却水出口温度高于目标温度，且差值很大，因此将输出的水泵转速和风扇转速的修正量为正大，以此增加散热量，增加冷却水流量，降低冷却水出口温度，实现冷却水出口温度的精确控制。

对于该目标温度偏差的计算方式，则可以是采用公式(1)来计算，

e＝ΔT＝T

其中，e为目标温度偏差，T

此外，对于加热模式和强制冷却模式，则是相对极端的两种模式。具体地，在处于加热模式的情况下，此时控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。而在处于强制冷却模式的情况下，此时则可以控制PTC加热器关闭，调节风扇和冷却水泵至最大转速。其控制逻辑框图可以是如图4所示。

另一方面，本发明还提供一种高适应性燃料电池热管理控制系统，该控制系统的结构框图可以是如图5所示。在该图5中，该控制系统可以包括冷却水泵1、风扇2以及控制器3。其中，冷却水泵1可以用于启动以对燃料电池(动力电池)进行水循环散热；。风扇2可以用于启动以对燃料电池、冷却水进行风冷散热。而控制器3则可以与冷却水泵1、风扇连接2，用于执行如图1至图4中所示出的控制方法。具体地，如图1所示是根据本发明的一个实施方式的高适应性燃料电池热管理控制方法的流程图。在该图1中，该控制方法可以包括：

在步骤S10中，获取当前的动力电池散热需求；

在步骤S11中，确定动力电池的散热模式，其中，散热模式包括自循环模式；

在步骤S12中，在散热模式为自循环模式的情况下，根据散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；

在步骤S13中，获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；

在步骤S14中，采用模糊控制器根据冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；

在步骤S15中，根据第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。

在该如图1所示出的方法中，步骤S10可以用于获取动力电池散热需求，从而便于后续针对该动力电池散热需求计算出对应的散热方案。

步骤S11可以用于确定电池的散热模式，从而便于在计算散热计算的同时，增加对电池当前所处状态的参考。动力电池本身所处的模式在本发明的一个实施方式中可以分为三种：自循环模式、加热模式以及强制冷却模式。其中，自循环模式可以是表示动力电池的常规工作状态。

具体地，在确定该动力电池处于自循环模式的情况下，步骤S12可以用于根据动力电池的散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号，而步骤S13和步骤S14则可以是通过模糊控制器对冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度进行处理，得到第二控制信号，最后通过步骤S15将两个控制信号进行叠加，从而得到当前需要控制的冷却水泵转速以及风扇转速。

步骤S12至步骤S15的控制框图可以是如图2所示，模糊控制器的方法步骤则可以是如图3所示。在该图3中，该模糊控制器的方法步骤可以包括：

在步骤S20中，依据冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；

在步骤S21中，对目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；

在步骤S22中，采用模糊判断方法依据模糊化处理后的目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出第二控制信号。

在该图2和图3中，MAP控制器(前馈MAP控制器)可以是根据实验标定的MAP图和散热需求得到对应的控制信号，即第一控制信号。但是，由于MAP控制器属于开环控制，即单向控制。该MAP控制器是根据扰动(外部输入)进行补偿的，所以前馈控制只能够克服这一单一扰动对系统响应，对于系统存在的其他扰动就起不到作用。因此，为了更好的控制燃料电池系统温度，将前馈控制(即MAP控制器)和反馈控制(模糊控制)结合起来，搭建前馈反馈控制系统，即：前馈+模糊控制(反馈控制采用的是模糊控制器)。

在该图2和图3中，模糊控制的核心为模糊控制器，能够很好地适应环境温度变化和工况变化造成的扰动。模糊控制器主要由四部分组成，即：模糊控制器输入、模糊化步骤、去模糊化步骤和模糊推断。其中，模糊控制由冷却水出口温度与参考温度偏差E，冷却水出口温度与参考温度偏差变化率EC作为输入，经过模糊控制器模糊化、模糊推理、去模糊化后，输出水泵转速和风扇转速的修正量，与前馈控制器共同组成水泵转速和风扇转速的控制输出。该模糊控制器的模糊控制规则可以是如表1所示：

表1

通过上述表1中所示出的模糊控制规则，可以根据模糊语言变量(E和EC)和模糊规则，得到模糊修正量输出NO。在本发明的一个示例中，将以EC和E均为负大和正大为例。当EC为负大时，表示冷却水出口温度在降低，且降低速率为快速，同时E为负大，表示冷却水出口温度低于目标温度，且差值很大，因此将输出的水泵转速和风扇转速的修正量为负大，以此降低散热量，降低冷却水流量，提高冷却水出口温度；当EC为正大时，表示冷却水出口温度在升高，且降低速率为快速，同时E为正大，表示冷却水出口温度高于目标温度，且差值很大，因此将输出的水泵转速和风扇转速的修正量为正大，以此增加散热量，增加冷却水流量，降低冷却水出口温度，实现冷却水出口温度的精确控制。

对于该目标温度偏差的计算方式，则可以是采用公式(1)来计算，

e＝ΔT＝T

其中，e为目标温度偏差，T

此外，对于加热模式和强制冷却模式，则是相对极端的两种模式。具体地，在处于加热模式的情况下，此时控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。而在处于强制冷却模式的情况下，此时则可以控制PTC加热器关闭，调节风扇和冷却水泵至最大转速。其控制逻辑框图可以是如图4所示。

通过上述技术方案，本发明提供的高适应性燃料电池热管理控制方法及系统通过引入MAP控制器对动力电池散热需求进行计算，引入模糊控制器对冷却水出口目标温度和冷却水出口温度进行处理，并将两者输出的控制信号进行叠加，使得计算出的冷却水泵和风扇转速能够抑制环境温度变化和系统瞬变带来的扰动和控制偏差，提高控制系统的控制精度和鲁棒性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。