[發(fā)明專利]燃料電池電動汽車啟停過程智能控制裝置及控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910265176.2
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN109860667A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李俊嬌
• 申請（專利權(quán)）人: 南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號: H01M8/04302
• 分類號: H01M8/04302;H01M8/04303;H01M8/04992;H01M8/04746;H01M8/04089
• 代理公司: 常州佰業(yè)騰飛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32231
• 代理人: 劉松

1.燃料電池電動汽車啟停過程智能控制裝置，其特征在于：包括質(zhì)子交換膜燃料電池堆(1)、燃料電控閥門(2)、壓力調(diào)節(jié)器(3)、三通閥門(4)、逆變器(5)、短路電控開關(guān)(6)、可調(diào)虛擬負(fù)載(7)、空氣壓力傳感器(8)、氫氣壓力傳感器(9)、空氣排氣門電控閥門(10)、空氣進(jìn)氣壓縮機(jī)(11)、燃料循環(huán)泵(12)、控制器(13)；

所述質(zhì)子交換膜燃料電池堆(1)由電池堆體(101)、電池正極(102)、空氣出口(103)、空氣流道(104)、空氣進(jìn)口(105)、燃料出口(106)、燃料流道(107)、燃料進(jìn)口(108)、電池負(fù)極(109)構(gòu)成；

氫氣供給與燃料進(jìn)口(108)連接，中間依次串聯(lián)燃料電控閥門(2)、壓力調(diào)節(jié)器(3)、三通閥門(4)，燃料出口(106)與三通閥門(4)連接，中間串聯(lián)燃料循環(huán)泵(12)，所述氫氣壓力傳感器(9)安裝在燃料流道(107)內(nèi)壁；

空氣供給與空氣進(jìn)口(105)連接，中間串聯(lián)空氣進(jìn)氣壓縮機(jī)(11)，空氣出口(103)安裝空氣排氣門電控閥門(10)；

所述電池正極(102)與電池負(fù)極(109)分別安裝在逆變器(5)正端口與負(fù)端口，電池正極(102)與電池負(fù)極(109)還并聯(lián)一條支路，并聯(lián)支路由短路電控開關(guān)(6)與可調(diào)虛擬負(fù)載(7)串聯(lián)構(gòu)成；

所述控制器(13)輸入端與電池堆體(101)陰極電位傳感器連接，檢測電池堆體(101)的陰極電位，控制器(13)輸入端還與空氣壓力傳感器(8)、氫氣壓力傳感器(9)連接，檢測質(zhì)子交換膜燃料電池堆(1)的空氣流道(104)與燃料流道(107)的壓力，控制器(13)的輸出分別與控制端口K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7連接；

K1是燃料循環(huán)泵(12)的控制端口；

K2是燃料電控閥門(2)的控制端口；

K3是壓力調(diào)節(jié)器(3)的控制端口；

K4是短路電控開關(guān)(6)的控制端口；

K5是可調(diào)虛擬負(fù)載(7)的控制端口；

K6是空氣排氣門電控閥門(10)的控制端口；

K7是空氣進(jìn)氣壓縮機(jī)(11)的控制端口。

2.采用如權(quán)利要求1所述的燃料電池電動汽車啟停過程智能控制裝置的控制方法，其特征在于，啟動過程控制包括如下步驟：

第一步：控制器(13)控制K6，關(guān)閉空氣排氣門電控閥門(10)；

第二步：控制器(13)控制K2，打開燃料電控閥門(2)；

第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虛擬負(fù)載，即接通短路電控開關(guān)(6)與可調(diào)虛擬負(fù)載(7)；

第四步：控制器(13)控制K6、K7，打開空氣排氣門電控閥門(10)與空氣進(jìn)氣壓縮機(jī)(11)；

第五步：控制器(13)控制K1、K2、K3，打開燃料電控閥門(2)，控制壓力調(diào)節(jié)器(3)與燃料循環(huán)泵(12)，保持燃料流道(107)內(nèi)的氫氣壓力平穩(wěn)；

所述第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虛擬負(fù)載，即接通短路電控開關(guān)(6)與可調(diào)虛擬負(fù)載(7)，具體虛擬負(fù)載大小的控制方案采用開環(huán)模糊控制：

模糊控制器的控制結(jié)構(gòu)為2輸入、單輸出結(jié)構(gòu)：

輸入變量x1：陰極電位；

輸入變量x2：陽極殘余氫氣濃度；

輸出量為虛擬負(fù)載的控制量u，控制接入虛擬負(fù)載的大小；

輸入輸出變量論域和量化因子：

輸入變量x1、輸入變量x2的基本論域設(shè)計為(-200V，+200V)，然后將兩個輸入量分為5個語言變量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)，兩個輸入量的5個語言變量在基本論域(-200V，+200V)的隸屬度函數(shù)為三角形與梯形組合式隸屬度函數(shù)；

輸出變量u基本論域為(-80kW，+80kW)，然后將這個變化量分為5個語言變量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)；輸出變量的5個語言變量在基本論域(-80kW，+80kW)的隸屬度函數(shù)為三角形與梯形組合式隸屬度函數(shù)；

模糊控制規(guī)則的設(shè)計：

設(shè)計模糊控制規(guī)則的原則是當(dāng)誤差大或者較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主，而當(dāng)誤差小或者較小時，選擇控制量要控制超調(diào)量，模糊控制規(guī)則表為：

解模糊：

解模糊采用最大隸屬度方法進(jìn)行解模糊；

所述第五步：控制器(13)控制K1、K2、K3，打開燃料電控閥門(2)，控制壓力調(diào)節(jié)器(3)與燃料循環(huán)泵(12)，保持燃料流道(107)內(nèi)的氫氣壓力平穩(wěn)；其具體壓力控制方案為閉環(huán)模糊控制，采集壓力誤差信號與壓力誤差信號的變換量，通過模糊控制算法獲得壓力調(diào)節(jié)器(3)控制量信號：

模糊控制器的控制結(jié)構(gòu)為2輸入、單輸出結(jié)構(gòu)：

輸入變量e1：壓力誤差；

輸入變量e2：壓力誤差變化率；

輸出量為壓力調(diào)節(jié)器(3)控制量信號y，

各輸入變量的模糊分割為：

輸入變量e1：[PL(正大),ZE(零),NL(負(fù)大)]

輸入變量e2：[PL(正大),ZE(零),NL(負(fù)大)]

輸出變量y：采用T-S模糊模型，輸出值是精確值，無需模糊分割；

模糊推理：

T-S模糊模型采用“if-then”規(guī)則定義模糊規(guī)則，具體T-S模糊控制規(guī)則為R^m，

其中，m為模糊系統(tǒng)的模糊集合為控制規(guī)則總數(shù)，m＝1,2,...,18，為模糊系統(tǒng)的模糊集合，i為模糊集合數(shù)，i＝1,2,3，即正大、零、負(fù)大，j為輸入變量個數(shù)，j＝1,2；與為模糊系統(tǒng)參數(shù)，范圍為(0，1)，y_m為根據(jù)模糊控制規(guī)則得到的輸出，輸入部分是模糊的，輸出部分是確定的，T-S模糊推理表示輸出為輸入的線性組合；本發(fā)明輸入變量x＝[x₁,x₂]，首先根據(jù)模糊規(guī)則計算各輸入變量的隸屬度：

式中，分別為隸屬度函數(shù)的中心和寬度；

模糊計算與輸出：

將隸屬度進(jìn)行模糊計算，采用模糊算子為連乘算子：

根據(jù)模糊計算結(jié)果計算模糊模型的輸出值y：

3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池電動汽車啟停過程智能控制裝置的控制方法，其特征在于，停止過程控制包括如下步驟：

第一步：控制制器(13)控制K2，先關(guān)閉燃料電控閥門(2)，再控制K1、K3，關(guān)閉燃料循環(huán)泵(12)與壓力調(diào)節(jié)器(3)；

第二步：控制器(13)控制K7，先關(guān)閉空氣進(jìn)氣壓縮機(jī)(11)，再控制K6，后關(guān)閉空氣排氣門電控閥門(10)；

控制器(13)控制K2，打開燃料電控閥門(2)；

第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虛擬負(fù)載，即接通短路電控開關(guān)(6)與可調(diào)虛擬負(fù)載(7)；具體虛擬負(fù)載大小的控制方案亦采用開環(huán)模糊控制。