一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法

摘要

本发明公开了一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，包括将燃料电池堆阳极入口的氢气供应速率进行调节的喷氢阀的控制、将燃料电池堆阳极出口连接的气液分离器所得氢气进行循环使用的回氢泵的控制、将气液分离器底部液体进行周期性排放的排水阀的控制。本发明中喷氢阀开度既基于电堆电流的前馈控制，也考虑到了实际氢气进堆压力与设定值之间的偏差，将偏差通过预先标定参数经PID反馈至喷氢阀开度上，弥补了偏差对喷氢阀开度影响。本发明对氢气进堆压力和进出堆压差进行闭环控制，提升氢气压力的稳定性，进而提升燃料电池系统的稳定性。

权利要求

1.一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，包括将燃料电池堆阳极入口的氢气供应速率进行调节的喷氢阀（4）的控制、将燃料电池堆阳极出口连接的气液分离器（5）所得氢气进行循环使用的回氢泵（6）的控制、将气液分离器（5）底部液体进行周期性排放的排水阀（7）的控制，

所述喷氢阀（4）的控制包括以下步骤：

（1）燃料电池控制器FCCU接收到电控系统VCU的请求功率P后，根据电池管理系统BMS提供的当前整车高压母线电压U，计算得整车需求电流I=P/U，根据整车需求电流I计算出电堆待输出电流I‑stack；

（2）根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差标定曲线Ⅰ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气与空气进堆压力差ΔP；

（3）通过传感器测定此时燃料电池的空气进堆压力Air_pStkIn和氢气进堆压力H2_pStkIn，根据预先拟合的氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ，得出氢气进堆压力H2_pStkIn对应的氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp；

（4）将步骤（2）所得氢气与空气进堆压力差值ΔP、步骤（3）所得空气进堆压力Air_pStkIn、氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp加和，得到氢气进堆压力设定值H2_pDmd；

（5）将氢气进堆压力设定值H2_pDmd减去步骤（3）中氢气进堆压力H2_pStkIn得到氢气进堆压力偏差ΔPH2，计算氢气进堆压力偏差对时间的求导得到氢气进堆压力偏差变化率eH2；

（6）查询预先拟定的喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV，喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作

30min，半载状态下功率为额定功率一半，将氢气进堆压力偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分点，将氢气进堆压力偏差变化率在预设范围分成等间隔的多个等分点，将氢气进堆压力偏差和氢气进堆压力偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整车的需求功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料电池系统响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

查询喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的步骤包括：先确定氢气进堆压力偏差ΔPH2在表内最接近的氢气进堆压力偏差等分点，再确定氢气进堆压力偏差变化率eH2在表内最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进堆压力偏差等分点、最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点得到标定点查找对应的Kp、Ki、Kd值；

得出氢气进堆压力偏差ΔPH2和氢气进堆压力偏差变化率eH2对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进堆压力偏差ΔPH2、氢气进堆压力偏差变化率eH2、对应的Kp、Ki、Kd值代入PID算法得出喷氢阀开度值K1；

（7）根据预先拟合的输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的喷氢阀开度前馈值K2，（8）将喷氢阀开度值K1与喷氢阀开度前馈值K2相加，得到喷氢阀的开度总值K，由燃料电池控制器FCCU将开度指令发送给喷氢阀，实现喷氢阀的前馈和闭环控制。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，喷氢阀的控制步骤（2）中，电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差值标定曲线Ⅰ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其数值上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时氢气与空气进堆压力差值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑氢气与空气进堆压力差值标定曲线。

3.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，喷氢阀的控制步骤（3）中，氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ拟合方法为：在实车或台架上，排水阀按出厂设定周期性开启，将燃料电池系统氢气进堆压力设定值在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在各标定点工作至预设时长后，每隔n个排水阀开启周期逐渐增加对氢气进堆压力值的补偿值并记录实际氢气进堆压力，取在n个排水阀开启周期内实际氢气进堆压力平均值最接近标定点的补偿值作为氢气进堆压力补偿值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线。

4.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，喷氢阀的控制步骤（7）中，输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时喷氢阀开度，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线。

5.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，回氢泵的控制包括以下步骤：

（1）根据预先拟合的电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线V，得出电堆待输出电流I‑stack对应的回氢泵转速前馈值R1，（2）根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out；

（3）通过传感器得到此时氢气进堆压力和氢气出堆压力，作差得到氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out，将氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out和氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out作差，可得氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out，计算氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out对时间的求导得到氢气进出堆压差偏差变化率e in‑out；

（4）查询预先拟定的回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII，回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作30min，半载状态下功率为额定功率一半，将氢气进出堆压差偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分点，将氢气进出堆压差偏差变化率在预设范围内分成等间隔的多个等分点，将氢气进出堆压差偏差和氢气进出堆压差偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整车的需求功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料电池系统响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

查询回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的步骤包括：先确定氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差等分点，再确定氢气进出堆压差偏差变化率e in‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进出堆压差偏差等分点、最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点得到的标定点查找对应的Kp、Ki、Kd值；

得出氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率e in‑out对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率e in‑out、对应的Kp、Ki、Kd值根据PID算法得出回氢泵转速R2；

（5）将回氢泵转速前馈值R1、回氢泵转速R2相加得到回氢泵总转速R，由燃料电池控制器FCCU将转速指令发送给回氢泵，实现回氢泵的前馈和闭环控制。

6.如权利要求5所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，回氢泵的控制步骤（1）中：

电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线Ⅴ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时回氢泵转速，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线。

7.如权利要求5所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，回氢泵的控制步骤（2）中：

电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时氢气进出堆压差，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线。

8.如权利要求1所述的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，排水阀的控制包括以下步骤：

（1）根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波周期T，电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时驱动排水阀工作的PWM波周期，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线；

（2）根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波占空比X，电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时驱动排水阀工作的PWM波占空比，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线；

（3）由燃料电池控制器FCCU将驱动排水阀工作的PWM波周期T和驱动排水阀工作的PWM波占空比X发送给排水阀，实现排水阀的控制。

说明书

一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及氢燃料电池，具体地指一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法。

背景技术

[0002] 近年来，新能源汽车发展迅猛，多个国家发布了禁售燃油车的时间。在国内因国家和地方政策的引导，燃料电池汽车得到了长足的发展。燃料电池汽车续驶里程较长，不用频
繁进行能量补给，满足了消费者的出行需求。

[0003] 随着技术进步及产品推广需要，对燃料电池汽车及燃料电池系统提出了更高的要求，燃料电池系统从辅助动力电池驱动车辆到主要由燃料电池系统来驱动车辆。这样势必
对燃料电池系统的响应速率提出了更高的要求，以能够满足整车的各种复杂工况。整车动
力需求变化时，燃料电池系统必须有较小的功率响应时间。故对燃料电池汽车的反应气体
供应控制提出了更高的要求。

[0004] 公开号CN111029619A公开了一种燃料电池氢气循环系统、氢气回路控制方法及排氢排水方法，系统包括燃料电池堆、氢进阀、分水器、排氢阀、排水阀和氢气循环泵，氢进阀
的出口与燃料电池堆的氢气入口连接，分水器的入口与燃料电池堆的出口连接，分水器的
气出口分别与氢气循环泵的入口和排氢阀的入口连接，氢气循环泵的出口与燃料电池堆的
氢气入口连接形成氢气反馈回路，分水器的水出口通过管路与排水阀的入口连接。控制方
法重点在于回路控制和排氢控制，并未涉及提高氢气供应速度。

[0005] 现有技术中一般是基于氢气进堆压力值和空气进堆压力值对进堆氢气进行控制，由于燃料电池反应有滞后性、电池负载等各种因素影响，常规控制方法速率慢且稳定性差。

[0006] 因此，需要开发出一种准确性高、响应速度快的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法。

发明内容

[0007] 本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种准确性高、响应速度快的氢燃料电池汽车氢气供应控制方法。

[0008] 本发明的技术方案为：一种氢燃料电池汽车氢气供应控制方法，其特征在于，包括将燃料电池堆阳极入口的氢气供应速率进行调节的喷氢阀的控制、将燃料电池堆阳极出口
连接的气液分离器所得氢气进行循环使用的回氢泵的控制、将气液分离器底部液体进行周
期性排放的排水阀的控制，

[0009] 所述喷氢阀的控制包括以下步骤：

[0010] (1)燃料电池控制器FCCU接收到电控系统VCU的请求功率P后，根据电池管理系统BMS提供的当前整车高压母线电压U，计算得整车需求电流I＝P/U，根据整车需求电流I计算
出电堆待输出电流I‑stack；

[0011] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差标定曲线Ⅰ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气与空气进堆压力差ΔP；

[0012] (3)通过传感器测定此时燃料电池的空气进堆压力Air_pStkIn和氢气进堆压力H2_pStkIn，根据预先拟合的氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ，得出氢气进
堆压力H2_pStkIn对应的氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp；

[0013] (4)将步骤(2)所得氢气与空气进堆压力差值ΔP、步骤(3)所得空气进堆压力Air_pStkIn、氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp加和，得到氢气进堆压力设定值H2_pDmd；

[0014] (5)将氢气进堆压力设定值H2_pDmd减去步骤(3)中氢气进堆压力H2_pStkIn得到氢气进堆压力偏差ΔPH2，计算氢气进堆压力偏差对时间的求导得到氢气进堆压力偏差变化率
eH2；

[0015] (6)查询预先拟定的喷氢阀开度PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV，得出氢气进堆压力偏差ΔPH2和氢气进堆压力偏差变化率eH2对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进堆压力偏差ΔPH2、
氢气进堆压力偏差变化率eH2、对应的Kp、Ki、Kd值代入PID算法得出喷氢阀开度值K1；

[0016] (7)根据预先拟合的输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的喷氢阀开度前馈值K2，

[0017] (8)将喷氢阀开度值K1与喷氢阀开度前馈值K2相加，得到喷氢阀的开度总值K，由燃料电池控制器FCCU将开度指令发送给喷氢阀，实现喷氢阀的前馈和闭环控制。

[0018] 优选的，喷氢阀的控制步骤(2)中，电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差值标定曲线Ⅰ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其数值上下限内分成
等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时
氢气与空气进堆压力差值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑氢气与空
气进堆压力差值标定曲线。

[0019] 优选的，其特征在于，喷氢阀的控制步骤(3)中，氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ拟合方法为：在实车或台架上，排水阀按出厂设定周期性开启，将燃料电池系
统氢气进堆压力设定值在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设定
在各标定点工作至预设时长后，每隔n个排水阀开启周期逐渐增加对氢气进堆压力值的补
偿值并记录实际氢气进堆压力，取在n个排水阀开启周期内实际氢气进堆压力平均值最接
近标定点的补偿值作为氢气进堆压力补偿值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输
出电流‑氢气进堆压力与空气进堆压力差值标定曲线Ⅱ。

[0020] 优选的，其特征在于，喷氢阀的控制步骤(6)中，喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作30min，半载
状态下功率为额定功率一半，将氢气进堆压力偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分
点，将氢气进堆压力偏差变化率在预设范围分成等间隔的多个等分点，将氢气进堆压力偏
差和氢气进堆压力偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整车的
需求功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料电池
系统响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

[0021] 查询喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的步骤包括：先确定氢气进堆压力偏差ΔPH2在表内最接近的氢气进堆压力偏差等分点，再确定氢气进堆压力偏差变化率eH2
在表内最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进堆压力偏差等分
点、最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点得到标定点查找对应的Kp、Ki、Kd值。

[0022] 优选的，喷氢阀的控制步骤(7)中，输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个
标定点，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时喷氢阀开度，
将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线。

[0023] 优选的，回氢泵的控制包括以下步骤：

[0024] (1)根据预先拟合的电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线V，得出电堆待输出电流I‑stack对应的回氢泵转速前馈值R1，

[0025] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out；

[0026] (3)通过传感器得到此时氢气进堆压力和氢气出堆压力，作差得到氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out，将氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out和氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out
作差，可得氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out，计算氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out对时间的求导
得到氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out；

[0027] (4)查询预先拟定的回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII，得出氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进出
堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out、对应的Kp、Ki、Kd值然后根据PID算
法得出回氢泵转速R2；

[0028] (5)将回氢泵转速前馈值R1、回氢泵转速R2相加得到回氢泵总转速R，由燃料电池控制器FCCU将转速指令发送给回氢泵，实现回氢泵的前馈和闭环控制。

[0029] 进一步的，回氢泵的控制步骤(1)中：

[0030] 电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线Ⅴ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出厂设
定在每个标定点工作至预设时长时测定此时回氢泵转速，将所有标定点对应数据拟合成曲
线后得到输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线。

[0031] 进一步的，回氢泵的控制步骤(2)中：

[0032] 电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池系统按出
厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时氢气进出堆压差，将所有标定点对应数据
拟合成曲线后得到输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线。

[0033] 进一步的，回氢泵的控制步骤(4)中，回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作30min，半载状态下功
率为额定功率一半，将氢气进出堆压差偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分点，将氢
气进出堆压差偏差变化率在预设范围内分成等间隔的多个等分点，将氢气进出堆压差偏差
和氢气进出堆压差偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整车的
需求功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料电池
系统响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

[0034] 查询回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的步骤包括：先确定氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差等分点，再确定氢气进出堆压差偏差
变化率ein‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进出
堆压差偏差等分点、最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点得到标定点查找对应的
Kp、Ki、Kd值。

[0035] 优选的，排水阀的控制包括以下步骤：

[0036] (1)根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波周期T，

[0037] 电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池
系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时驱动排水阀工作的PWM波周期，
将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲
线；

[0038] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波占空比X，

[0039] 电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点，燃料电池
系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长时测定此时驱动排水阀工作的PWM波占空
比，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标
定曲线；

[0040] (3)由燃料电池控制器FCCU将驱动排水阀工作的PWM波周期T和驱动排水阀工作的PWM波占空比X发送给排水阀，实现排水阀的控制。

[0041] 本发明的有益效果为：

[0042] 1、喷氢阀开度既基于电堆电流的前馈控制，也考虑到了实际氢气进堆压力与设定值之间的偏差，将偏差通过预先标定参数经PID反馈至喷氢阀开度上，弥补了偏差对喷氢阀
开度影响。

[0043] 2、回氢泵转速既基于电堆电流的前馈控制，也考虑到了实际氢气进出堆压差与设定值之间的偏差，将偏差通过预先标定参数经PID反馈至回氢泵开度上，弥补了偏差对回氢
泵开度影响。

[0044] 3、排水阀通过在出厂设置下的标定曲线VIII～IX，得到实际电流对应的周期和占空比，实现排水阀的控制。

[0045] 4、本发明对氢气进堆压力和进出堆压差进行闭环控制，提升氢气压力的稳定性，进而提升燃料电池系统的稳定性。

附图说明

[0046] 图1为氢燃料电池汽车氢气供应系统示意图

[0047] 图2为喷氢阀控制流程示意图

[0048] 图3为回氢泵控制流程示意图

[0049] 图4为排水阀控制流程示意图

[0050] 其中：1‑进氢管道2‑排氢管道3‑进氢开关4‑喷氢阀5‑气液分离器6‑回氢泵7‑排水阀8‑氢气进堆压力传感器9‑氢气出堆压力传感器。

具体实施方式

[0051] 下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0052] 本发明控制方法使用的氢燃料电池汽车氢气供应系统如图1所示，包括燃料电池阳极进出口连接的进氢管道1和排氢管道2，进氢管道1上沿进气方向设有进氢开关3、喷氢
阀4，排氢管道2上设有气液分离器5，气液分离器5上端排气口设置回氢泵6通向进氢管道1
上喷氢阀4后方，气液分离器5底部排液口设有排水阀7通向混排，燃料电池阳极进出口处分
别设有氢气进堆压力传感器8、氢气出堆压力传感器9。燃料电池阴极进出口处还设有空气
进堆压力传感器(图中未画出)。

[0053] 本发明的控制方法包括将燃料电池堆阳极入口的氢气供应速率进行调节的喷氢阀4的控制、将燃料电池堆阳极出口连接的气液分离器5所得氢气进行循环使用的回氢泵6
的控制、将气液分离器5底部液体进行周期性排放的排水阀7的控制。

[0054] 进氢开关3的控制为：FCCU接收到整车控制器VCU的开机和功率请求指令后，FCCU给进氢开关3发送开启指令；FCCU接收到整车控制器VCU的关机指令后，FCCU给进氢开关3发
送关闭指令。

[0055] 如图2所示，喷氢阀4的控制包括以下步骤：

[0056] (1)燃料电池控制器FCCU接收到电控系统VCU的请求功率P后，根据电池管理系统BMS提供的当前整车高压母线电压U，计算得整车需求电流I＝P/U，根据整车需求电流I计算
出电堆待输出电流I‑stack；

[0057] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差标定曲线Ⅰ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气与空气进堆压力差ΔP(即氢气进堆压力与空气进堆压力之
差)；

[0058] 电堆输出电流‑氢气与空气进堆压力差值标定曲线Ⅰ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其数值上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成
0A、5A、10A、15A、20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长
(30min)时测定此时氢气与空气进堆压力差值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到
输出电流‑氢气与空气进堆压力差值标定曲线。

[0059] (3)通过传感器测定此时燃料电池的空气进堆压力Air_pStkIn和氢气进堆压力H2_pStkIn，根据预先拟合的氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ，得出氢气进
堆压力H2_pStkIn对应的氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp；

[0060] 氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线Ⅱ拟合方法为：在实车或台架上，排水阀按出厂设定周期性开启，将燃料电池系统氢气进堆压力设定值在其上下限内分成等间
隔的多个标定点(如等分成0kpa、5kpa、10kpa、15kpa、20kpa……)，燃料电池系统按出厂设
定在各标定点工作至预设时长后，每隔n个排水阀开启周期逐渐增加对氢气进堆压力值的
补偿值并记录实际氢气进堆压力，取在n个排水阀开启周期内实际氢气进堆压力平均值最
接近标定点的补偿值作为氢气进堆压力补偿值，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到
氢气进堆压力‑氢气进堆压力补偿值标定曲线。

[0061] (4)将步骤(2)所得氢气与空气进堆压力差值ΔP、步骤(3)所得空气进堆压力Air_pStkIn、氢气进堆压力补偿值H2_pPurgComp加和，得到氢气进堆压力设定值H2_pDmd；

[0062] (5)将氢气进堆压力设定值H2_pDmd减去步骤(3)中氢气进堆压力H2_pStkIn得到氢气进堆压力偏差ΔPH2，计算氢气进堆压力偏差对时间的求导得到氢气进堆压力偏差变化率
eH2；

[0063] (6)查询预先拟定的喷氢阀开度PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV，得出氢气进堆压力偏差ΔPH2和氢气进堆压力偏差变化率eH2对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进堆压力偏差ΔPH2、
氢气进堆压力偏差变化率eH2、对应的Kp、Ki、Kd值代入PID算法得出喷氢阀开度值K1；

[0064] 喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作30min，半载状态下功率为额定功率一半(如额定功率为
80kW，半载为40kW)，将氢气进堆压力偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分点(本实施
例为‑5kpa、‑4kpa、‑3kpa、‑2kpa、‑1kpa、0、1kpa、2kpa、3kpa、4kpa、5kpa)，将氢气进堆压力
偏差变化率在预设范围分成等间隔的多个等分点(本实施例为‑5kpa/s、‑4kpa/s、‑3kpa/
s、‑2kpa/s、‑1kpa/s、0、1kpa/s、2kpa/s、3kpa/s、4kpa/s、5kpa/s)，将氢气进堆压力偏差和
氢气进堆压力偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整车的需求
功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料电池系统
响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

[0065] 查询喷氢阀开度值PID算法Kp、Ki、Kd标定表IV的步骤包括：先确定氢气进堆压力偏差ΔPH2在表内最接近的氢气进堆压力偏差等分点，再确定氢气进堆压力偏差变化率eH2
在表内最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进堆压力偏差等分
点、最接近的氢气进堆压力偏差变化率等分点得到标定点查找对应的Kp、Ki、Kd值。

[0066] (7)根据预先拟合的输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ，得出电堆待输出电流I‑stack对应的喷氢阀开度前馈值K2；

[0067] 输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲线Ⅲ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成0A、5A、10A、15A、
20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长(30min)时测定此时喷
氢阀开度，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑喷氢阀开度前馈值标定曲
线。

[0068] (8)将喷氢阀开度值K1与喷氢阀开度前馈值K2相加，得到喷氢阀的开度总值K，由燃料电池控制器FCCU将开度指令发送给喷氢阀，实现喷氢阀的前馈和闭环控制。

[0069] 如图3所示，回氢泵的控制包括以下步骤：

[0070] (1)根据预先拟合的电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线V，得出电堆待输出电流I‑stack对应的回氢泵转速前馈值R1，

[0071] 电堆输出电流‑回氢泵转速前馈值标定曲线Ⅴ拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成0A、5A、10A、
15A、20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长(30min)时测定此
时回氢泵转速，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑回氢泵转速前馈值标
定曲线。

[0072] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI，得出电堆待输出电流I‑stack对应的氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out；

[0073] 电堆输出电流‑氢气进出堆压差设定值标定曲线VI拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成0A、5A、
10A、15A、20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长(30min)时测
定此时氢气进出堆压差，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得到输出电流‑氢气进出堆
压差设定值标定曲线。

[0074] (3)通过传感器得到此时氢气进堆压力和氢气出堆压力，作差得到氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out，将氢气进出堆压差设定值ΔPsd‑in‑out和氢气进出堆实际压差ΔPsc‑in‑out
作差，可得氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out，计算氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out对时间的求导
得到氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out；

[0075] (4)查询预先拟定的回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII，得出氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out对应的Kp、Ki、Kd值，再利用氢气进出
堆压差偏差ΔPin‑out、氢气进出堆压差偏差变化率ein‑out、对应的Kp、Ki、Kd值然后根据PID算
法得出回氢泵转速R2；

[0076] 回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的标定方法为：在实车或台架上让燃料电池系统在半载状态下稳定工作30min，半载状态下功率为额定功率一半(如额定功率为
80kW，半载为40kW)，将氢气进出堆压差偏差在预设范围内分成等间隔的多个等分点(本实
施例为‑5kpa、‑4kpa、‑3kpa、‑2kpa、‑1kpa、0、1kpa、2kpa、3kpa、4kpa、5kpa)，将氢气进出堆
压差偏差变化率在预设范围内分成等间隔的多个等分点(本实施例为‑5kpa/s、‑4kpa/s、‑
3kpa/s、‑2kpa/s、‑1kpa/s、0、1kpa/s、2kpa/s、3kpa/s、4kpa/s、5kpa/s)，将氢气进出堆压差
偏差和氢气进出堆压差偏差变化率的各等分点进行一一组合得到每个标定点，然后调整整
车的需求功率，根据燃料电池系统的响应情况实时调整各标定点的Kp、Ki、Kd值，使得燃料
电池系统响应迅速超调量尽量小，得出各标定点的Kp、Ki、Kd值；

[0077] 查询回氢泵转速值PID算法Kp、Ki、Kd标定表VII的步骤包括：先确定氢气进出堆压差偏差ΔPin‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差等分点，再确定氢气进出堆压差偏差
变化率ein‑out在表内最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点，根据最接近的氢气进出
堆压差偏差等分点、最接近的氢气进出堆压差偏差变化率等分点得到标定点查找对应的
Kp、Ki、Kd值。

[0078] (5)将回氢泵转速前馈值R1、回氢泵转速R2相加得到回氢泵总转速R，由燃料电池控制器FCCU将转速指令发送给回氢泵，实现回氢泵的前馈和闭环控制。

[0079] 如图4所示，排水阀的控制包括以下步骤：

[0080] (1)根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波周期T，

[0081] 电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线VIII拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成
0A、5A、10A、15A、20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长
(30min)时测定此时驱动排水阀工作的PWM波周期，将所有标定点对应数据拟合成曲线后得
到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波周期标定曲线；

[0082] (2)根据预先拟合的电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX，得出电堆待输出电流I‑stack对应的驱动排水阀工作的PWM波占空比X，

[0083] 电堆输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线IX拟合方法为：在实车或台架上，将燃料电池系统实际输出电流在其上下限内分成等间隔的多个标定点(如等分成
0A、5A、10A、15A、20A……)，燃料电池系统按出厂设定在每个标定点工作至预设时长
(30min)时测定此时驱动排水阀工作的PWM波占空比，将所有标定点对应数据拟合成曲线后
得到输出电流‑驱动排水阀工作的PWM波占空比标定曲线；

[0084] (3)由燃料电池控制器FCCU将驱动排水阀工作的PWM波周期T和驱动排水阀工作的PWM波占空比X发送给排水阀，实现排水阀的控制。