[发明专利]燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置及控制方法

权利要求书

1.燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池堆(1)、燃料电控阀门(2)、压力调节器(3)、三通阀门(4)、逆变器(5)、短路电控开关(6)、可调虚拟负载(7)、空气压力传感器(8)、氢气压力传感器(9)、空气排气门电控阀门(10)、空气进气压缩机(11)、燃料循环泵(12)、控制器(13)；

所述质子交换膜燃料电池堆(1)由电池堆体(101)、电池正极(102)、空气出口(103)、空气流道(104)、空气进口(105)、燃料出口(106)、燃料流道(107)、燃料进口(108)、电池负极(109)构成；

氢气供给与燃料进口(108)连接，中间依次串联燃料电控阀门(2)、压力调节器(3)、三通阀门(4)，燃料出口(106)与三通阀门(4)连接，中间串联燃料循环泵(12)，所述氢气压力传感器(9)安装在燃料流道(107)内壁；

空气供给与空气进口(105)连接，中间串联空气进气压缩机(11)，空气出口(103)安装空气排气门电控阀门(10)；

所述电池正极(102)与电池负极(109)分别安装在逆变器(5)正端口与负端口，电池正极(102)与电池负极(109)还并联一条支路，并联支路由短路电控开关(6)与可调虚拟负载(7)串联构成；

所述控制器(13)输入端与电池堆体(101)阴极电位传感器连接，检测电池堆体(101)的阴极电位，控制器(13)输入端还与空气压力传感器(8)、氢气压力传感器(9)连接，检测质子交换膜燃料电池堆(1)的空气流道(104)与燃料流道(107)的压力，控制器(13)的输出分别与控制端口K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7连接；

K1是燃料循环泵(12)的控制端口；

K2是燃料电控阀门(2)的控制端口；

K3是压力调节器(3)的控制端口；

K4是短路电控开关(6)的控制端口；

K5是可调虚拟负载(7)的控制端口；

K6是空气排气门电控阀门(10)的控制端口；

K7是空气进气压缩机(11)的控制端口。

2.采用如权利要求1所述的燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置的控制方法，其特征在于，启动过程控制包括如下步骤：

第一步：控制器(13)控制K6，关闭空气排气门电控阀门(10)；

第二步：控制器(13)控制K2，打开燃料电控阀门(2)；

第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关(6)与可调虚拟负载(7)；

第四步：控制器(13)控制K6、K7，打开空气排气门电控阀门(10)与空气进气压缩机(11)；

第五步：控制器(13)控制K1、K2、K3，打开燃料电控阀门(2)，控制压力调节器(3)与燃料循环泵(12)，保持燃料流道(107)内的氢气压力平稳；

所述第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关(6)与可调虚拟负载(7)，具体虚拟负载大小的控制方案采用开环模糊控制：

模糊控制器的控制结构为2输入、单输出结构：

输入变量x1：阴极电位；

输入变量x2：阳极残余氢气浓度；

输出量为虚拟负载的控制量u，控制接入虚拟负载的大小；

输入输出变量论域和量化因子：

输入变量x1、输入变量x2的基本论域设计为(-200V，+200V)，然后将两个输入量分为5个语言变量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、负中(NM)、负大(NB)，两个输入量的5个语言变量在基本论域(-200V，+200V)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

输出变量u基本论域为(-80kW，+80kW)，然后将这个变化量分为5个语言变量，即正大(PB)、正中(PM)、零(ZE)、负中(NM)、负大(NB)；输出变量的5个语言变量在基本论域(-80kW，+80kW)的隶属度函数为三角形与梯形组合式隶属度函数；

模糊控制规则的设计：

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差小或者较小时，选择控制量要控制超调量，模糊控制规则表为：

解模糊：

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊；

所述第五步：控制器(13)控制K1、K2、K3，打开燃料电控阀门(2)，控制压力调节器(3)与燃料循环泵(12)，保持燃料流道(107)内的氢气压力平稳；其具体压力控制方案为闭环模糊控制，采集压力误差信号与压力误差信号的变换量，通过模糊控制算法获得压力调节器(3)控制量信号：

模糊控制器的控制结构为2输入、单输出结构：

输入变量e1：压力误差；

输入变量e2：压力误差变化率；

输出量为压力调节器(3)控制量信号y，

各输入变量的模糊分割为：

输入变量e1：[PL(正大),ZE(零),NL(负大)]

输入变量e2：[PL(正大),ZE(零),NL(负大)]

输出变量y：采用T-S模糊模型，输出值是精确值，无需模糊分割；

模糊推理：

T-S模糊模型采用“if-then”规则定义模糊规则，具体T-S模糊控制规则为R^m，

其中，m为模糊系统的模糊集合为控制规则总数，m＝1,2,...,18，为模糊系统的模糊集合，i为模糊集合数，i＝1,2,3，即正大、零、负大，j为输入变量个数，j＝1,2；与为模糊系统参数，范围为(0，1)，y_m为根据模糊控制规则得到的输出，输入部分是模糊的，输出部分是确定的，T-S模糊推理表示输出为输入的线性组合；本发明输入变量x＝[x₁,x₂]，首先根据模糊规则计算各输入变量的隶属度：

式中，分别为隶属度函数的中心和宽度；

模糊计算与输出：

将隶属度进行模糊计算，采用模糊算子为连乘算子：

根据模糊计算结果计算模糊模型的输出值y：

3.如权利要求2所述的燃料电池电动汽车启停过程智能控制装置的控制方法，其特征在于，停止过程控制包括如下步骤：

第一步：控制制器(13)控制K2，先关闭燃料电控阀门(2)，再控制K1、K3，关闭燃料循环泵(12)与压力调节器(3)；

第二步：控制器(13)控制K7，先关闭空气进气压缩机(11)，再控制K6，后关闭空气排气门电控阀门(10)；

控制器(13)控制K2，打开燃料电控阀门(2)；

第三步：控制器(13)控制K4、K5，接通虚拟负载，即接通短路电控开关(6)与可调虚拟负载(7)；具体虚拟负载大小的控制方案亦采用开环模糊控制。