CN110943245B - 一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置，包括控制模块和谐波激励模块，控制模块包括比较器、PR控制器和电压调制模块；比较器用于计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值，并将差值传输至PR控制器；PR控制器用于根据差值产生控制信号；电压调制模块用于对控制信号进行脉冲宽度调制，并将调制后的控制信号传输至谐波激励模块；谐波激励模块用于根据调制后的控制信号产生诊断谐波电流。本发明中，采用PR控制器代替传统的PI控制器，从而可以实现PR控制器的无静态误差的跟踪控制，进而可以提高诊断谐波电流的质量、控制精度和跟随性，提高系统的动态响应能力。

Description

一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置。

背景技术

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有零排放、减少了机油泄漏带来的水污染、提高了燃料经济性、运行平稳、无噪声等优点，因此，一直被作为新能源汽车技术的重要路线之一。

燃料电池的车载运行需要依据可靠的在线诊断，以对电堆故障做出反应，估计电堆状态，并优化燃料电池系统控制，但是，由于燃料电池电堆有严格的密封要求且集成度很高，难以在电堆内有效布置传感器，因此，通用的在线诊断方法仅有基于单体电压的在线诊断与基于交流阻抗的在线诊断。

基于单体电压的在线诊断硬件较为简单，但单体电压信息过于简单，难以区分复杂失效和判断电堆内部状态。基于交流阻抗的诊断方法是在电堆输出电流的基础上，叠加正弦电流激励，从而在不同频率点测量电堆的阻抗，能比较有效的反映电堆各类极化损失、气体扩散、电极特性等，是燃料电池在线诊断的主流发展方向。

基于交流阻抗的在线诊断方法需要依靠物理硬件在燃料电池正常输出中叠加正弦电流激励，正弦电流激励的质量对阻抗诊断的效果非常重要。为得到更好的正弦电流激励即得到更好的诊断谐波电流，现有的燃料电池诊断谐波电流产生方法包括基于直流-交流原理的诊断谐波电流注入方法：该方法一般为燃料电池的输出增加支路，燃料电池由主路输出能量，诊断谐波电流在支路产生。由于支路没有直流偏置，因此，支路电流即诊断谐波电流为交流电流。虽然该方法产生的诊断谐波电流能够有效地实现燃料电池的在线诊断，但是，诊断谐波电流的质量和控制精度仍有待提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置，以提升燃料电池诊断谐波电流的质量和控制精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池诊断谐波电流产生系统，包括控制模块和谐波激励模块，所述控制模块包括比较器、PR控制器和电压调制模块；

所述比较器用于计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值，并将所述差值传输至所述PR控制器；

所述PR控制器用于根据所述差值产生控制信号；

所述电压调制模块用于对所述控制信号进行脉冲宽度调制，并将调制后的控制信号传输至所述谐波激励模块；

所述谐波激励模块用于根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

可选地，所述PR控制器的传递函数为：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，s为拉普拉斯算子。

可选地，所述PR控制器为准PR控制器，所述准PR控制器的传递函数为：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，w_c为带宽系数，s为拉普拉斯算子。

可选地，所述准PR控制器为离散化的PR控制器，所述离散化的PR控制器的传递函数为：

可选地，所述谐波激励模块为两相桥式逆变拓扑结构。

可选地，所述拓扑结构的第一输入端与升压DC-DC模块的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输入端与所述升压DC-DC模块的第二输出端相连；

所述拓扑结构的第一输出端通过第一负载与燃料电池电堆的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输出端通过第二负载与所述燃料电池电堆的第二输出端相连；

所述升压DC-DC模块的第一输入端与所述燃料电池电堆的第一输出端相连，所述升压DC-DC模块的第二输入端与所述燃料电池电堆的第二输出端相连。

可选地，还包括电流传感器；

所述电流传感器用于检测所述谐波激励模块输出的实际诊断谐波电流，并将所述实际的诊断谐波电流传输至所述比较器。

一种燃料电池诊断谐波电流产生方法，应用于如上任一项所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，所述产生方法包括：

通过比较器计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值；

通过PR控制器根据所述差值产生控制信号；

通过电压调制模块对所述控制信号进行脉冲宽度调制；

通过谐波激励模块根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

可选地，还包括：

通过电流传感器检测所述谐波激励模块输出的实际诊断谐波电流。

一种燃料电池诊断装置，包括如上任一项所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置，采用PR控制器代替传统的PI控制器，从而可以利用谐振原理提高PR控制器在给定诊断谐波电流的固定频率处的前向增益，通过使得增益趋向于无穷大，实现PR控制器的无静态误差的跟踪控制，进而可以提高诊断谐波电流的质量、控制精度和跟随性，提高系统的动态响应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数字PR控制器的伯德图；

图3为本发明实施例提供的诊断谐波电流产生系统的连接关系示意图；

图4为本发明实施例提供的给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的曲线图；

图5为本发明实施例提供的燃料电池总输出电流的曲线图；

图6为本发明实施例提供的燃料电池诊断谐波质量分析图；

图7为本发明实施例提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生方法的流程图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术产生的诊断谐波电流的质量和控制精度仍有待提高。发明人研究发现，现有的燃料电池诊断谐波电流产生方法是采用传统的PI控制器(proportional integral controller，比例积分控制器)进行控制的。

由于传统的PI控制器是一阶控制器，给定诊断谐波电流的固定频率处的增益是有限值，因此，在跟踪控制谐波电流信号时会出现稳态误差，即出现相位误差及幅值误差。虽然PI控制器的增益可通过增加比例系数而增大，以减小静态误差，但是，不可能消除静态误差。而静态误差的存在会导致产生的诊断谐波电流的质量和控制精度不能进一步提高。

基于此，本发明提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置，以克服现有技术存在的上述问题，其中，燃料电池诊断谐波电流产生系统包括：

控制模块和谐波激励模块，所述控制模块包括比较器、PR控制器和电压调制模块；

所述比较器用于计算出给定的诊断谐波电流和实际的诊断谐波电流的差值，并将所述差值传输至所述PR控制器；

所述PR控制器用于根据所述差值产生控制信号；

所述电压调制模块用于对所述控制信号进行脉冲宽度调制，并将调制后的控制信号传输至所述谐波激励模块；

所述谐波激励模块用于根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

本发明提供的燃料电池诊断谐波电流产生方法和系统、诊断装置，采用PR控制器代替传统的PI控制器，从而可以利用谐振原理提高PR控制器在给定诊断谐波电流的固定频率处的前向增益，通过使得增益趋向于无穷大，实现PR控制器的无静态误差的跟踪控制，进而可以提高诊断谐波电流的质量、控制精度和跟随性，提高系统的动态响应能力。

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生系统，如图1所示，包括控制模块1和谐波激励模块2，所述控制模块1包括比较器10、PR(Proportion Resonant，比例谐振)控制器11和电压调制模块12；

所述比较器10用于计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值，并将所述差值传输至所述PR控制器11；

所述PR控制器11用于根据所述差值产生控制信号；

所述电压调制模块12用于对所述控制信号进行脉冲宽度调制，并将调制后的控制信号传输至所述谐波激励模块2；

所述谐波激励模块2用于根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

本发明实施例中，给定诊断谐波电流是根据需要产生的诊断谐波电流设定的给定诊断谐波电流，该给定诊断谐波电流的频率和幅值都是固定的。通过比较器10计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值后，通过PR控制器11根据差值产生控制信号，通过电压调制模块12对控制信号进行脉冲宽度调制后，通过调制后的控制信号控制谐波激励模块2产生诊断谐波电流，也就是说，可以通过PR控制器11实现诊断谐波电流的跟踪控制，使得谐波激励模块2产生的诊断谐波电流即实际诊断谐波电流无限接近给定诊断谐波电流。

本发明实施例中，PR控制器11的传递函数如下：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，s为拉普拉斯算子。

由于PR控制器11的传递函数在虚轴上有两个固定频率的开环极点，可以在该频率下形成谐振，使得PR控制器11在设计频率处即给定诊断谐波电流的固定频率处的增益趋近于无穷大，可以实现对该固定频率的正弦给定的无静差跟踪控制。

基于此，本发明实施例中，采用PR控制器11代替了传统的PI控制器，利用谐振原理提高了PR控制器11在给定诊断谐波电流的固定频率处的前向增益，通过使得增益趋向于无穷大，实现了PR控制器11的无静态误差的跟踪控制，进而提高了诊断谐波电流的质量、控制精度和跟随性，提高了系统的动态响应能力。

但是，在实际应用中，由于理想的PR控制器难以实现，且为避免增益无穷大带来的系统不稳定问题，因此，在本发明的另一实施例中，PR控制器11为准PR控制器，所述准PR控制器的传递函数为：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，w_c为带宽系数，s为拉普拉斯算子。

其中，w₀为314.1593rad/s。准PR控制器有3个控制参数k_p，k_r，w_c，通过对这三个控制参数进行设计，可以提高燃料电池诊断谐波电流产生系统的性能。其中，k_p是比例参数，需要依据仿真与实际结果进行标定；k_r只影响准PR控制器的增益，而对准PR控制器的带宽没有影响。k_r的增加可以提高增益，减小稳态误差，但是，如果k_r过大，谐波分量会被放大，会降低基波频率下的电流质量，即降低给定诊断谐波电流固定频率下产生的诊断谐波电流的质量。随着w_c的增加，准PR控制器的带宽和非基波频率处的增益都会增大，所以需要据激励频率即给定诊断谐波电流固定频率允许的波动范围确定PR控制器的带宽，进而选择w_c。

可选地，本发明的具体实施方式中，k_p＝0.1；k_r＝1；w_c＝5，w₀ ²近似为10⁵，进而得到准PR控制器的连续传递函数为：

由于燃料电池系统车载控制器是数字控制器系统，需要使用数字化控制器，因此，需要对准PR控制器进行离散化。采用双线性变化，变化方程为：

带入上述连续传递函数后，得到离散化的准PR控制器：

对离散化的准PR控制器进行幅频分析与相频分析后，如图2所示，设计点(50Hz)幅值与相位特性满足要求。

可选地，本发明实施例中的电压调制模块12采用的是基于双极性三角波载波的SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)算法。也就是说，本发明实施例中，电压调制模块12采用双极性PWM调制的调制方法，载波为双极性三角波，载波频率为10k，调制波为PR控制器11的输出即控制信号。

可选地，如图3所示，本发明实施例中的谐波激励模块2为两相桥式逆变拓扑结构，所述拓扑结构的第一输入端与升压DC-DC模块4的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输入端与所述升压DC-DC模块4的第二输出端相连；

所述拓扑结构的第一输出端通过第一负载6与燃料电池电堆3的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输出端通过第二负载7与所述燃料电池电堆3的第二输出端相连；

所述升压DC-DC模块4的第一输入端与所述燃料电池电堆3的第一输出端相连，所述升压DC-DC模块4的第二输入端与所述燃料电池电堆3的第二输出端相连。

其中，第一负载6和第二负载7都包括阻感负载。依据阻感负载的特性，对阻感负载施加正负电压的值，可以反应电流正向与负向变化的速率和能力。为精确控制高频变化的电流，本发明利用燃料电池后端DC-DC两端电压相同的特点，提出一种新型的桥式拓扑，即图3所示的两相桥式逆变拓扑结构，进行双极性电压调制时，可以为负载提供较高的正负电平，提高被控电流的动态性。

此外，第一输出端和第一输入端是指正极，第二输出端和第二输入端是指负极。i＝i₁+i₂，i₁为支路的谐波激励模块2产生并注入到燃料电池电堆3输出端的诊断谐波电流，i₂为燃料电池的输出主路，用于为车载负载等提供电流。

如图3所示，本发明实施例提供的燃料电池诊断谐波电流产生系统还包括电流传感器5；所述电流传感器5用于检测所述谐波激励模块2输出的实际诊断谐波电流，并将所述实际的诊断谐波电流传输至控制模块1中的所述比较器10。

对本发明提供的燃料电池诊断谐波电流产生系统进行仿真，给定诊断谐波电流的固定频率为50Hz，给定诊断谐波电流的固定幅值为25A，验证控制模块1的控制精度与跟随能力。如图4所示，给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流动态跟随性良好；如图5所示，燃料电池输出按需要叠加了诊断谐波电流；如图6所示，THD(谐波失真)为1.8％，诊断谐波电流质量良好，可以满足燃料电池车载诊断应用。

当前燃料电池车辆多需要在电堆输出端注入诊断谐波电流，并依据注入的电流与电压响应对燃料电池进行诊断，进而优化燃料电池系统控制。诊断算法的精度与运算量与注入谐波电流的畸变率密切相关，所以控制燃料电池电堆输出端谐波的频率和幅值，有效降低电流谐波的总谐波畸变(THD,Total Harmonic Distortion)是燃料电池车辆在线诊断的核心技术之一。

本发明实施例提供的基于PR控制器的燃料电池诊断谐波电流产生系统，在不影响燃料电池正常运行的条件下注入高频谐波电流，为燃料电池在线诊断提供有效物理激励方法，具有谐波质量高，功率等级小，控制系统成本低等优点。

本发明实施例还提供了一种燃料电池诊断装置，包括如上任一实施例提供的燃料电池诊断谐波电流产生系统。该燃料电池诊断装置还包括电压传感器等，用于检测燃料电池电堆第一输出端和第二输出端之间的电压，并将电压传输至控制模块，以使控制模块根据注入的诊断谐波电流和电压对燃料电池进行诊断。

本发明实施例还提供了一种燃料电池诊断谐波电流产生方法，应用于如上任一实施例提供的燃料电池诊断谐波电流产生系统，如图7所示，所述产生方法包括：

S101：通过比较器计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值；

S102：通过PR控制器根据所述差值产生控制信号；

S103：通过电压调制模块对所述控制信号进行脉冲宽度调制；

S104：通过谐波激励模块根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

本发明实施例中，给定诊断谐波电流是根据需要产生的诊断谐波电流设定的给定诊断谐波电流，该给定诊断谐波电流的频率和幅值都是固定的。参考图1，通过比较器10计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值后，通过PR控制器11根据差值产生控制信号，通过电压调制模块12对控制信号进行脉冲宽度调制后，通过调制后的控制信号控制谐波激励模块2产生诊断谐波电流，也就是说，可以通过PR控制器11实现诊断谐波电流的跟踪控制，使得谐波激励模块2产生的诊断谐波电流即实际诊断谐波电流无限接近给定诊断谐波电流。

可选地，本发明实施例提供的方法，还包括：

通过电流传感器检测所述谐波激励模块输出的实际诊断谐波电流。

本发明提供的燃料电池诊断谐波电流产生方法，采用PR控制器代替传统的PI控制器，从而可以利用谐振原理提高PR控制器在给定诊断谐波电流的固定频率处的前向增益，通过使得增益趋向于无穷大，实现PR控制器的无静态误差的跟踪控制，进而可以提高诊断谐波电流的质量、控制精度和跟随性，提高系统的动态响应能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，包括控制模块和谐波激励模块，所述控制模块包括比较器、PR控制器和电压调制模块；

所述比较器用于计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值，并将所述差值传输至所述PR控制器；

所述PR控制器用于根据所述差值产生控制信号；

所述电压调制模块用于对所述控制信号进行脉冲宽度调制，并将调制后的控制信号传输至所述谐波激励模块；

所述谐波激励模块用于根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

2.根据权利要求1所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，所述PR控制器的传递函数为：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，所述PR控制器为准PR控制器，所述准PR控制器的传递函数为：

其中，k_p、k_r、w₀分别是比例增益、谐振增益和谐振频率，w_c为带宽系数，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求3所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，所述准PR控制器为离散化的PR控制器，所述离散化的PR控制器的传递函数为：

5.根据权利要求1所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，所述谐波激励模块为两相桥式逆变拓扑结构。

6.根据权利要求5所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，所述拓扑结构的第一输入端与升压DC-DC模块的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输入端与所述升压DC-DC模块的第二输出端相连；

所述拓扑结构的第一输出端通过第一负载与燃料电池电堆的第一输出端相连，所述拓扑结构的第二输出端通过第二负载与所述燃料电池电堆的第二输出端相连；

所述升压DC-DC模块的第一输入端与所述燃料电池电堆的第一输出端相连，所述升压DC-DC模块的第二输入端与所述燃料电池电堆的第二输出端相连。

7.根据权利要求1所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，其特征在于，还包括电流传感器；

所述电流传感器用于检测所述谐波激励模块输出的实际诊断谐波电流，并将所述实际的诊断谐波电流传输至所述比较器。

8.一种燃料电池诊断谐波电流产生方法，其特征在于，应用于权利要求1～7任一项所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统，所述产生方法包括：

通过比较器计算出给定诊断谐波电流和实际诊断谐波电流的差值；

通过PR控制器根据所述差值产生控制信号；

通过电压调制模块对所述控制信号进行脉冲宽度调制；

通过谐波激励模块根据所述调制后的控制信号产生诊断谐波电流。

9.根据权利要求8所述的燃料电池诊断谐波电流产生方法，其特征在于，还包括：

通过电流传感器检测所述谐波激励模块输出的实际诊断谐波电流。

10.一种燃料电池诊断装置，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的燃料电池诊断谐波电流产生系统。

Images