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基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法技术

技术编号:24751619 阅读:49 留言:0更新日期:2020-07-04 08:15
本发明专利技术涉及基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,属于燃料电池汽车领域。通过智能预测和控制解决目前车载氢气瓶单一低效加氢问题。智能预测在实际加注前进行,是根据气瓶初始残余压力和当前环境温度确定出一组在中低压力储氢瓶加注氢气时的切换系数,再结合预冷系统计算预测出满足安全性条件的最快速加氢方案和最经济加氢方案及其对应的两种加氢方案目标温升曲线,最后在实时加注过程中通过控制算法控制预冷系统输出,促使实际温升曲线贴合目标温升曲线,达到快速高效安全的加氢目标。

Three stage filling method of vehicle mounted hydrogen cylinder based on Intelligent Prediction and control

【技术实现步骤摘要】
基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法
本专利技术属于燃料电池汽车领域,涉及基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法。
技术介绍
目前环境和能源等问题日益突出,传统车辆的进一步发展受到较大限制,这极大的促使了新型交通工具的研发,而燃料电池汽车因其各项优点成为了新型交通工具的有力竞争者。氢气作为燃料电池汽车的主要能量来源,其在燃料电池车辆上的储存方式以高压气体形式为主,而氢气在加注过程的安全问题限制着燃料电池汽车的商业化发展,因此为了实现燃料的安全快速高效充装,高压氢气快速充装成为国内外研究的热点问题。车载氢气瓶在快速加氢过程中,由于氢气特有的负焦耳-汤普逊效应以及氢气的快速压缩,会导致气瓶内部温度急剧上升,从而引发安全隐患。传统氢气加注方案单一低效且无选择性,没考虑中低压力储存氢气瓶加注氢气的切换点,加注过程制冷输出没有优化导致经济性低。本专利技术通过模型进行智能预测,给出最快速和最经济两种可选加注方案,且加注过程采用智能算法实时控制加注过程预冷输出,不仅保证加注安全且实现高效低功耗加注目标。
技术实现思路
有鉴于此,本专利技术的目的在于提供基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法。为达到上述目的,本专利技术提供如下技术方案:基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,该方法包括以下步骤:S1:设定加注终止条件;S2:简化预测模型;S3:智能预测;S4:预冷系统实时控制方案。可选的,所述S1具体为:根据国际标准SAE-J2601,正常加注过程中,不考虑发生泄漏、气源压力不够和加注流量过大的情况;S11:气瓶内部温度达到85℃;为保证加注安全性,设定最高温度边界阀值Tmax=80℃,预留安全裕度5℃;S12:气瓶内部最大压力达到额定工作压力的125%。可选的,所述S2具体为:氢气加注过程的核心要素是加注策略对最终气瓶温升和SOC值的影响,做出如下假设:S21由于加氢站的储氢瓶组体积远大于车载储气瓶,因此假设其压力恒定,为了研究不同预冷温度的影响,假设气源的温度恒定;S22对储氢瓶组-加氢机和加氢机-车载储氢瓶组的管路进行简化,加注过程中不考虑管接头及阀门的影响,并设定其与空气的换热系数;S23对加氢顺序控制器进行简化,采用逻辑控制器进行气源切换,其中温度压力会存在突变现象;S24对加氢口进行模型简化,为模拟焦耳-汤普逊效应,用一个较小的节流口代替,根据其气瓶的进气口面积设定节流面积;S25假设车载储气瓶内氢气与瓶体温度一致,且均匀分布,设定整体与外界的换热系数恒定;在加注前的智能预测环节,根据模型T=f(P1,T1,P2,T2,V,Tamb,Tmax)计算出最快速和最经济加载方案及其目标温升曲线。可选的,所述S3具体为:S31三级加注切换点a;三级加注高、中、低储氢瓶的压力分别为40MPa、30MPa、20MPa,考虑不等量压力切换,切换点系数定义如下:a=车载氢气瓶内当前压力/低级储氢瓶压力此时:车载氢气瓶内初始状态压力小于低级储氢瓶压力,加注从低级储氢瓶开始;a=车载氢气瓶内当前压力/中级储氢瓶压力此时:车载氢气瓶内初始状态压力小于中级储氢瓶压力且大于或等于低级储氢瓶压力,加注从中级储氢瓶开始;a不存在此时:车载氢气瓶内初始状态压力大于或等于中级储氢瓶压力;设定车载氢气瓶初始压力为30MPa,环境温度为60℃,在此极端情况下由高级储氢瓶在无预冷条件下对车载氢气瓶加注到终止条件,得到温升曲线,最终车载氢气瓶的最高温度约75℃,在安全条件内;故当切换点a不存在时,加注直接从高级储氢瓶开始且无需确定初始预冷温度;车载氢气瓶的最大容量为35MPa,设定车载储氢瓶压力初始为2MPa,环境温度为20℃,其他条件不变时对切换点进行仿真分析,根据仿真结果知当切换点系数a=0.6时,加载时间不到3分钟,且切换点跨度为0.05时,加注时间最大差约在10秒;故取切换点系数跨度为0.05,切换点等级划分为:a=1.00、0.95、……、x这里x≥0.6且x≥车载氢气瓶内当前状态压力/对应级别储氢瓶压力;当加注是从低级储氢瓶开始时,此时确定的切换点系数也用于中级储氢瓶加注时的切换点;在加注过程中,当车载氢气瓶压力与此时加注级别储氢瓶压力比值达到切换点时,切换为下一级别储氢瓶进行加注;S32切换点冷却方案预冷系统最低能输出-40℃;在相同条件下,由仿真结果得到,每当预冷温度降低2℃,加注结束时温升会降低约1℃;对不同切换点的预冷方案为:A、确定此时切换点系数a;B、在某一确定初始状态下,根据预测模型计算出在该切换点下加注过程的目标温升曲线和加注完成后车载氢气瓶的最大温度Tpmax;C、若Tpmax≤Tmax,则预冷系统不设定预冷温度,否则转D;D、将预冷系统预冷温度定为-35℃,预留极端状况下PID控制预冷系统输出余量温度5℃,根据模型计算出加注完成后车载氢气瓶的最大温度Tpmax’,若Tpmax’≥Tmax,则该切换点不可行并放弃该切换点系数,否则转E;E、计算出预冷系统的初始预冷温度Tp0;根据加注前初始状态智能预测出一组加注切换点及对应的初始预冷温度和目标温升曲线,筛选出最快速和最经济两种可行加注方案;作出如下定义:最快速加注方案:在可行切换点中加注时间最短者;最经济加注方案:当所有可行切换点都不需进行预冷时,最快速和最经济加注方案均为加注时间最短者;当所有可行切换点都需进行预冷时,最经济加注方案为初始预冷温度Tp0最高者;否则,最经济加注方案为不需预冷且加注时间最短者。可选的,所述S4具体为:采用PID控制算法,以预测目标温升曲线为控制输入,预冷系统冷却温度为输出,以减小实际加注温升曲线与预测目标温升曲线间的误差;操作步骤为,首先根据初始状态预测出可行切换点,并计算出各切换点下的初始冷却温度Tp0,对比出最快速和最经济加注方案供选择,确定加注方案后,在实际加注过程中,采用PID控制预冷系统使车载氢气瓶实际温升贴近预测目标温升曲线,最大误差不超过5℃,直到满足加注终止条件;具体操作步骤如下:S41传感器采集加注初始状态信息,环境温度Tamb、车载氢气瓶余量压力及其体积;S42根据初始状态确定可行切换点组和各切换点对应开始加注储氢瓶等级;S43计算各可行切换点初始预冷温度;S44计算出最快速和最经济加注方案及其目标温升曲线;S45确定加注方案;S46PID控制预冷系统进行加注,将实际温升曲线与目标温升曲线误差控制在安全裕度5℃内;S47达到加注终止条件;S48加注完成,结束加注。本专利技术的有益效果在于:1.系统具有智能预测功能,可根据加注时环境温度和车载氢气瓶内氢气余量压力计算出最快速和最经济加注方案。2.经过预测比较,提高了氢气加注效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:/nS1:设定加注终止条件;/nS2:简化预测模型;/nS3:智能预测;/nS4:预冷系统实时控制方案。/n

【技术特征摘要】
1.基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1:设定加注终止条件;
S2:简化预测模型;
S3:智能预测;
S4:预冷系统实时控制方案。


2.根据权利要求1所述的基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,其特征在于:所述S1具体为:
根据国际标准SAE-J2601,正常加注过程中,不考虑发生泄漏、气源压力不够和加注流量过大的情况;
S11:气瓶内部温度达到85℃;为保证加注安全性,设定最高温度边界阀值Tmax=80℃,预留安全裕度5℃;
S12:气瓶内部最大压力达到额定工作压力的125%。


3.根据权利要求1所述的基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,其特征在于:所述S2具体为:
氢气加注过程的核心要素是加注策略对最终气瓶温升和SOC值的影响,做出如下假设:
S21由于加氢站的储氢瓶组体积远大于车载储气瓶,因此假设其压力恒定,为了研究不同预冷温度的影响,假设气源的温度恒定;
S22对储氢瓶组-加氢机和加氢机-车载储氢瓶组的管路进行简化,加注过程中不考虑管接头及阀门的影响,并设定其与空气的换热系数;
S23对加氢顺序控制器进行简化,采用逻辑控制器进行气源切换,其中温度压力会存在突变现象;
S24对加氢口进行模型简化,为模拟焦耳-汤普逊效应,用一个较小的节流口代替,根据其气瓶的进气口面积设定节流面积;
S25假设车载储气瓶内氢气与瓶体温度一致,且均匀分布,设定整体与外界的换热系数恒定;
在加注前的智能预测环节,根据模型T=f(P1,T1,P2,T2,V,Tamb,Tmax)计算出最快速和最经济加载方案及其目标温升曲线。


4.根据权利要求1所述的基于智能预测与控制的车载氢气瓶三级加注方法,其特征在于:所述S3具体为:
S31三级加注切换点a;
三级加注高、中、低储氢瓶的压力分别为40MPa、30MPa、20MPa,考虑不等量压力切换,切换点系数定义如下:
a=车载氢气瓶内当前压力/低级储氢瓶压力
此时:车载氢气瓶内初始状态压力小于低级储氢瓶压力,加注从低级储氢瓶开始;
a=车载氢气瓶内当前压力/中级储氢瓶压力
此时:车载氢气瓶内初始状态压力小于中级储氢瓶压力且大于或等于低级储氢瓶压力,加注从中级储氢瓶开始;
a不存在
此时:车载氢气瓶内初始状态压力大于或等于中级储氢瓶压力;设定车载氢气瓶初始压力为30MPa,环境温度为60℃,在此极端情况下由高级储氢瓶在无预冷条件下对车载氢气瓶加注到终止条件,得到温升曲线,最终车载氢气瓶的最高温度约75℃,在安全条件内;故当切换点a不存在时,加注直接从高级储氢瓶开始且无需确定初始预冷温度;
车载氢气瓶的最大容量为35MPa,设定车载储氢瓶压力初始为2MPa,环境温度为20℃,其他条件不变时对切换点进行仿真分析,根据仿真...

【专利技术属性】
技术研发人员:张财志段浩白云锋李梦晓张俊
申请(专利权)人:重庆大学
类型:发明
国别省市:重庆;50

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