【技术实现步骤摘要】
一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置
本专利技术属于燃料电池领域,具体涉及一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有低污染、低噪音、功率密度高和高能量转换效率等特点而广泛应用于汽车、无人机电源以及固定式发电系统中。但燃料电池电堆的寿命衰减及稳定性问题限制了燃料电池的大规模商业化应用,性能受到诸多因素的影响,如电堆温度、湿度、流场形状等,直接影响温度和电流密度分布。燃料电池的温度与质子交换膜和催化剂层离聚物中的水分含量有关,从而影响燃料电池性能。由此,通过分区检测装置检测燃料电池内部分区电流密度、温度对燃料电池的研究具有重大意义。燃料电池电堆由多个单片燃料电池层叠而来。若单片燃料电池内的温差过大,会导致质子交换膜的受热不均匀,从而降低膜电极的寿命;若电堆内单片燃料电池间的温差过大,电堆的工作温度难以控制,会导致单片燃料电池之间的均一性下降,电堆的稳定性降低。因此需要对燃料电池电堆内部进行主动控温以达到合适的温度。现有提高燃料电池电堆内部温度的方法有变阻加热、氢氧反应加热和气体吹扫等,这些方法能对电堆整体进行加热,但是不能有效的改善单片燃料电池的温度不均一性,而且温度同燃料电池其他参数(如氢空进气压力、氢空流量、湿度等)相比,具有大滞后、非线性和较慢的动态特性的问题,不能快速准确的改善温度分布。因此,使用具有主动控温功能的在线分区检测装置在提升燃料电池性能方面具有重大的意义。基于这样的设计要求,在线分区检测装置在单面采集分区电流装置的基础上 ...
【技术保护点】
1.一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置,其特征在于,包括双面监测装置、CPU、模数转换模块、电源模块、控制器和上位机,双面监测装置的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面监测区,双面监测装置上延伸出燃料电池电堆区域的一端设有温度信号采集端口和电流信号采集端口,另一端设有温度控制端口;所述双面监测装置设置于任意相邻两片燃料电池单元之间;/n所述双面监测区由多个阵列排布的监测单元组成,各监测单元包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区、顶层温度信号采集层、顶层加热层、顶层电流信号采集层、内层敷铜分区、底层电流信号采集层、底层加热层、底层温度信号采集层和底层敷铜镀金分区;相邻监测单元的顶层敷铜镀金分区相互电气隔离,相邻监测单元的底层敷铜镀金分区相互电气隔离;/n所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区均设有温度采集点和金属化过孔;/n所述顶层温度信号采集层和底层温度信号采集层内均埋有线电阻和走线;顶层温度信号采集层中的线电阻位于顶层敷铜镀金分区中温度采集点的下方,线电阻两端第k次采样周期的温度电压信号经顶层温度信号采集层内的走线、温度信号采集端口传输至模数转换模块;底层温度 ...
【技术特征摘要】
1.一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置,其特征在于,包括双面监测装置、CPU、模数转换模块、电源模块、控制器和上位机,双面监测装置的中间、与燃料电池电堆活性区域对应的区域为双面监测区,双面监测装置上延伸出燃料电池电堆区域的一端设有温度信号采集端口和电流信号采集端口,另一端设有温度控制端口;所述双面监测装置设置于任意相邻两片燃料电池单元之间;
所述双面监测区由多个阵列排布的监测单元组成,各监测单元包括自上而下依次设置的顶层敷铜镀金分区、顶层温度信号采集层、顶层加热层、顶层电流信号采集层、内层敷铜分区、底层电流信号采集层、底层加热层、底层温度信号采集层和底层敷铜镀金分区;相邻监测单元的顶层敷铜镀金分区相互电气隔离,相邻监测单元的底层敷铜镀金分区相互电气隔离;
所述顶层敷铜镀金分区和底层敷铜镀金分区均设有温度采集点和金属化过孔;
所述顶层温度信号采集层和底层温度信号采集层内均埋有线电阻和走线;顶层温度信号采集层中的线电阻位于顶层敷铜镀金分区中温度采集点的下方,线电阻两端第k次采样周期的温度电压信号经顶层温度信号采集层内的走线、温度信号采集端口传输至模数转换模块;底层温度信号采集层中的线电阻位于底层敷铜镀金分区中温度采集点的上方,线电阻两端第k次采样周期的温度电压信号经底层温度信号采集层内的走线、温度信号采集端口传输至模数转换模块;
所述顶层电流信号采集层和底层电流信号采集层内均埋有采样电阻和走线;顶层电流信号采集层内的采样电阻通过导线分别与顶层敷铜镀金分区的金属化过孔和内层敷铜分区连接,采样电阻两端第k次采样周期的电流电压信号经顶层电流信号采集层内的走线、电流信号采集端口传输至模数转换模块;底层电流信号采集层内的采样电阻通过导线分别与底层敷铜镀金分区的金属化过孔和内层敷铜分区连接,采样电阻两端第k次采样周期的电流电压信号经底层电流信号采集层内的走线、电流信号采集端口传输至模数转换模块;
所述顶层加热层和底层加热层内均埋有加热电阻和走线,所述电源模块包括电压源和个数为监测单元个数两倍的可调电阻,电压源经可调电阻、温度控制端口、走线连接至对应监测单元的加热电阻两端;
所述控制器包括第一PID控制器、第二PID控制器和模糊控制器;
所述第k次采样周期的温度电压信号和第k次采样周期的电流电压信号经模数转换模块处理为第k次采样周期的温度信号T(k)和第k次采样周期的电流信号后,传输至CPU存储,CPU将温度信号和电流信号上传至上位机进行显示和分析;上位机发送第k次采样周期的预设温度Tset(k)的命令至CPU,CPU计算并存储第k次采样周期的预设温度Tset(k)与温度信号T(k)的偏差e(k)及偏差变化率ec(k):
e(k)=Tset(k)-T(k)
其中,e(k-1)为第k-1次采样周期的偏差;Ts为采样周期;
CPU将第k次采样周期的偏差e(k)与偏差阈值e0进行比较:
若e(k)>e0,则将存储的偏差e(j),j=1,2,...,k和偏差变化率ec(k)传输至控制器中的第一PID控制器进行控制处理,获得第k次采样周期的输出量u(k):
其中,kp为预设的比例系数;ki为预设的积分系数;kd为预设的微分系数;
若e(k)≤e0,则将存储的偏差e(j),j=1,2,...,k和偏差变化率ec(k)传输至控制器中的第二PID控制器,将偏差e(k)和偏差变化率ec(k)作为输入变量传输至模糊控制器,模糊控制器根据偏差e(k)和偏差变化率ec(k)分别在kp′、ki′、kd′的模糊控制规...
【专利技术属性】
技术研发人员:殷聪,唐棋霖,汤浩,李凯,鲁卫霞,陈晓芳,
申请(专利权)人:电子科技大学,
类型:发明
国别省市:四川;51
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