一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供的一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置，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；双面监测装置设置于任意相邻两片燃料电池单元之间，由多个监测单元组成，监测单元内分别均埋有线电阻、采样电阻和加热电阻；当预设温度与温度信号的偏差大于偏差阈值时，控制器根据传统PID算法中预设的系数控制电源模块中对应可调电阻的阻值；当偏差小于等于偏差阈值时，控制器采用模糊PID算法，根据偏差和偏差变化率在本发明专利技术提出的模糊控制规则表中查询各系数，获得输出量以控制对应可调电阻的阻值，进而改变对应加热电阻上的分压，实现分区加热，具有适应性好、控制精度高、升温速度快等优点。

【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，增加用于检测温度的温度采集电阻和用于加热的热电阻，并且采用双面采集和双面的加热，这样可以将该装置放置在电堆中的任意位置，构成温度控制系统。燃料电池的温度控制系统具有大惯性和大迟延的特点，在现有技术中，大多数温度控制系统采用传统PID控制算法或模糊PID控制算法对加热时间进行调节，从而控制热电阻产生的热量。但通过调节通断时间来控制温度存在死区设置问题，会出现迟滞现象，比如当设定的温度间隙是2℃，当温度从60℃变为62℃才会让导体把电压切断，这使得温度调节是一个大滞后的控制系统，因为通电之后还需要一段时间才能升温，甚至在刚通电时温度还会下降，在高温断电后温度也不会马上下降，所以通过调节通断时间来控制温度的方法具有精度不高，温度滞后大的缺点。此外，传统PID控制算法的控制参数不能在线整定，温度存在超调和迟滞的现象；模糊PID控制是一种基于语言规则的智能控制，不依赖于精确的被控对象模型，具有结构简单、适应性好、鲁棒性强等优点，近年来被应用于燃料电池温度控制系统中，现有的模糊温度控制还存在一些不足，比如当设定温度与实际温度之间的误差e(k)＝Tref(k)-T(k)较大时，调节时间较长，且精确度较差。因此，设计一种具有快速、高精度主动控温功能的燃料电池温度控制系统及其控制方法，是十分具有研究和应用价值的。本专利提供了一种采用双面分区在线检测装置给燃料电池主动加热的方法，将加热电阻和一个可变电阻串联接在电压源上，控制器通过调节可变电阻的阻值来调节加热电阻上的分压，从而调节加热电阻的功率。并采用PID和模糊PID相结合的控制算法根据实时温度和预设温度对可调电阻的阻值进行实时调节以达到所需的温度值。所述的具有主动温度控制功能的双面在线分区检测装置不改变电堆的结构、能实现双面监测、采集的性能参数多、能根据温度需求实现快速，精确的主动温度控制。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于复合PID控制器的燃料电池电堆主动控温装置，采用传统PID和模糊PID相结合的控制算法，根据实时温度和预设温度对可调电阻的阻值进行实时调节以达到所需温度。本专利技术具体技术方案如下：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、微处理器(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；所述双面监测装置为多层印刷电路板，设置于任意相邻两片燃料电池单元之间，用于在线检测燃料电池内部的分区电流密度和温度分布，并分区加热；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用于监测燃料电池内部分区温度的线电阻和走线；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用于监测燃料电池内部分区电流密度的采样电阻和走线；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，从而在线检测燃料电池内部的分区电流密度和温度分布；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本文档来自技高网...

【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；/n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；/n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；/n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；/n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T...

【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