一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法。包括：建立燃料电池的温度机理模型并作为电堆冷却水出口温度模型；建立散热器的温度机理模型并作为电堆冷却水进口温度模型；从而建立电堆冷却水进出口温度的状态空间模型，基于状态空间模型建立以同时控制电堆冷却水进出口温度为控制目标的控制器，控制器通过调节水泵、冷却风扇的PWM控制信号对电堆冷却水进出口温度进行解耦控制，使得电堆冷却水进出口温度为预设期望温度。本发明专利技术解决了燃料电池冷却水进出口温度的耦合难以同时控制问题，并通过相应的控制方法完成了电堆进出口水温实时的温度控制，对改善燃料电池热分布以及提高热管理有效性有着重要作用。用。用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池应用领域一种电池系统的控制方法，尤其涉及了一种 基于模型的质子交换膜燃料电池系统温度解耦控制方法。

技术介绍

[0002]受限于当前的技术水平，燃料电池目前各方面性能仍然有很大的提升空间， 而电堆温度是直接影响其效率和耐久性的重要因素。一方面过低的温度会直接 影响催化剂的活性从而降低电堆输出性能；另一方面，温度过高会引起电堆内 部膜含水量下降，导致电压下降。现有的温度管理方法大多是单目标控制，即 控制目标是保持某一电堆温度，但忽略了不同操作条件可能引起电堆内部温度 分布的差异，而良好的电堆温度分布则会提高燃料电池系统的净输出功率并极 大地提升系统的耐久性。目前燃料电池温度控制方法包括PID控制、模糊逻辑 控制、模型预测控制等，这些手段往往将电堆温度视为一个变量对其进行集总 参数建模与控制，旨在优化燃料电池工作温度，并没有考虑燃料电池冷却水进 出口温度会对燃料电池内部温度分布产生影响，也没有很好地分析不同执行器 以及燃料电池进出口温度之间的相互耦合关系，在实际应用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立燃料电池的温度机理模型并作为电堆冷却水出口温度模型；S2：建立散热器的温度机理模型并作为电堆冷却水进口温度模型；S3：基于电堆冷却水出口温度模型和电堆冷却水进口温度模型，建立电堆冷却水进出口温度的状态空间模型，基于状态空间模型建立以同时控制电堆冷却水进出口温度为控制目标的控制器，控制器通过调节水泵、冷却风扇的PWM控制信号对电堆冷却水进出口温度进行解耦控制，使得电堆冷却水进出口温度为预设期望温度。2.根据权利要求1所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述S1具体为：根据燃料电池的电堆产热、输出功率和散热因素，并基于热力学第一定律建立燃料电池的温度机理模型，作为电堆冷却水出口温度模型，具体公式如下：其中，m
st
为燃料电池的电堆质量，C
pst
为燃料电池的电堆热容，T
st
为燃料电池的电堆温度，电堆温度T
st
等于电堆冷却水出口温度T
out
，为燃料电池中消耗的氢气释单位时间放出的总能量，P
st
为电堆产出电能功率，为燃料电池中单位时间冷却水带走的能量，代表了电堆向环境中散热，为燃料电池中通入电堆气体单位时间气体带走的能量。3.根据权利要求1所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述S2具体为：根据冷却水从电堆吸收的热量以及冷却水在散热器中散热，并基于热力学第一定律建立散热器的温度机理模型，作为电堆冷却水进口温度模型，具体公式如下：其中，为散热器中冷却水流量，C
water
为冷却水热容，T
in
为电堆冷却水入口温度，为冷却水从电堆中带走的能量，为散热器中冷却水辐射散热能量，为散热器中冷却水通过热传导散热能量，为散热器中冷却水通过对流散热能量。4.根据权利要求3所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述冷却水通过热传导散热能量以及冷却水通过对流散热能量是利用系统辨识的方法对实验数据进行辨识后获得的，具体公式如下：其中，表示在电堆冷却水出口温度T
out
下冷却水热传导散热值；
其中，T
out
代表电堆冷却水出口温度，为散热器中冷却水流量，表示对流中散热器中冷却水流量与电堆冷却水出口温度T
out
之间的非线性函数，D
PWM
代表冷却风扇PWM控制信号的占空比，T
temp
代表外界环境温度。5.根据权利要求4所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈剑，郭方达，刘志洋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：