一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法技术方案

本发明专利技术属于新能源发电技术领域，公开了一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，构建航空用多堆燃料电池系统实验平台，基于实验平台获得实验条件下的电流

【技术实现步骤摘要】
一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法


[0001]本专利技术属于新能源发电
，尤其涉及一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法。

技术介绍

[0002]目前，能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也直接影响着我国的经济发展。随着三大化石能源的减少以及传统能源的消耗带来的环境问题，传统能源结构及其利用方式很难满足人类未来生存发展的需要，新能源已经成为各国开始研究的新方向之一。在能源变革的背景下，低碳航空已成为世界各国发展航空业的共识，而电动飞机作为绿色航空发展的主要方向，受到了越来越多的关注。在各类电动系统中，航空燃料电池推进系统作为一种高能量密度、能量转换效率高和零污染的供电系统，其优良特性能够大大提高飞机航程。
[0003]在通用飞机航电系统架构设计中，安全性分析占有重要地位，而发动机作为飞机的心脏，是飞机的动力来源，它直接影响飞机的性能、可靠性与经济性。对于航空燃料电池推进系统，在启动和爬升时需要较大的推力，受目前制造工艺的限制和燃料电池电堆散热考虑，单发动机无法满足所需要求；在系统架构层面也需要设置发动机冗余，预防单发动机失效，提高系统层级的可靠性。质子交换膜燃料电池的输出性能受到运行温度、环境气压、环境湿度、质子交换膜含水量等因素影响，但其受运行温度的影响最大。燃料电池在运行过程中需要保持合适的温度值，过高的温度会使质子交换膜燃料电池膜干燥，造成“膜干”故障，降低质子交换膜的性能，并且会严重影响质子交换膜燃料电池的使用寿命。燃料电池电堆温度过低会降低燃料电池的输出功率，增加燃料电池运行的成本，大幅减少燃料电池飞行器的航程。空冷型质子交换膜燃料电池因其本身采用阴极进气端与空气直接接触的结构特点，去除了空压机和加湿器，安装了散热风扇，风扇提供空气的同时还带走电堆内产生的热量，从而控制燃料电池电堆内的温度。因此控制散热风扇调控电堆内部温度在合适范围成为决定电堆性能的关键问题。
[0004]由于实际工况比较复杂，针对空冷型质子交换膜燃料电池建立精确的数学模型比较困难，并且目前空冷型燃料电池系统的控制器大多数还是采用传统控制器，若调制激烈则容易引发温度超调震荡，造成“膜干”故障，影响燃料电池的使用寿命，危害使用者的安全，若调制缓和则会引起调节时间长，动态响应慢，导致输出功率不足和燃料浪费，特别是出现干扰时，传统控制器不能及时作出响应，可能会导致系统震荡、超调等问题，影响系统的可靠性。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)对于航空燃料电池推进系统，在启动和爬升时需要较大的推力，受目前制造工艺的限制和燃料电池电堆散热考虑，单发动机无法满足所需要求；在系统架构层面也需要设置发动机冗余，预防单发动机失效，提高系统层级的可靠性。
[0007](2)由于实际工况比较复杂，针对空冷型质子交换膜燃料电池建立精确的数学模
型比较困难。
[0008](3)目前空冷型燃料电池系统的控制器大多数还是采用传统控制器，若调制激烈则容易引发温度超调震荡，造成“膜干”故障，影响燃料电池的使用寿命，危害使用者的安全。
[0009](4)采用传统控制器，若调制缓和则会引起调节时间长，动态响应慢，导致输出功率不足和燃料浪费，特别是出现干扰时，传统控制器不能及时作出响应，可能会导致系统震荡、超调等问题，影响系统的可靠性。

技术实现思路

[0010]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，尤其涉及一种基于模糊自抗扰的双发动机空冷型氢燃料电池试验平台的构建及其热管理控制方法、介质、设备及终端。
[0011]本专利技术是这样实现的，一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法包括：
[0012]构建航空用多堆燃料电池系统实验平台，基于实验平台获得实验条件下的电流
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最优温度值参考曲线；在空冷型燃料电池系统中基于不同环境下的实际工况，根据安装在燃料电池电堆空气流道中的温度传感器实时传输的温度值，通过控制算法处理，控制总控制器传给燃料电池电堆空气进气端风扇的电压值，实现对燃料电池电堆的温度控制，与传统控制器相比较，该算法具有更快的响应速度、更小的超调和更强的抗干扰能力。
[0013]进一步，所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法包括以下步骤：
[0014]步骤一，根据航空用多堆燃料电池系统实验平台，获取在当前测试环境下的空冷型燃料电池电堆的电流
‑
最优温度值参考曲线，便于实验实施中的温度对比；
[0015]步骤二，针对当前测试环境下的空冷型燃料电池电堆，打开氢气减压阀、进气端风扇和调节氢气进气阀，设置工况电流，空冷型燃料电池电堆开始工作；
[0016]步骤三，根据实际工况，测量电堆输出电流、电堆内温度、风扇电压；通过所述电压传感器、电流传感器、温度传感器将电堆输出电流、电堆内温度、风扇电压转换为电信号传输给总控制器；
[0017]步骤四，总控制器处理；根据步骤一拟合的电流
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最优温度值参考曲线，获得实际工况电堆输出电流时燃料电池电堆对应的最优温度值；根据温度传感器传输给控制器的实际温度值，计算最优温度与实际温度的温度差；通过模糊自抗扰方法计算得到进气端风扇电压值，并反馈给进气端风扇，实现航空用多堆燃料电池系统实验平台的热管理。
[0018]进一步，所述步骤一中的电流
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最优温度值参考曲线获取包括：
[0019](1)开启可编程直流电源，连接燃料电池电堆空气进气端风扇和总控制器，打开进气端风扇，为燃料电池电堆反应提供氧气；
[0020](2)打开高压储氢罐减压阀，调节氢气进气阀，使燃料电池电堆氢气进气端进气压力达到适合范围，为燃料电池电堆反应提供氢气；
[0021](3)调节电控系统；设置固定负载工况电流，执行空冷型燃料电池启动操作，使燃料电池电堆开始运行，并在工况下稳定运行一段时间，活化性能，更利于分析电堆的输出特性；
[0022](4)进气端风扇受PWM信号的控制，通过调节风扇的PWM信号使运行在最大转速的情况下，PWM值为100％；使空冷型燃料电池电堆内温度达到较低水平的稳定状态，固定减小PWM信号值，每次减小值为
△
PWM；根据固定负载工况电流的大小不同设置
△
PWM为5～10％，使空冷型燃料电池电堆内部温度缓慢上升；
[0023](5)若测试过程中观察空冷型燃料电池电堆的输出电压，若输出电压比前一PWM值对应的输出电压变低，则停止减小PWM值；实验过程中输出电压最大值对应时刻的空冷型燃料电池内部温度值为当前固定负载工况电流下的最优温度值，得到负载电流为20A时的温度变化图与输出电压图；
[0024](6)设置不同固定负载工况电流，重复步骤(1)～步骤(5)，得到不同固定负载工况电流下的参考温度，绘制得到电流
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最优温度值参考曲线。
[0025]进一步，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，其特征在于，所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法包括：构建航空用多堆燃料电池系统实验平台，基于航空用多堆燃料电池系统实验平台获得实验条件下的电流
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最优温度值参考曲线；在空冷型燃料电池系统中基于不同环境下的实际工况，根据安装在燃料电池电堆空气流道中的温度传感器实时传输的温度值，通过控制算法处理，控制总控制器传给燃料电池电堆空气进气端风扇的电压值，实现对燃料电池电堆的温度控制。2.如权利要求1所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，其特征在于，所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法包括以下步骤：步骤一，根据双发动机空冷型燃料电池飞行器实验平台，获取在当前测试环境下的空冷型燃料电池电堆的电流
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最优温度值参考曲线；步骤二，针对当前测试环境下的空冷型燃料电池电堆，打开氢气减压阀、进气端风扇和调节氢气进气阀，设置工况电流，空冷型燃料电池电堆开始工作；步骤三，根据实际工况，测量电堆输出电流、电堆内温度、风扇电压；通过所述电压传感器、电流传感器、温度传感器将电堆输出电流、电堆内温度、风扇电压转换为电信号传输给总控制器；步骤四，总控制器处理；根据步骤一拟合的电流
‑
最优温度值参考曲线，获得实际工况电堆输出电流时燃料电池电堆对应的最优温度值；根据温度传感器传输给控制器的实际温度值，计算最优温度与实际温度的温度差；通过模糊自抗扰方法计算得到进气端风扇电压值，并反馈给进气端风扇，实现对航空用多堆燃料电池系统实验平台的热管理。3.如权利要求2所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，其特征在于，所述步骤一中的电流
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最优温度值参考曲线获取包括：(1)开启可编程直流电源，连接燃料电池电堆空气进气端风扇和总控制器，打开进气端风扇，为燃料电池电堆反应提供氧气；(2)打开高压储氢罐减压阀，调节氢气进气阀，使燃料电池电堆氢气进气端进气压力达到适合范围，为燃料电池电堆反应提供氢气；(3)调节电控系统；设置固定负载工况电流，执行空冷型燃料电池启动操作，使燃料电池电堆开始运行，并在工况下稳定运行一段时间，活化性能；(4)进气端风扇受PWM信号的控制，通过调节风扇的PWM信号使运行在最大转速的情况下，PWM值为100％；使空冷型燃料电池电堆内温度达到较低水平的稳定状态，固定减小PWM信号值，每次减小值为
△
PWM；根据固定负载工况电流的大小不同设置
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PWM为5～10％，使空冷型燃料电池电堆内部温度缓慢上升；(5)若测试过程中观察空冷型燃料电池电堆的输出电压，若输出电压比前一PWM值对应的输出电压变低，则停止减小PWM值；实验过程中输出电压最大值对应时刻的空冷型燃料电池内部温度值为当前固定负载工况电流下的最优温度值，得到负载电流为20A时的温度变化图与输出电压图；(6)设置不同固定负载工况电流，重复步骤(1)～步骤(5)，得到不同固定负载工况电流下的参考温度，绘制得到电流
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最优温度值参考曲线。4.如权利要求2所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，其特征在于，所述步骤四
中的总控制器处理的过程中实时检测实际工况电流值，若实际工况电流值发生变化，则按照步骤三～步骤四以新的实际工况电流值进行计算处理。5.如权利要求2所述航空用多堆燃料电池系统电热控制方法，其特征在于，所述步骤四中的二阶模糊自抗扰方法包括：(1)自抗扰跟踪微分器的表达式为：其中，h0表示fst函数步长，h表示采样周期，r表示跟踪速度快慢，V0为当前电流值对应的最优温度值；(2)自抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：马睿，霍喆，冯智，张钰奇，袁铭浩，杨富旺，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：