高适应性燃料电池热管理控制方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种高适应性燃料电池热管理控制方法及系统，属于燃料电池的散热控制技术领域。所述控制方法包括：获取当前的动力电池散热需求；确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。该控制方法及系统能够提高燃料电池热管理的控制效率。统能够提高燃料电池热管理的控制效率。统能够提高燃料电池热管理的控制效率。

【技术实现步骤摘要】
高适应性燃料电池热管理控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池的散热控制
，具体地涉及一种高适应性燃料电池热管理控制方法及系统。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能转化为电能的发电装置，其在工作过程中，燃料中的化学能约有40％～60％可以转换为电能，其余的绝大多数能量会转换为热能。其中只有约5％的热能随排气排出电堆，而95％的热量依赖于需要依靠冷却介质散热。目前运用较多的质子交换膜燃料电池的适宜工作温度为60℃～80℃，温度过高将导致质子交换膜发生不同程度脱水现象，致使膜内质子传导受阻，电池欧姆损耗增大，极端情况下交换膜甚至可能干涸破裂产生不可恢复性损坏，两极反应气体直接接触造成安全事故，若电池实际工作温度低于电化学反应催化剂活性温度，将不能最大程度发挥催化剂效用，使得电池输出功率降低，合理的热管理不仅能提高电堆的发电效率，维持燃料电池状态健康。
[0003]目前，建模仿真是研究燃料电池温度控制的重要方法，深入研究燃料电池冷却系统的运行机理，建立燃料电池的仿真模型可以更好地研究燃料电池冷却系统输出特性和性能，方便开展冷却系统控制管理工作。如公布号：CN111403779A的专利技术专利提出一种模型参考的自适应控制方法根据燃料电池热管理系统动态模型，完成被控对象多变量线性状态空间模型，在考虑外部温度和负载动态干扰的情况下，空间模型的参考自适应控制系统通过控制冷却液质量流量和旁通阀开启系数，对电堆温度和冷却液入口温度进行有效控制。但状态空间模型依赖于物理模型结构以及人工参数的标定，不利于燃料电池系统市场推广和普及。Yangjun等人分别构建了水泵、燃料电池电堆、风扇、冷却水管路等模块，进行拼接搭建了燃料电池冷却系统的模型，验证了冷却系统模型的性能。J.C.Amphlett等人采用能量守恒的方法搭建了燃料电池热管理系统模型，并与前人搭建的模型融合，建立了燃料电池稳态整体动力学模型，之后邓宇翔、浦及等人均使用能量守恒的方法搭建了燃料电池冷却系统模型，并进行了热管理控制策略的开发工作，但两人的研究均存在一定的不足，邓宇翔的模型假设入口水温恒定，浦及忽略了辐射散热等，这些假设上的不足可能使模型计算结果存在一定的误差。综上所述，通过一些合理地假设，可以使用一些清晰易懂的数学表达式解释冷却系统的运行机理，指导搭建仿真模型，获得较好的预测效果。
[0004]由于燃料电池热管理系统具有高度的非线性，在控制过程中受到环境温度、工况瞬变等的影响，因此系统温度的控制容易出现迟滞、超调等现象。由于PID控制算法简单、可靠性高、无需了解受控对象的详细模型，因此在大多数工业控制中得到了广泛应用，但PID控制参数面对复杂系统时难以整定，一旦实验条件发生变化则需要重新调整，适应性不强。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例的目的是提供一种高适应性燃料电池热管理控制方法及系统，该控
制方法及系统能够提高燃料电池热管理的控制效率。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术实施例提供一种高适应性燃料电池热管理控制方法，包括：
[0007]获取当前的动力电池散热需求；
[0008]确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；
[0009]在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；
[0010]获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；
[0011]采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；
[0012]根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。
[0013]可选地，采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号包括：
[0014]依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；
[0015]对所述目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；
[0016]采用模糊判断方法依据模糊化处理后的所述目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出所述第二控制信号。
[0017]可选地，依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率包括：
[0018]根据公式(1)计算所述目标温度偏差，
[0019]e＝ΔT＝T
st
‑
T
st,ref
， (1)
[0020]其中，e为所述目标温度偏差，T
st
为所述冷却水出口目标温度，T
st,
为所述冷却水出口温度。
[0021]可选地，所述散热模式包括加热模式；
[0022]所述控制方法包括：
[0023]在所述动力电池的散热模式为加热模式的情况下，控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。
[0024]可选地，所述散热模式包括强制冷却模式；
[0025]所述控制方法包括：
[0026]在所述动力电池的散热模式为强制冷却模式的情况下，控制PTC加热器关闭，调节所述风扇和冷却水泵至最大转速。
[0027]另一方面，本专利技术还提供一种高适应性燃料电池热管理控制系统，所述控制系统包括：
[0028]冷却水泵，用于启动以对燃料电池进行水循环散热；
[0029]风扇，用于启动以对所述燃料电池、冷却水进行风冷散热；
[0030]控制器，与所述冷却水泵、风扇连接，用于：
[0031]获取当前的动力电池散热需求；
[0032]确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；
[0033]在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；
[0034]获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；
[0035]采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；
[0036]根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。
[0037]可选地，所述控制器用于：
[0038]依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；
[0039]对所述目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；
[0040]采用模糊判断方法依据模糊化处理后的所述目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出所述第二控制信号。
[0041]可选地，所述控制器用于包括：
[0042]根据公式(1)计算所述目标温度偏差，
[0043]e＝ΔT＝T
st
‑
T
st,ref
， (1)
[0044]其中，e为所述目标温度偏差，T
st
为所述冷却水出口目标温度，T...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高适应性燃料电池热管理控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：获取当前的动力电池散热需求；确定动力电池的散热模式，其中，所述散热模式包括自循环模式；在所述散热模式为自循环模式的情况下，根据所述散热需求和预设的MAP图确定出第一控制信号；获取当前的冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度；采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号；根据所述第一控制信号和第二控制信号确定当前需要控制的冷却水泵转速和风扇转速。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用模糊控制器根据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定第二控制信号包括：依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率；对所述目标温度偏差和目标温度偏差变化率进行模糊化处理；采用模糊判断方法依据模糊化处理后的所述目标温度偏差、目标温度偏差变化率以及得到的模糊修正量计算出所述第二控制信号。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，依据所述冷却水出口温度以及冷却水出口目标温度确定目标温度偏差和目标温度偏差变化率包括：根据公式(1)计算所述目标温度偏差，e＝ΔT＝T
st
‑
T
st,ref
， (1)其中，e为所述目标温度偏差，T
st
为所述冷却水出口目标温度，T
st,
为所述冷却水出口温度。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述散热模式包括加热模式；所述控制方法包括：在所述动力电池的散热模式为加热模式的情况下，控制风扇关闭，将冷却水泵的转速调整为预设的初始转速，控制PTC加热器至最高输出状态。5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述散热模式包括强制冷却模式；所述控制方法包括：在所述动力电池的散热模式为强制冷却模式的情况下，控制PTC加热器关闭，调节所述风扇和冷却水泵至最大转速。6.一种高适应性燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丞，朱仲文，江维海，佟强，季传龙，王维志，邱亮，汪源，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：