一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法技术

本发明专利技术公开一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，包括：构建包含温度预估超前补偿器、双积分自耦PI控制器、辅助控制器和控制信号分配器的温控系统；获取电堆的输出功率、入口处冷却水的温度实测值、所处的环境温度和两组散热风扇的空气质量流速；将输出功率、温度实测值和空气质量流速输入温度预估超前补偿器以得到温度预估超前补偿值；将温度预估超前补偿值输入双积分自耦PI控制器以得到自耦PI控制力，将输出功率和环境温度输入辅助控制器以得到辅助控制力；将输出功率、温度预估超前补偿值、自耦PI控制力和辅助控制力输入控制信号分配器，得到两组电机驱动信号以调整两组散热风扇的运行状态。本发明专利技术可以实现电堆温度的稳态控制。的稳态控制。的稳态控制。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法


[0001]本专利技术涉及电堆控制
，具体是涉及一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电堆作为一种直接将化学能转换为电能的装置，其因清洁、无污染、能量效率高等优点，已成为国内外新能源应用的重要发展方向。氢燃料电堆在实际应用中存在负载动态变化、系统扰动、状态大时滞等复杂情况，由此引起的温度变化会影响氢燃料电堆的最大输出功率和使用寿命，对氢燃料电堆进行有效的温度控制是保证其高性能、长寿命运行的关键。将氢燃料电堆的工作温度控制在设定值的
±
3℃范围内，不仅可避免因过高温度造成质子交换膜的降解，而且也可避免较低温度会导致电池性能的衰减。
[0003]国内外学者通过开展相关研究之后也提出一些关于氢燃料电堆的温度控制方式，如比例
‑
积分控制、状态反馈控制、分段预测负反馈控制、非线性前馈与线性二次型调节器反馈控制、广义预测控制等等。然而由于氢燃料电堆在实际运行过程中其温度随负载的波动表现出大范围的动态特性，再考虑到冷却水流经散热器需要相对较长的延迟时间，氢燃料电堆系统实际上是一个全工况大时滞系统，使得现有的控制方法面临巨大挑战性，控制效果较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
[0005]本专利技术提供一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，所述大功率氢燃料电堆通过预先设置的两组散热风扇进行温度调节，所述方法包括：
[0006]构建所述大功率氢燃料电堆的温控系统，包括温度预估超前补偿器、双积分自耦PI控制器、辅助控制器和控制信号分配器；
[0007]获取所述大功率氢燃料电堆的输出功率、其入口处冷却水的温度实测值、其所处的环境温度以及所述两组散热风扇的空气质量流速；
[0008]通过所述温度预估超前补偿器对所述输出功率、所述温度实测值和所述空气质量流速进行解析，得到所述大功率氢燃料电堆的入口处冷却水的温度预估超前补偿值；
[0009]若所述温度预估超前补偿值满足预设条件，通过所述双积分自耦PI控制器对所述温度预估超前补偿值进行解析得到自耦PI控制力，同时通过所述辅助控制器对所述输出功率和所述环境温度进行解析得到辅助控制力；
[0010]通过所述控制信号分配器对所述输出功率、所述温度预估超前补偿值、所述自耦PI控制力和所述辅助控制力进行解析得到两组电机驱动信号；
[0011]利用所述两组电机驱动信号调整所述两组散热风扇的运行状态。
[0012]进一步地，所述方法还包括：
[0013]若所述温度预估超前补偿值不满足所述预设条件，通过所述控制信号分配器输出幅值为零的两组电机驱动信号；
[0014]利用所述幅值为零的两组电机驱动信号控制所述两组散热风扇停止运行。
[0015]进一步地，所述温度预估超前补偿器的数学模型为：
[0016][0017]其中，T
m
为无时滞下电堆入口处冷却水的温度预测值，w
m
为电堆预估升温率，且w
m
＝P0/140，P0为所述输出功率，b0为空气质量流速的控制系数，u为所述空气质量流速，T
p
为无时滞下电堆入口处冷却水的温度预测补偿值，τ0为散热系统时滞，t为时间，T
m
(t
‑
τ0)为有时滞下电堆入口处冷却水的温度预测值，T
st
为所述温度实测值，T
pa
为所述温度预估超前补偿值，T
p
(t
‑
τ0)为有时滞下电堆入口处冷却水的温度预测补偿值。
[0018]进一步地，所述预设条件为：T
pa
≥T
set
‑
3，T
set
为电堆入口处冷却水的温度设定值。
[0019]进一步地，所述双积分自耦PI控制器的运行过程包括：
[0020]确定所述温度设定值和所述温度预估超前补偿值之间的温度误差信号为：
[0021]e1＝T
set
‑
T
pa
；
[0022]根据设定的速度因子和所述温度误差信号，确定比例控制力为：
[0023]u
p
＝
‑
20z
c
e1；
[0024]当P0<0.5P
m
时，根据所述温度误差信号、所述速度因子和所述比例控制力，确定第一自耦PI控制力为：
[0025][0026]当P0≥0.5P
m
时，根据所述温度误差信号、所述速度因子和所述比例控制力，确定第二自耦PI控制力为：
[0027][0028]其中，z
c
为速度因子，P
m
为电堆额定功率，e
01
为第一积分结果，u
1i
为第一积分控制力，u
αcpi1
为第一自耦PI控制力，e
02
为第二积分结果，u
2i
为第二积分控制力，u
acpi2
为第二自耦PI控制力。
[0029]进一步地，所述辅助控制器的运行过程包括：
[0030]根据所述环境温度，确定环境辅助控制力为：
[0031]u
at
＝0.2(T
en
‑
20)；
[0032]当P0<0.5P
m
时，结合所述环境辅助控制力确定受环境和功率影响的第一辅助控制力为：
[0033][0034]当P0≥0.5P
m
时，结合所述环境辅助控制力确定受环境和功率影响的第二辅助控制力为：
[0035][0036]其中，T
en
为所述环境温度，u
ap1
为第一功率辅助控制力，u
ac1
为第一辅助控制力，u
ap2
为第二功率辅助控制力，u
ac2
为第二辅助控制力。
[0037]进一步地，所述控制信号分配器的运行过程包括：
[0038]当P0<0.5P
m
时，根据所述第一自耦PI控制力和所述第一辅助控制力，确定两组电机驱动信号为：
[0039]PWM1＝u
acpi1
+u
ac1
,PWM2＝0；
[0040]当P0≥0.5P
m
时，根据所述第二自耦PI控制力和所述第二辅助控制力，确定两组电机驱动信号为：
[0041]PWM1＝u
acpi2
+u
ac2
,PWM2＝u
acpi2
+u
ac2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，其特征在于，所述大功率氢燃料电堆通过预先设置的两组散热风扇进行温度调节，所述方法包括：构建所述大功率氢燃料电堆的温控系统，包括温度预估超前补偿器、双积分自耦PI控制器、辅助控制器和控制信号分配器；获取所述大功率氢燃料电堆的输出功率、其入口处冷却水的温度实测值、其所处的环境温度以及所述两组散热风扇的空气质量流速；通过所述温度预估超前补偿器对所述输出功率、所述温度实测值和所述空气质量流速进行解析，得到所述大功率氢燃料电堆的入口处冷却水的温度预估超前补偿值；若所述温度预估超前补偿值满足预设条件，通过所述双积分自耦PI控制器对所述温度预估超前补偿值进行解析得到自耦PI控制力，同时通过所述辅助控制器对所述输出功率和所述环境温度进行解析得到辅助控制力；通过所述控制信号分配器对所述输出功率、所述温度预估超前补偿值、所述自耦PI控制力和所述辅助控制力进行解析得到两组电机驱动信号；利用所述两组电机驱动信号调整所述两组散热风扇的运行状态。2.根据权利要求1所述的大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，其特征在于，所述方法还包括：若所述温度预估超前补偿值不满足所述预设条件，通过所述控制信号分配器输出幅值为零的两组电机驱动信号；利用所述幅值为零的两组电机驱动信号控制所述两组散热风扇停止运行。3.根据权利要求1所述的大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，其特征在于，所述温度预估超前补偿器的数学模型为：其中，T
m
为无时滞下电堆入口处冷却水的温度预测值，w
m
为电堆预估升温率，且w
m
＝P0/140，P0为所述输出功率，b0为空气质量流速的控制系数，u为所述空气质量流速，T
p
为无时滞下电堆入口处冷却水的温度预测补偿值，τ0为散热系统时滞，t为时间，T
m
(t
‑
τ0)为有时滞下电堆入口处冷却水的温度预测值，T
st
为所述温度实测值，T
pa
为所述温度预估超前补偿值，T
p
(t
‑
τ0)为有时滞下电堆入口处冷却水的温度预测补偿值。4.根据权利要求3所述的大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，其特征在于，所述预设条件为：T
pa
≥T
set
‑
3，T
set
为电堆入口处冷却水的温度设定值。5.根据权利要求4所述的大功率氢燃料电堆的温度复合控制方法，其特征在于，所述双积分自耦PI控制器的运行过程包括：确定所述温度设定值和所述温度预估超前补偿值之间的温度误差信号为：e1＝T
set
‑
T
pa
；根据设定的速度因子和所述温度误差信号，确定比例控制力为：u
p
＝
‑
20z
c
e1；当P0<0.5P
m
时，根据所述温度误差信号、所述速度因子和所述比例控制力，确定第一自
耦PI控制力为：当P0≥0.5P
m
时，根据所述温度误差信号、所述速度因子和所述比例控制力，确定第二自耦PI控制力为：其中，z
c
为速度因子，P
m
为电堆额定功率，e
01
为第一积分结果，u
1i
为第一积分控制力，u
acpi1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾喆昭，吴秀东，贺文锋，
申请(专利权)人：曾喆昭，
类型：发明
国别省市：