基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，包括以下步骤：步骤S1:基于燃料电池温度空间分布情况，构建多模节点物理热模型，包括n个节点的模型，构成模型库；步骤S2:基于多模节点物理热模型，采用线性方法设计相应的模型预测控制器，用于调节特定区域的温度；步骤S3:构建自适应切换控制器，实时选择模型库中温度与其他节点相差最大的区域，进行矫正控制，待该区域的温度达到预设值，切换至下一个模型节点进行温度矫正，进而实现温度场温差的减小，在同等输出电流的情况下实现燃料电池电压的提高。本发明专利技术实现燃料电池内部温差减小，温度场分布更加均匀，从而提高燃料电池输出性能。电池输出性能。电池输出性能。

【技术实现步骤摘要】
基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池温度控制领域，具体涉及一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法。

技术介绍

[0002]氢燃料电池具有高效，清洁等特点，能够稳定、不间断的持续输出，相比于太阳能、风能、水电等可其他再生能源能克服其系统固有的间歇性、波动性和随机性带来的局限。近年来关于氢燃料电池的微型热电联产系统(Micro
‑
CHP)被认为具有替代传统家庭燃气锅炉的可能性且能够大幅减少长距离电力传输损耗(约8％
‑
10％)、区域供热量传输损耗(约10％
‑
15％)、能源的损耗、尾气的排放量等，因而受到工业界和学术界的关注，但由于氢燃料电池及其管理系统等关键技术未能突破，使得氢燃料电池相关系统的能量使用效率、耐久性、稳定性、使用寿命等受限，以及制氢成本较高等因素，致使氢燃料电池未能大力推广。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，实现燃料电池内部温差减小，温度场分布更加均匀，从而提高燃料电池输出性能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1:基于燃料电池温度空间分布情况，构建多模节点物理热模型，包括n个节点的模型，构成模型库；
[0007]步骤S2:基于多模节点物理热模型，采用线性方法设计相应的模型预测控制器，用于调节特定区域的温度；
[0008]步骤S3:构建自适应切换控制器，实时选择模型库中温度与其他节点相差最大的区域，进行矫正控制，待该区域的温度达到预设值，切换至下一个模型节点进行温度矫正，进而实现温度场温差的减小，在同等输出电流的情况下实现燃料电池电压的提高。
[0009]进一步的，所述步骤S1具体为：
[0010]步骤S11:分析燃料电池特性，得出其工作模型，确定燃料电池产热功率与散热功率之间的运行关系为：
[0011][0012]式中,m
fc
是燃料电池的总质量，C
fc
为比热容，T
fc
为燃料电池的温度，为燃料电池化学反应式产生的总热量变化率，Pelec为燃料电池输出功率，燃料电池向周边的辐射散热变化率，为冷却系统强制散热量变化率；
[0013]步骤S12:将电堆在空间上分为n部分，每部分视为一个节点，每个节点模型的产热功率与散热功率之间的运行关系可参考公式(1)，同时将前一个节点模型的输出参数视为
下一个节点模型的初始状态参数。
[0014]进一步的，所述步骤S2具体为：
[0015]步骤S21：分别选取活化极化区后段、欧姆极化区全段和浓差极化区前段的典型工作点，利用系统辨识方法建立相应工作点的预测模型集，温度MPC运行时，根据实际系统的工作状态选用与之相匹配的预测模型基于预测模型，进行优化控制，设定目标函数：
[0016][0017]其中，x∈R
n
,A∈R
n
×
n
，B∈R
n
×2,C＝R
nx1
,A＝Nu模型预测控制器的预测与控制步长,模型基于当前及历史输入和输出数据估计系统在k+j时刻的输出；y
r
(k+j)为系统在k+j时刻的期望输出，Q和R分别为跟踪误差和控制量的加权矩阵；
[0018]步骤S22：根据燃料电池系统组成器件的真实参数，设定最大温差值ΔT
max
、温度上限T
up
和最高温度T
max
，实现温度的控制。
[0019]进一步的，所述步骤S3具体为：
[0020]步骤S31:构建自适应切换控制器，自适应切换控制器实时检测每个节点输出的温度，选择出其中燃料电池区域偏差较大的区域作为控制反馈的温度经行改善管理，对于每个节点的输出温度均采用下述评价函数进行量化：
[0021][0022]其中，γ,μ,τ均为常数，l为整数，e
i
(k)为第i个节点输出与该时刻期望的均衡值的偏差:
[0023][0024]步骤S32：自适应切换控制器实时对评价函数进行比较，选择第j个模型的的切入实际控制状态的评价为：
[0025][0026]步骤S33：利用线性回归判定所有节点的均匀度后，根据实时采集来各个模型节点的温度值，通过权重值的配置实现全区域的实时性选择其中偏差值最大的节点，进行矫正控制。
[0027]进一步的，所述权重值的配置采用主成份法开展权重系数，根据每个节点的被选为控制对象的时间、节点的位置、节点的实时温度、冷却液的流向信息作为权重值的配置的参考信息。
[0028]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0029]1、本专利技术实现燃料电池内部温差减小，温度场分布更加均匀，从而提高燃料电池输出性能；
[0030]2、本专利技术通过温度场的均匀化，可增强燃料电池输出的稳定性，降低输出波纹；
[0031]3、本专利技术提高了燃料电池极板上的温度均匀化，可以促进燃料电池膜水含量的均匀分布，使输出功率更加稳定从而提高燃料电池的使用寿命。
附图说明
[0032]图1是本专利技术实施例中控制示意图；
[0033]图2是本专利技术实施例中测量燃料电池不同位置的温度；
[0034]图3是本专利技术实施例中采用本专利技术提及的多模节点自适应控制后燃料电池在不同位置上温度测量结果；
[0035]图4是本专利技术实施例中采用本专利技术提及的多模节点自适应控制后燃料电池输出情况对比。
具体实施方式
[0036]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。
[0037]请参照图1，本专利技术提供一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，包括以下步骤：
[0038]步骤S1:基于燃料电池温度空间分布情况，构建多模节点物理热模型，包括n个节点的模型，构成模型库；
[0039]步骤S2:基于多模节点物理热模型，采用线性方法设计相应的模型预测控制器，用于调节特定区域的温度；
[0040]步骤S3:构建自适应切换控制器，实时选择模型库中温度与其他节点相差最大的区域，进行矫正控制，待该区域的温度达到预设值，切换至下一个模型节点进行温度矫正，进而实现温度场温差的减小，参照图3，进而在同等输出电流的情况下实现燃料电池电压的提高，结果参照图4。
[0041]在本实施例中，步骤S1具体为:
[0042]步骤S11：燃料电池的温度模型主要由燃料电池输出功率及温度调节系统决定，温度调节系统主要由循环水泵、节温器、电动三通阀、散热风扇、水箱、温度等组成；分析燃料电池特性，得出其工作模型，确定燃料电池产热功率与散热功率之间的运行关系为：
[0043][0044]式中,m
fc
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1:基于燃料电池温度空间分布情况，构建多模节点物理热模型，包括n个节点的模型，构成模型库；步骤S2:基于多模节点物理热模型，采用线性方法设计相应的模型预测控制器，用于调节特定区域的温度；步骤S3:构建自适应切换控制器，实时选择模型库中温度与其他节点相差最大的区域，进行矫正控制，待该区域的温度达到预设值，切换至下一个模型节点进行温度矫正，进而实现温度场温差的减小，在同等输出电流的情况下实现燃料电池电压的提高。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：步骤S11:分析燃料电池特性，得出其工作模型，确定燃料电池产热功率与散热功率之间的运行关系为：式中,m
fc
是燃料电池的总质量，C
fc
为比热容，T
fc
为燃料电池的温度，为燃料电池化学反应式产生的总热量变化率，Pelec为燃料电池输出功率，燃料电池向周边的辐射散热变化率，为冷却系统强制散热量变化率；步骤S12:将电堆在空间上分为n部分，每部分视为一个节点，每个节点模型的产热功率与散热功率之间的运行关系可参考公式(1)，同时将前一个节点模型的输出参数视为下一个节点模型的初始状态参数。3.根据权利要求1所述的基于燃料电池多模节点热模型的热均衡控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：步骤S21：分别选取活化极化区后段、欧姆极化区全段和浓差极化区前段的典型工作点，利用系统辨识方法建立相应工作点的预测模型集，温度MPC运行时，根据实际系统的工作状态选用与之相匹配的预测模型基于预测模型，进行优化控制，设定目标函数：其中，x∈R
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【专利技术属性】
技术研发人员：欧凯，胡皓文，苏铭航，刘锦航，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：