CN101165506A

CN101165506A - 基于网络学习控制的燃料电池测试系统

Info

Publication number: CN101165506A
Application number: CNA2006101172015A
Authority: CN
Inventors: 刘振泰; 曾壎; 张锋
Original assignee: SHANGHAI PALTON FUEL CELL SYSTEM Ltd
Current assignee: SHANGHAI PALTON FUEL CELL SYSTEM Ltd
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-23

Abstract

氢－氧燃料电池系统对温度、压力、流量、湿度等系统控制参数的控制精度、稳定性和鲁棒性的要求很高，而温度、湿度、流量等参数具有滞后、非线性且相互耦合的特性，因而单独对其进行控制是很难的。为了提高燃料电池的性能，本设计提出了一种基于网络学习的控制策略：对温度、流量的控制由其自身的控制器完成，系统参数的优化、协调由网络学习单元完成，同时网络学习单元根据现场运行的实际情况实时优化、自适应调节本地控制目的参数。同时本设计在网络学习单元建立了一个网络服务器，能够让用户在远程进行燃料电池测试实验，并可浏览相关的信息。此外，本设计对燃料电池进行了阻抗分析，为燃料电池的设计提供了依据。

Description

基于网络学习控制的燃料电池测试系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，尤其涉及一种基于网络学习控制的燃料电池测试系统。

技术背景

燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置，是由阴极、阳极、电解质这几个基本单元构成，其工作原理是：燃料气(氢气、甲烷等)在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成阳离子并给出自由电子；氧化物(通常为氧气)在阴极催化剂的作用下发生还原反应，得到电子并产生阴离子；阳极产生的阳离子或者阴极产生的阴离子通过质子导电而电子绝缘的电解质运动到相对应的另外一个电极上，生成反应产物并随未反应完全的反应物一起排到电池外，与此同时，电子通过外电路由阳极运动到阴极，使整个反应过程达到物质的平衡与电荷的平衡，外部用电器就获得了燃料电池所提供的电能。

对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆其必须在一定的条件下才能发挥好的效率以实现可靠的工作，这些条件包括；控制温度在60～80℃(冷却系统)、保持质子交换膜始终处于湿润状态(加湿系统)、供给充足的空气(或氧气)和氢气(空气供给系统和氧气供给系统)。由于PEMFC工作使用的燃料是易燃易爆气体(氢气)，为防止意外事故，还必须配备报警系统和灭火系统。同时，为控制PEMFC的输入和输出以及各系统的协调工作，还必须建立完善的控制系统。

因此，本设计将提供一种基于网络学习的控制策略，对温度、流量基本的控制由其自身的控制器完成，系统参数的优化，协调控制由网络学习单元完成，同时网络学习单元根据现场运行的实际情况实时优化和自适应调节本地控制目的参数。同时在网络学习单元建立了一个网络服务器，能够让用户在远程进行燃料电池测试实验，并可浏览相关的信息，真正实现了“管控一体化”和打破了“自动化孤岛”现象。

发明内容

本发明提供一种基于网络学习控制的燃料电池测试系统，以同时对温度、压力、流量、湿度等系统参数进行控制，并提出一种基于网络学习的控制策略。

本测试系统可以精确地监测和控制成百上千次测量，范围从氢燃料、氧化剂的流量、温度、压力和湿度到燃料电池组的输出电压和电流，能够监视和控制燃料电池在各种情况吓的运行，并准确获得关于实时性能和工作特性等信息。同时具有灵活的数据采集、监控和控制能力，以精确地控制燃料电池的工作和试验。

该系统包括了配气单元、加湿单元、信号检测单元、电堆电压扫描单元、电子负载单元、安全自动连锁保护单元、输入输出接口单元、测试控制软件。

配气单元为燃料电池的施主单元——供给单元，其作用是分别给电池两级按需求定向自动调节供应氢和空气，以上供应需停止时，自动控制供氮气作为安全气堵，当以上供应恢复时则氮气自动退出，配气机构环节中各类组件采用复合集成化设计方式，追求减少漏点及缩小体积、配合氢氧分室设计，达到主动安全防爆目的。另外设有被动安全设施，采用高灵敏传感器作可燃气体检测、软件作气、电转换失控故障智能判断，采用硬件作机电气一体化故障连锁防范，与安全连锁单元形成基层级及管理级的两级安全互动连锁。

加湿单元为配气单元的辅助单元，为保证氢定向穿过燃料电池内部质子交换膜及保证氧化还原反应完全彻底，它是通入水以加热方式成为雾化蒸汽，以采集露点控制流量的方式注入燃料电池两级及配气单元中，以优化该化学反应，使其产生高效率电能。

信号检测单元执行对若干个单体燃料电池的电压信号及温度信号的检测，并完成若干算法及数据补偿。

电堆电压扫描单元(CVM)通过测试电池组结构中每个单片电池的电压可以检测出有问题的电池，解析现场或带负荷长时间运行时的电池性能。

电子负载单元为燃料电池的受主单元——即电能产出单元，作为燃料电池可控负载，能模拟各种不同用电设备对燃料电池各项电参数进行检测及控制，最高可达2500W，所以能满足不同燃料电池的研制和生产要求，该电子负载采用现代电力电子器件，独特的电路设计，精度等级较高，可对燃料电池做定量微观分析，采用风冷和水冷两种可选冷却方式。

安全自动连锁保护单元为重要的辅助单元，目的是为了在燃料电池工作过程中保证人身、运行、设备的安全，当系统发生异常时，本连锁各执行机构能按规定的程序实现紧急操作及切换，直至紧急停机，单元专门对氢回路独立设置双通道故障检出元件，与系统中软件智能故障判断形成三重保护。

输入输出接口单元将前面几个单元的各类传感器信号、温度、流量、压力、电压、电流信号及开关量信号转化为隔离标准检测信号，实现多参数高速检测与信息融合，与工业控制计算机组成智能检测控制系统并向下发布主机指令，此单元集中各回路点近百个，数据高速处理，各单元数据传输根据级别优先排序，为计算机二级决策层减轻负担，使其腾出大量时空优化人机界面及设计庞大的数据库，以综观整个系统全局。

测试控制软件运行于WINNT平台，由开发系统，运行系统，工程管理器和信息窗口组态而成。开发系统用于各单元设备配置、各画面组合、报警配置、数据库服务器和报警服务器。前级单元插入的控件可与之交换数据。运行系统根据上述配置自动采集前场设备信息、响应命令和发布控制命令，对传输上来的各单元数据进行报警判别，并将采集的数据送入数据库服务器中。

系统配置方案基于以下考虑：根据燃料电池电堆测试的特点，以可靠性和适用性为基础，将电堆活化系统中各检测点信号与RS485模拟量输入模块或数字量输入模块连接；然后RS485模拟量、数字量输入模块通过R8485总线与插在PC机槽的485通讯卡连接；上位机用组态王软件对整个系统进行组态和监控。

附图说明

图1为燃料电池测试系统工作原理流程图

图2为基于网络化监控的燃料电池测试系统控制结构图

图3为基于网络学习的燃料电池系统参数控制结构

具体实施方式

本发明所采用的解决方案是；电堆电流、电压采用高速采集设备传送到监控计算机，用于燃料电池电堆的阻抗分析，为燃料电池的设计提供了依据。电堆各片电池电压和系统参数温度、湿度、量量、压力及电子负载参数通过信号转换模块再通过现场总线或网络进入到监控计算机用于计算和分析。系统控制采用“本地控制、远程优化”的思想，测试系统中温度、气体质量流量的控制分别采用现场温度控制器和气体质量流量控制器完成；测量仪表和智能仪表通过控制网络连接到远程的控制中心，在控制中心能够根据现场的实际情况对燃料电池系统参数进行优化，得到燃料电池电堆性能最佳时的系统参数，能够根据负载及各种干扰的情况动态调节现场智能控制器的控制参数；采用Websever将上位机的监控软件组建一个网络服务器。能够让用户远程进行燃料电池测试实验，能够浏览监控软件的信息，能够查询相关的信息并打印。

网络学习控制原理如图3所示。本地控制器包括流量控制器和温度控制器，其主要的控制算法是单输入单输出PID或模糊PID算法，但PID三个参数K_P、K_I、K_D或模糊规则可以修改。网络学习控制器包括燃料电池系统参数的优化、网络延时的统计分析、网络延时补偿、对控制误差的预测分析、模型参数的辨识、多变量的解耦控制、鲁棒自适应调节PID三个参数K_P、K_I、K_D或模糊规则的学习控制。氢-氧燃料电池系统中对温度、质量流量的控制精度要求非常高，在系统比较稳定的情况下，质量流量控制采用层流流量控制器完成，温度采用温度控制器完成。当系统负载改变或存在干扰及燃料电池自身特性发生变化时，温度控制和流量控制仅仅依靠本地控制器很难完成，这时，可以通过远程的网络学习单元根据电堆电压、电流、功率、质量流量、温度、压力、湿度等信号对系统参数进行优化得到燃料电池电堆性能最佳时的系统参数，及电堆性能最佳时温度、流量所要求的设定值，并依次通过网络延时的统计分析、网络延时补偿、对控制误差的预测分析、模型参数的辨识、多变量的解耦控制、鲁棒自适应学习控制，自动调节本地控制器的控制参数——PID三个参数K_P、K_I、K_D或模糊规则，使得控制性能得到改善，鲁棒性、稳定性、控制精度都得到提高。

本测试台控制系统为客户提供了一个重要的提高燃料电池性能的手段，为燃料电池的生产提供了质量保证，用户通过本系统设置实验参数，观察在不同的参数下的运行特性，系统内有各种数据表达和分析功能，对运行参数数据进行比较和分析，以便确定更合理、有效的运行条件。本系统充分考虑了工业生产的实际情况，切合实际地开发了各种不同的数据分析功能；不同参数条件下，运行参数用变化曲线表示；对于超出报警限的情况，报警及时，无误报的现象，并有跟踪记录等功能。

为了防止未经授权的人员非法进入系统进行非法操作，本控制系统设置了系统操作员登录窗口，操作员只有在输入了正确的用户名和密码的情况下，才能进入系统，执行操作。同时系统还记录保存了各个操作员登录系统和退出系统的时间，以及在这段时间内所作的操作，做到了跟踪记录。系统还设有管理员身份鉴定，只有管理员才能对报警限等进行修改，提高了系统安全性。

Claims

1.一种氢-氧燃料电池测试系统，至少包括：阻抗分析单元，电堆电池电压扫描单元，本地控制单元，信号采集单元，网络学习控制单元，远程浏览单元，报警单元，加热增湿单元，电子负载单元和测试实验重演单元。

2.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：阻抗分析单元采用高速采集设备对燃料电池电堆电压、电流进行采集，并采用傅立叶变换进行阻抗分析。

3.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：电压扫描单元能够同步采集电堆各片电池电压，采集频率为1Hz。

4.权利要求3所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述电压扫描单元通过现场总线或网络进行计算机监控。

5.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其主要特征是：本地控制单元包括气体质量层流控制器和温度控制器。

6.权利要求5所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述气体层流控制器和温度控制器，其控制参数能够在线修改。

7.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述信号采集单元，具有现场总线或网络接口，与网络学习控制单元连接。

8.权利要求7所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述信号采集单元，实时采集燃料电池电堆的各种运行参数，至少包括：压力、燃料电池电堆核心温度及电子负载参数。

9.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述网络学习控制单元，能够优化整个燃料电池测试系统的控制参数。

10.权利要求9所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述网络学习单元，能够根据实际运行情况实时调节本地控制器的控制参数。

11.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述远程浏览单元，支持远程燃料电池测试实验与远程数据浏览。

12.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述报警单元，能够对氢气进行二级报警。

13.权利要求12所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述报警单元，能够对增湿单元的液位进行高、低位报警。

14.权利要求12所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述报警单元，能够对电堆进口温度、压力进行报警和连锁保护动作。

15.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述的加热增湿单元，采用温差控制的方法获得所需要的气体相对湿度。

16.权利要求15所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述加热增湿单元，采用远端温度控制气体温度。

17.权利要求15所述的燃料电池测试系统，其特征是：加热增湿装置由加热增湿和温差控制两部分组成。

18.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其主要特征是：所述电子负载单元，采用三端可调式电压调整器构成的电路作为燃料电池电堆的电子负载。

19.权利要求1所述的燃料电池测试系统，其特征是：所述试验重演单元，能够重现某一特定时间区间的燃料电池测试实验，为燃料电池测试系统的分析提供有效的手段。