CN110112444B - 一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，具体步骤为：建立阴极开放式燃料电池温度模型，将温度热力学方程的各项展开，并将除燃料电池电堆温度与强制热对流传递系数外的物理量常数化，建立由燃料电池电堆温度与强制热对流传递系数构成的状态方程，定义温度追踪控制的滑模面，构造李雅普诺夫函数，结合状态方程设计基于自适应反演滑模控制策略的控制器，实现阴极开放式燃料电池电堆温度控制，自适应系统参数变化。

Description

一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法

技术领域

本发明涉及电池设计领域，特别是一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法。

背景技术

当前，全球能源、环境问题日益严重，世界各国都在积极寻求应对方案，在汽车领域大力推进新能源汽车的目的也正是如此。新能源汽车有不同的类型，其中，燃料电池汽车不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有“零排放”，能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。

燃料电池是一种以电化学反应方式将燃料(氢气)与氧化剂(氧气)的化学能转变为电能的能量转换装置。目前，全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品初步进入了商业化应用阶段。其中，质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。其中，阴极开发式质子交换模燃料电池拥有简单的辅助系统，非常适合作为便携式移动电源应用。但质子交换膜的适宜工作温度范围相对而言较窄。若电堆温度太低，会降低质子交换膜中水分的蒸发，从而导致电化学反应速率变慢，使电池性能降低。然而，电堆温度过高，会使质子交换膜中的水分过度蒸发，导致湿度降低，这既降低了质子传导性，也会损害质子交换膜。

因此采用正确的控制策略才能为质子交换膜燃料电池提供适宜的工作温度。这对提高燃料电池的功率和延长寿命来说至关重要，也是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，能够实现对电池温度的有效控制。

本发明采用以下方案实现：一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据阴极开放式燃料电池的热力学特性，建立该燃料电池电堆温度模型；

步骤S2：，将参考温度T_ref作为输入，阴极开放式燃料电池自带风扇的控制信号u(t)作为输出，设计自适应反演控制器来控制燃料电池堆的温度。

进一步地，步骤S1中，该燃料电池电堆温度模型表示为如下热力学方程：

式中，m_st表示燃料电池电堆质量，C_st表示燃料电池电堆比热容，T_st表示燃料电池电堆温度，H_reac表示燃料电池电化学反应产生的热量，P_st表示燃料电池输出的功率，Q_rad,B2amb表示燃料电池辐射失去的热量，Q_conv,B2amb表示燃料电池强制对流损失的热量。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：将步骤S1中模型中的热力学方程的各项展开，并将除燃料电池电堆温度T_st与强制热对流传递系数h_B2amb,forc外的物理量进行常数化处理，得到仅含T_st、h_B2amb,forc的状态方程：

式中，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅均为系统参数；

步骤S22：定义系统状态矩阵

系统参数矩阵θ＝[d₁,d₂,d₃,d₄,d₅]^T，得到系统的状态空间表达式：

步骤S23：定义滑模面z₁＝T_st-T_ref及其时间导数

并构造李雅普诺夫函数

其中，

为估计误差，

为θ的估计；

步骤S24：通过令

得到参数自适应率

实时修正系统参数，能够适应燃料电池因外界干扰而导致系统参数的变化；其中，Γ为五阶对角矩阵，z₁为滑模面；

步骤S25：通过令

得到强制对流系数h_B2amb,forc：

式中，k、η为控制参数，且都为正数；通过选取这两个控制参数满足李雅普诺夫函数稳定性；

步骤S26：由h_B2amb,forc与u(t)之间的关系，得到风扇的控制信号：

式中，c₁、c₂、c₃表示h_B2amb,forc与u(t)之间的关系参数。

综上，本发明采用控制阴极开放式燃料电池强制热对流传递系数从而控制燃料电池电堆温度变化，再把对强制热对流传递系数的控制转化为对阴极开放式燃料电池自带风扇电压的控制，因此，自适应反演滑模控制器的输出即为风扇的占空比，从而实现了阴极开放式燃料电池的温度控制。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明只需调节控制器的参考温度即可调节阴极开放式燃料电池电堆温度，使燃料电池工作在最佳工作温度。

2、本发明的自适应反演滑模控制采用了自适应率来适应阴极开放式燃料电池在运行过程系统物理参数的变化，因此，该控制方法能及时弥补由畸变、参数摄动、外部干扰等引起的不确定性，对系统参数自动进行修正，从而表现出较好的动态控制性能和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例的方法原理框图。

图2为本发明实施例的用于控制阴极开放式燃料电池固定温度控制结果图。

图3为本发明实施例的用于控制阴极开放式燃料电池变温控制结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：根据阴极开放式燃料电池的热力学特性，建立该燃料电池电堆温度模型；

步骤S2：，将参考温度T_ref作为输入，阴极开放式燃料电池自带风扇的控制信号u(t)作为输出，设计自适应反演控制器来控制燃料电池堆的温度。

在本实施例中，步骤S1中，该燃料电池电堆温度模型表示为如下热力学方程：

式中，m_st表示燃料电池电堆质量，C_st表示燃料电池电堆比热容，T_st表示燃料电池电堆温度，H_reac表示燃料电池电化学反应产生的热量，P_st表示燃料电池输出的功率，Q_rad,B2amb表示燃料电池辐射失去的热量，Q_conv,B2amb表示燃料电池强制对流损失的热量。

在本实施例中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：将步骤S1中模型中的热力学方程的各项展开，并将除燃料电池电堆温度T_st与强制热对流传递系数h_B2amb,forc外的物理量进行常数化处理，得到仅含T_st、h_B2amb,forc的状态方程：

式中，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅均为系统参数；

步骤S22：定义系统状态矩阵

系统参数矩阵θ＝[d₁,d₂,d₃,d₄,d₅]^T，得到系统的状态空间表达式：

步骤S23：定义滑模面z₁＝T_st-T_ref及其时间导数

并构造李雅普诺夫函数

其中，

为估计误差，

为θ的估计；

步骤S24：通过令

得到参数自适应率

实时修正系统参数，能够适应燃料电池因外界干扰而导致系统参数的变化；其中，Γ为五阶对角矩阵，z₁为滑模面；

步骤S25：通过令

得到强制对流系数h_B2amb,forc：

式中，k、η为控制参数，且都为正数；通过选取这两个控制参数满足李雅普诺夫函数稳定性；

步骤S26：由h_B2amb,forc与u(t)之间的关系，得到风扇的控制信号：

式中，c₁、c₂、c₃表示h_B2amb,forc与u(t)之间的关系参数。

具体的，本实施例以一个1000W的阴极开放式燃料电池为例，进行进一步地分析。

上述1000W阴极开放式燃料电池热化学反应方程如下所示：

式中，m_st是燃料电池电堆质量，C_st是燃料电池电堆比热容，T_st是燃料电池电堆温度，

是燃料电池电化学反应产生的热量，P_st是燃料电池输出的功率，

是燃料电池辐射失去的热量，

是燃料电池强制对流损失的热量。

将上式展开得到：

化简得到：

等式两边同除以m_stC_st得：

从而，得到仅含T_st、h_B2amb,forc为变量的状态方程，将上式写成矩阵形式：

其中

θ＝[d₁,d₂,d₃,d₄,d₅]^T。

根据图1设计该阴极开放式燃料电池的温度自适应反演滑模控制器，定义滑模面为：

z₁＝T_st-T_ref；

对z₁求时间导数得：

构造李雅普诺夫函数：

其中

为估计误差，

为θ的估计，

Γ为5阶对角矩阵。

对李雅普诺夫函数V₁求时间导数得：

为从

消除参数估计误差

取参数自适应率

则：

取h_B2amb,forc控制律为：

其中，k≥0,η≥0为常数。

将h_B2amb,forc带入

则

由于

W_cool＝β₁·u(t)+β₂，得：

根据求根公式得：

由于u(t)≥0，故最终控制率为

以上自适应反演滑模控制器输出控制信号u(t)以PWM波的形式输出到PWM直流电机调速器，该调速器即能实现对风扇电机转速的调节，从而实现了对阴极开放式燃料电池温度的控制。

较佳的，本实施例的自适应反演滑模控制器采样时间为0.01秒，既保证了控制器的精度，也把运行、采样时间控制在合理的范围以内。

如图2所示，本实施例给出了1000W阴极开放式燃料电池在电流为25A时的固定参考温度追踪自适应控制结果图。

如图3所示，本实施例给出了1000W阴极开放式燃料电池在电流为25A时的变参考温度追踪自适应控制结果图。

综上，本实施例采用控制阴极开放式燃料电池强制热对流传递系数从而控制燃料电池电堆温度变化，再把对强制热对流传递系数的控制转化为对阴极开放式燃料电池自带风扇电压的控制，因此，自适应反演滑模控制器的输出即为风扇的占空比，从而实现了阴极开放式燃料电池的温度控制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据阴极开放式燃料电池的热力学特性，建立该燃料电池电堆温度模型；

步骤S2：将参考温度T_ref作为输入，阴极开放式燃料电池自带风扇的控制信号u(t)作为输出，设计自适应反演控制器来控制燃料电池堆的温度；

其中，步骤S1中，该燃料电池电堆温度模型表示为如下热力学方程：

式中，m_st表示燃料电池电堆质量，C_st表示燃料电池电堆比热容，T_st表示燃料电池电堆温度，H_reac表示燃料电池电化学反应产生的热量，P_st表示燃料电池输出的功率，Q_rad,B2amb表示燃料电池辐射失去的热量，Q_conv,B2amb表示燃料电池强制对流损失的热量。

2.根据权利要求1所述的一种阴极开放式燃料电池温度自适应控制方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：将步骤S1中模型中的热力学方程的各项展开，并将除燃料电池电堆温度T_st与强制热对流传递系数h_B2amb,forc外的物理量进行常数化处理，得到仅含T_st、h_B2amb,forc的状态方程：

式中，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅均为系统参数；

步骤S22：定义系统状态矩阵

系统参数矩阵θ＝[d₁,d₂,d₃,d₄,d₅]^T，得到系统的状态空间表达式：

步骤S23：定义滑模面z₁＝T_st-T_ref及其时间导数

并构造李雅普诺夫函数

其中，

为估计误差，

为θ的估计；

步骤S24：通过令

得到参数自适应率

实时修正系统参数，能够适应燃料电池因外界干扰而导致系统参数的变化；其中，Γ为五阶对角矩阵，z₁为滑模面；

步骤S25：通过令

得到强制对流系数h_B2amb,forc：

式中，k、η为控制参数，且都为正数；通过选取这两个控制参数满足李雅普诺夫函数稳定性；

步骤S26：由h_B2amb,forc与u(t)之间的关系，得到风扇的控制信号：

式中，c₁、c₂、c₃表示h_B2amb,forc与u(t)之间的关系参数。

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