CN110174909A - 基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，包括以下步骤：步骤S1：构建燃料电池电化学输出特性模型、阴极流量模型、车辆动力学模型以及双螺杆空压机模型；步骤S2：构建调节燃料电池阴极化学计量数的比例积分增益控制器；步骤S3:将车速传感器测得的实时车速作为车辆动力学模型的输入，并计算出电池需求功率；步骤S4：根据得到的电池需求功率，由燃料电池电化学输出特性模型和阴极流量模型计算燃料电池反应所需的目标流量；步骤S5:将目标流量与流量传感器所测的双螺杆空压机实际输出流量的差值作为比例积分增益控制器的输入，并将比例积分增益控制器的输出量作为双螺杆空压机的控制电压，实现燃料电池阴极化学计量数的控制。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池阴极空气供给领域，具体涉及一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法。
背景技术
随着经济社会的发展，人们生活水平的日益提高，全球汽车保有量也越来越多，使得传统不可再生能源日益紧缺，无法成为车辆长期的驱动能源。寻找一种可再生替代能源成为当下迫切的问题。而燃料电池具有对环境几乎无污染，且转换效率高的特点，因此燃料电池成为当下车辆替代能源的重要研究方向之一。空气压缩机作为车用燃料电池重要组成部件之一，为燃料电池系统燃料堆发生反应提供必需的高压氧气，就成为了如何研发高效的燃料电池的重要研究内容。
在质子交换膜燃料电池中，阴极空气流量的供给与燃料电池的输出功率有很大的关系，当空气供给过量时，空压机本身的能耗增加，降低了整个燃料电池系统的能量转换率。而空气本身带走过多的热量导致电池内部温度降低，发电效率也降低；当空气供给不足时，燃料电池就不能完全反应，降低了燃料的使用寿命。
由于双螺杆空压机可以直接与直流无刷电机相连，无需附属机构，使得双螺杆空压机具有结构紧凑，体积小，调节方便，可靠性高等优点，并且双螺杆空压机运行稳定，零部件不易损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，使得燃料电池工作在较好的条件下，实现高效率和节能环保等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建燃料电池电化学输出特性模型、阴极流量模型、车辆动力学模型以及双螺杆空压机模型；
步骤S2：根据所述双螺杆空压机模型，构建调节燃料电池阴极化学计量数的比例积分增益控制器；
步骤S3:将车速传感器测得的实时车速作为车辆动力学模型的输入，并计算出电池需求功率；
步骤S4：根据得到的电池需求功率，由燃料电池电化学输出特性模型和阴极流量模型计算燃料电池反应所需的空气流量，并作为目标流量；
步骤S5:将目标流量与流量传感器所测的双螺杆空压机实际输出流量的差值作为比例积分增益控制器的输入，并将比例积分增益控制器的输出量作为双螺杆空压机的控制电压，实现燃料电池阴极化学计量数的控制。
进一步的，所述燃料电池阴极化学计量数具体为质子交换膜燃料电池电堆阴极入口供应的氧气质量流量与所消耗的氧气质量流量之比。
进一步的，所述的比例积分增益控制器是通过在稳态工作时近似线性化双螺杆空压机模型基于闭环增益成形方法进行设计计算。
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21：构建双螺杆空压机模型
双螺杆空压机的流量为：
式中，CN是双螺杆空压机面积利用系数，是扭角系数，D为转子半径，L是转子长度，n为转子的转速，ηv是容积效率，ρair是空气密度；
双螺杆空压机输出的温度为：
式中，d是多方过程指数；根据等式(1)和(2)以及双螺杆空压机的机理建立双螺杆空压机模型；
步骤S22：假设系统工作时供应歧管的压力损失△P＝0，对系统进行近似线性化处理，得出空压机电压Ucm与转速ω之间的关系：
式中，ηcm是电机的效率，kt是电机的转矩系数，ke是电机的电势系数，Rs是电机的内阻，J是电机的转动惯量。
根据等式(3)可得出空压机电压到转速之间的传递函数：
式中，s是传递函数的复变量，
由于等式(1)可写成y＝kω，其中故得出空压机的转速与流量之间的传递函数：
F2(s)＝k (5)
通过等式(4)和(5)得出Ucm与Wcp之间的传递函数：
步骤S23：根据闭环增益成形设计，得到比例积分增益控制器具体为：
式中，T0是响应时间。
一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，包括依次连接的车速传感器、比例积分增益控制器、双螺杆空压机驱动电路、双螺杆空压机和质子交换膜燃料电池；所述空气流量传感器与比例积分增益控制器和双螺杆空压机分别连接。
进一步的，所述比例积分增益控制器采用MPC5634微控制器。
进一步的，所述的双螺杆空压机驱动电路包括IR2101芯片，15V直流电源，100V直流电源，电阻、电容，MOSFET；其中IR2101芯片的引脚3与MPC5634的引脚60相连，引脚5输出PWM信号并通过电阻与MOSFET的栅极相连接，引脚1与15V的直流电源正极相连，引脚4接地线；MOSFET的源极接地，漏极接空压机负极；空压机的正极与100V的直流电源正极相连。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明结构简单，易于实现，能在变工况下及时提供适当的空气流量,相应速度快，控制精度好，使得燃料电池工作在良好的环境下，高效稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例中系统原理图；
图2是本发明实施例中控制示意图；
图3是本发明实施例中控制示意图；
图4是本发明实施例中控制系统结构图；
图5是本发明实施例中双螺杆空压机驱动电路示意图；
图中：1-车速传感器，2-双螺杆空压机驱动电路，3-双螺杆空压机，4-空气流量传感器。
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。
请参照图1，本发明提供一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建燃料电池电化学输出特性模型、阴极流量模型、车辆动力学模型以及双螺杆空压机模型；
步骤S2：根据所述双螺杆空压机模型，构建调节燃料电池阴极化学计量数的比例积分增益控制器；
步骤S3:将车速传感器测得的实时车速作为车辆动力学模型的输入，并计算出电池需求功率；
步骤S4：根据得到的电池需求功率，由燃料电池电化学输出特性模型和阴极流量模型计算燃料电池反应所需的空气流量，并作为目标流量；
步骤S5:将目标流量与流量传感器所测的双螺杆空压机实际输出流量的差值作为比例积分增益控制器的输入，并将比例积分增益控制器的输出量作为双螺杆空压机的控制电压，实现燃料电池阴极化学计量数的控制。
本实施例中，采用UDDS工况和国产的某一款车型，对所设计的比例积分增益控制器在变工况的条件下进行仿真实验，图2是阴极空气流量控制效果图，图3为对应的阴极化学计量数控制效果图，从仿真的结果可以看出所设计的比例积分增益控制器可在负载的变化下保持输出目标流量，且控制精度高，相应速度快，能够实现系统的闭环控制。
本实施例中，所述燃料电池阴极化学计量数具体为质子交换膜燃料电池电堆阴极入口供应的氧气质量流量与所消耗的氧气质量流量之比。
本实施例中，所述的比例积分增益控制器是通过在稳态工作时近似线性化双螺杆空压机模型基于闭环增益成形方法进行设计计算。
本实施例中，所述步骤S2具体为：
步骤S21：构建双螺杆空压机模型
双螺杆空压机的流量为：
式中，CN是双螺杆空压机面积利用系数，是扭角系数，D为转子半径，L是转子长度，n为转子的转速，ηv是容积效率，ρair是空气密度；
双螺杆空压机输出的温度为：
式中，d是多方过程指数；根据等式(1)和(2)以及双螺杆空压机的机理建立双螺杆空压机模型；
步骤S22：假设系统工作时供应歧管的压力损失△P＝0，对系统进行近似线性化处理，得出空压机电压Ucm与转速ω之间的关系：
式中，ηcm是电机的效率，kt是电机的转矩系数，ke是电机的电势系数，Rs是电机的内阻，J是电机的转动惯量。
根据等式(3)可得出空压机电压到转速之间的传递函数：
式中，s是传递函数的复变量，
由于等式(1)可写成y＝kω，其中故得出空压机的转速与流量之间的传递函数：
F2(s)＝k (5)
通过等式(4)和(5)得出Ucm与Wcp之间的传递函数：
步骤S23：根据闭环增益成形设计，得到比例积分增益控制器具体为：
式中，T0是响应时间。
参考图4，本实施中，设计一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，包括依次连接的车速传感器、比例积分增益控制器、双螺杆空压机驱动电路、双螺杆空压机和质子交换膜燃料电池；所述空气流量传感器与比例积分增益控制器和双螺杆空压机分别连接。所述比例积分增益控制器采用MPC5634微控制器。该控制系统中的MPC5634通过利用标准JTAG仿真调试接口将MATLAB中生成的代码下载到MPC5634单片机中，MPC5634通过GPIO口27,28,29与车速传感器连接，GPIO口37,38,39,40,41与空气流量传感器连接，从而来读取实时的车速和空气流量，并通过eMIOS口60输出PWM信号来控制双螺杆空压机驱动电路输出相对应的PWM值，以实现对空压机的转速进行控制，最终实现对燃料电池阴极化学计量数的调节。
本实施中，所述的双螺杆空压机驱动电路包括IR2101芯片，15V直流电源，100V直流电源，电阻、电容，MOSFET；其中IR2101芯片的引脚3与MPC5634的引脚60相连，引脚5输出PWM信号并通过电阻与MOSFET的栅极相连接，引脚1与15V的直流电源正极相连，引脚4接地线；MOSFET的源极接地，漏极接空压机负极；空压机的正极与100V的直流电源正极相连。
在本实施例中，所述的MOSFET型号是AUIRFS4310Z；基于MPC5634的比例积分增益控制器是将流量传感器的实测数据与目标数据的差值作为输入，通过控制算法来控制模拟电压输出，使驱动芯片IR2101输出相应的PWM来控制空压机转速，达到所设定的目标流量值，该系统是一个闭环控制器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：构建燃料电池电化学输出特性模型、阴极流量模型、车辆动力学模型以及双螺杆空压机模型；
步骤S2：根据所述双螺杆空压机模型，构建调节燃料电池阴极化学计量数的比例积分增益控制器；
步骤S3:将车速传感器测得的实时车速作为车辆动力学模型的输入，并计算出电池需求功率；
步骤S4：根据得到的电池需求功率，由燃料电池电化学输出特性模型和阴极流量模型计算燃料电池反应所需的空气流量，并作为目标流量；
步骤S5:将目标流量与流量传感器所测的双螺杆空压机实际输出流量的差值作为比例积分增益控制器的输入，并将比例积分增益控制器的输出量作为双螺杆空压机的控制电压，实现燃料电池阴极化学计量数的控制。
2.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于：所述燃料电池阴极化学计量数具体为质子交换膜燃料电池电堆阴极入口供应的氧气质量流量与所消耗的氧气质量流量之比。
3.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于：所述的比例积分增益控制器是通过在稳态工作时近似线性化双螺杆空压机模型基于闭环增益成形方法进行设计计算。
4.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于,所述步骤S2具体为：
步骤S21：构建双螺杆空压机模型
双螺杆空压机的流量为：
式中，CN是双螺杆空压机面积利用系数，是扭角系数，D为转子半径，L是转子长度，n为转子的转速，ηv是容积效率，ρair是空气密度；
双螺杆空压机输出的温度为：
式中，d是多方过程指数；根据等式(1)和(2)以及双螺杆空压机的机理建立双螺杆空压机模型；
步骤S22：假设系统工作时供应歧管的压力损失△P＝0，对系统进行近似线性化处理，得出空压机电压Ucm与转速ω之间的关系：
式中，ηcm是电机的效率，kt是电机的转矩系数，ke是电机的电势系数，Rs是电机的内阻，J是电机的转动惯量。
根据等式(3)可得出空压机电压到转速之间的传递函数：
式中，s是传递函数的复变量，
由于等式(1)可写成y＝kω，其中故得出空压机的转速与流量之间的传递函数：
F2(s)＝k (5)
通过等式(4)和(5)得出Ucm与Wcp之间的传递函数：
步骤S23：根据闭环增益成形设计，得到比例积分增益控制器具体为：
式中，T0是响应时间。
5.一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于，包括依次连接的车速传感器、比例积分增益控制器、双螺杆空压机驱动电路、双螺杆空压机和质子交换膜燃料电池；所述空气流量传感器与比例积分增益控制器和双螺杆空压机分别连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于：所述比例积分增益控制器采用MPC5634微控制器。
7.根据权利要求6所述的一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于：所述的双螺杆空压机驱动电路包括IR2101芯片，15V直流电源，100V直流电源，电阻、电容，MOSFET；其中IR2101芯片的引脚3与MPC5634的引脚60相连，引脚5输出PWM信号并通过电阻与MOSFET的栅极相连接，引脚1与15V的直流电源正极相连，引脚4接地线；MOSFET的源极接地，漏极接空压机负极；空压机的正极与100V的直流电源正极相连。
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