CN112635803B - 一种pemfc电堆温度控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PEMFC电堆温度控制方法及系统，包括：获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度。采用模型预测控制方法与PID调参方法对PEMFC电堆出入口温度的输出值进行精确控制，降低温度的震荡，解决温度控制的滞后性，避免PEMFC电堆内部出现短时高温，提升温度控制的实时性。

Description

一种PEMFC电堆温度控制方法及系统
技术领域
本发明涉及燃料电池温度控制技术领域，特别是涉及一种PEMFC电堆温度控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
燃料电池技术作为一种新兴的能源技术，日益受到全世界范围内的关注。其中质子交换膜燃料电池PEMFC以其启停速度快、功率密度高、加载响应好、环保零排放等特点，在新能源交通工具、分布式发电站等方面得到推广应用。
然而，发明人发现，在PEMFC控制技术中，尤其是温度控制技术中，PEMFC长时间使用，PEMFC电堆动态加载大电流过程中，电堆内部多余的热量不能及时排出，造成PEMFC电堆内部温度急剧上升，若PEMFC电堆内部温度超出质子交换膜的耐受能力，将会严重影响PEMFC的使用寿命；针对PEMFC电堆温度控制方法，传统的PEMFC燃料电池系统随着大功率加载时温度控制滞后，易出现出入口温差过大的问题，影响使用寿命，无法有效保证PEMFC系统的可靠性运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种PEMFC电堆温度控制方法及系统，采用模型预测控制方法与PID调参方法对PEMFC电堆出入口温度的输出值进行精确控制，降低温度的震荡，解决温度控制的滞后性，避免PEMFC电堆内部出现短时高温，提升温度控制的实时性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种PEMFC电堆温度控制方法，包括：
获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度。
第二方面，本发明提供一种PEMFC电堆温度控制系统，包括：
初始模块，用于获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
优化模块，用于根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
控制模块，用于根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以保证PEMFC燃料电池系统工作在允许的温度范围前提下进行温度的精细化控制，通过基于MPC(模型预测控制)-PID的PEMFC电堆温度控制方法，建立多输入多输出的自适应动态预测模型，利用实验辨识方法获取不同电流值下的最佳温度状态点，采用MPC与PID对温度输出变量进行微调精确性控制，实现对PEMFC电堆非线性温度系统的线性化预测控制功能，避免PEMFC电堆内部出现短时高温，提升系统温度控制的响应速度，降低温度的震荡，增强系统的鲁棒性及抗干扰能力，实现对温度的解耦控制。
本发明将MPC和经典PID相结合，根据电堆出入口温度对操纵变量的预测值进行修正和滚动优化，针对电堆电流的突变扰动，采用传统PID控制将温度控制细化，不同于传统的PID控制方式，本发明采用MPC算法，实现对大惯性和纯滞后电堆冷却水出入口温度的控制，而PID算法的控制对象为PEMFC电堆的电流干扰，这种方式既发挥MPC算法的预测性和鲁棒性，又能借助PID实现系统的抗干扰能力。
本发明实现PEMFC燃料电池系统的精细化温度控制，相对于传统的PEMFC燃料电池系统随着大功率加载时温度控制滞后，易出现出入口温差过大而言，本发明方法解决温度控制的滞后性，提升温度控制的实时性，有助于提高PEMFC燃料电池系统的耐久性，延长电堆的使用寿命，而不会出现高温现象，保证PEMFC系统的可靠性运行。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的PEMFC电堆温度控制方法示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与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，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种PEMFC电堆温度控制方法，以具体应用于水冷型PEMFC电堆为例，对水冷型PEMFC电堆在不同运行工况下的精确性温度控制，水冷型PEMFC电堆模型包括冷却水路、散热器、冷却水泵和温度传感器；水冷型PEMFC电堆模型的被控对象为冷却水泵和散热器，操纵变量为PEMFC电堆的出入口温度，PEMFC电堆目标输出电流值作为突变扰动量。其具体步骤包括：
步骤1：获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
步骤2：根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
步骤3：根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度。
在所述步骤1中，初始化PEMFC电堆出入口温度：获取PEMFC电堆的伏安特性曲线，采用实验辨识方法确定不同电流值下系统的最佳温度值，构成电流与温度的标定数据表，并将其作为下述模型预测控制的基础值。
在所述步骤2中，在每个采样周期中，计算相邻时刻内水冷型PEMFC冷却电堆模型出口温度Tout和入口温度Tin相对于水泵转速vwcs_speed、散热器转速vfan_speed以及需求目标电流值Δu的增益变化率，得到相邻时刻增益变化率的关系表达式
Figure BDA0002848909470000051
本实施例采用模型预测控制MPC算法，对预测模型反馈校正和滚动优化后，调控PID参数；本实施例所述的增益变化率计算具体步骤为：
步骤2.1：采用MPC算法，根据水冷型PEMFC冷却电堆模型k时刻的电堆状态和k时刻的操纵变量输入Tout和Tin，预测k+1时刻的被控对象的被控变量vwcs_speed和vfan_speed的输出值，并作为下一次预测的初始值进行迭代预测；
步骤2.2：在每个滚动采样周期过程中，通过实时检测操纵变量输入值Tout和Tin的变化，实时修正模型的增益控制率数值。
所述调控PID控制参数具体步骤为：
在每一个采样周期过程中，根据当前操纵变量的增益控制率值，结合PEMFC电堆关键扰动变量Δu，对PID三项Kp、Ki、Kd参数值进行在线反馈调节修正优化，减少内部模型与实际温度对象动态特性间的差异，提高系统的抗干扰能力。
所述步骤3中，将每个采样周期过程中计算的模型PID控制参数值和标定的初始温度值求和，得出最终出入口温度输出值。
本实施例在每个采样周期过程中，将更新的PID控制参数与标定数据基础值求和，得出系统最终的输出变量值，以保证水冷型PEMFC燃料电池系统工作在允许的温度范围前提下进行温度的精细化控制，以提高燃料电池系统的耐久性，实现水冷型燃料电池系统温度的精确控制，延长燃料电池的使用寿命。
实施例2
本实施例提供一种PEMFC电堆温度控制系统，包括：
初始模块，用于获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
优化模块，用于根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
控制模块，用于根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
在更多实施例中，还提供：
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种PEMFC电堆温度控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
步骤2、根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
步骤2.1在每个采样周期过程中，通过PEMFC电堆出入口温度的变化值得到增益变化率；
具体为：在每个采样周期中，计算相邻时刻内水冷型PEMFC冷却电堆模型出口温度Tout和入口温度Tin相对于水泵转速vwcs_speed、散热器转速vfan_speed以及需求目标电流值Δu的增益变化率，得到相邻时刻增益变化率的关系表达式：
Figure FDA0003360220980000011
步骤2.2、采用模型预测控制算法，根据k时刻的PEMFC电堆状态和k时刻的出入口温度，预测得到k+1时刻的PEMFC电堆状态，并作为下一次预测的初始值进行迭代预测；
步骤2.3、在每个采样周期过程中，随PEMFC电堆出入口温度和PEMFC电堆状态的变化迭代更新增益变化率，以此反馈调节PID控制参数；
步骤3、根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度；
具体为：将每个采样周期过程中的PID控制参数和初始温度值求和得到最终PEMFC电堆出入口温度。
2.如权利要求1所述的一种PEMFC电堆温度控制方法，其特征在于，以PEMFC电堆的出入口温度为操纵变量，以PEMFC电堆应用对象为被控对象，以PEMFC电堆目标输出电流值为突变扰动量构建电堆模型。
3.如权利要求1所述的一种PEMFC电堆温度控制方法，其特征在于，所述PEMFC电堆应用对象为水泵和/或散热器；PEMFC电堆应用对象的被控变量为水泵转速和/或散热器转速。
4.如权利要求1所述的一种PEMFC电堆温度控制方法，其特征在于，获取PEMFC的伏安特性曲线，采用实验辨识方法确定不同电流值下的最佳温度，构成电流与温度的标定数据表，并作为模型预测控制的基础值。
5.一种PEMFC电堆温度控制系统，其特征在于，包括：
初始模块，用于获取PEMFC电堆模型的伏安特性曲线，将不同电流值下的目标最佳温度作为初始温度值；
优化模块，用于根据相邻时刻PEMFC电堆出入口温度相对于PEMFC电堆状态变化的增益变化率以及目标电流值调控PEMFC电堆模型的PID控制参数；
包括：步骤2.1、在每个采样周期过程中，通过PEMFC电堆出入口温度的变化值得到增益变化率；
具体为：在每个采样周期中，计算相邻时刻内水冷型PEMFC冷却电堆模型出口温度Tout和入口温度Tin相对于水泵转速vwcs_speed、散热器转速vfan_speed以及需求目标电流值Δu的增益变化率，得到相邻时刻增益变化率的关系表达式：
Figure FDA0003360220980000021
步骤2.2、采用模型预测控制算法，根据k时刻的PEMFC电堆状态和k时刻的出入口温度，预测得到k+1时刻的PEMFC电堆状态，并作为下一次预测的初始值进行迭代预测；
步骤2.3、在每个采样周期过程中，随PEMFC电堆出入口温度和PEMFC电堆状态的变化迭代更新增益变化率，以此反馈调节PID控制参数；
控制模块，用于根据PID控制参数和初始温度值控制PEMFC电堆出入口温度；
具体为：将每个采样周期过程中的PID控制参数和初始温度值求和得到最终PEMFC电堆出入口温度。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。
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Address after: 252000 No.261 Huanghe Road, economic development zone, Liaocheng City, Shandong Province

Patentee after: Zhongtong bus Limited by Share Ltd.

Address before: 252000 No.261 Huanghe Road, economic development zone, Liaocheng City, Shandong Province

Patentee before: ZHONGTONG BUS HOLDING Co.,Ltd.