CN112713290B - 一种燃料电池的温度控制方法 - Google Patents

一种燃料电池的温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池的温度控制方法，包括：(1)建立功率‑温度模型W‑T；(2)根据功率‑温度模型，确定所述燃料电池在当前输出功率下的最佳温度为T，通过所述温度传感器测量并记录所述燃料电池当前实际温度为Tt，所述燃料电池上一周期的实际温度为Tt‑1，求得所述燃料电池当前温度误差E＝T‑Tt，以及所述燃料电池温度误差变化率EC＝Tt‑Tt‑1；(3)根据E和EC，通过模糊控制规则，确定燃料电池温控系统控制量的变化量△U；(4)所述控制器调节所述风扇的PWM的控制量为Ut＝Ut‑1+△U，其中，Ut为风扇当前的PMW控制量。本发明利用模糊控制器，无需建立精确的数学模型，具有操作简单、响应迅速和易于修改等优点，确保电堆运行时保持在最佳温度。

Description

一种燃料电池的温度控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池的温度控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是在催化剂作用下，氢气和氧气发生化学反应，从而产生电能，唯一的产物是水。而且其具有工作温度低、电流密度大、启动速度等优点，有广阔的应用前景。
燃料电池在运行的时候，除了产生电能，也会产生大量热能。而燃料电池工作的最佳温度在60至70℃，这就需要给燃料电池加入散热系统。散热系统需具备时效性、稳定性等特征，一旦温度控制效果不理想，温度过低会导致电池性能下降，温度过高不仅电池性能会下降，甚至会导致质子交换膜损坏。所以燃料电池温度的控制对整个系统至关重要，成为我们急需研究解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种响应快速的燃料电池的温度控制方法。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种燃料电池的温度控制方法，所述燃料电池内设有风扇、温度传感器和控制器，所述控制器能实时调整所述风扇的PWM的控制量，即脉冲宽度调制，是一种模拟控制方式，所述控制方法包括如下步骤：
(1)测定燃料电池在某一输出功率下的最佳工作温度，建立功率-温度模型W-T；
(2)根据功率-温度模型，确定所述燃料电池在当前输出功率下的最佳温度为T，通过所述温度传感器测量并记录所述燃料电池当前实际温度为Tt，所述燃料电池上一周期的实际温度为Tt-1，求得所述燃料电池当前温度误差E＝T-Tt，以及所述燃料电池温度误差变化率EC＝Tt-Tt-1；
(3)根据E和EC，通过模糊控制规则，确定燃料电池温控系统控制量的变化量△U；
(4)所述控制器调节所述风扇的PWM的控制量为Ut＝Ut-1+△U，其中，Ut为风扇当前的PMW控制量。
在第一方面的一种实施方式中，步骤(1)中，将燃料电池的功率稳定在某一值，当燃料电池输出电压稳定时，燃料电池的温度即为该输出功率下的最佳工作温度。
在第一方面的一种实施方式中，所述模糊控制规则如下：
当E∈(E1，E2，E3，E4，E5)，EC∈(EC1，EC2，EC3，EC4，EC5，EC6，EC7)，则△U∈(△U1，△U2，△U3，△U4，△U5，△U6，△U7，△U8，△U9)，其中，E1、E2、E3、E4、E5为等差数列，且E1为最小值，EC1、EC2、EC3、EC4，EC5、EC6、EC7为等差数列，且EC1为最小值，△U1、△U2、△U3、△U4、△U5、△U6、△U7、△U8、△U9为等差数列，且△U1为最大值。
在第一方面的一种实施方式中，当E＝E1时，EC＝EC1或EC2时，△U＝△U1；
当E＝E1时，EC＝EC3时，△U＝△U2；
当E＝E1时，EC＝EC4时，△U＝△U4；
当E＝E1时，EC＝EC5时，△U＝△U5；
当E＝E1时，EC＝EC6或EC7时，△U＝△U6；
当E＝E2时，EC＝EC1时，△U＝△U1；
当E＝E2时，EC＝EC2时，△U＝△U2；
当E＝E2时，EC＝EC3时，△U＝△U3；
当E＝E2时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E2时，EC＝EC5或EC6时，△U＝△U6；
当E＝E2时，EC＝EC7时，△U＝△U7；
当E＝E3时，EC＝EC1时，△U＝△U2；
当E＝E3时，EC＝EC2时，△U＝△U3；
当E＝E3时，EC＝EC3时，△U＝△U4；
当E＝E3时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E3时，EC＝EC5时，△U＝△U6；
当E＝E3时，EC＝EC6时，△U＝△U7；
当E＝E3时，EC＝EC7时，△U＝△U8；
当E＝E4时，EC＝EC1时，△U＝△U3；
当E＝E4时，EC＝EC2或EC3时，△U＝△U4；
当E＝E4时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E4时，EC＝EC5时，△U＝△U7；
当E＝E4时，EC＝EC6时，△U＝△U8；
当E＝E4时，EC＝EC7时，△U＝△U9；
当E＝E5时，EC＝EC1或EC2时，△U＝△U4；
当E＝E5时，EC＝EC3时，△U＝△U5；
当E＝E5时，EC＝EC4时，△U＝△U6；
当E＝E5时，EC＝EC5时，△U＝△U8；
当E＝E5时，EC＝EC6或EC7时，△U＝△U9。
即如下表所示：
Figure BDA0002867463200000031
在第一方面的一种实施方式中，E1+E5＝0，且E5为1～5之间的一个值；
EC1+EC7＝0，且EC7为0.02～0.05之间的一个值；
△U1+△U9＝0，且△U1为0.3～0.6之间的一个值。
在第一方面的一种实施方式中，当所述燃料电池的温度T0大于某一阈值时，所述温度控制方法开始实施，控制器给与一个初始控制量UIni。
在第一方面的一种实施方式中，所述阈值为燃料电池中的节温器开启温度，一般为50℃。
在第一方面的一种实施方式中，所述UIni为风扇的启动最小PWM控制量，一般为15。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明利用模糊控制器进行模糊控制，其根据控制经验规则设定，无需建立精确的数学模型，以及相关系数的调节，具有鲁棒性强、操作简单、响应迅速和易于修改等优点，确保燃料电池电堆的维持在稳定温度。
附图说明
图1为本发明控制方法的流程示意图；
图2为实施例1中燃料电池使用本发明控制方法后的温度曲线；
图3为实施例1所使用的燃料电池的温度模型曲线。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的温度控制方法，包括：
步骤1：根据质子交换膜燃料电池中各部分的工作原理以及电堆特性，建立温度模型；
步骤2：根据建立的温度模型，温差以及温度变化率，采样连续型隶属度函数，建立模糊控制器；
步骤3：通过模糊控制器在温度闭环控制算法实时控制散热风扇以维持质子交换膜燃料电池的温度平衡。
执行步骤1前，需要对该质子交换膜燃料电池进行长期有效的运行测试，以确定该质子交换膜燃料电池在不同功率中运行的最佳温度。
质子交换膜燃料电池散热系统包括:质子交换膜燃料电池电堆、冷却水箱、水泵、节温器和散热器；质子交换膜燃料电池电堆的出口冷却水过低时，节温器关闭，冷却水不经过散热器，以确保电堆快速升温；当温度过高时，节温器打开，冷却水通过散热器散热后，流入质子交换膜燃料电池电堆的入口。
温度闭环控制算法为:对输入量进行模糊化形成模糊控制量,根据模糊规则对所述模糊控制量进行模糊决策得到模糊控制量,针对二维模糊控制器的被控对象变量制定35条模糊规则。
温度闭环控制算法的输入量为质子交换膜燃料电池电堆的温度误差和温度误差变化率。
温控系统的控制模型详细介绍(如图1):
T为燃料电池当前所需温度；
Tt为燃料电池当前实际温度；
Tt-1为燃料电池上一周期的实际温度；
E为燃料电池当前温度误差(即所需温度与实际温度的差)；
EC为燃料电池温度误差变化率(即当前实际温度与上一周期实际温度的差)
ΔU为燃料电池温控系统控制量的变化量；
UIni为燃料电池温控系统的初始控制量(当温度大于某个阈值时，温控系统启动，控制量被赋予一个最小控制量，即初始控制量)；
U为燃料电池温控系统的控制量。
实施例
下面将对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
在本实施例中，使用的燃料电池为水冷堆燃料电池，其额定功率为32kW，额定电压72V，额定电流450A，电堆中单电池数量为120片。经过技术人员的测试，其输出功率与最佳温度的关系如图3所示。
本实施例采用的模糊控制规则如下：
Figure BDA0002867463200000051
Figure BDA0002867463200000061
在本实施例中，阈值为50℃，UIni为15。
通过上述控制方法，燃料电池内的温度如图2所示，从中我们可以发现，燃料电池温度始终维持在68℃，温度波动上下0.2℃以内。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池的温度控制方法，所述燃料电池内设有风扇、温度传感器和控制器，所述控制器能实时调整所述风扇的PWM的控制量，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)测定燃料电池在某一输出功率下的最佳工作温度，建立功率-温度模型W-T；
(2)根据功率-温度模型，确定所述燃料电池在当前输出功率下的最佳温度为T，通过所述温度传感器测量并记录所述燃料电池当前实际温度为Tt，所述燃料电池上一周期的实际温度为Tt-1，求得所述燃料电池当前温度误差E＝T-Tt，以及所述燃料电池温度误差变化率EC＝Tt-Tt-1；
(3)根据E和EC，通过模糊控制规则，确定燃料电池温控系统控制量的变化量△U；
(4)所述控制器调节所述风扇的PWM的控制量为Ut＝Ut-1+△U，其中，Ut为风扇当前的PMW控制量。
2.如权利要求1所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于，步骤(1)中，将燃料电池的功率稳定在某一值，当燃料电池输出电压稳定时，燃料电池的温度即为该输出功率下的最佳工作温度。
3.如权利要求1所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于，所述模糊控制规则如下：
当E∈(E1，E2，E3，E4，E5)，EC∈(EC1，EC2，EC3，EC4，EC5，EC6，EC7)，则△U∈(△U1，△U2，△U3，△U4，△U5，△U6，△U7，△U8，△U9)，其中，E1、E2、E3、E4、E5为等差数列，且E1为最小值，EC1、EC2、EC3、EC4，EC5、EC6、EC7为等差数列，且EC1为最小值，△U1、△U2、△U3、△U4、△U5、△U6、△U7、△U8、△U9为等差数列，且△U1为最大值。
4.如权利要求3所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于，当E＝E1时，EC＝EC1或EC2时，△U＝△U1；
当E＝E1时，EC＝EC3时，△U＝△U2；
当E＝E1时，EC＝EC4时，△U＝△U4；
当E＝E1时，EC＝EC5时，△U＝△U5；
当E＝E1时，EC＝EC6或EC7时，△U＝△U6；
当E＝E2时，EC＝EC1时，△U＝△U1；
当E＝E2时，EC＝EC2时，△U＝△U2；
当E＝E2时，EC＝EC3时，△U＝△U3；
当E＝E2时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E2时，EC＝EC5或EC6时，△U＝△U6；
当E＝E2时，EC＝EC7时，△U＝△U7；
当E＝E3时，EC＝EC1时，△U＝△U2；
当E＝E3时，EC＝EC2时，△U＝△U3；
当E＝E3时，EC＝EC3时，△U＝△U4；
当E＝E3时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E3时，EC＝EC5时，△U＝△U6；
当E＝E3时，EC＝EC6时，△U＝△U7；
当E＝E3时，EC＝EC7时，△U＝△U8；
当E＝E4时，EC＝EC1时，△U＝△U3；
当E＝E4时，EC＝EC2或EC3时，△U＝△U4；
当E＝E4时，EC＝EC4时，△U＝△U5；
当E＝E4时，EC＝EC5时，△U＝△U7；
当E＝E4时，EC＝EC6时，△U＝△U8；
当E＝E4时，EC＝EC7时，△U＝△U9；
当E＝E5时，EC＝EC1或EC2时，△U＝△U4；
当E＝E5时，EC＝EC3时，△U＝△U5；
当E＝E5时，EC＝EC4时，△U＝△U6；
当E＝E5时，EC＝EC5时，△U＝△U8；
当E＝E5时，EC＝EC6或EC7时，△U＝△U9。
5.如权利要求3或4所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于，E1+E5＝0，且E5为1～5之间的一个值；
EC1+EC7＝0，且EC7为0.02～0.05之间的一个值；
△U1+△U9＝0，且△U1为0.3～0.6之间的一个值。
6.如权利要求1所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于：当所述燃料电池的温度T0大于某一阈值时，所述温度控制方法开始实施，控制器给与一个初始控制量UIni。
7.如权利要求6所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于：所述阈值为燃料电池中的节温器开启温度。
8.如权利要求6所述的燃料电池的温度控制方法，其特征在于：所述UIni为风扇的启动最小PWM控制量。
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