CN114497646B - 一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法。所述方法包括：确定燃料电池组的参数，所述参数至少包括氢分压、氧分压、燃料电池的温度、电解质膜含水量，根据所述燃料电池组的参数，构建燃料电池组模型：基于模糊控制器，控制所述的输出功率，其中，所述模糊控制器的输入包括：逆变器输出电压误差信号e，输出电压变化信号ΔVLoad。通过上述方法，可以提高燃料电池模型的准确性，以及提供了双负载电压和控制输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的的方法。
背景技术
燃料电池是一种产生电能的电化学电池，它由两个称为电极的导体和电极之间的导电膜组成，两个电极之间的导电膜称为电解质。其中，燃料电池根据所用电解液的类型的不同分为以下几种类型：聚合物电解质燃料电池、碱性燃料电池、电池磷酸燃料、熔融碳酸盐燃料电池和电池固体氧化物燃料。与其他类型的燃料电池相比，聚合物电解质燃料电池由于温度低、工作压力低和功率密度高，更适合用于氢燃料汽车。以及，使用燃料电池发电非常高效率且具有便携性，不仅没有环境污染，还能提供更好的电能质量、具有高可靠性，因此可使用运行温度低和快速启动的燃料电池技术，发电供热供家庭使用。
现有技术中，虽然存在燃料电池的建模和控制系统，但是都在燃料电池建模或转换器中被横截面简化，并且没有考虑一些参数。例如没有逆变器的精确模型，而是使用了简单的数学模型，从而导致模型的准确性低。
综上所述，如何在对燃料电池有效建模以及提高模型的准确性是目前需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法、装置和可读存储介质，可以提高燃料电池模型的准确性，以及提供了双负载电压和所需功率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法，该方法包括：
确定燃料电池组的参数，所述参数至少包括氢分压、氧分压、燃料电池的温度、电解质膜含水量，根据所述燃料电池组的参数，构建燃料电池组模型：
基于模糊控制器，控制所述燃料电池组的输出功率，其中，所述模糊控制器的输入包括：逆变器输出电压误差信号e，输出电压变化信号ΔVLoad，分别为：
e＝Vref-VLoad
ΔVLoad＝VLoad(tn+ts)-VLoad(tn)
其中，tn为采样起始时刻，ts为采样间隔，VLoad(tn)表示tn时刻的输出电压，VLoad(tn+ts)表示tn+ts时刻的输出电压，Vref为逆变器输出电压。
可选的，所述构建燃料电池组模型包括：根据燃料电池组的参数以及电化学热力学原理，得到单燃料电池的极化曲线表示：
其中，VFC为单燃料电池的电压；
Enernst为单燃料电池中无损耗的开路电压；
为由于单燃料电池中电子和离子运动的阻力而产生的显著电压降；
Vact为单燃料电池中阳极和阴极处的激活压降；
Vconc为由于活性物质浓度降低而产生的压降。
可选的，根据所述单燃料电池的极化曲线表示，得到所述燃料电池组的极化曲线表示：
VFC，Stack＝n*VFC
其中，VFC，Stack为燃料电池组的电压，所述燃料电池组由n个单燃料电池组成，其中，所述n为正整数。
可选的，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式确定Enernst：
其中，PH2和PO2分别为氢分压和氧分压；T为燃料电池的温度。
可选的，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式组确定
Vohmic＝＝iFC*(RM+RC)
其中，RC为电极对电子通过的固定电阻；ρM为导电膜电阻率；A为导电膜有效面积；l为导电膜厚度；Jn为空载时燃油消耗量的电流密度；R为全局常数；F为是法拉第常数。
可选的，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式组确定Vact：
其中，iFC为单燃料电池的电流；ζ1、ζ2、ζ3、ζ4为模型参数；为催化剂表面的氧浓度。
可选的，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式确定Vconc：
其中，J为燃油消耗量的电流密度。
可选的，该方法还包括：构建功率优化单元。
可选的，对于所述功率优化单元的每个输入或输出，采用多个隶属函数。
可选的，所述燃料电池组模型设置有双静态负载和轻负载。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例中燃料电池系统的示意图；
图2是本发明实施例中基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的示意图；
图3是根据本发明实施例的单燃料电池的极化曲线表示的示意图；
图4a是根据本发明实施例的功率优化单元的拓扑结构的示意图；
图4b是根据本发明实施例的功率优化单元的拓扑结构的示意图；
图5是根据本发明实施例的错误输入成员函数的示意图；
图6是根据本发明实施例的电压导出的输入隶属函数的示意图；
图7是根据本发明实施例的输出成员函数的示意图；
图8是根据本发明实施例的两个负载头的电压的示意图；
图9是根据本发明实施例的双负载电压及其谐波的示意图；
图10是根据本发明实施例的逆变器调制指数波形的示意图；
图11是根据本发明实施例的燃料电池电压波形的示意图；
图12是根据本发明实施例的燃料电池流量波形的示意图；
图13是根据本发明实施例的燃料电池生产功率和负载消耗功率的波形的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明公开进行描述，但是本发明公开并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明公开。为了避免混淆本发明公开的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个申请文件中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明公开的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例中燃料电池系统的示意图，如图1所示，聚合物电解质燃料电池包括：燃料电池组110，供给管部分120，转化炉或燃料处理器130，冷却系统140，其中，供给管部分120包括氢气供给管121、空气供给管122。具体的，燃料进入转化炉或燃料处理器130，带风扇的冷却系统140用于将空气吹入燃料电池组110的电池中。
图2是本发明实施例中基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的示意图，如图2所示，本发明实施例提供了一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法，该方法主要包括：
S201：确定燃料电池组的参数，所述参数至少包括氢分压、氧分压、燃料电池的温度、电解质膜含水量，根据所述燃料电池组的参数，构建燃料电池组模型；
S202：基于模糊控制器，控制所述燃料电池组的输出功率，其中，所述模糊控制器的输入包括：逆变器输出电压误差信号e，输出电压变化信号ΔVLoad，分别为：
e＝Vref-VLoad
ΔVLoad＝VLoad(tn+ts)-VLoad(tn)
其中，tn为采样起始时刻，ts为采样间隔，VLoad(tn)表示tn时刻的输出电压，VLoad(tn+ts)表示tn+ts时刻的输出电压，Vref为逆变器输出电压。
模糊控制器用于逆变器调制指数，从而控制输出功率。例如，燃料电池电压首先被给予DC滤波器以减少纹波及其振荡，然后进入整个三相桥的逆变器以将其转换成具有期望频率的交流电压；该电压然后导致谐波的消除，并且通过变压器，电压水平被带到期望的负载电压水平。变压器最初采用三角形连接，以消除三次谐波。由于在该系统中它是燃料电池功率的唯一生产者，因为所使用的逆变器调节负载频率，并且如果负载两端的电压被控制，额定功率将被传输到负载，因此在该独立于网络的系统中，唯一的电压幅度控制由脉宽调制逆变器调制指数参数执行，输出频率由脉宽调制参考信号自动稳定。
根据本发明实施例，可在将燃料电池的DC电压转换为用户交流电压的过程中，使用燃料电池系统为独立于正弦系统的本地负载供电。因此，必须控制电压范围，以便负载能够正常工作，这是由模糊控制器实现的，并且可改变普华永道逆变器调制指数的大小。
在一可选的实施例中，所述构建燃料电池组模型包括：
根据燃料电池组的参数以及电化学热力学原理，得到单燃料电池的极化曲线表示：
其中，VFC为单燃料电池的电压；
Enernst为单燃料电池中无损耗的开路电压；
为由于单燃料电池中电子和离子运动的阻力而产生的显著电压降；
Vact为单燃料电池中阳极和阴极处的激活压降；
Vconc为由于活性物质浓度降低而产生的压降。
图3是根据本发明实施例的单燃料电池的极化曲线表示的示意图，其中，图3中实线表示的是从模拟中获得的极化曲线，图3中点表示的是真实偏振曲线。图3显示了不同电流密度下单个燃料电池的稳态电压的变化，由图3可知，该电压非常高。进一步，为了提供更高的电压，可将多个单燃料电池组合在一起，形成燃料电池组。
在一可选的实施例中，根据所述单燃料电池的极化曲线表示，得到所述燃料电池组的极化曲线表示：
VFC，Stack＝n*VFC
其中，VFC，Stack为燃料电池组的电压，所述燃料电池组由n个单燃料电池组成，其中，所述n为正整数。
具体的，Enernst为单燃料电池中无损耗的开路电压，则
其中，ΔG在上式中解释了吉布斯自由能的变化，单位为焦耳/摩尔(j/mol)，ΔS是熵变，单位为焦耳/摩尔(j/mol)。F是法拉第常数，和/>分别表示氢分压和氧分压，以大气为单位。R是气体的通用常数；T是燃料电池温度，Tref是以开尔文表示的参考温度(例如25℃)。
在一可选的实施例中，使用标准压力和温度ΔS，获得ΔG值，基于上述公式以及通过以下公式确定Enernst：
其中，PH2和PO2分别为氢分压和氧分压；T为燃料电池的温度；
通过以下公式组确定
Vohmic＝＝iFC*(RM+RC)
其中，RC为电极对电子通过的固定电阻；ρM为导电膜电阻率；A为导电膜有效面积，单位为平方厘米(cm2)；l为导电膜厚度，单位为厘米(cm)；Jn为空载时燃油消耗量的电流密度；R为全局常数；F为是法拉第常数。以及，通过以下公式确定导电膜电阻率ρM：
通过以下公式组确定Vact：
其中，iFC为单燃料电池的电流；ζ1、ζ2、ζ3、ζ4为模型参数；为催化剂表面的氧浓度；
通过以下公式确定Vconc：
其中，J为燃油消耗量的电流密度。
虽然燃料电池d电解液已被选择用于传导离子，但它总是具有太多的电子容量，并且在燃料电池工作状态下，类似于半导体中的少数载流子，由于催化剂的存在，大量的氢分子将通过阳极电解液穿透阴极，并直接与氧反应，而没有电流流过外部电路。这种少量的氢被称为燃料损失，通过电解液迁移。用Jn表示等于空载时燃油消耗量的电流密度，则模型中使用的燃料电池电流为:
燃料电池中存在一种称为双电荷层的现象。如果两种具有不带电负载的不同材料相互接触，则电荷从一种材料转移到另一种材料，并且两种材料之间的承载区域为空，从而在两种材料之间产生电位差。例如，电子从N区域穿透到P区域，以及空穴从P区域穿透到N区域，导致半导体材料中键位点处出现空区域；这反过来会在该区域产生电场，从而在键表面产生电位差，从而阻止电子和空穴的进一步穿透。在电化学系统中，形成了类似半导体元件的双电荷层，其原因是电子从电极移动到电解液，以及在操作电容器时离子从电解液移动到电极。因此，双电荷层产生的电压不能立即跟随电流变化，而显著的电压降紧随电流变化。如图3所示，为了对双层进行建模，本发明实施例可使用电容器对其进行建模。
在一可选的实施例中，根据所述燃料电池组的参数以及根据电容器，构建燃料电池组模型，包括：
其中，τ为激活电压和浓度下降产生的时间常数；C为电容器的电容。
在一可选的实施例中，该方法还包括：构建功率优化单元。
因为燃料电池的输出电压是直流电压(DC电压)，而消耗器通常是交流的，所以直接消耗器没有连接到燃料电池。因此，为了使用燃料电池输出的电能，必须使用功率优化单元在燃料电池和消费者之间产生适当的电压。功率优化单元可以有两种不同的拓扑结构，分别如图4a、图4b所示。
图5是根据本发明实施例的错误输入成员函数的示意图；图6是根据本发明实施例的电压导出的输入隶属函数的示意图；图7是根据本发明实施例的输出成员函数的示意图。
在一可选的实施例中，对于所述功率优化单元的每个输入或输出，采用多个隶属函数。例如，对于每个输入和输出，可考虑7个隶属函数，如图5至7所示，它们具有50％重叠的三角波形。因此，该控制器最多可考虑49条逆变器调制指数控制的模糊控制器规则。
根据本发明实施例，功率优化单元由逆变器的精确模型实现，并且最后通过使用基于模糊逻辑的控制策略来控制功率。其中，使用模糊控制器控制逆变器的输出功率，在设计控制器时，只需熟悉逆变器的操作，不需要复杂的逆变器建模，而且模糊控制器的成本较低。
在一可选的实施例中，所述燃料电池组模型设置有双静态负载和轻负载。
图8是根据本发明实施例的两个负载头的电压的示意图；图9是根据本发明实施例的双负载电压及其谐波的示意图；图10是根据本发明实施例的逆变器调制指数波形的示意图；图11是根据本发明实施例的燃料电池电压波形的示意图；图12是根据本发明实施例的燃料电池流量波形的示意图。图8至图12体现出，本发明实施例的在静态负载连接进行的模拟的结果。
例如，在静态负载连接的情况下，首先将燃料电池系统连接到具有3kw和500var功率的第一负载，并且在从模拟时间开始的时刻T＝1秒，具有1.5kW和500var值的另一负载平行于第一负载，并且在时间T＝1.6秒再次脱离轨道，该模拟的结果如图8至图12所示。
随着负载的变化，控制器改变调制指数的值。并且在非常好的速度下，电压被设置为一个Pereonite，在这种情况下，随着负载功率的增加，以及根据图13提供的负载功率损耗，燃料电池电压降低，其电流增加。其中，图13是根据本发明实施例的燃料电池生产功率和负载消耗功率的波形的示意图。通过上述模拟，谐波分析表明，双架空电压质量良好，总谐波失真约为1％。
在轻负载模式下，通过将发动机负载连接到燃料电池来执行模拟。例如，电机负载以20％的负载启动，1秒钟后负载扭矩达到额定负载的100％。假设如果输出电压小于参考值，调制指数的值应该更高，反之亦然，如果输出电压超过所需值，调制指数的值应该更低。基于这一假设，可编制一个决策表格，已帮助感知电压变化的速度，并将其用于决策。例如，如果负载电压远高于参考电压，则意味着其误差对于参考值以及开路电压变化为负。在这种情况下，调制指数变化必须为零，以跟随参考值的输出电压。
根据本发明实施例，对聚合物电解质燃料电池的电能产生系统进行了建模、仿真和控制，并采用模糊控制器控制该燃料电池的输出功率。以及，在模拟过程中，可为模拟选择包括一个5kW聚合物电解质燃料电池和一个带有过滤器和变压器的逆变器的系统，为了研究燃料电池模型并显示其可控性，可使其为一个独立于网络的系统，以及具有两种类型的静态负载，例如分别显示房屋的照明负载和检查电机负载。根据本发明实施例，利用Simulink/Matlab仿真结果表明，模糊控制器很好地提供了双负载电压和所需功率，电能质量评估也证实了该电压与家庭用标准IEEE-519的谐波趋势。
本发明实施例中，还提供了一计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现上述实施例中任一项所述的方法。
本发明实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器执行时实现上述实施例中任一项所述的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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。
Claims (9)
1.一种基于模糊逻辑的控制燃料电池输出功率的方法，其特征在于，该方法包括：
确定燃料电池组的参数，所述参数至少包括氢分压、氧分压、燃料电池的温度、电解质膜含水量，根据所述燃料电池组的参数，构建燃料电池组模型：
基于模糊控制器，控制所述燃料电池组的输出功率，其中，所述模糊控制器的输入包括：逆变器输出电压误差信号e，输出电压变化信号ΔVLoad，分别为：
e＝Vref-VLoad
ΔVLoad＝VLoad(tn+ts)-VLoad(tn)
其中，tn为采样起始时刻，ts为采样间隔，VLoad(tn)表示tn时刻的输出电压，VLoad(tn+ts)表示tn+ts时刻的输出电压，Vref为逆变器输出电压；
根据燃料电池组的参数以及电化学热力学原理，得到单燃料电池的极化曲线表示：
VFC＝Enernst-Vohmic-Vact-Vconc
其中，VFC为单燃料电池的电压；
Enernst为单燃料电池中无损耗的开路电压；
Vohmic为由于单燃料电池中电子和离子运动的阻力而产生的显著电压降；
Vact为单燃料电池中阳极和阴极处的激活压降；
Vconc为由于活性物质浓度降低而产生的压降。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述单燃料电池的极化曲线表示，得到所述燃料电池组的极化曲线表示：：
VFC，Stack＝n*VFC
其中，VFC，Stack为燃料电池组的电压，所述燃料电池组由n个单燃料电池组成，其中，所述n为正整数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式确定Enernst：
其中，PH2和PO2分别为氢分压和氧分压；T为燃料电池的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式组确定Vohmic：
Vohmic＝iFC*(RM+RC)
其中，RC为电极对电子通过的固定电阻；ρM为导电膜电阻率；A为导电膜有效面积；l为导电膜厚度；Jn为空载时燃油消耗量的电流密度；R为全局常数；F为是法拉第常数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式组确定Vact：
其中，iFC为单燃料电池的电流；ζ1、ζ2、ζ3、ζ4为模型参数；为催化剂表面的氧浓度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据燃料电池的极化曲线表示，构建燃料电池模型，包括：
通过以下公式确定Vconc：
其中，J为燃油消耗量的电流密度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
构建功率优化单元。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对于所述功率优化单元的每个输入或输出，采用多个隶属函数。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料电池组模型设置有双静态负载和轻负载。
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