CN114744258A - 一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法 - Google Patents

一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，属于新能源发电技术领域，先获取测试环境下电堆的参考温度‑电流曲线；将处于运行环境的电堆温度调节至参考温度；以ΔT为减小步长和增加步长，反向减小参考温度，若减小后的电压大于初始电压，则继续减小，直至比上一次电压更低；正向增大参考温度，若增加后的电压大于增加前电压，则继续增加，直至比上一次电压更低；再次反向减小参考温度，如此往复；若有连续三个不同的参考温度重复出现多次，并相邻差值为ΔT，则取中间参考温度为最优参考温度。本发明通过扰动寻优不同运行环境下的最优参考温度，并提供解决往复震荡问题的解决办法，进而获得精确的最优参考温度。

Description

一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池作为清洁能源的一种，具有高效率、零污染物排放、长续航、工作温度低等特点，是目前新能源领域的研究热点之一。空冷型质子交换膜燃料电池省去了用于实现冷却液循环和反应气体增湿等功能的辅助设备，与传统燃料电池相比具有重量轻、效率高、结构紧凑等优点，被视为小型用电系统的未来理想电源。
质子交换膜燃料电池的输出性能受其运行温度的强烈影响，燃料电池电堆在运行时需保持合适的温度，过高或过低的温度都会导致电堆输出电压的下降。空冷型燃料电池一般为开放阴极结构，阴极直接暴露在大气中，同时阴极安装有轴流风扇，轴流风扇鼓动空气进入电堆阴极用以发生电化学反应，同时空气流动也带走电堆产生的热量，从而控制电堆温度。因此如何通过阴极风扇合理地控制电堆温度，成为影响空冷型燃料电池输出性能的关键问题。
空冷型燃料电池的温度控制主要分为两个方面。一是如何在不同的工况条件下设定温度控制器的参考值，使得电堆运行在这个参考值时性能最优；二是在确定温度参考值后，如何通过控制算法将实际温度稳准快地控制到参考值附近。对于第二点，目前有很多成熟的算法都能满足要求，比如比例积分微分(PID)控制、预测控制、自抗扰控制等。对于第一点，在其他因素不变的情况下，温度对电压的影响体现为随着温度单调升高电堆电压会先上升后下降，即存在一个参考温度点使得电堆输出电压最大。现有技术往往是在不同电流下通过实验测量获得电压最大对应的参考温度点，绘制成参考温度-电流曲线，将该曲线作为阴极温度控制器的参考输入。这种方法的问题在于上述实验是通过在某一环境条件下测得的曲线，具有一定参考价值，但不一定百分百准确，不同的环境条件下曲线可能出现偏差，而测试所有环境条件下的曲线又是几乎不可能的。因此在某一参考曲线的基础上，寻求一种自动寻优的空冷型燃料电池温度控制方法，使得电堆在不同环境条件下的温度参考值都是当前环境下最优的。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，实现在不同环境条件下自动寻找并确定最佳参考温度。
本发明具体技术方案如下：
一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取在测试环境下的空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线；本发明对所述测试环境不做特定要求，使空冷型燃料电池电堆能正常工作的测试环境均可；
步骤2：针对处于运行环境的空冷型燃料电池电堆，开启氢气进口阀门以及阴极风扇，设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始运行；
步骤3：根据参考温度-电流曲线获得负载电流值为I时对应的参考温度，并通过控制算法将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度附近，此时电堆电压为初始电压；
步骤4：对参考温度施加扰动，具体为：以预设的ΔT为减小步长和增加步长，先反向减小参考温度，若减小后的电堆电压大于初始电压，则继续减小参考温度，直至减小后的电堆电压比上一次减小时的电堆电压更低；之后正向增大参考温度，若增加后的电堆电压大于增加前的电堆电压，则继续增加参考温度，直至增加后的电堆电压比上一次增加时的电堆电压更低；再次反向减小参考温度，如此往复；对施加的每一次扰动按顺序进行编号，并记录对应的参考温度，获得参考温度记录表；
步骤5：在参考温度记录表中，判断是否有连续三个不同的参考温度重复出现了N次以上，若是，则转至步骤6；否则，转回步骤4；
步骤6：对重复出现的三个不同的参考温度进行排序，判断相邻参考温度间的差值是否均为ΔT，若是，则取中间的参考温度为最优参考温度；否则，转回步骤4。
进一步地，步骤1的具体过程为：
步骤11：在测试环境下，打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力至一个使得电堆输出性能良好的固定值，具体值取决于所用的燃料电池系统；
步骤12：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤13：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤14：阴极风扇转速受脉宽调制(PWM)信号的占空比控制，通过调节阴极风扇PWM信号占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度稳定保持在一个较低的30℃左右水平；
步骤15：以PA为初始值，ΔP为固定步长，以空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，观察这期间电堆输出电压的变化曲线，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度即为负载电流值为I时的参考温度；
步骤16：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤14～15，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到参考温度-电流曲线。
进一步地，ΔP为1％～10％，该范围基于所采用的空冷型燃料电池电堆的实际情况而选定，ΔP越小，实验的测量精度越高，但同时实验的时间成本也会相应增加。
进一步地，所述ΔT为1～5℃，该范围基于所采用的空冷型燃料电池电堆的实际情况而选定，ΔT越小，最终寻找到的参考温度越接近真实最优值，但同时寻优的时间也会相应增加。
进一步地，所述N不小于2。
进一步地，所述控制算法为PID控制算法、预测控制算法、自抗扰控制算法等。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，以某一测试环境下的参考温度作为扰动观察法的控制初始值，通过扰动自动寻优不同运行环境下的最优参考温度，并提供解决最优参考温度附近往复震荡问题的解决办法，进而获得精确的最优参考温度；本方法可以通过编程实现全自动控制，实施过程简单高效，有利于与具体的工程应用相结合，便于实际地解决空冷燃料电池在工程应用中的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1所基于的空冷型燃料电池阴极温度控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中负载电流值为10A时阶梯递减阴极风扇PWM信号对应的电堆输出电压变化曲线；
图3为本发明实施例1中在某一测试环境下获取的参考温度-电流曲线；
图4为本发明实施例1中扰动后空冷型燃料电池电堆的参考温度和电堆电压的变化趋势曲线；
图5为本发明实施例1提出的扰动观察法的运行流程图；
图6为本发明实施例1中解决参考温度往复震荡问题的运行流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
基于如图1所示的空冷型燃料电池阴极温度控制系统，本实施例提出了一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法。
所述空冷型燃料电池阴极温度控制系统包括氢气瓶、进气阀门、空冷型燃料电池电堆、排气阀门、燃料电池控制器和阴极风扇。
所述基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：获取在测试环境下的空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线，具体包括：
步骤11：在测试环境下，打开进口阀门，调节氢气进气压力至一个使得电堆输出性能良好的固定值20kPa，设置排气阀门开启周期为30s，每次开启持续时间为2s；本实施例选取的测试环境为环境温度20℃、环境相对湿度70％；
步骤12：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤13：设置负载电流为固定值10A，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤14：通过调节阴极风扇PWM信号占空比至50％，使空冷型燃料电池电堆的温度稳定保持在一个较低的30℃左右水平；
步骤15：以50％为初始值，5％为固定步长，以空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，观察期间电堆输出电压的变化曲线，如图2所示，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度即为负载电流值为10A时的参考温度；
步骤16：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤14～15，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到如图3所示的参考温度-电流曲线；
步骤2：基于扰动观察法对参考温度进行寻优，流程如图5所示，具体包括：
步骤21：针对处于运行环境的空冷型燃料电池电堆，开启进口阀门以及阴极风扇，调节氢气进气压力为固定值20kPa，设置排气阀门开启周期为30s，每次开启持续时间为2s，阴极风扇PWM信号占空比为50％，设置负载电流为固定值10A，空冷型燃料电池电堆开始运行；
步骤22：根据参考温度-电流曲线获得负载电流值为10A时对应的参考温度T1＝39℃，并通过PID控制算法将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度T1附近，此时令k＝1，电堆电压为初始电压V1；
步骤23：由于参考温度T1并不一定是当前运行环境下最优参考温度，T1可能比实际的最优参考温度偏低或者偏高，如图2中的A点和B点所示，这两种情况都会导致电堆电压不能达到电压峰值，因此需要对此时的参考温度T1施加扰动，扰动的方向有两种，一是往T1正向增大的方向，二是往T1反向减小的方向，具体为：
图4为本实施例的一种具体情况，以ΔT＝2℃为减小步长和增加步长，先反向减小参考温度T1为T1-ΔT，此时减小后的电堆电压V2小于初始电压V1，表明当前的扰动方向是错误的，应该正向增大参考温度T1-ΔT为T1，此时电堆电压为V1；继续正向增大参考温度T1为T1+ΔT，此时电堆电压为V3，V3大于V1，则认为当前的扰动方向是正确的，则继续正向增大参考温度T1+ΔT为T1+2ΔT，此时电堆电压为V4，V4小于V3，表明当前的扰动方向是错误的，应该反向减小参考温度T1+2ΔT为T1+ΔT，此时电堆电压V3大于V4，则继续减小参考温度T1+ΔT为T1，此时电堆电压V1小于V3，应该正向增大参考温度T1为T1+ΔT，如此往复，最终在T1、T1+ΔT和T1+2ΔT这三者间形成往复震荡，如图4所示；需要说明的是，图4中的参考温度方波折线为实际曲线，而电堆电压方波折线为示意图，与实际曲线不符；
同时对施加的每一次扰动按顺序进行编号，编号具体为图5中的k-1，每个编号记录对应的参考温度，获得参考温度记录表；
步骤3：由于步骤2获得的参考温度存在往复震荡问题，如图6所示，为解决往复震荡问题采用的方法具体包括：
步骤31：在参考温度记录表中，判断是否有连续三个不同的参考温度重复出现了3次以上，若是，则转至步骤32；否则，转回步骤23；
步骤32：对重复出现的三个不同的参考温度进行排序，判断相邻参考温度间的差值是否均为ΔT，若是，则取中间的参考温度为最优参考温度，本实施例中最优参考温度为T1+ΔT；否则，转回步骤23。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取在测试环境下空冷型燃料电池电堆的参考温度-电流曲线；
步骤2：针对处于运行环境的空冷型燃料电池电堆，开启氢气进口阀门以及阴极风扇，设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始运行；
步骤3：根据参考温度-电流曲线获得负载电流值为I时对应的参考温度，并通过控制算法将空冷型燃料电池电堆的温度调节至参考温度附近，此时电堆电压为初始电压；
步骤4：以ΔT为减小步长和增加步长，先反向减小参考温度，若减小后的电堆电压大于初始电压，则继续减小参考温度，直至减小后的电堆电压比上一次减小时的电堆电压更低；之后正向增大参考温度，若增加后的电堆电压大于增加前的电堆电压，则继续增加参考温度，直至增加后的电堆电压比上一次增加时的电堆电压更低；再次反向减小参考温度，如此往复；对施加的每一次扰动按顺序进行编号，并记录对应的参考温度，获得参考温度记录表；
步骤5：在参考温度记录表中，判断是否有连续三个不同的参考温度重复出现了N次以上，若是，则转至步骤6；否则，转回步骤4；
步骤6：对重复出现的三个不同的参考温度进行排序，判断相邻参考温度间的差值是否均为ΔT，若是，则取中间的参考温度为最优参考温度；否则，转回步骤4。
2.根据权利要求1所述基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：
步骤11：在测试环境下，打开阳极氢气进口阀门，调节氢气进气压力；
步骤12：开启阴极风扇，为空冷型燃料电池电堆提供氧气；
步骤13：设置负载电流为固定值I，空冷型燃料电池电堆开始工作；
步骤14：通过调节阴极风扇PWM信号的占空比至PA，使空冷型燃料电池电堆的温度保持在30℃；
步骤15：以PA为初始值，ΔP为固定步长，待空冷型燃料电池电堆的温度保持稳定作为进行下一次递减的判定标准，阶梯递减阴极风扇PWM信号，使得空冷型燃料电池电堆的温度阶梯递增，直至电堆输出电压开始快速衰减，停止阶梯递减阴极风扇PWM信号，期间电堆输出电压最大值所对应的温度即为负载电流值为I时的参考温度；
步骤16：设置负载电流为不同固定值，分别重复步骤14～15，得到不同负载电流值下的参考温度，绘制得到参考温度-电流曲线。
3.根据权利要求2所述基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，ΔP为1％～10％。
4.根据权利要求1所述基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，ΔT为1～5℃。
5.根据权利要求1所述基于扰动观察法的空冷型燃料电池温度控制方法，其特征在于，N不小于2。
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