CN114976133A - 基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。本发明首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。本发明解决了质子交换膜燃料电池系统的水淹故障诊断与容错控制问题，将容错控制运用到质子交换膜燃料电池水管理中，可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。

Description

基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法
技术领域
本发明属于燃料电池应用领域的一种质子交换膜燃料电池的控制优化方法，具体是涉及了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。
背景技术
由于当今社会环境污染、资源短缺不断严重，质子交换膜燃料电池凭借其较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染等优点，近年来得到了诸多国家以及企业的重视，质子交换膜燃料电池汽车更是被相关学者认为是汽车发展的最终形态。然而，质子交换膜燃料电池暂时无法实现大规模商业化，这是由于其较低的耐久性与寿命问题导致的。由于实际运行工况的改变以及控制系统的失效，质子交换膜燃料电池容易出现水管理失效问题，常见的故障为水淹故障，造成其性能下降，甚至产生严重的安全问题。解决质子交换膜燃料电池的水淹的有效措施是实时监测水淹故障，并在水淹故障发生后及时采取有效控制措施避免水淹，即水管理容错控制方法。
目前，诊断质子交换膜水淹的办法有多种，例如电化学阻抗谱、气体压降法等。但上述方法或无法在线运用于动态工况，或需要复杂的数据处理步骤，往往难于运用于实际质子交换膜燃料电池系统。因此有必要开发新的水淹诊断方法，并结合容错控制器抑制质子交换膜燃料电池进入水淹故障，这对提升质子交换膜燃料电池的可靠性与耐久性意义重大。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法。
本发明采用的技术方案是：
首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
所述的质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：
Figure BDA0003722686670000011
Nw，m＝Nw，m，diff-Nw，m，osmo.其中，
Figure BDA0003722686670000021
为气体扩散层水扩散导数，Nw，gen为反应生成水，Nw，m为跨膜水传输，Nw，GDL为气体扩散层水扩散，Nw，m，diff为跨膜水扩散，Nw，m，osmo为电渗透，Sa为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。
所述的质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：
Figure BDA0003722686670000022
其中，MH2O为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θc为水在气体扩散层的接触角，ε为质子交换膜气体扩散层孔隙，K为质子交换膜气体扩散层渗透性，z为质子交换膜气体扩散层纵向距离，C1为边界系数。
所述的质子交换膜燃料电池水管理容错控制器输入为质子交换膜燃料电池的预设水淹故障因子，基于质子交换膜燃料电池水传输模型，水管理容错控制器输出为空压机控制电压，用于调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量；接着再计算作用后的水淹故障因子并返回至水管理容错控制器中，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
所述水管理容错控制器包含模型计算模块与滑模控制器；模型计算模块中，根据容错控制器的输入，并结合质子交换膜燃料电池水传输模型计算当前条件下空压机控制电压的稳态输出值ueq；滑模控制器中，根据当前水淹故障因子与预设水淹故障因子计算并输出空压机控制电压的滑膜调节值usw；空压机控制电压的稳态输出值ueq与滑膜调节值usw之和作为容错控制器输出。
所述滑模控制器的滑模面采用平滑处理的切换函数。
本发明的有益效果是：
本发明实现对质子交换膜燃料电池水管理系统的健康控制，创新性地设计了基于模型的质子交换膜燃料电池水淹故障因子，可以实时监测质子交换膜燃料电池水管理状态。此外，本发明还将该水淹故障因子运用于质子交换膜燃料电池容错控制中，可以通过自动调整空压机控制电压从而规避质子交换膜燃料电池水淹故障。
本发明可以有效提高质子交换膜燃料电池系统的可靠性与耐久性。
附图说明
图1是本发明中的质子交换膜水分布示意图。
图2是本发明容错控制器框架。
图3是本发明实施例中在线实验结果图。
图4是本发明实施例中在线实验空压机控制电压图。
图5是本发明实施例中在线实验EIS测试结果图。
图6是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
按照本发明方法完整实施的实施例情况如下：
如图6所示，本发明包括以下步骤：首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，简化的质子交换膜水传输模型如图1所示，
质子交换膜燃料电池水传输模型具有四个子过程，分别为跨膜水扩散、电渗透、气体扩散层水扩散以及反应生成水。质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：
Figure BDA0003722686670000031
Nw，m＝Nw，m，diff-Nw，m，osmo.
其中，
Figure BDA0003722686670000032
为气体扩散层水扩散导数，Nw，gen为反应生成水，Nw，m为跨膜水传输，Nw，GDL为气体扩散层水扩散，Nw，m，diff为跨膜水扩散，Nw，m，osmo为电渗透，Sa为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。
接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：
Figure BDA0003722686670000033
其中，MH2O为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θc为水在气体扩散层的接触角，ε为质子交换膜气体扩散层孔隙，K为质子交换膜气体扩散层渗透性，z为质子交换膜气体扩散层纵向距离，C1为边界系数。利用水淹故障因子对质子交换膜燃料电池进行水淹监测；若质子交换膜燃料电池水淹故障因子高于预设水淹阈值，则认定质子交换膜燃料电池进入水淹故障。
再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器(FTC)，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
质子交换膜燃料电池水管理容错控制器输入为质子交换膜燃料电池的预设水淹故障因子(即预设水饱和度)，基于质子交换膜燃料电池水传输模型，水管理容错控制器输出为空压机控制电压，用于调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量；接着再计算作用后的水淹故障因子并返回至水管理容错控制器中，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。具体方式为，当质子交换膜燃料电池进入水淹状态，则相应地提高质子交换膜燃料电池空压机电压，增加空气流量；反之，若质子交换膜燃料电池内部水饱和度指标过低，则减弱空气流量。
如图2所示，水管理容错控制器包含模型计算模块与滑模控制器；模型计算模块中，根据容错控制器的输入，并结合质子交换膜燃料电池水传输模型计算当前条件下空压机控制电压的稳态输出值ueq；滑模控制器中，根据当前水淹故障因子与预设水淹故障因子计算并输出空压机控制电压的滑膜调节值usw；空压机控制电压的稳态输出值ueq与滑膜调节值usw之和作为容错控制器输出。
其中，滑模控制器的滑模面为避免空压机产生震荡而采用平滑处理的切换函数，具体是根据质子交换燃料电池水传输模型设计的。
进行在线实验用以验证性能，实验在一3kW质子交换膜燃料电池实验平台上进行，使用的燃料电池具有18片单体电池。
如图3所示，在实验开始后，质子交换膜燃料电池在某特定工况下运行，此时空压机采取开环控制的方式。当负载电流逐渐升高的时候，可以发现质子交换膜燃料电池水饱和度逐渐升高。在大约第250秒时，此时的水饱和度已经超过0.145，进行电化学阻抗(EIS)测试。在大约第350秒时，开启容错控制。可以发现在开启了容错控制之后，质子交换膜燃料电池的水饱和度显著下降，最终稳定至设定值0.14附近。在大约第750秒附近进行第二次EIS测试。两次测试结果如图5所示，可以发现第一次测试时质子交换膜燃料电池阻抗谱总体呈现出水淹故障的特性，而第二次测试结果质子交换膜燃料电池阻抗值明显减小，说明质子交换膜燃料电池已经恢复了正常状态。在容错控制过程中，空压机控制电压如图4所示，可以发现没有产生震荡现象，说明了所述滑模面的有效性。
可以看出，本发明容错控制方法具有较好的实时性与准确性，能有效提升质子交换膜燃料电池水管理系统的可靠性，通过实验验证了本发明该容错控制的有效性。

Claims (6)

1.一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于,包括以下步骤：首先建立质子交换膜燃料电池水传输模型，接着基于质子交换膜燃料电池水传输模型设计质子交换膜燃料电池水淹故障因子，再基于水淹故障因子构建质子交换膜燃料电池水管理容错控制器，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
2.如权利要求1中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池水传输模型的公式如下：
Figure FDA0003722686660000011
Nw，m＝Nw，m，diff-Nw，m，osmo
其中，
Figure FDA0003722686660000012
为气体扩散层水扩散导数，Nw，gen为反应生成水，Nw，m为跨膜水传输，Nw，GDL为气体扩散层水扩散，Nw，m，diff为跨膜水扩散，Nw，m，osmo为电渗透，Sa为质子交换膜燃料电池活化面积，k1为时间常数。
3.如权利要求1中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池水淹故障因子是质子交换膜燃料电池气体扩散层水饱和度s，具体计算方式为：
Figure FDA0003722686660000013
其中，MH2O为水的摩尔质量，v为水的运动黏度，σ为水的表面张力，θc为水在气体扩散层的接触角，ε为质子交换膜气体扩散层孔隙，K为质子交换膜气体扩散层渗透性，z为质子交换膜气体扩散层纵向距离，C1为边界系数。
4.如权利要求1中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池水管理容错控制器输入为质子交换膜燃料电池的预设水淹故障因子，基于质子交换膜燃料电池水传输模型，水管理容错控制器输出为空压机控制电压，用于调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量；接着再计算作用后的水淹故障因子并返回至水管理容错控制器中，水管理容错控制器通过实时调整质子交换膜燃料电池阴极进气流量抑制水淹过程，实现对质子交换膜燃料电池的性能恢复。
5.如权利要求4中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述水管理容错控制器包含模型计算模块与滑模控制器；模型计算模块中，根据容错控制器的输入，并结合质子交换膜燃料电池水传输模型计算当前条件下空压机控制电压的稳态输出值ueq；滑模控制器中，根据当前水淹故障因子与预设水淹故障因子计算并输出空压机控制电压的滑膜调节值usw；空压机控制电压的稳态输出值ueq与滑膜调节值usw之和作为容错控制器输出。
6.如权利要求5中所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池水管理容错控制方法，其特征在于，所述滑模控制器的滑模面采用平滑处理的切换函数。
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