CN116722185A - 一种燃料电池电堆温度控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池电堆温度控制方法及系统，通过燃料电池电堆入口温度以及入口与出口温差相结合的控制方式，能够与实现对燃料电池电堆温度的精确控制，避免单一控制的方式导致的温度控制不准确的问题；而且，对于燃料电池电堆入口温度以及入口与出口温差两个控制目标分别各通过一个部件进行控制，避免了系统温度控制的复杂设置；此外，结合了前馈控制的方式，可缩短控制时间的响应时间，减小控制误差。

Description

一种燃料电池电堆温度控制方法及系统
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池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。
随着环境污染和能源危机的不断加剧，清洁能源的使用越来越受到人们的关注，质子交换膜燃料电池作为清洁能源的典型代表，具有广阔的应用前景。质子交换膜燃料电池PEMFC用于交通运输领域，具有能量转换效率高、清洁和零温室气体排放等优点，燃料电池内部通过质子交换膜发生化学反应，将化学能转换为电能，实现能量转换。燃料电池电堆能量转换率通常在50％～60％之间，意味着能量转换的过程中会产生大量的热量，适宜的温度可以提高电解质膜上催化剂的活性、使进入电堆内部的氢气和氧气扩散系数加大气体扩散更充分；但温度过高会使得质子交换膜中水分流失，使得水蒸气分压增大使膜脱水，严重影响燃料电池工作。燃料电池电堆的温度对燃料电池的安全与寿命有重要影响。温度控制是燃料电池商业化面临的主要挑战之一。
燃料电池温度是影响质子交换膜燃料电池性能的关键因素，燃料电池的最佳工作温度一般在60℃～80℃之内，良好的温度控制系统对燃料电池系统安全、可靠及工作性能具有非常重要的作用，燃料电池散热系统中一般采用冷却液循环来降低燃料电池温度，冷却液多数都采用水，水的比热容较大以及散热系统管路较长导致水温变化有很大的惯性量，往往调节会出现滞后和震荡。为了更好地控制冷却液的温度，从而更好地达到控制燃料电池温度的目的，就需要更好更精准的控制方法。
目前，国内存在系统组成及不同功能的燃料电池堆温度管理系统及其控制方法，例如，中国专利申请号CN201510215700.7一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法；中国专利申请号：CN113594493A一种燃料电池冷却系统控制方法、装置及存储介质。其中，中国专利申请号CN201510215700.7一种水冷型质子交换膜燃料电池热管理系统及其控制方法，主要是根据燃料电池电堆冷却水入口温度控制散热风扇转速，根据燃料电池电堆冷却水入口压力来控制循环泵转速。中国专利申请号：CN113594493A一种燃料电池冷却系统控制方法、装置及存储介质，针对燃料电池电堆出口温度控制，采用了温控阀和双速风扇两个零部件结合的方式控制，这样会使得系统的结构更加复杂。
综上所述，目前燃料电池电堆温度控制存在以下不足：
1、燃料电池电堆温度控制目标单一，只针对燃料电池电堆入口温度或电堆出口温度进行控制，导致的燃料电池温度控制存在不准确的问题；
2、燃料电池电堆温度控制的方法单一，在温度控制的响应时间和控制精度方面存在不足；
3、燃料电池电堆温度控制的方法采用多种部件控制一个温度目标，导致系统的结构复杂，系统成本和维护成本增高。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种燃料电池电堆温度控制方法及系统，通过燃料电池电堆入口温度以及入口与出口温差相结合的控制方式，能够与实现对燃料电池电堆温度的精确控制；通过前馈控制与PID控制相结合的方式，通过前馈控制缩短响应时间，减小控制误差。
为实现上述目的，本发明的第一个方面提供一种燃料电池电堆温度控制方法，包括：
获取燃料电池电堆入口温度、所述燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比；
根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对所述散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到所述水泵的模糊控制占空比；
根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对所述水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
本发明的第二个方面提供一种燃料电池电堆温度控制系统，包括：
获取模块：获取燃料电池电堆入口温度、所述燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
第一控制模块：根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比；
第一调节模块：根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对所述散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
第二控制模块：获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到所述水泵的模糊控制占空比；
第二调节模块：根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对所述水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
本发明的第三个方面提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行一种燃料电池电堆温度控制方法。
本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行一种燃料电池电堆温度控制方法。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
在本发明中，通过计算燃料电池入口温度与入口目标值的差值，采用前馈控制和PID控制相结合的方式控制散热风扇，进而对燃料电池电堆的入口温度进行调节；通过计算燃料电池电堆入口温度与出口温度的温差，采用前馈控制和PID控制相结合的方式控制水泵，进而对燃料电池电堆的入口、出口的温差进行控制；通过燃料电池电堆入口温度以及入口与出口温差相结合的控制方式，能够与实现对燃料电池电堆温度的精确控制，避免单一控制的方式导致的温度控制不准确的问题；而且，对于燃料电池电堆入口温度以及入口与出口温差两个控制目标分别各通过一个部件进行控制，避免了系统温度控制的复杂设置；此外，结合了前馈控制的方式，可缩短控制时间的响应时间，减小控制误差。
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为本发明实施例一中一种燃料电池电堆温度控制方法流程图；
图2为本发明实施例一中散热风扇的控制流程图；
图3为本发明实施例一中水泵的控制流程图；
图4为本发明实施例一中燃料电池电堆温度控制装置示意图；
图5为本发明实施例一中燃料电池电堆入口温度曲线图；
图6为本发明实施例一中燃料电池电堆温差曲线图。
具体实施方式
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。
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。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种燃料电池电堆温度控制方法，包括：
获取燃料电池电堆入口温度、燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到散热风扇的模糊控制占空比；
根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到水泵的模糊控制占空比；
根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
在本实施中，一种燃料电池电堆温度控制方法，包括：
步骤1：燃料电池电堆入口目标温度和燃料电池电堆目标温差设定，根据燃料电池的负载需求，参照燃料电池电堆操作手册可确定此目标值；
步骤2：获取燃料电池电堆入口温度、获取燃料电池电堆出口温度，通过入堆温度传感器采集燃料电池电堆入口温度，通过出堆温度传感器采集燃料电池电堆出口温度。
步骤3：散热风扇控制前馈百分比，风扇控制前馈百分比需要根据燃料电池系统在不同的负载条件下进行标定。
步骤4：判断电堆入口温度和电堆入口目标温度计算模糊控制百分比，根据电堆入口目标温度和电堆入口温度计算出燃料电池温度误差，根据当前周期的燃料电池温度误差和上一周期的燃料电池温度误差计算出燃料电池温度误差变化率，根据当前燃料电池温度误差和燃料电池温度误差变化率，通过模糊控制规则计算出模糊控制百分比。
步骤5：散热风扇控制百分比，散热风扇控制百分比为散热风扇控制前馈百分比和判断电堆入口温度和电堆入口目标温度计算模糊控制百分比之和，根据散热风扇控制百分比控制散热风扇的转速。
步骤6：水泵控制前馈百分比，水泵控制前馈百分比需要根据燃料电池系统在不同的负载条件下进行标定。
步骤7：判断电堆温差和电堆目标温差计算PID控制百分比，根据电堆目标温差和电堆温差计算出燃料电池温差误差，根据燃料电池温差误差通过PID算法计算出PID控制百分比。
步骤8：水泵控制百分比，水泵控制百分比为水泵控制前馈百分比和判断电堆温差和电堆目标温差计算PID控制百分比之和，根据水泵控制百分比控制水泵的转速。
在本实施例中，燃料电池电堆入口温度使用散热风扇控制，为了将燃料电池电堆入口温度控制在目标温度允许的误差范围内，需要对风扇进行调速控制，在燃料电池的运行过程中风扇响应存在滞后性，若出现温度过高降温不及时则会引起高分子膜失水，大大降低了高分子膜的传导能力和热稳定性，严重时导致膜收缩破损，缩短电池的使用寿命。针对风扇的滞后性使用模糊控制加前馈的控制方法，这种控制方法可以根据温度的变化趋势提前打开或者关闭风扇，很好的解决了风扇响应滞后的问题，可以满足燃料电池电堆入口温度的误差要求。
如图2所示，散热风扇前馈控制：根据电堆工作的电密点而计算得到的一个跟随的占空比，在大多数工况下电堆在每一个电密点下所发出的热量为固定值，因此在每个电密点下要想维持同一个目标温度，散热风扇的散热量会在一个固定值附近上下波动，前馈控制便是散热风扇固定散热量下的占空比，在电堆加载电流时，直接控制散热风扇到前馈控制的占空比，可以缩短温度控制的响应时间，前馈控制的跟随占空比可以通过台架标定得到，即在每一个电堆电密点下标定前馈控制的跟随占空比。
模糊控制是在前馈控制的基础上通过目标温度和实际温度计算得到的温差e和温差的变化率△e，查找模糊控制表，得到风扇占空比加减量du，模糊控制表如表1所示，模糊控制可以根据温度的变化趋势提前打开或者关闭风扇，解决了风扇响应滞后的问题，也可以根据环境温度的不同进行自适应调节，模糊控制是在前馈控制基础上进行小范围的调节，避免了温度的大幅度波动，模糊控制表可以根据实际的系统和目标温度标定得到。其中，实际温度为通过传感器采集到的电堆中冷却水的实际温度；目标温度为据电堆的手册可以获取得到电堆每个电密点下的最适宜的反应温度；
表1：
在本实施例中，燃料电池电堆出口入口温差使用水泵控制，将燃料电池电堆出口入口温差控制在目标温差允许的误差范围内，需要控制水泵转速。燃料电池电堆温差过大会使得电堆内部温度分布不均，影响燃料电池电堆的一致性，燃料电池电堆温差过小会导致电堆内部热量不能及时有效地散出，影响燃料电池电堆的性能，严重者会对电堆造成一定的破坏性甚至烧毁电堆。针对温差控制偏差对电堆造成的影响，水泵控制使用P ID加前馈的控制方法，这种控制方法可以根据温差的变化趋势快速的控制水泵转速，可以满足燃料电池电堆温差的误差要求，解决了温差波动造成的燃料电池电堆温度分布不均和散热问题。
如图3所示，水泵的前馈控制：根据电堆工作的电密点而计算得到的一个跟随的占空比，在每个电堆的电密点下要维持同一个目标温差，冷却水泵的流量会在一个固定值附近上下波动，前馈控制便是冷却水泵固定流量下的占空比，在电堆加载电流时，直接控制冷却水泵到前馈控制的占空比，可以缩短温差控制的响应时间，前馈控制的跟随占空比可以通过台架标定得到，即在每一个电堆电密点下标定前馈控制的跟随占空比。
在前馈控制的跟随占空比基础上加入PID控制，起到反馈控制的作用，通过对目标温差和实际温差的偏差的计算，根据PID控制给出冷却水泵的修正值，起到精确调节的作用。
PID是一种线性控制器，他根据目标温差和实际温差的偏差e，然后利用比例、积分、微分的线性组合对偏差进行运算来调节输出值，最终使得系统的实际温差和目标温差偏差最小。
PID的控制公式为：
写成传递函数的形式为：
其中，k p为比例系数；T I为积分时间常数；T D为微分时间常数。
冷却水泵可以通过控制占空比的大小调节转速，占空比的大小不同，冷却水泵的转速不同，散热量也不同，冷却水泵的控制占空比是前馈控制的跟随占空比和PID控制的占空比之和。
如图4所示，在本实施例中，出堆温度传感器用于采集燃料电池电堆冷却水出口温度；入堆温度传感器用于采集燃料电池电堆冷却水入口温度；水泵的入口与燃料电池电堆出口通过管路相连，水泵的出口与散热风扇入口通过管路连接，散热风扇的出口与节温器第一入口通过管路连接，节温器的出口与燃料电池电堆入口通过管路连接，水泵用于调节燃料电池入口与出口的温差，散热风扇用于调节燃料电池入口的温度；水泵的出口还与加热器入口通过管路连接，加热器的出口与节温器的第二入口通过管路连接，节温器通过第一入口、第二入口的开度控制循环回路，当节温器开度为0％，此时第一入口全关，第二入口全开，冷却水路由电堆、水泵、加热器和节温器构成小循环回路，在燃料电池系统启动阶段可对燃料电池系统的循环冷却水快速加热。当节温器开度为100％，此时第一入口全开，第二入口全关，冷却水路由电堆、水泵、散热风扇和节温器构成大循环回路，在燃料电池系统运行和关机阶段可对燃料电池系统的循环冷却水散热。当节温器开度为50％，此时节温器第一入口和第二入口均开启一半，冷却水路处于小循环和大循环的过度状态。
还包括：水箱，用于存储冷却水，释放冷却回路中的气体，水箱入口通过管路与散热风扇的出口连接，水箱的出口通过管路连接至水泵的入口与燃料电池电堆出口之间的管路上；去离子器设置在散热风扇的出口与水箱的入口之间的管路上，用于去除冷却水中电离子，降低冷却水电导率。
如图5所示，为基于本实施例的燃料电池电堆的温度控制方法得到的燃料电池电堆入口温度曲线图。如图6所示，为根据本实施例的燃料电池电堆的温度控制方法得到的燃料电池电堆温差曲线图。
实施例二
本实施例的目的是提供一种燃料电池电堆温度控制系统，包括：
获取模块：获取燃料电池电堆入口温度、所述燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
第一控制模块：根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比；
第一调节模块：根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对所述散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
第二控制模块：获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到所述水泵的模糊控制占空比；
第二调节模块：根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对所述水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
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 (10)

1.一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，包括：
获取燃料电池电堆入口温度、所述燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比；
根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对所述散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到所述水泵的模糊控制占空比；
根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对所述水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述散热风扇在前馈控制下的跟随占空比为：燃料电池电堆在目标温度下发热量所对应的所述散热风扇散热量下的占空比。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，所述水泵在前馈控制下的跟随占空比为：燃料电池电堆的入口温度与燃料电池电堆的出口温度的温差为目标温差时，冷却水泵的控制流量所对应的占空比。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比，具体为：
根据当前周期燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值与上一周期燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，计算燃料电池温度误差变化率；
根据当前周期燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值、燃料电池温度误差变化率通过模糊控制规则得到所述散热风扇的模糊控制占空比。
5.如权利要求4所述的一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比之和控制所述散热风扇的转速。
6.如权利要求1所述的一种燃料电池电堆温度控制方法，其特征在于，根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比之和控制所述水泵的转速。
7.一种燃料电池电堆温度控制系统，其特征在于，包括：
获取模块：获取燃料电池电堆入口温度、所述燃料电池电堆入口温度目标值以及散热风扇在前馈控制下的跟随占空比；
第一控制模块：根据燃料电池电堆入口温度与所述燃料电池电堆入口温度目标值的差值，通过PID控制算法得到所述散热风扇的模糊控制占空比；
第一调节模块：根据散热风扇在前馈控制下的跟随占空比和散热风扇的模糊控制占空比对所述散热风扇进行调节来控制燃料电池电堆入口温度；
第二控制模块：获取燃料电池电堆出口温度以及水泵在前馈控制下的跟随占空比，根据燃料电池电堆入口温度与燃料电池电堆出口温度的差值，通过PID控制算法得到所述水泵的模糊控制占空比；
第二调节模块：根据水泵在前馈控制下的跟随占空比和水泵的模糊控制占空比对所述水泵进行调节来控制燃料电池电堆出入口的温差。
8.如权利要求7所述一种燃料电池电堆温度控制系统，其特征在于，在所述获取模块中，所述散热风扇在前馈控制下的跟随占空比为：燃料电池电堆在目标温度下发热量所对应的所述散热风扇散热量下的占空比；
在所述第二控制模块中，所述水泵在前馈控制下的跟随占空比为：燃料电池电堆的入口温度与燃料电池电堆的出口温度的温差为目标温差时，冷却水泵的控制流量所对应的占空比。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至6任一项所述的一种燃料电池电堆温度控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至6任一项所述的一种燃料电池电堆温度控制方法。
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