[发明专利]一种质子交换膜燃料电池温度控制方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池温度控制方法，将PID控制器作为一般的反馈控制器来稳定燃料电池堆的温度，达到初步的控制效果，然后根据灰色模型的超前预测功能得到燃料电池系统温度的变化趋势，模糊控制器利用获得预测信息来补偿系统的不确定性和外界干扰，进一步提高系统控制的精度。前馈补偿控制和反馈控制共同作用，实现对质子交换膜燃料电池温度的精确控制。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，更为具体地讲，涉及一种质子交换膜燃料电池温度控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是直接将氢能转换成电能的装置，具有比能量高、工作温度低、启动速度等优点，被认为是一种非常有吸引力的发电装置。

尽管燃料电池应用前景广阔，但其全面普及还受到一些客观原因的制约，例如控制技术还不是十分成熟，尤其是在温度控制上。PEMFC工作时内部的电化学反应过程，直接反映为电堆温度和温度分布的变化上。一旦温度控制效果不理想，过高或过低的工作温度都容易造成PEMFC发电效率的明显下降，更严重的是对质子交换膜造成不可逆的损坏。此外，还需要将燃料电池堆出入口的温度差控制控制在设定范围内，否则电池堆内较大的热应力会加速质子交换膜的老化，缩短燃料电池的使用寿命。因此，质子交换膜燃料电池温度控制包括电堆工作温度的控制和电堆出入口温差的控制。

国内外学者对质子交换膜燃料电池的温度控制方法展开了一系列探讨，通常是根据燃料电池的实时温度与设定温度之间的误差，采用PID控制、模型预测控制、LQR反馈控制、模糊控制等方法来调节燃料电池冷却系统的散热量，从而使燃料电池的温度保持在设定值附近。质子交换膜燃料电池是一个非线性、强耦合、大时延的复杂动态系统，上述控制方法可以实现燃料电池温度的控制，但无法获得较优的控制效果。PID、LQR反馈控制对模型的精度要求高且无法解决时延问题；模糊控制是基于专家经验的控制，可以克服模型不确定性问题，但无法解决燃料电池的热时延问题；模型预测控制可以预测未来的偏差值解决温度控制的时延，但是当系统受到不确定干扰时会存在模型失配问题。总的来说，目前这些温度控制方法是根据燃料电池的某一特性所设计的，由于考虑不全面，必然导致燃料电池温度控制效果不佳。

因此，考虑燃料电池系统的非线性、时延性和不确定性，本发明提出一种灰色预测模糊控制方法，即将灰色预测模型与模糊控制器结合作为前馈控制器，再加上PID反馈控制器，从而实现对燃料电池温度的控制。在前馈控制器中，模糊控制器利于灰色预测模型的预测结果对系统进行提前补偿控制，可以解决不确定扰动对系统的影响，具有一定的鲁棒性和快速响应性。而PID反馈控制器可以修正系统误差，进一步提高燃料电池温度控制的精度。因此，本发明提出的灰色预测模糊控制方法对燃料电池的温度控制研究具有一定的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种质子交换膜燃料电池温度控制方法，把灰色预测模型与模糊控制结合作为前馈控制器，结合PID反馈控制器，实现对燃料电池堆工作温度的控制和电池堆出入口温差的控制，提高了系统的抗扰动能力、自适应能力和控制精度。

为实现上述发明目的，本发明一种质子交换膜燃料电池温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定模糊控制器模型

模糊控制器由PD型模糊控制器和PI型模糊控制器组成，其模型表达式为：

u_fuzzy＝αu_PD-fuzzy+βu_PI-fuzzy，

其中，u_fuzzy为模糊控制器的控制量，u_PD-fuzzy为PD型模糊控制器的输出，u_PI-fuzzy为PI型模糊控制器的输出，α和β分别为PD型和PI型模糊控制器的权重系数；