[发明专利]一种质子交换膜燃料电池一致性的热电水协同控制方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池一致性的热电水协同控制方法，先以单池波动率最小作为优化目标，基于单目标动态优化算法得出外部需求负载功率下的温度、相对湿度、进出口压强差等最优操作变量，然后设计设计具有自适应滑模鲁棒迭代学习功能的控制器，并将最优操作变量作为控制器的参考轨迹输入进行更新，最后通过控制器控制电机运行，进而调节燃料流量、空气流量、散热器风扇速度和压缩机电压，从实现质子交换膜燃料电池一致性的热电水协同控制。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，更为具体地讲，涉及一种质子交换膜燃料电池一致性的热电水协同控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种通过电化学反应将存储在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能及反应物的装置，其能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，以氢气为主要燃料，具有实际使用效率高、排气干净、污染小等优点，是21世纪最具发展潜力的新能源之一。最近的二十年内，各国相关研究人员已经成功开发了各种型号的PEMFC，在材料、设计和管理控制等方面取得的较大的进展。但是，PEMFC系统的高成本和短寿命仍然是大规模商业化的障碍。

电池堆的温度、相对湿度的不合理均会引起电池堆的内部结构不同程度的老化，甚至会引起膜干、水淹及其内部结构的损坏。不合适的进出口压强差会影响反应物在电池堆内部的均匀分布及生成物的排出。近年来，相关研究人员在PEMFC系统在系统设计、优化和控制方面进行了大量研究，得到了一系列具有不同结构的控制器，并在负载跟踪、温度管理和水管理方面已经取得了一定的研究成果。这为PEMFC系统管理和优化做出了贡献。

但是应该考虑到，PEMFC电池堆是由多个单电池以串联的形式层叠而成，由于流体、热和湿度在空间上分布的不均匀性、各单电池单元MEA制造和组装水平的差异等原因，燃料电池堆的各单片电池电压存在不一致性。较大的电压不一致性会造成电池堆的整体性能下降和使用寿命减小。因此，需要考虑多方面的约束，有针对性地设计一个完整的控制系统，确保PEMFC维持在稳定、最优的工作环境，在满足外部负载需求功率的同时，使得单电池之间的电压尽可能的分布均匀。目前尚未发现考虑PEMFC电池堆的单电池不一致性的优化控制研究，以至于这仍然是PEMFC应用面临的挑战。

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一致性的热电水协同控制方法，以单池波动率最小作为优化目标，寻求最优操作变量作为控制器的优化参考，再通过控制器实现热电水协同控制，从而为电池堆提供稳定、最优的工作氛围，提高了单电池的一致性，保证电池堆的性能和寿命。

为实现上述发明目的，本发明一种质子交换膜燃料电池一致性的热电水协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将非均匀控制向量参数化算法ndCVP集成到混合梯度粒子群优化算法HGPSO中，得到的非均匀控制向量参数化混合梯度粒子群优化算法ndCVP-HGPSO；

(2)、在考虑单电池一致性条件下，利用ndCVP-HGPSO算法对电池堆进行优化，获取负载需求功率下的电池堆的最优操作变量；

(2.1)、设置优化的目标函数；

V(t)＝f(t,U(t),α(t))

其中，N_s表示电池堆的单电池片数，[t₀,t_f]表示电池堆运行时间区间；S_r(t)为单电池波动率；V_j(t)表示第j片单电池的电压；表示电池堆的单电池平均电压；f(·)为非线性函数；U(t)为操作变量，α(t)表示电池堆的其他参数；