[发明专利]一种基于多内模的自呼吸燃料电池温度控制方法

说明书

本发明公开了一种基于多内模的自呼吸燃料电池温度控制方法，分考虑了燃料电池系统的非线性特性，采用多工况下的系统标称模型组合，得到全局标称模型，能够实现全工况下的良好控制效果；同时，实现自呼吸燃料电池的精确温度跟随控制，保障燃料电池反应所需空气的充足供应，具有较高的稳态精度和良好的动态跟踪性能，可以保证在各电流工况下燃料电池都工作于一个良好的工作状态，实现良好的输出性能以及更长的工作寿命，并通过合理设计控制策略，以保障其控制效果的快速性、精确性和鲁棒性，充分抑制内部、外部扰动。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，尤其是涉及一种基于多内模的自呼吸燃料电池温度控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种电化学发电装置，根据不同的冷却方式，主要分为空冷和水冷燃料电池。空冷燃料电池结构更简单，适用于一些对功率需求相对较低的应用场合，也称为自呼吸燃料电池。为保证更好的性能，一般自呼吸燃料电池都配有散热风扇，通过使用散热风扇，将空气供应和电堆冷却的功能结合到一起，并且设计了开放式的阴极流道，通过散热风扇引起的空气流动，带走电堆产生的多余热量，实现有效的电堆冷却，并同时实现充足的空气供应，保障电堆内反应的持续、高效进行。并且，一般自呼吸燃料电池都采用自增湿方式，通过电堆内部阴极电化学反应生成的水，来对燃料电池进行自增湿。自呼吸燃料电池阴极只有风扇这一个执行器，但却需要同时控制电堆冷却和空气供应，并需要保证电堆内部良好的湿度状态，这提高了控制难度。目前现有技术如下：

专利文献1(CN201711287557.8)提供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。

论文文献1(王斌锐等,空冷燃料电池最佳温度及模糊增量PID控制)基于对热传递的分析，建立了空冷燃料电池热模型，通过试验得到不同电流负载下使燃料电池输出最大功率的最佳温度值，并设计了模糊增量PID温度控制算法，利用模糊规则推理来优化调节PID参数，建立加权平均去模糊化方法。该论文在自制试验台上，针对100W燃料电池开展试验研究，用风扇调节电堆温度。温度控制实现±0.5degC精度。试验结果证明最佳温度合理，模糊增量PID控制满足电堆温度控制要求，适用于缓慢的负载变化。

但是，专利文献1没有实现温度跟随控制，针对不同的电流工况，采用了相同的目标温度值，不能保证较佳的电堆的输出性能和寿命；论文文献1没有考虑对供应的空气量进行控制，在较低电流以及电流上升工况下，散热需求的风扇转速较低，此时，有可能造成燃料电池氧气饥饿。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种基于多内模的自呼吸燃料电池温度控制方法，实现自呼吸燃料电池的精确温度跟随控制，并保障燃料电池反应所需空气的充足供应，以此来保障燃料电池输出性能和效率的最优，并使燃料电池工作于较优的工作状态，延长燃料电池使用寿命，并通过合理设计控制策略，以保障其控制效果的快速性、精确性和鲁棒性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于多内模的自呼吸燃料电池温度控制方法，包括以下步骤，

步骤1：通过试验辨识，获取各工况下用于描述自呼吸燃料电池风扇转速至电堆温度映射关系的标称模型(k＝1,...,N)，N为选取的工况数；

步骤2：选择合适的加权函数，将各工况下的标称模型组合，得到全局标称模型，将其与被控燃料电池系统并联；

步骤3：将自呼吸燃料电池的实际电堆温度T_st与全局标称模型得到的电堆温度估计值作偏差，得到电堆温度偏差值