[发明专利]一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法

权利要求书

1.一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立燃料电池的温度机理模型并作为电堆冷却水出口温度模型；

S2：建立散热器的温度机理模型并作为电堆冷却水进口温度模型；

S3：基于电堆冷却水出口温度模型和电堆冷却水进口温度模型，建立电堆冷却水进出口温度的状态空间模型，基于状态空间模型建立以同时控制电堆冷却水进出口温度为控制目标的控制器，控制器通过调节水泵、冷却风扇的PWM控制信号对电堆冷却水进出口温度进行解耦控制，使得电堆冷却水进出口温度为预设期望温度。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述S1具体为：

根据燃料电池的电堆产热、输出功率和散热因素，并基于热力学第一定律建立燃料电池的温度机理模型，作为电堆冷却水出口温度模型，具体公式如下：

其中，m_st为燃料电池的电堆质量，C_pst为燃料电池的电堆热容，T_st为燃料电池的电堆温度，电堆温度T_st等于电堆冷却水出口温度T_out，为燃料电池中消耗的氢气释单位时间放出的总能量，P_st为电堆产出电能功率，为燃料电池中单位时间冷却水带走的能量，代表了电堆向环境中散热，为燃料电池中通入电堆气体单位时间气体带走的能量。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述S2具体为：

根据冷却水从电堆吸收的热量以及冷却水在散热器中散热，并基于热力学第一定律建立散热器的温度机理模型，作为电堆冷却水进口温度模型，具体公式如下：

其中，为散热器中冷却水流量，C_water为冷却水热容，T_in为电堆冷却水入口温度，为冷却水从电堆中带走的能量，为散热器中冷却水辐射散热能量，为散热器中冷却水通过热传导散热能量，为散热器中冷却水通过对流散热能量。

4.根据权利要求3所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述冷却水通过热传导散热能量以及冷却水通过对流散热能量是利用系统辨识的方法对实验数据进行辨识后获得的，具体公式如下：

其中，表示在电堆冷却水出口温度T_out下冷却水热传导散热值；

其中，T_out代表电堆冷却水出口温度，为散热器中冷却水流量，表示对流中散热器中冷却水流量与电堆冷却水出口温度T_out之间的非线性函数，D_PWM代表冷却风扇PWM控制信号的占空比，T_temp代表外界环境温度。

5.根据权利要求4所述的一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法，其特征在于，所述的实验数据通过以下方式获得：

首先，关闭冷却风扇，将进入散热器的冷却水的温度范围设置为60℃-75℃；

接着，在每个进入散热器的冷却水的温度下调节水泵流速，记录当前温度下进入散热器的冷却水在不同水泵流速中流出散热器的冷却水的温度，重复实验，最终获得在该温度范围中所有温度下进入散热器的冷却水在不同水泵流速中流出散热器的冷却水的温度并作为第一实验数据；

最后，在每个进入散热器的冷却水的温度下，将冷却风扇PWM控制信号的占空比设定为0到0.9，再调节水泵流速，记录当前温度下进入散热器的冷却水在不同冷却风扇PWM控制信号的占空比以及不同水泵流速中流出散热器的冷却水的温度下流出散热器的冷却水的温度，重复实验，最终获得在该温度范围中所有温度下进入散热器的冷却水在不同冷却风扇PWM控制信号的占空比以及不同水泵流速下流出散热器的冷却水的温度并作为第二实验数据，由第一实验数据和第二实验数据构成最终的实验数据。