[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

说明书

本发明公开了一种基于模型的质子交换膜燃料电池温度解耦控制方法。包括：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；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；从而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。本发明解决了燃料电池冷却水进出口温度的耦合难以同时控制问题，并通过相应的控制方法完成了电堆进出口水温实时的温度控制，对改善燃料电池热分布以及提高热管理有效性有着重要作用。

技术领域

本发明属于燃料电池应用领域一种电池系统的控制方法，尤其涉及了一种 基于模型的质子交换膜燃料电池系统温度解耦控制方法。

背景技术

受限于当前的技术水平，燃料电池目前各方面性能仍然有很大的提升空间， 而电堆温度是直接影响其效率和耐久性的重要因素。一方面过低的温度会直接 影响催化剂的活性从而降低电堆输出性能；另一方面，温度过高会引起电堆内 部膜含水量下降，导致电压下降。现有的温度管理方法大多是单目标控制，即 控制目标是保持某一电堆温度，但忽略了不同操作条件可能引起电堆内部温度 分布的差异，而良好的电堆温度分布则会提高燃料电池系统的净输出功率并极 大地提升系统的耐久性。目前燃料电池温度控制方法包括PID控制、模糊逻辑 控制、模型预测控制等，这些手段往往将电堆温度视为一个变量对其进行集总 参数建模与控制，旨在优化燃料电池工作温度，并没有考虑燃料电池冷却水进出口温度会对燃料电池内部温度分布产生影响，也没有很好地分析不同执行器 以及燃料电池进出口温度之间的相互耦合关系，在实际应用中尚有一定的局限 性。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明提出了一种基于模型的质子交换 膜燃料电池温度解耦控制方法。首先建立燃料电池冷却水进出口温度的动态机 理模型。进一步建立进出口温度的状态空间模型，其中对于难以通过机理精确 建模的散热器热传导、对流散热模块，通过实验数据来辨识其非线性数学模型。 并基于状态空间模型建立非线性解耦控制器，实现了对燃料电池进出口温度的 解耦控制。本发明可以精确地调节冷却水出入口温度，保证电堆温度分布的一 致性，对提高电堆效率和寿命有着极其重要的作用。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

本发明包括以下步骤：

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。

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。

所述S2具体为：