质子交换膜燃料电池的冷却水电路建模和温度的模糊控制.doc

质子交换膜燃料电池的冷却水电路建模和温度的模糊控制摘 要质子交换膜燃料电池（PEMFC）的安全和高效运营的必须要靠效的温度管理是，质子交换燃料电池（PEMFC）的。循环冷却水一般用于消除燃料电池的电功率超过5千瓦多余的热量。为了使得燃料电池保持工作在理想的温度范围，本文提出一种冷却水循环冷却系统的建模方法及模糊温度控制的方案。首先，一个冷却水循环系统数学模型的开发，其中包括燃料电池热模型，水库模型，水泵模型，旁通阀的模型，热换热器模型和燃料电池电化学模型。其次，按照既定的设计模型，控制经验规则而设计的增量模糊控制与集成技术。而燃料电池的温度和循环冷却水入口通过调节温度控制循环冷却水流量和旁通阀因子分别。最后，所建立的模型和模糊控制器进行了仿真和在Matlab软件分析，仿真结果表明，增量与积分模糊控制器能有效地将燃料电池冷却水入口温度控制在理想的工作范围。此外，建模和控制过程十分简洁，并且可以很容易地应用在燃料电池在不同功率等级的实时温度控制中。关键词：质子交换膜燃料电池；水冷；数学建模；温度控制；模糊控制；1、引言质子交换膜燃料电池（PEMFC）的是一种使用燃料电池的质子导电聚合物的膜作为电解质的质子，而不是气体。作为一种清洁能源转换技术，燃料电池的高功率密度，低操作温度，快速启动能力和寿命长的特点吸引了外界更多的关注。因为 燃料电池的性能和可靠性在很大程度上取决于其工作温度，从40到100不等。当燃料电池在产生电能的过程中，大量热能将随之产生。在一般情况下，温度过低将导致电化学反应反应速率减慢，降低燃料电池的性能。另一方面，温度上升可提高电解液中的质子膜的运动速度和电化学反应速度，从而提高了燃料电池的电压和功率。然而，温度过高会增加水蒸汽部分的压力，影响分子运动而阻碍反应的进行，降低了电极反应催化层的厚度，极大地影响燃料电池的性能，并且使脱水更加严重。此外，当温度超过100的安全温度时，氢原子和阴极交换质子的分子可能会被击穿，甚至引起爆炸事故。因此，有必要控制的燃料电池的运行温度在适当的范围内。数学模型是控制系统的基本设计，一些研究人员已经在燃料电池建模的方面取得了很大进展，提高了燃料电池的性能。 A型的建立了数学模型的内部文献机制，从一维不等非等温模型到三维非等温和非等压模型，但因为它的大容量和计算的速度慢，不能应用于实时控制设计。另一种类型的建模方法是数据驱动黑盒方法，这是基于输入与输出的大量实验数据，因此它嵌入的能力尤为突出，但它是在缺乏外来推理能力。气体加湿设备在设计和建造的温度和湿度控制反应物的燃料电池，以及低阶模型加湿系统模型的热动力学参数确定使用的实验数据。一常用的燃料电池系统开发模式是由堆栈电压模型，阴极流模型，阳极流模型，膜水化模型，周边空气压缩机模型，供应流形模型，静止空气冷却器模型，静态加湿器型号，返回流形模型，氢气流模型。该模型全面介绍了燃料电池系统的动态过程，包括流和惯性动力学压缩机，阳极和阴极流形充填动力学，反应物分压，和膜湿度，但燃料电池的温度视为常数参数，而不是一个变量，因此，燃料电池系统的热效应不采取考虑。关于燃料电池的控制问题，这也是许多报纸极为关注的问题。古典幅频 域控制系统的设计方法应用在燃料 细胞氧气过量比控制为基础的传递函数模型。在文比例积分（PI）反馈控制结构，提出了控制燃料电池的功率密度，温度，湿度和氧气摩尔分数的基础上一个简单的模型。一个非线性模型预测控制方法提供了数据驱动基础模糊温度模型。一个饲料期望与反馈扰动抑制比例积分微分控制方法是基于一种线性显示温度模型。一个降阶近似燃料电池模型，动态，以成电压，电流，材料帐空间的依赖流动和温度特性，和一个非线性模型预测控制器的设计，让使用最优控制，以满足电力需求强劲，以及同时减少燃料消耗，最大限度地效率，而这种权力的控制效果存在稳态误差。一个的超电容混合配置和在燃料电池应用在快速的瞬态电流，以避免燃料电池氧饥饿。和动态矩阵控制战略的目的是控制氧气过量比基于在混合线性状态空间模型。线性二次型调节措施适用于燃料电池的温度为了控制燃料电池压力和湿度，执行机构调整使用静态输出的反馈控制器的阳极燃料电池堆，并在收益表列控制器开发弥补水饱和蒸气阴极条件。在线性比例控制策略，用于控制平均功率固体密度和平均温度 基于从台阶试验的传递函数模型燃料电池的分布参数模型。一上线内部模式优化自适应非线性预测控制器应用于寻求一个燃料电池的峰值功率查明正交基-Wiener模型。一次充电持续监督权的基础上开发控制器 一个模型的预测反馈法，最大限度地减少了热身一个燃料电池混合动力系统的持续时间优化控制燃料电池动力之间的分裂系统和电池以及一个辅助操作加热器。以前的控制方法是可行的只有当燃料电池模型是不够准确和控制器进行假设一个发达完善的经营知识条件的燃料电池系统。植物不确定性，如在膜性能随时间变化或变化环境温度，可能会影响性能造成控制系统等，因此，更可靠的控制设计技术，应进行调查，以保证系统性能。此外，上述控制的最算法的目的是在燃料电池电力控制，而燃料电池温度的控制权是为补充对权力的控制，甚至不考虑冷却回路控制设计。因此，有必要建立一个准确的冷却剂和简单电路模型，并找到合适的控制方法动态温度控制。一般来说，可用于循环冷却水在去除多余的热量该燃料电池的电功率超过5千瓦。在为了有效地控制燃料电池的温度，冷却剂燃料电池是一种电路模型基于物理摩尔保护原则和能量平衡的理论。然而，广义控制器性能在很大程度上取决于一个准确的模型的有效性。随着因此，常规的控制策略的应用可能导致无法接受的闭环性能。该控制器必须是强健的不确定性在非保守必须满足的方式和目标，如闭环跟踪，管理和干扰衰减。相比与传统的控制策略，模糊控制是适当的使用在温度控制应用，因为它是更快，更便宜和更容易实现发展。2质子交换膜燃料电池水冷模型2.1 质子膜燃料电池热模型根据能量守恒定律，燃料电池的能量来源于电化学反应Qtot，输入气体能流率Qin，输出气体能流率Qout，负载消耗功率Pst，冷却系统冷却热能Qcl，以及在堆栈表面散发出去的人能Qamb，这些变量共同决定燃料电池温度Tst的变化。这里，Mst是燃料电池堆栈质量，Cp,st是燃料电池具体的热能，在燃料电池氢氧电化学反应中，氢的反应摩尔流量NH2，氧气的反应摩尔流量NO2，由函数变量n，燃料电池电流Ist，和法拉第常数F表示为：燃料电池电化学反应的总能量是由参与反应的氢元素，H，以及参与反应的氧气的反应摩尔流量共同决定的，关系方程为：为了简化分析，输入气体根据消耗的气体按比例化简。因此阳极流入的氢摩尔流量Nan,H2设为h2倍的反应氢摩尔流量。同理，阴极气体输入流量Nan,H2，设为O2倍的反应氧摩尔流量Nca,O2/21%。同时，将输入气体加湿至饱和，阳极输入气体摩尔流量Nan,H2O和阴极输入气体流量Nca,H2O用下式表示：这里，Tan/Tca是阳极/阴极输入气体温度比，Psat是饱和气体压强。所以，输入气体能留率Qin计算方法如下：根据摩尔定律，输出气体摩尔流率应该表示为：假设反应室内部气体是饱和的，因此，阳极/阴极气体输出因表示为：假设通常情况下水呈液态，因此输出气体能流率Qout为：尽管水冷系统能带着热量，出口冷却剂温度就是堆栈温度，被水冷系统带走的热量用下式表示：式中，Wcl是冷却通量（1/s），T1是冷却剂出口温度。堆栈表面的热消散率由环境温度差异和热阻尼推断出来：式中，Tamb是环境温度，Rt是燃料电池热阻尼。此外，为了分析电池发电能力，燃料电池电化学反应模型已经在附录上。2.2 冷却剂储藏模型水库作为冷却剂的储存量为冷却液，并允许疏散空气冷却液中的任何电路。由于水库和它包含的冷却剂代表一个大的热惯性，制定一个随时间变化对温度的变化有被发现。该在水库冷却水温度表示如下式中，T2是冷却水储藏器温度，Mrv是储藏器质量，Cp,rv是储藏器的比热，krv是自然对流换热系数的水库。假设自然对流换热系数包括水库内的自然对流，在热交换器和冷却剂回路管道。2.3 冷却水泵模型热能监控电路中的冷却剂泵的作用是在提供所需的磁通冷却液流量。将泵的转速通过施加电压调整到泵马达。较高冷却液的流量，更多的搬迁热能。该泵的动态模型是根据电机电枢电压Vcl（0-48V），电机电枢电流icl和电机角速度wcl为基础建立的。变量之间的等量关系如下：式中，Lcl是电机电枢电感，Rcl是电机电枢电阻，kt,cl是电机恒转矩，Jcl是转动惯量，Mmot是电机转矩，Mfric是摩擦力矩，kf,cl是摩擦系数。惯性和摩擦系数不仅包括机械惯性和摩擦，而且还包括冷却液的惯性，冷却液与管壁之间的摩擦。一般来说，电气和机械时间常数时间常数为冷却剂泵的显着缩小比占主导地位的冷却剂的热时间常数电路。因此，冷却液的泵动态模型可以化简为到稳定状态的传递函数。在公式20和公式21中，确定了所有时间导数的值为0，解决了计算电机角速度的值的问题：所以冷却水流量Wcl（1/s）由下式给出：式中km,cl是速度流量系数。2.4 旁通阀模型冷却液入口温度可控制在实时通过调节阀门开宽度。开幕宽度的旁路阀被假定为线性与一个因子k来简化建模分析。因此冷却剂出口温度T1能表示为冷却储藏器温度T2的函数，液体对液体热加换出口温度T3和k。2.5 热交换模型该液体-液体式换热器是用来清除多余的热量从燃料电池。在燃料电池中加热冷却剂热量传递给冷却水，因为它传递的热量通过换热器。为了获得在冷却液温度换热器出口处，与热管传热换热器需要作为一个函数来描述的寒意水和冷却液通量。计数器的流动效率E式换热器，可以计算如下。式中，NTU是热交换器的热转移单位数量，CR是容量比，它们可用下式表示：式中，Cmin是最小热容量比，Cmax是最大热容比，Wcl是冷却水流量，Cp,cl是冷却剂的热量，Wcw是冷却水流量，Cp,cw是冷却水的热量。当Ccp,clWclCp,cwWcw,能用用线性逼近近似表示出来：式中，kx是给定热交换器的热交换率通量系数，0是与于热交换类型无关的常数，当CR趋近于0的时候，能用下列式子表示：冷却水流量Wcw比冷却剂流量Wcl更快，因此，热交换效率可以用线性函数表征。热交换器出口温度T3可以用关于冷却水温度Tcw和冷却剂入口温度T2的函数表示：式中，是根据冷却水流量线性拟合的热交换效率。到此，质子交换膜燃料电池的冷却剂循环模型已经建立完毕，下面主要介绍模糊控制器的温度增量与积分。3模糊控制器的温度增量与积分模糊控制技术已广泛应用于工业进程，特别是在情况下，在传统的控制设计技术难度很大。它的主要优点模糊逻辑控制器，它可以被应用到植物这是很难获得的数学模型，以及控制器可以被设计为适用于反映启发式规则人类专家的经验。在一般情况下，燃料电池的温度受多种条件，如进气流量，温度，压力，环境条件，电力负荷等。输入气体流量将受到影响的电力负荷的变化，随着产生的热量和电力的变化。为了抵抗干扰和保持温度在理想范围，增量模糊控制器积分是按照既定的设计模型，经验法则的控制，其结构如图所示。对于二维（2D）模糊控制器的输入，采样温度误差及其变化率的模糊发送控制器，然后增量模糊输出的计算通过模糊化处理，模糊推理和去模糊化，同时控制器的输出为达到通过增加积分增量和并行以前的控制音量输出值。同样，只有采样的温度误差为1维必要（一维）模糊控制器的输入。增量设计一个模拟的行为专业运营商，去补上的任何偏差系统的响应，从理想状态。该控制器可以克服突然干扰根据错误的输入和错误的推导，同时积分器可以消除温度稳态误差，其详细引进提出下一步。3.1 控制器传递函数控制器的输入输出第一个输入变量考虑的是错误，如定义参考温度之间的差异和实际测得的温度值。随着比例因子，物理宇宙区域温度误差e（k）是转移到宇宙模糊新兴市场地区的错误（金）。对于二维模糊控制器，第二个输入变量认为是错误的衍生物，已取代直接由错误的变化连续两次的样品，以尽量减少目标对量化误差的影响。随着比例系数KEC的，物理宇宙区域温度误差推导德（k）是转化为错误的推导民主主义（金）模糊的宇宙区域。的模糊增量输出控制器，推导出模糊的经验在两个输入变量的值的规则，错误及其衍生物。其中FL是模糊推理功能，FL是简化。区与比例因子，模糊宇宙区域增量输出道姆（k）是转移到物理宇宙区域。通过应用Z变换， 第二部分是模糊增量输入，1/（11）等价总结。 控制体积的变化不会停止，直到图1 模糊控制器框图e是错误等于零，则没有稳态误差存在。3.2模糊化和逆模糊化模糊化和模糊化转换的模糊化的输入的数值为模糊语言变量设置变量，与模糊性在一个模糊集的特点是其隶属函数。这分类中的集合的元素，并且可以由函数组成或图形表示。论域中的模糊子集模糊控制器的输入的em（k），和输出um（k），通过比例因子和量化因子的转换，被分配在区间-6,6内。他们描述了7模糊子集，A1负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（O），正小（PS）的，正中（PN），正大（PB）,i=em,em,三角um。 令NB的隶属度为Z型函数：令PB的隶属度为S型函数：令其他子集的隶属度为高斯型函数：“形“的隶属函数是一个重要的准则，必须考虑。em,em，um的隶属度如图2所示。低分辨率的模糊集套适用于大的误差范围，而高解析度模糊集用于在小误差范围，从而其分布是不均匀的，以提高控制分辨率。结果产生的模糊不能因此对所用应用，为了提高控制精度，必须使得它们的分布是不均匀的。一个模糊值不能直接用来控制被控对象，我们需要将其转换成精确量，这一过程叫做逆模糊化，我们通过下面的式子来实现：因此，去模糊化转换推断行动形成一个连续信号的增量更改为相应的控制器参数。图2 模糊论域3.3 模糊推理规则规则库的大小是直接推断的数量模糊集定义为输入变量，涵盖了所有可能的组合，产生if then模糊规则，与或逻辑推理的规则。模糊推理规则被定义上的专家经验的基础上在燃料电池温度控制协议，具有以下设计标准：控制面必须均匀，没有突然跳跃或间断，以保证系统稳定性，所有的输入变量的可能组合必须遮盖，考虑到他们的所有模糊集合都是真实集合的映射，规则库必须是对称的，一旦已经确定，系统的行为是相似的或正或负变化中的系统响应。为了限制过度和噪声的影响在输入信号，它必须是一个保守的设计实施控制系统。相对于绝对误差，优先处理衍生误差。对一维和二维的规则库增量模糊逻辑控制器载于表一和2，它们的相对控制面如图所示。 4。正如图所示，控制面高度非线性，控制决议的范围是低大错误，而在小范围的高误差。下面的步骤总结了增量行动与积分模糊逻辑控制器。（1）规定的最低和最高值温度误差e（k）中的温度误差变化e(k)，和增量控制信号u（k）。（2）用适当的采样间隔比例因子，寻找温度误差的量化值和当前转变温度误差。（3）决定相应的模糊集及其隶属函数的函数值的变量。（4）通过模糊控制规则确定增量模糊输出。（5）找到所需要的um的值，通过质心去模糊化的方法，输出控制量u和比例因子。（6）将增量模糊输出u（k）时，并行积分增量u（k）和之前的控制量输出值u（k-1）求和得到控制器输出u（k）。总之，增量与积分模糊控制器具有抗干扰，稳定的误差消除能力强的特点。4.仿真和结果的比较从以上的部分，冷却水循环系统的数学模型的开发，其中包括燃料电池热模型，油藏模型的冷却剂，冷却剂泵型号，旁路阀门型号，换热器模型和燃料电池电化学模型，温度增量模糊控制与集成策略说明。因此，建模，控制仿真，结果比较与传统的方法说明了这一节。4.1 仿真准备冷却液的电路建模和温度的模糊控制在Matlab的燃料电池是r2009b软件模拟。建模与控制结构如图所示。图中所示，在电池温度TST和入口冷却液温度T1是两个增量控制与积分模糊控制器。为了维持燃料电池在理想的工作温度，低温冷却剂应用于带走多余的热量的燃料电池，因此二维增量与积分模糊控制器实施循环冷却水流量调节世界劳联。同时，为了提高燃料寿命细胞，最好保持一个相对较小的温差冷却液之间的进口和燃料电池。因此，进口冷却液温度设置7 K表劣于燃料电池的温度，方便，快捷和一维增量模糊控制器与集成设计通过调节旁通阀k的因素。对于给定的燃料电池，温度受到诸如氢气入口流量等许多操作条件的影响，还与流速和进风口的温度，阳极压力，阴极压力，环境温度，冷却水进口温度和流量等有关。为了简化燃料电池的非线性建模与控制，电流决定由不可控负荷，气体入口流速根据不断变化的电流。因此，在仿真中，以当前燃料电池测试为输入，这是由多个负载输入电流的步骤。如图3。相应的下面演示了模拟条件。氢气输入流量LH2=1.5，空气流量输入因子=2，阳极/阴极输入温度TA/TN=323K,阳极压力Pan=2.9atm，阴极压力Pca=3atm。在一般情况下，燃料电池的正常工作温度之间的313K-373 K范围内，理想的操作温度为343 K，所以在电池温度论域是设为30，30K，量化因子ke=0.2将经典集合转换成为区间为-6,6的模糊论域，当前步骤进行实验模拟，最大温度误差作为变化率达到0.172 K / s的，所以令温度变化率论域为-0.172，0.172 K / s，因此比例因子kec设为34.9。将经典集合转换为模糊集合-6,6；冷却液泵的控制电压在0-48V之间变动，因此，令比例因子ku=0.48，令积分系数Ki=0.24。冷却剂的入口温度设为比燃料电池温度低7 K，冷却水入口温度的温度设定值是336 K，所以冷却剂入口温度的物理论域为-6,6K，从而可设置比例系数为1，因为物理论域等于模糊论域；旁通阀系数K的范围在0-1之间，所以区设置比例因子为0.01，和积分系数Ki是设定为0.005。到此，模糊控制器的量化因子跟比例因子根据物理集合到模糊集合的映射规则整定完毕。图3 2D和1D模糊控制图42 物理模拟和模糊控制仿真根据多个负载电流阶跃输入，冷却水循环系统建模和模糊控制温度增量积分的燃料电池是在Simulink仿真实验环境，因此响应各种控制和输出量的动态特性绘于图。通过增量的二维模糊与积分控制器，燃料电池的温度在343K时通过调节温度控制目标冷却剂泵的电压。的动态特性冷却水流量和冷却泵电压表现在图 6该燃料电池，动态温度响应进口冷却液，冷却液水库和换热器出口见图8同时，通过一维增量模糊控制器与集成商，入口冷却剂温度控制在336K。物体的温度K可以通过调节旁通阀调节因子来控制。的动态特性旁通阀因子值列于图7。该总的电化学反应动力学响应功率，燃料电池的电力和冷却剂的制冷效果见图9。下一步采取的电流增过程和电流下降过程实例来简化分析。图4 建模和控制结构图在第1000秒，从负载电流80A突变至130A，以及燃料电池电力跳跃，从而大量的多余的热量会产生，使燃料电池温度迅速上升。通过二维增量与积分模糊控制器，电压为冷却剂泵增加，添加冷却液需要关闭的多余的热量。经过约900秒，在电池温度逐渐趋于稳定在343 K，并且，最大误差不超过1.3K。同时随着温度的升高的燃料电池，冷却剂的温度也提高，所以低温度冷却液流量应补充和增加旁路阀门的因子。通过一维增量模糊控制器积分器，旁通阀的因素正在迅速增加根据温度误差。经过约400秒，进冷却液温度在336 K，并且，接近最大误差不超过0.6K。因此，当最高温度之间的燃料电池和进口冷却液误差不超过7.8 K时，是可以接受的燃料电池寿命的范围。在第2000秒，负载电流从130A突变至100 A及燃料电池的电力下降，从而产生的热量将减少，使燃料电池气温迅速下降。通过二维模糊增量与积分控制器，冷却泵电压减少，冷却液流量也减少。经过约700秒，燃料电池的温度逐渐上升至343 K，并且，最大误差不超过0.8K。同时，随着燃料电池温度的下降，冷却液储液罐温度也下降，因此较低的温度冷却液流量应扣除，减少旁通阀因子。通过增量的快速一维模糊控制器积分器，旁通阀系数迅速下降根据温度误差。经过约300秒，使进