[發明專利]一種基于復合PID控制器的燃料電池電堆主動控溫裝置

有效

• 申請號: 202110324934.0
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113078337B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 殷聰;唐棋霖;湯浩;李凱;魯衛霞;陳曉芳
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;G05D23/20;H01M8/04701;H01M8/04858
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

1.一種基于復合PID控制器的燃料電池電堆主動控溫裝置，其特征在于，包括雙面監測裝置、CPU、模數轉換模塊、電源模塊、控制器和上位機，雙面監測裝置的中間、與燃料電池電堆活性區域對應的區域為雙面監測區，雙面監測裝置上延伸出燃料電池電堆區域的一端設有溫度信號采集端口和電流信號采集端口，另一端設有溫度控制端口；所述雙面監測裝置設置于任意相鄰兩片燃料電池單元之間；

所述雙面監測區由多個陣列排布的監測單元組成，各監測單元包括自上而下依次設置的頂層敷銅鍍金分區、頂層溫度信號采集層、頂層加熱層、頂層電流信號采集層、內層敷銅分區、底層電流信號采集層、底層加熱層、底層溫度信號采集層和底層敷銅鍍金分區；相鄰監測單元的頂層敷銅鍍金分區相互電氣隔離，相鄰監測單元的底層敷銅鍍金分區相互電氣隔離；

所述頂層敷銅鍍金分區和底層敷銅鍍金分區均設有溫度采集點和金屬化過孔；

所述頂層溫度信號采集層和底層溫度信號采集層內均埋有線電阻和走線；頂層溫度信號采集層中的線電阻位于頂層敷銅鍍金分區中溫度采集點的下方，線電阻兩端第k次采樣周期的溫度電壓信號經頂層溫度信號采集層內的走線、溫度信號采集端口傳輸至模數轉換模塊；底層溫度信號采集層中的線電阻位于底層敷銅鍍金分區中溫度采集點的上方，線電阻兩端第k次采樣周期的溫度電壓信號經底層溫度信號采集層內的走線、溫度信號采集端口傳輸至模數轉換模塊；

所述頂層電流信號采集層和底層電流信號采集層內均埋有采樣電阻和走線；頂層電流信號采集層內的采樣電阻通過導線分別與頂層敷銅鍍金分區的金屬化過孔和內層敷銅分區連接，采樣電阻兩端第k次采樣周期的電流電壓信號經頂層電流信號采集層內的走線、電流信號采集端口傳輸至模數轉換模塊；底層電流信號采集層內的采樣電阻通過導線分別與底層敷銅鍍金分區的金屬化過孔和內層敷銅分區連接，采樣電阻兩端第k次采樣周期的電流電壓信號經底層電流信號采集層內的走線、電流信號采集端口傳輸至模數轉換模塊；

所述頂層加熱層和底層加熱層內均埋有加熱電阻和走線，所述電源模塊包括電壓源和個數為監測單元個數兩倍的可調電阻，電壓源經可調電阻、溫度控制端口、走線連接至對應監測單元的加熱電阻兩端；

所述控制器包括第一PID控制器、第二PID控制器和模糊控制器；

所述第k次采樣周期的溫度電壓信號和第k次采樣周期的電流電壓信號經模數轉換模塊處理為第k次采樣周期的溫度信號T(k)和第k次采樣周期的電流信號后，傳輸至CPU存儲，CPU將溫度信號和電流信號上傳至上位機進行顯示和分析；上位機發送第k次采樣周期的預設溫度T_set(k)的命令至CPU，CPU計算并存儲第k次采樣周期的預設溫度T_set(k)與溫度信號T(k)的偏差e(k)及偏差變化率ec(k)：

e(k)＝T_set(k)-T(k)

其中，e(k-1)為第k-1次采樣周期的偏差；T_s為采樣周期；

CPU將第k次采樣周期的偏差e(k)與偏差閾值e₀進行比較：

若e(k)＞e₀，則將存儲的偏差e(j),j＝1,2,...,k和偏差變化率ec(k)傳輸至控制器中的第一PID控制器進行控制處理，獲得第k次采樣周期的輸出量u(k)：

其中，k_p為預設的比例系數；k_i為預設的積分系數；k_d為預設的微分系數；

若e(k)≤e₀，則將存儲的偏差e(j),j＝1,2,...,k和偏差變化率ec(k)傳輸至控制器中的第二PID控制器，將偏差e(k)和偏差變化率ec(k)作為輸入變量傳輸至模糊控制器，模糊控制器根據偏差e(k)和偏差變化率ec(k)分別在k_p'、k_i'、k_d'的模糊控制規則表中查詢，獲得輸出量k_p'、k_i'和k_d'，經去模糊化處理后，控制第二PID控制器，進而獲得第k次采樣周期的輸出量u(k)'：

其中，k_p'為整定后比例系數；k_i'為整定后積分系數；k_d'為整定后微分系數；NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中和正大；

k_p'的模糊控制規則表

k_i'的模糊控制規則表

k_d'的模糊控制規則表

控制器輸出的輸出量u(k)或u(k)'控制電源模塊中對應可調電阻的阻值。