[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

本發明提供的一種基于復合PID控制器的燃料電池電堆主動控溫裝置，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；雙面監測裝置設置于任意相鄰兩片燃料電池單元之間，由多個監測單元組成，監測單元內分別均埋有線電阻、采樣電阻和加熱電阻；當預設溫度與溫度信號的偏差大于偏差閾值時，控制器根據傳統PID算法中預設的系數控制電源模塊中對應可調電阻的阻值；當偏差小于等于偏差閾值時，控制器采用模糊PID算法，根據偏差和偏差變化率在本發明提出的模糊控制規則表中查詢各系數，獲得輸出量以控制對應可調電阻的阻值，進而改變對應加熱電阻上的分壓，實現分區加熱，具有適應性好、控制精度高、升溫速度快等優點。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種基于復合PID控制器的燃料電池電堆主動控溫裝置。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)因具有低污染、低噪音、功率密度高和高能量轉換效率等特點而廣泛應用于汽車、無人機電源以及固定式發電系統中。但燃料電池電堆的壽命衰減及穩定性問題限制了燃料電池的大規模商業化應用，性能受到諸多因素的影響，如電堆溫度、濕度、流場形狀等，直接影響溫度和電流密度分布。燃料電池的溫度與質子交換膜和催化劑層離聚物中的水分含量有關，從而影響燃料電池性能。由此，通過分區檢測裝置檢測燃料電池內部分區電流密度、溫度對燃料電池的研究具有重大意義。

燃料電池電堆由多個單片燃料電池層疊而來。若單片燃料電池內的溫差過大，會導致質子交換膜的受熱不均勻，從而降低膜電極的壽命；若電堆內單片燃料電池間的溫差過大，電堆的工作溫度難以控制，會導致單片燃料電池之間的均一性下降，電堆的穩定性降低。因此需要對燃料電池電堆內部進行主動控溫以達到合適的溫度。現有提高燃料電池電堆內部溫度的方法有變阻加熱、氫氧反應加熱和氣體吹掃等，這些方法能對電堆整體進行加熱，但是不能有效的改善單片燃料電池的溫度不均一性，而且溫度同燃料電池其他參數(如氫空進氣壓力、氫空流量、濕度等)相比，具有大滯后、非線性和較慢的動態特性的問題，不能快速準確的改善溫度分布。因此，使用具有主動控溫功能的在線分區檢測裝置在提升燃料電池性能方面具有重大的意義。基于這樣的設計要求，在線分區檢測裝置在單面采集分區電流裝置的基礎上，增加用于檢測溫度的溫度采集電阻和用于加熱的熱電阻，并且采用雙面采集和雙面的加熱，這樣可以將該裝置放置在電堆中的任意位置，構成溫度控制系統。

燃料電池的溫度控制系統具有大慣性和大遲延的特點，在現有技術中，大多數溫度控制系統采用傳統PID控制算法或模糊PID控制算法對加熱時間進行調節，從而控制熱電阻產生的熱量。但通過調節通斷時間來控制溫度存在死區設置問題，會出現遲滯現象，比如當設定的溫度間隙是2℃，當溫度從60℃變為62℃才會讓導體把電壓切斷，這使得溫度調節是一個大滯后的控制系統，因為通電之后還需要一段時間才能升溫，甚至在剛通電時溫度還會下降，在高溫斷電后溫度也不會馬上下降，所以通過調節通斷時間來控制溫度的方法具有精度不高，溫度滯后大的缺點。此外，傳統PID控制算法的控制參數不能在線整定，溫度存在超調和遲滯的現象；模糊PID控制是一種基于語言規則的智能控制，不依賴于精確的被控對象模型，具有結構簡單、適應性好、魯棒性強等優點，近年來被應用于燃料電池溫度控制系統中，現有的模糊溫度控制還存在一些不足，比如當設定溫度與實際溫度之間的誤差e(k)＝Tref(k)-T(k)較大時，調節時間較長，且精確度較差。因此，設計一種具有快速、高精度主動控溫功能的燃料電池溫度控制系統及其控制方法，是十分具有研究和應用價值的。

本專利提供了一種采用雙面分區在線檢測裝置給燃料電池主動加熱的方法，將加熱電阻和一個可變電阻串聯接在電壓源上，控制器通過調節可變電阻的阻值來調節加熱電阻上的分壓，從而調節加熱電阻的功率。并采用PID和模糊PID相結合的控制算法根據實時溫度和預設溫度對可調電阻的阻值進行實時調節以達到所需的溫度值。所述的具有主動溫度控制功能的雙面在線分區檢測裝置不改變電堆的結構、能實現雙面監測、采集的性能參數多、能根據溫度需求實現快速，精確的主動溫度控制。

發明內容