《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》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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（PEMF） C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（PEMF）C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
2、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。此夕卜，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）令；数学建模；温度控制；模糊控制；1、引言质子交换膜燃料电池（PEMF） C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
3、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100c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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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。out，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。他知警=QW + Qinr八 Qout Pst Qd 一 Qamb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
10、的反应摩尔流量N02，由函数变量n,燃料电池电流1st，和法拉第常数F表示为：N志忍=也/(2F)N噩孑=5)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：Q讽-AH x篮首为了简化分析，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设为入h2倍的反应氢摩尔流量。同理，阴极气体输入流量Nan,H2，设为入02倍的反应氧摩尔流量Nca,O2/21%。inrent一 U?d皑辿二心聚穿/21%同时，将输入气体加湿至饱和，阳极输入气体摩尔流量Nan,H20和阴极输入气体流量Nca,H20用下式表示：输入气(W
11、)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,体能留率。in计算方法如下:Qin =Hi + N B(TS %)+ (N 嚣盈 + AS,H； ocpH；o)(4： To)根据摩尔定律，输出气体摩尔流率应该表示为:fxTit!act?tie用一七5 皿鸟=略6!r d 皂dca 02顷，m =0.79N in q 提 ScaAir(12)(13)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:AanH3O = N监也0”匕，XTeut K?inP t(Tjst)xyreacted“血。-叫申 o_P -P (T pA 假设通常情况下水呈液态，因此
12、输出气体能流率(14)(15)Qout 为:+ N矗潺。+ N畿申言斥J(0 - To)(16)Qoul (N H hs此+N器hc社。+N爵禺6 +觇冰问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：(切Qci-川一T】)x 1000/18(IS)式中，下用是冷却通量(1/s), 口是冷却剂出口温度。堆栈表面的热消散率由环境 温度差异和热阻尼推断出来：Qamb =( At - TambLRL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
13、，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=Wd 阳T)x 1000/18 舄(丁 2 Tamb) (19)式中，丁2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 ( 0-48
14、V )，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：(20)Vd = 1贮厂中十iclRcl +(21)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)令 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
15、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:wC1 =lALdVcl如二kfa + kfxiRd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口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。比-kW言且比庄+ （1-町曲弼口(24)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。r 1 _e NTU -1 Cr(25)l-CRe tAuu-cR) NTU Cr 1,14 NTU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:Cp.cwW cw厂min(26)厂 _ Lrrun 及.7-max 5 且 Wm 5 g max式中，Cmin是最小热容量比，Cmax是最大热容比，Wcl是冷却水流量
