CN110649281B - 一种ht-pem甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法 - Google Patents

一种ht-pem甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种HT‑PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法，控制***包括：冷却液循环泵、冷却液循环管路、电堆散热风机、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和控制器，冷却液循环管路设置在燃料电池电堆与电堆散热风机之间，冷却液循环泵设置在冷却液循环管路中，控制器根据冷却液循环泵工作压力设定值Fs、冷却液压力反馈Fc、燃料电池电堆入口温度Tf1和燃料电池电堆出口温度Tf2，来控制冷却液循环泵转速Sc，控制器根据冷却液温度上限值Tu和反馈值Tc来控制电堆散热风机转速Sf，这种冷却液循环泵控制***及方法，使冷却液循环泵能始终满足电堆稳定工作。

Description

一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法。
背景技术
在基于HT-PEM的甲醇水燃料电池中，热平衡控制是保证化学反应正常进行，燃料电池稳定工作的前提条件。而在众多的热平衡手段中，采用液冷方式进行热量均衡无疑是最有效的手段之一。而在基于HT-PEM的甲醇水燃料电池中，常用的冷却液为三乙二醇，其冷却效果由耐高温的三乙二醇循环泵来控制；实验数据表明，若该循环泵控制方法合适，可以显著加快燃料电池的冷机启动时间和电堆输出的稳定性。因此，我们需要针对该循环泵设计一高效的控制方法。
现有HT-PEM甲醇水燃料电池所用的冷却液循***控制核心为冷却液循环泵的转速控制，反馈信号为冷却液的压力和电堆冷却液入口和出口的温度值，属于单输入多输出***。考虑到冷却液的压力反馈在泵转速不变的情况下会随冷却液的温度升高而下降，且电堆的冷却液出口温度与入口温度之差应始终维持在一定范围以内，因此，需设计一种严密的控制流程和方法来保证冷却液循环***能始终满足电堆稳定工作的条件。
发明内容
本发明提供一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***及控制方法，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***，包括：冷却液循环泵、冷却液循环管路、电堆散热风机、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和控制器；
电堆散热风机与燃料电池电堆之间连接有冷却液循环管路，冷却液循环泵设置在冷却液循环管路中，第一温度传感器用于检测冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1，第二温度传感器用于检测冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，第三温度传感器用于检测冷却液在循环管路中电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc，压力传感器用于检测冷却液循环管路中冷却液的压力反馈值Fc，控制器用于根据冷却液循环泵的工作压力设定值Fs、冷却液的压力反馈值Fc、冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1和冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，来控制冷却液循环泵的转速Sc，控制器还用于根据冷却液温度的上限值Tu和冷却液经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc来控制电堆散热风机的转速Sf。
一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，包括以下步骤：
S1、冷却液循环泵的转速控制
S11、通过压力传感器检测冷却液循环管路中冷却液的压力反馈值Fc，通过第一温度传感器检测冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1，通过第二温度传感器检测冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2；
S12、控制器将冷却液循环泵工作压力设定值Fs和冷却液的压力反馈值Fc进行比对，获得压力偏差值，压力偏差值通过第一控制校正算法形成冷却液循环泵的第一控制指令值Uo，根据冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1以及冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，获得冷却液在燃料电池电堆的入口和出口之间的温度差值Tf1-Tf2，冷却液循环泵的第一控制指令值Uo与温度差值Tf1-Tf2二者的偏差通过第一控制校正算法形成控制指令值Vo，控制指令值Vo乘以转换系数Km，Km为12.8，获得冷却液循环泵转速Sc的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)的控制值Psc，控制器根据冷却液循环泵转速Sc的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)的控制值Psc来控制冷却液循环泵的转速Sc；
S2、散热风机的转速控制
S21、控制器将冷却液的温度上限值Tu和冷却液经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc进行比对，Tc＜Tu，获得温度偏差值，温度偏差值通过第二控制校正算法形成控制指令So，控制指令So乘以转换系数Kt，Kt为26，获得电堆散热风机转速Sf的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)的控制值Psf，控制器根据电堆散热风机转速Sf的脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)的控制值Psf来控制电堆散热风机的转速Sf。
所述第一控制校正算法为Tustin PID控制算法。
所述第二控制校正算法为分区间的比例控制算法，具体为：
当(Tu-Tc)>50，则So＝0；
当50≥(Tu-Tc)>30，则So＝0.11*(Tu-Tc)+0.76；
当30≥(Tu-Tc)>10，则So＝0.09*(Tu-Tc)+0.5；
当(Tu-Tc)≤10，则So＝3。
所述冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1与冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2均为167～169℃。
所述冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1与冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2之间的温度差≤3℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过冷却液循环泵的工作压力设定值Fs、冷却液的压力反馈值Fc、冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1和冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，来控制冷却液循环泵的转速Sc，根据冷却液温度的上限值Tu和冷却液经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc来控制电堆散热风机的转速Sf，通过控制冷却液循环泵的转速Sc以及电堆散热风机的转速Sf来控制冷却液循环***的冷却效果，采用该方法后不仅可以有效改善电堆输出功率的稳定性，还可提升燃料电池各个反应室之间的热交换效率，显著缩短燃料电池冷机启动时间。
附图说明
图1为本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的结构示意图。
图2为本发明提供的一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法的控制原理框图。
图3为使用本发明提供的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***和控制方法前的电堆温度曲线图。
图4为使用本发明提供的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***和控制方法后的电堆温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图1-4，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，HT-PEM燃料电池电堆冷却液循环***由冷却液循环泵、冷却液循环管路、电堆散热风机、压力传感器、温度传感器组成。HT-PEM燃料电池电堆工作过程需要满足两个重要条件：
1、电堆入口温度Tf1与电堆出口温度Tf2必须保持在3℃温差范围内，温差过大损害电堆性能。
2、电堆在满功率工作时，Tf1和Tf2需要维持在168℃范围左右。
为满足以上两个条件，采用冷却液循环***进行控制。
本发明提供的冷却液循环***控制方法，包括冷却液循环泵的控制和冷却液温度控制。应用于HT-PEM甲醇水燃料电池各反应室之间的热平衡控制。具体实施方法包括以下步骤
该HT-PEM燃料电池冷却液循环泵控制方法的核心要素包括：冷却液循环泵转速Sc、电堆散热风机转速Sf、冷却液压力反馈Fc、冷却液温度Tc、燃料电池电堆入口温度Tf1，燃料电池电堆出口温度Tf2。其中，控制输入为冷却液循环泵转速Sc，控制输出为冷却液压力反馈Fc，冷却液温度Tc和(Tf1-Tf2)，控制目的为调整冷却液循环泵转速Sc和电堆散热风机转速Sf，使得冷却液压力反馈Fc始终维持一恒值，冷却液温度Tc始终小于温度上限值，(Tf1-Tf2)始终保持在很小的误差区间内。
所述HT-PEM燃料电池冷却循环***的物理特性为：随着冷却液的温度升高，同样的冷却液循环泵转速Sc，压力反馈Fc会逐渐下降，而要保持冷却***正常运行，Fc需全程保持不变；(Tf1-Tf2)随着Sc的大小而改变，Sc越大，(Tf1-Tf2)越小，Sc越小，则(Tf1-Tf2)越大。当(Tf1-Tf2)误差在2～3℃内时，冷却循环***工作效果最好。
如图2所示，将冷却泵的压力闭环控制作为内环，将电堆温度出口的差值闭环控制作为外环，通过Tustin PID控制算法，生成冷却液循环泵的控制指令，并引入对冷却液自身的温度控制闭环。所述HT-PEM燃料电池冷却液循环***的控制方法分为冷却液循环泵闭环控制和冷却液温度闭环控制，两个控制***相互独立，并行工作。
所述的冷却液循环泵闭环控制结构为SISO的双闭环控制，控制内环指令为设定的冷却液循环泵工作压力设定值Fs，冷却液压力反馈Fc为反馈值，二者偏差通过控制校正算法形成的控制指令Uo作为控制外环的指令，(Tf1-Tf2)为控制外环的反馈值，二者偏差通过控制校正算法形成的控制指令Vo乘以转换系数Km，则得到Sc的PWM控制值Psc。
所述的冷却液温度闭环控制结构为SISO闭环控制，控制指令为冷却液温度上限值Tu，反馈值为Tc，二者形成的偏差通过控制校正算法形成的控制指令So乘以转换系数Kt，则得到Sf的PWM控制值Psf。***的控制目标为在工作过程中始终满足Tc<Tu。
优选的，冷却液循环泵闭环控制***的内外环控制校正算法采用Tustin PID控制方法。
优选的，冷却液温度闭环控制算法采用分区间的比例控制算法，具体描述为：
当(Tu-Tc)>50，则So＝0；
当50≥(Tu-Tc)>30，则So＝0.11*(Tu-Tc)+0.76；
当30≥(Tu-Tc)>10，则So＝0.09*(Tu-Tc)+0.5；
当(Tu-Tc)≤10，则So＝3。
如图3所示，为未使用本发明的控制***和控制方法的电堆温度的曲线图，图4为使用本发明的控制***和控制方法的电堆温度的曲线图，对比图3和图4可见，使用本发明的控制***和控制方法后，燃料电池电堆的入口温度Tf1和燃料电池电堆的出口温度Tf2波动较小，同时入口温度Tf1和出口温度Tf2的温度差在设定范围内，且比较恒定，波动较小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***，其特征在于，包括：冷却液循环泵、冷却液循环管路、电堆散热风机、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和控制器；
电堆散热风机与燃料电池电堆之间连接有冷却液循环管路，冷却液循环泵设置在冷却液循环管路中，第一温度传感器用于检测冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1，第二温度传感器用于检测冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，第三温度传感器用于检测冷却液在循环管路中经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc，压力传感器用于检测冷却液循环管路中冷却液的压力反馈值Fc，控制器用于根据冷却液循环泵的工作压力设定值Fs、冷却液的压力反馈值Fc、冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1，以及冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2来控制冷却液循环泵的转速Sc，控制器还用于根据冷却液温度的上限值Tu和冷却液经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc来控制电堆散热风机的转速Sf；
冷却液循环泵闭环控制结构为SISO的双闭环控制，控制内环指令为设定的冷却液循环泵工作压力设定值Fs，冷却液压力反馈Fc为反馈值，二者偏差通过控制校正算法形成的控制指令Uo作为控制外环的指令，(Tf1-Tf2)为控制外环的反馈值，二者偏差通过控制校正算法形成的控制指令Vo乘以转换系数Km，则得到Sc的PWM控制值Psc；
冷却液温度闭环控制结构为SISO闭环控制，控制指令为冷却液温度上限值Tu，反馈值为Tc，二者形成的偏差通过控制校正算法形成的控制指令So乘以转换系数Kt，则得到Sf的PWM控制值Psf；***的控制目标为在工作过程中始终满足Tc<Tu。
2.如权利要求1所述的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、冷却液循环泵的转速控制
S11、通过压力传感器检测冷却液循环管路中冷却液的压力反馈值Fc，通过第一温度传感器检测冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1，通过第二温度传感器检测冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2；
S12、控制器将冷却液循环泵工作压力设定值Fs和冷却液的压力反馈值Fc进行比对，获得压力偏差值，压力偏差值通过第一控制校正算法形成冷却液循环泵的第一控制指令值Uo，根据冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1以及冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2，获得冷却液在燃料电池电堆的入口和出口之间的温度差值Tf1-Tf2，冷却液循环泵的第一控制指令值Uo与温度差值Tf1-Tf2二者的偏差通过第一控制校正算法形成控制指令值Vo，控制指令值Vo乘以转换系数Km，Km为12.8，获得冷却液循环泵转速Sc的PWM的控制值Psc，控制器根据冷却液循环泵转速Sc的PWM的控制值Psc来控制冷却液循环泵的转速Sc；
S2、散热风机的转速控制
S21、控制器将冷却液的温度上限值Tu和冷却液经过电堆散热风机热交换后的温度反馈值Tc进行比对，Tc＜Tu，获得温度偏差值，温度偏差值通过第二控制校正算法形成控制指令So，控制指令So乘以转换系数Kt，Kt为26，获得电堆散热风机转速Sf的PWM的控制值Psf，控制器根据电堆散热风机转速Sf的PWM的控制值Psf来控制电堆散热风机的转速Sf。
3.如权利要求2所述的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，其特征在于，所述第一控制校正算法为Tustin PID控制算法。
4.如权利要求2所述的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，其特征在于，所述第二控制校正算法为分区间的比例控制算法，具体为：
当(Tu-Tc)>50，则So＝0；
当50≥(Tu-Tc)>30，则So＝0.11*(Tu-Tc)+0.76；
当30≥(Tu-Tc)>10，则So＝0.09*(Tu-Tc)+0.5；
当(Tu-Tc)≤10，则So＝3。
5.如权利要求2所述的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，其特征在于，所述冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1与冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2均为167～169℃。
6.如权利要求2所述的HT-PEM甲醇水燃料电池冷却液循环控制***的控制方法，其特征在于，所述冷却液在燃料电池电堆入口的温度Tf1与冷却液在燃料电池电堆出口的温度Tf2之间的温度差≤3℃。
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