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![一種余熱回收模式的燃料電池?zé)峁芾砜刂品椒? /><br/><p>本發(fā)明涉及燃料電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，具體是一種余熱回收模式的燃料電池?zé)峁芾砜刂品椒ā?/p><p><br/><b>背景技術(shù)：</b><br/></p><p>1、在質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)過程中，往往伴隨著大量的熱量產(chǎn)生?，F(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池汽車技術(shù)中，燃料電池溫度的高低直接影響其性能，溫度過高會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水，出現(xiàn)不可逆的性能損失，溫度過低則會影響其效率，因此，燃料電池的熱管理至關(guān)重要。然而質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)效率在40％到60％之間，造成大量的熱能產(chǎn)生?，F(xiàn)階段，如何利用燃料電池的余熱具有很大的研究意義，在低溫的環(huán)境溫度下，通常利用燃料電池的余熱進(jìn)行車輛客艙的升溫，提高其經(jīng)濟(jì)效益性。在燃料電池?zé)峁芾淼目刂七^程中，由于余熱回收存在一定的擾動，增加了燃料電池的控制難度。</p><p>2、現(xiàn)有的技術(shù)中，jiang(jiang?h,xu?l,li?j?q,et?al.design?and?control?ofthermal?management?system?for?the?fuel?cell?vehicle?in?low-temperatureenvironment[c]//wcx?sae?world?congress?experience.2020.doi:10.4271/2020-01-0851.)等人提出在低溫環(huán)境下，燃料電池的余熱給乘員艙供熱的熱管理耦合系統(tǒng)的設(shè)計，使用滑膜控制將熱交換器交換的熱量控制在一個穩(wěn)定值，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)和乘員艙的獨立熱管理控制。</p><p>3、在燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，存在熱交換器的擾動。jiang等人設(shè)計的控制熱交換器的熱量，可能會過多的熱量損失燃料電池的性能，過低的熱量并不能實現(xiàn)能耗的最優(yōu)化，需要改進(jìn)。</p><br/><p><b>技術(shù)實現(xiàn)思路</b></p><p>1、本發(fā)明的目的在于提供一種余熱回收模式的燃料電池?zé)峁芾砜刂品椒?，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。</p><p>2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：</p><p>3、一種余熱回收模式的燃料電池?zé)峁芾砜刂品椒?，包括以下步驟：</p><p>4、步驟1，基于燃料電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)，利用燃料電池余熱通過熱交換器將熱量傳遞到乘員艙熱管理回路，且利用熱泵作為熱源給乘員艙供熱作為燃料電池?zé)峁芾砜刂颇Ｐ停?/p><p>5、步驟2，基于燃料電池?zé)峁芾砟Ｐ团袛嗳剂想姵責(zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)處于散熱模式還是加熱模式；</p><p>6、步驟3，在散熱模式下，設(shè)計出優(yōu)化前饋的map控制器，來控制燃料電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)工作狀態(tài)，并通過pid反饋調(diào)節(jié)進(jìn)行控制修正。</p><p>7、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟1中，燃料電池?zé)峁芾砜刂颇Ｐ桶ǔ藛T艙熱管理回路、燃料電池?zé)峁芾砘芈罚?/p><p>8、乘員艙熱管理回路包括膨脹閥、熱交換器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器，燃料電池的余熱通過熱交換器將熱量傳遞到乘員艙熱管理回路中，在低溫環(huán)境下熱泵作為輔助熱源，經(jīng)過壓縮機(jī)對熱量進(jìn)一步壓縮升溫后，得到的冷媒介質(zhì)(r134a)通過蒸發(fā)器給乘員艙供熱；</p><p>9、燃料電池?zé)峁芾砘芈钒ㄈ剂想姵?、電子?jié)溫器、散熱器、水箱、電子水泵，燃料電池?zé)峁芾砘芈贩譃榇蠡芈泛托』芈?，大回路由燃料電池、電子水泵、水箱、散熱器組成，為燃料電池系統(tǒng)散熱，為散熱模式；小回路由燃料電池、電子水泵、水箱、電子節(jié)溫器組成，為燃料電池系統(tǒng)維持溫度，為加熱模式。</p><p>10、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟2中，獲取當(dāng)前燃料電池出口溫度tcell，確定出第一控制輸入信號，獲取燃料電池的最佳工作溫度t1，確定出t1為第二控制輸入信號；當(dāng)tcell小于t1時，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)處于加熱模式，當(dāng)tcell大于t1時，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)處于散熱模式。</p><p>11、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟3包括：</p><p>12、步驟31，在散熱模式下，獲取當(dāng)前燃料電池散熱需求qreq，根據(jù)所述的散熱需求確定燃料電池輸出電流i為第三控制輸入信號；獲取實際環(huán)境溫度tamb，確定為第四控制輸入信號；獲取當(dāng)前熱交換器交換的熱量qexc，確定為第五控制輸入信號；</p><p>13、步驟32，根據(jù)當(dāng)前所獲取的散熱需求qreq、環(huán)境溫度tamb、熱交換器交換的擾動熱量qexc，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(eso)對熱交換器造成的擾動進(jìn)行估計，設(shè)計出優(yōu)化前饋的map控制器來控制燃料電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)工作狀態(tài)；</p><p>14、步驟33，設(shè)計pid反饋調(diào)節(jié)進(jìn)行控制修正，控制第一控制輸出信號來控制水泵轉(zhuǎn)速npump,控制第二控制輸出信號來控制量風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速nfan，pid反饋調(diào)節(jié)和map控制器共同形成一個閉環(huán)的優(yōu)化前饋的map-pid控制系統(tǒng)。</p><p>15、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟31中，燃料電池散熱需求qreq由燃料電池輸出電流i確定：</p><p>16、qreq＝ncell(enernst-vcell)i??(1)；</p><p>17、式中：ncell為燃料電池的單體數(shù)量，enernst為熱力學(xué)理論電動勢，vcell為燃料電池輸出電壓；</p><p>18、在燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，由于存在熱交換器的擾動量qexc，因此實際散熱需求量qrea為：</p><p>19、qrea＝qreq-qexc??(2)；</p><p>20、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟32中，通過實際散熱需求qrea以及環(huán)境溫度tamb設(shè)計出map控制器，map控制器是根據(jù)電子水泵和風(fēng)扇能耗最優(yōu)化的原則確定的map表；</p><p>21、所述環(huán)境溫度對實際散熱需求量進(jìn)行修正：</p><p>22、</p><p>23、式中：qs為實際散熱需求修正量，δta_s為當(dāng)前散熱器空氣側(cè)和冷卻側(cè)修正后的實際溫差，δta_rea為當(dāng)前散熱器空氣側(cè)和冷卻側(cè)標(biāo)定的溫差；</p><p>24、所述散熱器的冷卻功率qra：</p><p>25、qra＝lra·cair·δtra??(4)；</p><p>26、式中：lra為進(jìn)入散熱器的空氣流量，cair為空氣比熱容，δtra為冷卻液流經(jīng)散熱器前后兩端的溫差；</p><p>27、由此可得，冷卻液在燃料電池電堆出口的最佳溫度tfull可表示為：</p><p>28、</p><p>29、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟32中，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(eso)對對熱交換器的擾動估計和補(bǔ)償，從而提高模型精度和魯棒性；</p><p>30、將公式(5)整理成如下形式:</p><p>31、</p><p>32、y＝c?(6)；</p><p>33、其中，c＝tfull，u＝i，δ＝f+d，為系統(tǒng)的熱交換器的擾動，δ稱為總擾動；</p><p>34、將δ擴(kuò)張成系統(tǒng)的一個狀態(tài)，于是原系統(tǒng)可重構(gòu)為：</p><p>35、</p><p>36、y＝x1?(7)；</p><p>37、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的具體形式為：</p><p>38、</p><p>39、式中，z1，z2分別為系統(tǒng)狀態(tài)x1，x2的估計值；β1，β2為觀測器增益；</p><p>40、觀測誤差：</p><p>41、</p><p>42、寫成矩陣形式：</p><p>43、</p><p>44、其中，e為單位矩陣，c＝[10]；</p><p>45、選取合適的β使得矩陣(a-βc)的特征根具有負(fù)實部，從而使誤差e在有限時間內(nèi)收斂到0；</p><p>46、從而得到系統(tǒng)的熱交換器擾動：</p><p>47、d＝z2-f?(13)；</p><p>48、將上式帶入公式(6)d值可得熱交換量：</p><p>49、</p><p>50、熱交換器擾動量是燃料電池系統(tǒng)損失量，此處為負(fù)值。</p><p>51、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟32中，對map控制器優(yōu)化，電子水泵功耗ppump為：</p><p>52、</p><p>53、式中：qpump為流經(jīng)電子水泵的冷卻液流量，δp為電子水泵兩端的壓力差，ηpump為電子水泵的效率；</p><p>54、所述風(fēng)扇的功耗為pfan為：</p><p>55、</p><p>56、式中：δpfan為空氣流阻，vfan為空氣體積流速；</p><p>57、由此燃料電池散熱總功耗ptotal為：</p><p>58、ptotal＝ppump+pfan??(17)；</p><p>59、考慮到經(jīng)濟(jì)效益性，最大的降低功耗，響應(yīng)的最優(yōu)化問題表示為：</p><p>60、</p><p>61、x∈x,u∈u(20)；</p><p>62、x1(t0)＝p0,x1(tf)＝pf??(21)；</p><p>63、式中：f(x,u,t)是系統(tǒng)轉(zhuǎn)態(tài)方程，x＝[ptotal?tfull]是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，u＝[npumpnfan]是系統(tǒng)的控制變量，通過實時改變水泵轉(zhuǎn)速npump，和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速nfan改變實時的水泵和風(fēng)扇功率，p0，pf分別為開始點到結(jié)束點總功耗的值；</p><p>64、x＝[x1?x2]，u＝[u1?u2]分別為系統(tǒng)轉(zhuǎn)態(tài)變量和控制變量的邊界限定條件，具體如下：</p><p>65、</p><p>66、式中:ppump,min，ppump,max為電子水泵的最低，最高功耗，pfan,min，pfan,max為風(fēng)扇的最低，最高功耗；tfull,min，tfull,max為燃料電池冷卻水出口最低，最高的溫度；npump,min，npump,max為電子水泵的最低，最高轉(zhuǎn)速，nfan,min，nfan,max為風(fēng)扇的最低，最高轉(zhuǎn)速。</p><p>67、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用遺傳算法對控制變量不同組合的功耗進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)邊界的限定條件和功耗的最優(yōu)化求出滿足在不同的散熱需求情況下，電子水泵和風(fēng)扇的最佳工作點，由此得出優(yōu)化后實際的散熱需求對應(yīng)的電子水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的map曲線圖，在燃料電池?zé)峁芾砜刂凭_度上有所提高；通過前饋與反饋的結(jié)合控制，控制難度降低，成本較低；前饋控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了水泵和散熱風(fēng)扇的能耗最優(yōu)，經(jīng)濟(jì)性較高。</p>
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