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    基于模糊自整定串級(jí)PID的空冷型PEMFC溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    2025-03-14 00:00:00常天奇田亮馮海劉琪黃青山張典
    太陽(yáng)能學(xué)報(bào) 2025年2期
    關(guān)鍵詞:PID控制溫度控制仿真

    摘 要:針對(duì)空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電堆溫度控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種模糊自整定串級(jí)PID(FSC-PID)溫度控制器,并基于Matlab/Simulink建立空冷型PEMFC電堆熱模型,對(duì)所設(shè)計(jì)的FSC-PID控制器進(jìn)行仿真和性能對(duì)比分析。仿真測(cè)試結(jié)果表明,F(xiàn)SC-PID溫度控制器在控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于常規(guī)串級(jí)PID控制器。為驗(yàn)證FSC-PID控制器的實(shí)際應(yīng)用效果,基于STM32平臺(tái)并使用300 W電堆進(jìn)行FSC-PID溫度控制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,F(xiàn)SC-PID能有效控制電堆溫度,保證電堆的性能和壽命,進(jìn)一步驗(yàn)證所建立熱模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

    關(guān)鍵詞:質(zhì)子交換膜燃料電池;溫度控制;仿真;模糊邏輯;PID控制

    中圖分類號(hào):TM911.4" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    0 引 言

    空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)具備高能效、清潔環(huán)保、運(yùn)行噪音小、適應(yīng)性強(qiáng)以及能源可再生等優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)的發(fā)展中有著廣泛的應(yīng)用前景。

    目前,空冷型PEMFC電堆在多旋翼無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用已逐漸受到關(guān)注和推廣。相較于主流的鋰電池,空冷型PEMFC電堆具有能量密度高、受溫度影響小、補(bǔ)充能源速度快等優(yōu)勢(shì)。此外,它還能避免鋰電池存在的燃燒和爆炸等安全隱患。因此,在一些需要長(zhǎng)時(shí)間駐留、環(huán)境惡劣、高海拔的工況下,空冷型PEMFC電堆具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

    在實(shí)際應(yīng)用中,由于空冷型PEMFC電堆內(nèi)部氫氣氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量、負(fù)載功率快速變化、外界溫度變化的影響,導(dǎo)致電堆膜電極溫度無(wú)法達(dá)到穩(wěn)態(tài),從而影響輸出性能和燃料利用率[1]。亟需設(shè)計(jì)一種溫度控制系統(tǒng),將空冷型PEMFC電堆的工作溫度控制在一定范圍內(nèi),避免在低溫下氫氣反應(yīng)速率慢、高溫下質(zhì)子交換膜穩(wěn)定性下降等問(wèn)題[2-3]。

    迄今已有許多研究人員對(duì)空冷型PEMFC電堆的溫度控制展開研究并提出有效的控制策略,如自抗擾控制(active disturbance rejection control, ADRC)[4-5]、粒子群優(yōu)化控制(particle swarm optimization control, PSOC)[6]、線性二次型調(diào)節(jié)器(linear quadratic regulator, LQR)反饋控制[7]等。但由于空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池滯后性、非線性的輸出特性以及負(fù)載功率需求不穩(wěn)定性,使其溫度控制變得更加復(fù)雜,上述方法均存在一定的局限性。

    本文設(shè)計(jì)基于STM32燃料電池性能管理系統(tǒng),提出一種模糊自整定串級(jí)PID溫度控制方法。首先介紹空冷型PEMFC電堆與STM32燃料電池性能管理系統(tǒng),并在Simulink平臺(tái)上建立空冷型PEMFC電堆模型,其中包括空冷型PEMFC電堆熱模型、溫控系統(tǒng)模型和排氣系統(tǒng)模型,隨后提出一種模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器,最后對(duì)設(shè)計(jì)的控制器配合空冷型PEMFC電堆進(jìn)行溫度控制、功率輸出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并與串級(jí)PID控制器進(jìn)行性能比較。

    1 空冷型PEMFC電堆溫控系統(tǒng)分析

    空冷型PEMFC電堆溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由空冷型PEMFC電堆、控制主板、12 V散熱風(fēng)扇、溫度傳感器、排氣閥以及相應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)組成。由于風(fēng)扇長(zhǎng)期存放會(huì)有灰塵等污染物附著在扇葉上,向電堆內(nèi)吹風(fēng)會(huì)對(duì)電堆性能造成不利影響[8],且考慮到換熱面積和空氣速度等因素,故將12 V散熱風(fēng)扇設(shè)計(jì)在燃料電池背部,以向外負(fù)壓抽風(fēng)的方式運(yùn)行,來(lái)提高熱交換效率[9]。

    空冷型PEMFC電堆在工作狀態(tài)時(shí)氫氣在陽(yáng)極的氧化反應(yīng)以及氧氣在陰極的還原反應(yīng)均會(huì)釋放出大量的熱能。這些放熱反應(yīng)有助于維持燃料電池的工作溫度,加快反應(yīng)速度。但過(guò)量的熱能會(huì)影響質(zhì)子交換膜的穩(wěn)定性,導(dǎo)致電解質(zhì)泄露和性能下降;另外,燃料電池催化劑過(guò)熱會(huì)引起結(jié)構(gòu)變化和燒結(jié)現(xiàn)象,導(dǎo)致其活性降低,從而降低反應(yīng)速率和電池性能[10]。

    空冷型PEMFC電堆及溫控系統(tǒng)如圖2所示,其空氣流道為矩陣分布的多孔型直線流道[11],流道內(nèi)部設(shè)計(jì)有T型熱電偶采集溫度信號(hào),空氣流道出口側(cè)安裝散熱風(fēng)扇用以對(duì)流換熱,將燃料電池內(nèi)部的熱量散出。由于空氣流道與冷空氣的有效接觸面積是有限的,所以散熱風(fēng)扇是空冷型PEMFC電堆的主要散熱方式。

    在空冷型PEMFC電堆的膜電極內(nèi)部設(shè)計(jì)有蛇形氫氣流道,與空氣流道呈垂直分布且互不相通。在氫氣供應(yīng)過(guò)程中,可能會(huì)存在雜質(zhì)、殘留物或不純的氣體,且氧氣在陰極與質(zhì)子和電子結(jié)合生成水,運(yùn)行期間生成的水會(huì)在陰極側(cè)逐漸積聚,形成水滯留問(wèn)題[12]。為避免上述問(wèn)題的影響,在電堆的氫氣流道出口設(shè)計(jì)有繼電器驅(qū)動(dòng)的電磁閥用于排出水和尾氣,保持內(nèi)部氣壓平衡,并確保燃料電池的正常運(yùn)行。

    本文將散熱風(fēng)扇處的空氣流量和電磁閥的開關(guān)頻率作為控制量,通過(guò)調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇功率大小實(shí)現(xiàn)對(duì)空冷型PEMFC電堆的溫度控制,并通過(guò)電流積分算法控制電磁閥開啟、關(guān)閉的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空冷型PEMFC電堆氫氣流道的氣壓控制。

    2 空冷型PEMFC電堆模型

    2.1 空冷型PEMFC電堆熱模型

    根據(jù)熱力學(xué)第一定律,空冷型PEMFC電堆溫度變化與電堆內(nèi)部反應(yīng)總熱量[Qtot]、電堆功率[Pst]、反應(yīng)生成尾氣帶走的熱量[Qe]、散熱風(fēng)扇帶走的熱量[Qfan]以及電堆的表面輻射熱量[Qamb]有關(guān)[13-14]。

    [mst][Cst][dTstdt=Qtot-Pst-Qe-Qfan-Qamb] (1)

    式中:[mst]——電堆質(zhì)量,kg;[Cst]——電堆的比熱容,kJ/(kg·K);[Tst]——電堆溫度,K;[Qtot]——電堆反應(yīng)總熱功率,kJ;[Pst]——電堆的電功,kJ;[Qe]——尾氣帶走的熱功率,kW;[Qfan]——散熱風(fēng)扇帶走的熱功率,kJ;[Qamb]——電堆表面輻射熱功率,kW。

    [Qtot=ΔHnIst2F] (2)

    式中:[ΔH]——?dú)涞娜紵?,kJ/mol;[n]——膜電極片數(shù)量,片;[Ist]——電堆電流,A;[F]——法拉第常數(shù),取96485.33289 C/mol。

    [Pst=Vst·Ist] (3)

    式中:[Vst]——電堆電壓,V;t——電堆工作時(shí)間,s。

    由斯特藩-玻爾茲曼定律可知,電堆表面輻射熱量[Qamb]為:

    [Qamb=AstεσTst-T04] (4)

    式中:[Ast]——電堆的表面積,m2;[ε]——電堆的表面黑度系數(shù);[σ]——斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),取5.670373×10-8;[T0]——環(huán)境溫度,K。

    2.2 溫控系統(tǒng)模型

    空冷型PEMFC電堆主要由散熱風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)流換熱,通過(guò)脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流速的控制[15]。本文使用testo 405i風(fēng)速測(cè)量?jī)x對(duì)額定電壓為12 V、額定電流為4.5 A的電堆風(fēng)扇進(jìn)行空氣流速實(shí)驗(yàn),測(cè)得不同PWM占空比對(duì)應(yīng)的電堆空氣流道出口空氣流速,擬合后的曲線如圖3所示。

    由圖3可知,散熱風(fēng)扇PWM占空比與電堆空氣流道出口的空氣流速呈正比,因此可擬合出該溫控系統(tǒng)空氣流速vfan的經(jīng)驗(yàn)公式為:

    [vfan=α1ωpwm+α2] (5)

    式中:[α1]、[α2]——實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);[ωpwm]——散熱風(fēng)扇的PWM輸出。

    進(jìn)而由對(duì)流換熱公式可得:

    [Qfan=Aairα1ωpwm+α2Tst-T0] (6)

    式中:[Aair]——換熱面積,m2。

    2.3 排氣系統(tǒng)模型

    在空冷型PEMFC電堆膜電極的氫氣流道中的氫氣并非完全反應(yīng),未反應(yīng)的氫氣由排氣閥排出時(shí)會(huì)帶走一部分熱量。

    設(shè)氫氣流道內(nèi)的氣體壓力為恒定值且排氣閥外部氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[p0],則:

    [pcp0=1+γ-12M2γγ-1] (7)

    式中:[pc]——流道內(nèi)氣壓,Pa;[γ]——?dú)錃獾谋葻岜?,kJ/(kg·K);[M]——馬赫數(shù)。

    排出氣體的靜溫為:

    [Tb=Tst1+M2γ-1/2] (8)

    根據(jù)馬赫數(shù)的定義式,排氣閥開啟時(shí)氣體的流速為:

    [ωe=MγRH2Tb] (9)

    式中:[RH2]——?dú)錃獾臍怏w常數(shù),J/(kg·K)。

    由于在電堆工作時(shí)儲(chǔ)氣瓶與氫氣流道入口之間的閥為常開狀態(tài),因此在氫氣流道出口排氣閥打開時(shí),流道內(nèi)氣壓可視為恒定值。每次排氣過(guò)程中,排氣閥開啟到關(guān)閉的時(shí)間間隔為1 s,則每次排出氣體的體積為:

    [Ve=ωeScte] (10)

    式中:Sc——膜電極氫氣流道的橫截面積,m2;te——每次排氣的時(shí)間,s。

    每次排氣結(jié)束后,尾氣帶走的熱量為:

    [Qe=ρH2VecH2Tst-Tb] (11)

    式中:[ρH2]——?dú)錃獾拿芏?,kg/m3;[cH2]——?dú)錃獾谋葻崛?,kJ/(kg·K)。

    2.4 模型仿真及驗(yàn)證

    基于上述模型,本文在Matlab/Simulink中將空冷型PEMFC系統(tǒng)各部分模塊化,搭建熱模型并進(jìn)行仿真和分析。仿真系統(tǒng)如圖4所示。

    該仿真系統(tǒng)由總熱量模塊、電堆電功模塊、尾氣熱量模塊、散熱風(fēng)扇模塊、表面輻射熱量模塊、最佳溫度曲線模塊和模糊自整定串級(jí)PID(fuzzy self-tuning cascade PID,F(xiàn)SC-PID)模塊組成,系統(tǒng)的總輸入為電堆電流,總輸出為電堆溫度。

    搭建的熱模型基于20 片膜電極、18 V空冷型PEMFC電堆,環(huán)境溫度為固定值302 K,排氣閥排氣間隔為30 s,排氣時(shí)間為1 s。在仿真時(shí),設(shè)定電堆的輸出電流為10 A,僅使用常規(guī)PID溫度控制的情況下,仿真后得到電堆溫度曲線如圖5所示。

    由仿真圖可知,未加溫度控制的情況下,電堆溫度無(wú)法滿足工作要求,使用常規(guī)PID溫度控制的情況下,響應(yīng)時(shí)間大于250 s,溫度偏差約為28 K,超調(diào)量8.83%。因此需要設(shè)計(jì)一種溫度控制器來(lái)解決超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

    3 模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器設(shè)計(jì)

    空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池是一個(gè)非線性系統(tǒng),其非線性主要來(lái)源于氧化還原反應(yīng)、傳質(zhì)過(guò)程和熱耦合等復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)及相互作用。這些因素使得空冷型PEMFC不符合線性系統(tǒng)的特征,在不同負(fù)載變化和溫度變化下,其響應(yīng)可能會(huì)呈現(xiàn)出非線性關(guān)系,因此建立空冷型PEMFC熱模型十分困難[16]。模糊控制可通過(guò)構(gòu)建適當(dāng)?shù)哪:?guī)則庫(kù)來(lái)描述系統(tǒng)的行為[17],并且在處理非線性系統(tǒng)方面具有魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)實(shí)際反饋信息調(diào)整模糊規(guī)則的權(quán)重和參數(shù),以提高控制性能,并對(duì)非線性系統(tǒng)的變化做出相應(yīng)的響應(yīng)。

    本節(jié)基于模糊控制理論,提出一種模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器,用于將空冷型PEMFC的運(yùn)行溫度控制在最佳工作溫度[18-19]。

    3.1 模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器結(jié)構(gòu)原理

    模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器由內(nèi)環(huán)溫度變化率PID控制器與外環(huán)模糊PID溫度控制器兩部分組成。模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器系統(tǒng)如圖6所示。

    在電壓恒定的情況下,電堆最佳工作溫度與輸出電流成正相關(guān)[15],實(shí)驗(yàn)室測(cè)得空冷型PEMFC電堆在不同輸出電流下的最佳溫度曲線如圖7所示。模糊自整定串級(jí)PID溫度控制器將電堆輸出電流結(jié)合最佳溫度曲線得出當(dāng)前電流下的最佳工作溫度[20-21],即溫度期望值Tsp。溫度期望值與傳感器測(cè)得溫度實(shí)際值的偏差作為模糊PID控制器的輸入,輸出為溫度變化率的期望值,再與實(shí)際溫度變化率作差,進(jìn)而得到偏差,將其作為內(nèi)環(huán)PID輸入量。整個(gè)控制系統(tǒng)的總輸入為電堆輸出電流,輸出為散熱風(fēng)扇的PWM占空比,由內(nèi)外環(huán)共同作用實(shí)現(xiàn)空冷型PEMFC溫度控制。

    3.2 串級(jí)PID控制器設(shè)計(jì)

    FSC-PID控制器可分為模糊控制器和串級(jí)PID控制器兩部分,模糊控制是一種基于經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)的控制方法,可將復(fù)雜的控制任務(wù)簡(jiǎn)化為一系列簡(jiǎn)單的規(guī)則和模式,這些規(guī)則和模式可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,提高

    控制器的性能和穩(wěn)定性[17];串級(jí)PID控制器通過(guò)將兩個(gè)及以上的PID控制器相互協(xié)作來(lái)提高控制精度、魯棒性和穩(wěn)定性,并能更快地響應(yīng)溫度變化[22]。將模糊控制器與串級(jí)PID控制器相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)自整定功能,在控制器工作狀態(tài)下自動(dòng)調(diào)整PID控制器參數(shù),以達(dá)到最佳的控制效果。

    外環(huán)模糊自整定PID控制器的輸出為:

    [yt=Kpet+Ki∫eτdτ+Kdδt] (12)

    內(nèi)環(huán)PID控制器的輸出為:

    [ut=Kp'eut+Ki'∫euτdτ+Kd'δut] (13)

    式中:[yt]和[ut]——內(nèi)環(huán)和外環(huán)的輸出;[Kp]、[Ki]和[Kd]——PID參數(shù)的比例、積分和微分系數(shù);[et]和[euτ]——控制系統(tǒng)的誤差;[δt]和[δut]——控制系統(tǒng)誤差的變化率。

    3.3 模糊控制器設(shè)計(jì)

    模糊控制器輸入為溫度期望值[Tsp]與電堆溫度實(shí)際值[Tst]的誤差[e],以及誤差的變化率[δ],輸出為PID控制器比例、積分、微分環(huán)節(jié)的參數(shù)[Kp、Ki、Kd]??刂葡到y(tǒng)對(duì)溫度的采樣周期為500 ms,實(shí)驗(yàn)室測(cè)得溫度的最大偏差為6 K,故[e]和[δ]的模糊論域分別選?。踇-6], 6]、[[-3], 3]。輸出[Kp、Ki、Kd]的論域分別選?。?, 12]、[0, 0.3]、[0, 1]。

    采用“負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大”7個(gè)模糊子集對(duì)輸入和輸出進(jìn)行描述,表示為:{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}。輸入[e]和[δ]的隸屬度函數(shù)選擇最左側(cè)“z”型函數(shù)、最右側(cè)“s”型函數(shù),中間三角形函數(shù);輸出[Kp、Ki、Kd]的隸屬度函數(shù)選擇高斯型函數(shù)。[e]、[δ]、[Kp]、[Ki]、[Kd]隸屬度函數(shù)如圖8所示。

    “z”型函數(shù)和“s”型函數(shù)具有較低的階數(shù),可有效減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜度,而三角形函數(shù)具有較高的周期性和穩(wěn)定性,可減少控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。高斯型函數(shù)形狀較為簡(jiǎn)單,對(duì)于輸入[e]和[δ]的微小變化,輸出的[Kp、Ki、Kd]值波動(dòng)較小,具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性,且可很好地模擬溫度控制中的慣性和阻尼。

    4 仿真實(shí)驗(yàn)

    為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的模糊自整定串級(jí)PID控制器的溫控性能,本文基于Simulink環(huán)境進(jìn)行一組仿真實(shí)驗(yàn),用于研究所設(shè)計(jì)的控制器在電堆輸出電流擾動(dòng)下的控制性能;隨后將設(shè)計(jì)的控制器與實(shí)際電堆溫度控制中常用的串級(jí)PID控制器進(jìn)行仿真對(duì)比,以證明FSC-PID控制器的有效性;最后基于空冷型PEMFC性能管理系統(tǒng)與300 W空冷型PEMFC電堆進(jìn)行溫度控制實(shí)驗(yàn),與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的性能與穩(wěn)定性。

    4.1 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

    根據(jù)構(gòu)建的空冷型PEMFC系統(tǒng)模型并考慮到負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)變化[22],電堆輸出電流的范圍被設(shè)定在0~20 A之間,環(huán)境溫度設(shè)為302 K。電堆輸出電流[Ist]隨時(shí)間變化的同時(shí),最佳工作溫度即控制系統(tǒng)的期望值[Tsp]也會(huì)隨之變化。仿真結(jié)果如圖9所示。

    從圖9可看出,在電堆溫度上升階段,串級(jí)PID溫度控制的最大偏差為2.4 K,響應(yīng)時(shí)間小于35 s,在電堆運(yùn)行過(guò)程中會(huì)降低其輸出性能、縮短壽命;而FSC-PID溫度控制的最大偏差僅有0.3 K,響應(yīng)時(shí)間小于20 s,性能明顯優(yōu)于串級(jí)PID控制。將溫度單位換算為℃后計(jì)算得出,在串級(jí)PID控制下的溫度超調(diào)量為7.23%,而在FSC-PID控制下的溫度超調(diào)量?jī)H有0.9%,說(shuō)明FSC-PID對(duì)于電堆溫度控制的超調(diào)具有抑制作用。

    在電堆溫度下降階段,兩種控制器控制下的溫度曲線均出現(xiàn)約0.8 K的超調(diào),且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),但FSC-PID控制器的響應(yīng)時(shí)間相比于串級(jí)PID控制器短45 s。分析原因是此時(shí)電堆的功率較低,電化學(xué)反應(yīng)的放熱量小,所以PEMFC電堆溫度上升慢。該現(xiàn)象對(duì)電堆的輸出性能和使用壽命不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

    仿真結(jié)果表明,F(xiàn)SC-PID控制器在電堆輸出電流擾動(dòng)下具有良好的控制性能,能夠快速響應(yīng)溫度變化,并保持穩(wěn)定的控制輸出。與串級(jí)PID控制器相比,F(xiàn)SC-PID在溫度控制方面具有更小的超調(diào)量和更快的響應(yīng)時(shí)間,能夠更好地應(yīng)對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化。

    4.2 空冷型PEMFC電堆溫度控制實(shí)驗(yàn)

    選擇300 W空冷型PEMFC電堆進(jìn)行溫控實(shí)驗(yàn),電堆參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

    從圖10中可看出,兩種控制方法均能將溫度控制在期望值附近,且在串級(jí)PID控制下,電堆溫度最大偏差為1.9 K,響應(yīng)時(shí)間小于35 s;在FSC-PID控制下,電堆溫度最大偏差為0.63 K,響應(yīng)時(shí)間小于19 s。將溫度單位換算為℃并計(jì)算得出串級(jí)PID控制下的溫度超調(diào)量為5.15%,而FSC-PID控制下的溫度超調(diào)量?jī)H有1.31%。另外發(fā)現(xiàn)兩種控制方法下的溫度曲線在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后均出現(xiàn)輕微波動(dòng),且FSC-PID控制器的溫度超調(diào)量略高于仿真結(jié)果,這是由于空冷型PEMFC電堆溫控系統(tǒng)中溫度采集芯片引起的數(shù)值波動(dòng)。為進(jìn)一步分析FSC-PID控制器的溫度控制性能,分別選取上述實(shí)驗(yàn)中兩種控制器溫度曲線的上升沿和下降沿進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

    通過(guò)對(duì)圖11中溫度曲線進(jìn)行分析可知,相比于串級(jí)PID控制器,F(xiàn)SC-PID控制器在溫度上升過(guò)程中將偏差由1.9 K降低至0.8 K,響應(yīng)時(shí)間由30 s降低至22 s;在溫度下降過(guò)程中將偏差由1.8 K降低至1.3 K,響應(yīng)時(shí)間由35 s降低至26 s。實(shí)驗(yàn)表明,相比于串級(jí)PID控制器,F(xiàn)SC-PID控制器有更小的超調(diào)量和更快的響應(yīng)時(shí)間,能夠有效地提高空冷型PEMFC電堆的溫度控制性能和穩(wěn)定性,從而提高電堆的性能和壽命。

    4.3 溫度控制下的電堆輸出功率實(shí)驗(yàn)

    電堆工作溫度直接影響電化學(xué)反應(yīng)速率,進(jìn)而影響電堆輸出功率,為評(píng)估兩種控制器影響下空冷型PEMFC電堆的輸出性能,在相同條件下測(cè)得兩種控制器作用下的電堆輸出功率曲線如圖12所示。

    結(jié)果表明,相比于串級(jí)PID控制,電堆在FSC-PID控制器作用下的平均功率更高。電堆功率在150 W時(shí)兩種控制器作用下的電堆輸出功率相差5.6 W,且隨著電堆功率增大,輸出功率差值逐漸減小。經(jīng)計(jì)算,F(xiàn)SC-PID控制器作用下電堆在420 s內(nèi)輸出的能量為79739.81 J,相比串級(jí)PID控制器在相同時(shí)間內(nèi)電堆輸出的能量多2243.16 J。由上可知,F(xiàn)SC-PID控制器通過(guò)對(duì)空冷型PEMFC電堆溫度的有效控制,從而提高電堆的輸出功率與能量轉(zhuǎn)化效率,綜合電效率提升2.81%。

    5 結(jié) 論

    本文首先對(duì)空冷型PEMFC電堆的溫度控制需求進(jìn)行分析,指出溫度控制的重要性和難點(diǎn);并基于Matlab/Simulink平臺(tái)建立空冷型PEMFC電堆熱模型;隨后提出一種模糊自整定串級(jí)PID控制器用于空冷型PEMFC電堆的溫度控制,該控制器采用模糊邏輯和自整定技術(shù),能根據(jù)實(shí)際工況自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù),具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性;然后在之前建立的熱模型基礎(chǔ)上分別對(duì)模糊自整定串級(jí)PID控制器和常規(guī)串級(jí)PID控制器進(jìn)行仿真和性能對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明,F(xiàn)SC-PID在控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于常規(guī)串級(jí)PID控制器。最后,將所設(shè)計(jì)的FSC-PID控制邏輯寫入基于STM32的控制主板中,并使用額定功率為300 W的空冷型PEMFC電堆進(jìn)行溫度控制實(shí)驗(yàn)與功率拉載實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,F(xiàn)SC-PID控制器能有效將PEMFC電堆溫度控制在最佳工作溫度范圍內(nèi),保證電堆的性能和壽命,控制過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間小于19 s,超調(diào)量小于1.31%,且FSC-PID控制器能提高電堆輸出功率,綜合電效率相比于串級(jí)PID控制器提升2.81%。

    PEMFC電堆的電效率是評(píng)估其性能的重要指標(biāo)之一。高效的PEMFC可為許多應(yīng)用領(lǐng)域提供清潔、高效、可靠的能源來(lái)源。先進(jìn)的燃料電池溫度控制系統(tǒng)的研究對(duì)于推動(dòng)燃料電池的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

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    DESIGN OF AIR-COOLED PEMFC TEMPERATURE CONTROL

    SYSTEM BASED ON FUZZY SELF-TUNING CASCADE PID

    Chang Tianqi1,2,Tian Liang2,F(xiàn)eng Hai2,Liu Qi1,2,Huang Qingshan2,Zhang Dian1

    (1. College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China;

    2. Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China)

    Abstract:A fuzzy self-tuning cascade PID (FSC-PID) controller was designed and a thermodynamic model of the air-cooled PEMFC stack was established based on Matlab/Simulink to deal with the temperature control problem of air-cooled proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stacks. The simulation and performance comparison of the FSC-PID controller were carried out, and the experimental results show that the fuzzy self-tuning cascade PID controller has better control accuracy, response speed, and stability than the conventional cascade PID controller. Additionally, a 300 W stack was employed for FSC-PID temperature control experiments based on the STM32 platform to validate the practical application effect of the FSC-PID controller, and the experimental results show that the FSC-PID can effectively control the stack temperature, ensuring the performance and lifetime of the stack and validating the accuracy and reliability of the established thermodynamic model.

    Keywords:proton exchange membrane fuel cells; temperature control; simulation; fuzzy logic; PID control

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