燃料电池低温环境启动控制系统的制作方法

技术特征：
1.一种燃料电池低温环境启动控制系统，其特征在于：s1、建立燃料电池冷启动系统微观模型1.1建立燃料电池水传递模型1.1.1膜中非冻结水含量模型式(1)为膜中非冻结水质量守恒方程，等式左侧表示膜中非冻结水含量动态变化，等式右侧第一项表示气体扩散项，第二项表示源项：分别来自于氧化还原反应生成的水、膜中非冻结水与气态水之间的相变、膜中非冻结水与固态水之间的相变以及电液拖拽其中，ρ
mem
表示膜密度，ew表示膜当量，ω表示催化层中离子交联聚合物的体积分数，λ
nf
表示膜中非冻结水含量，表示*对x的二阶偏导，x表示非冻结水在膜中的扩散距离；式(1)中d
nmw
表示膜中非冻结水扩散系数其中，t
cell
表示电堆温度；式(1)中s
nmw
表示膜中非冻结水的源项其中，j
c
表示阴极催化层反应速率，f表示法拉第常数；式(3)中s
n
‑
v
表示膜中非冻结水与气态水之间的相变过程其中，表示膜中非冻结水与气态水之间的变化速率系数，式(4)中λ
equil
表示平衡水含量，即膜在内外处于水平衡状态时的水含量：式(5)中a表示水活度其中，x
vp
表示孔隙中气态水摩尔分数，p
g
表示孔隙中混合气体压强，p
sat
表示水蒸气饱和压力，表示液态水体积分数；式(3)中s
n
‑
i
表示膜中非冻结水与固态水之间的相变过程
其中，表示膜中非冻结水与冰之间的变化速率系数，λ
sat
表示饱和水含量式(3)中s
eod
表示氢离子通过离子交联聚合体时对水分子的拖拽现象其中，n
d
表示电液拖拽系数，即每个氢离子通过离聚体所拖拽的水分子数，由式(10)获得，表示修正离子电导率，由式(11)获得，表示离子电势表示离子电势其中，k
ion
表示离子交联聚合体电导率；1.1.2膜中冻结水含量模型式(12)为膜中冻结水质量守恒方程，等式左侧表示膜中冻结水含量λ
f
的动态变化，等式右侧表示源项其中，s
fmw
表示膜中冻结水的源项其中，s
n
‑
f
表示膜中冷冻水向膜中非冻结水变化的过程，表示膜中非冻结水与膜中冻结水之间相变速率系数；1.1.3液态水含量模型式(14)为液态水质量守恒方程，等式左侧表示液态水体积分数动态变化，等式右侧第一项表示扩散项，第二项表示液态水源项其中，ε表示孔隙率，ρ
lq
表示液态水密度，表示液态水体积分数，d
lq
表示液态水扩散率，s
lq
表示液态水源项
s
lq
＝s
v
‑
l
‑
s
l
‑
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式(15)中s
v
‑
l
表示气态水与液态水的相变过程其中，γ
cond
表示冷凝速率系数，γ
evap
表示蒸发速率系数，表示水的摩尔质量，r表示气体常数；式(15)中s
l
‑
i
表示液态水与固态水的相变过程其中，γ
fusn
表示凝固速率系数，γ
melt
表示融化速率系数，ρ
lq
表示液态水密度，ρ
ice
表示冰密度，表示冰体积分数；1.1.4冰含量模型式(18)为冰质量守恒方程，等式左侧表示冰体积分数的动态变化，等式右侧表示冰的源项式(18)中s
ice
为冰的源项式(19)中s
l
‑
i
与s
n
‑
i
由式(17)与式(7)得到，s
v
‑
i
表示气态水与固态水的相变过程其中，γ
desb
表示凝华速率系数；1.2建立燃料电池温升模型比热方程q＝cmδt，其中，q表示物体温度变化过程中吸收或放出的热量，c表示物体比热容，m表示物体摩尔质量，δt表示物体温度变化量，燃料电池热量产生与散失的关系以及温度变化如公式(21)所示其中，c
st
表示电堆比热容，m
st
表示电堆质量，c
ice
表示冰比热容，m
ice
表示冷启动过程中冰质量，其值与冰体积分数有关，表示电堆温度对时间的微分；式(21)中q
tot
表示电堆总化学能
其中，δh表示氢气与氧气发化学反应生成水的焓变，表示阳极参与反应的氢气物质的量其中，n表示电堆中电池片数，i
st
表示电堆电流值；式(21)中p
st
表示电堆输出功率p
st
＝nv
cell
i
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)其中，v
cell
表示电堆输出电压；式(21)中q
amb
表示电堆向环境散热能量其中，t
amb
表示环境温度，η
heat
表示边界散热系数，a
st
表示电堆表面积；1.3建立燃料电池输出电压模型v
cell
＝e
nernst
‑
v
act
‑
v
ohmic
‑
v
conc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)式(26)中能斯特电压e
nernst
式(26)中活化压降v
act
其中，α表示传递系数，i表示电流密度，j
*
表示交换电流密度，δ
cl
表示催化层厚度，ξ表示化学计量比，p
c
表示毛细压力，c
ref
表示参考摩尔浓度；式(26)中欧姆压降v
ohmic
其中，asr
bp
、asr
gdl
、asr
mem
、asr
cl
分别表示双极板、气体扩散层、膜、催化层的面比电阻；式(26)中浓差压降v
conc
其中，δ
gdl
表示气体扩散层厚度，δ
cl
表示催化层厚度，与分别表示气体扩散层与催化层的有效扩散系数，c
h
表示等效阴极氢摩尔浓度；s2、建立冷启动电流优化2.1建立冷启动电流优化选取燃料电池电堆温度t
cell
与启动电流i
st
作为状态变量，选取电流变化率di
st
作为控制量，通过对燃料电池冷启动系统工作原理的分析，得到其状态方程为：式(31)通过公式(32)表示：其中f1表示电堆温度变化与电堆温度，非冻膜水含量，电堆电流与电堆电流变化率的函数关系，f2表示电堆电流变化与电堆电流变化率的函数关系；优化目标是满足终端约束与电流变化率约束的条件下，使得燃料电池在平衡结冰速率与温升速率之间找到一组电流值完成冷启动；其中，j表示优化问题的性能指标，φ(x(t
f
))表示对状态变量的终端约束，t0与t
f
分别表示起始时刻与终值时刻，u表示控制量，即δi
st
，ω1，ω2为加权系数，u是控制变量取值的集合；2.2确定冷启动电流优化1)出于对电堆的保护，需要满足燃料电池启动过程中电流的变化率约束：di
stmin
≤di
st
(t)≤di
stmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)其中，di
stmin
表示燃料电池电流变化率最小值，di
stmax
表示燃料电池电流变化率最大值；2)需要满足燃料电池冷启动系统的动态方程：3)需要满足燃料电池冷启动系统的状态约束：
其中，t
cellmin
与i
stmin
分别表示电堆温度与电堆电流的最小值，t
cellmax
与i
stmax
分别表示电堆温度与电堆电流的最大值，t
cellini
与i
stini
分别表示电堆温度与电堆电流在初始时刻t0的值，t
cellfinal
与i
stfinal
分别表示电堆温度与电堆电流在终止时刻t
f
的值，即终端约束；s3、设计基于dp的启动电流规划方法求解出能够使得燃料电池成功实现冷启动的最优电堆电流i
st
轨迹3.1dp的电堆电流轨迹优化需要对数据进行采样，将该环境温度下的冷启动时间离散成n
m
等份，离散时间记为k∈{1,2,...,n
m
1}，目标函数为：其中，u表示满足约束的电流变化率集合，φ(x(n
m
1))表示状态变量的终端约束，δt表示燃料电池相邻两状态间的采样时间间隔，控制变量u(k)表示相邻采样时间内的电流变化量，将电堆温度在初始时刻的值设定为环境温度，将电堆温度在终值时刻的值设定为0℃，需要满足的具体约束条件是：1)出于对电堆的保护，需要满足燃料电池启动过程中电流的变化率约束：δi
stmin
≤δi
st
(k)≤δi
stmax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(38)其中，δi
st
表示电流变化率，δi
stmin
表示燃料电池电流变化率最小值，δi
stmax
表示燃料电池电流变化率最大值；2)需要满足燃料电池冷启动系统的动态方程：3)需要满足燃料电池冷启动系统的状态约束：
3.2划分关于系统状态及控制变量的网格将状态变量电堆温度t
cell
从环境温度t
amb
开始以每格0.65℃的增幅递增至0℃，以环境温度为
‑
13℃为例，划分出20个状态网格，将状态变量电堆电流i
st
从0a开始以每格6a的增幅递增至150a，划分出25个状态网格；将控制量电流变化率从
‑
3a/s开始以每格1a/s的增幅递增到5a/s，划分出9个控制变量网格；3.3代价成本经划分网格完成的状态变量x(k)分别在控制变量网格u(k)中各u
i
(k)作用下，依据状态转移方程得到新的状态变量x(k 1)；从初始时刻起，控制变量网格中的不同控制量对状态变量网格中的不同状态量进行作用，进而得到下一时刻的状态变量网格以及相应的一组代价j(k)，此过程重复进行，直至启动时间终值；每一时刻不同状态量在不同控制量作用下的代价成本j(k)可由公式(41)得出，并将该代价成本j(k)按时间顺序从前至后进行存储3.4确定最优决策从终端时刻开始，满足状态变量的终端约束，即确定了状态变量在k＝n
m
1时刻的值，电堆温度与电堆电流分别取值为t
cellfinal
与i
stfinal
，即x(n
m
1)，对应初始代价成本j(n
m
1)＝0，从终端时刻的前一时刻开始代价成本公式(42)所示其中，j
*
(k)表示第k时刻系统中状态变量为x(k)时的代价成本最优值，即升温速率，结冰速率，电流变化率之间加权作差的最大值，l(x(k),u(k))表示第k时刻状态变量值处在x(k)时系统经控制作用u(k)作用后产生的代价转移成本，j
*
(k 1)为上一时刻系统中状态变量为x(k 1)时的代价转移成本最大值，将每一时刻得到最大代价成本对应的状态变量进行顺序组合，得到最优状态变量序列{x
*
(1),x
*
(2),...,x
*
(k)}，即最优的电堆温度t
cell
序列与电堆电流i
st
序列

技术总结
一种燃料电池低温环境启动控制系统，属于燃料电池汽车优化控制技术领域。本发明的目的是在约束电流变化率的前提下通过平衡温升速率与结冰速率之间的关系，规划冷启动过程中的电流轨迹，实现燃料电池在期望启动时间内冷启动的燃料电池低温环境启动控制系统。本发明步骤是：建立燃料电池冷启动系统微观模型，建立冷启动电流优化，设计基于DP的启动电流规划方法。本发明采用内部升温方式，在满足燃料电池电堆电流变化率的约束条件下，计算从0A(安培)开始变化的启动电流轨迹。仿真结果表明所设计的控制系统能够较好的平衡温升速率与结冰速率之间的关系，提高燃料电池的冷启动性能并解决现有技术的三点问题。决现有技术的三点问题。


技术研发人员：胡云峰 于彤 宫洵 杨惠策 张冲 高金武 郭洪艳 陈虹
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.07.16
技术公布日：2021/10/23