一种余热回收模式的燃料电池热管理控制方法

本发明涉及燃料电池热管理领域，具体是一种余热回收模式的燃料电池热管理控制方法。

背景技术：

1、在质子交换膜燃料电池的电化学反应过程中，往往伴随着大量的热量产生。现有质子交换膜燃料电池汽车技术中，燃料电池温度的高低直接影响其性能，温度过高会导致质子交换膜脱水，出现不可逆的性能损失，温度过低则会影响其效率，因此，燃料电池的热管理至关重要。然而质子交换膜燃料电池的电化学反应效率在40％到60％之间，造成大量的热能产生。现阶段，如何利用燃料电池的余热具有很大的研究意义，在低温的环境温度下，通常利用燃料电池的余热进行车辆客舱的升温，提高其经济效益性。在燃料电池热管理的控制过程中，由于余热回收存在一定的扰动，增加了燃料电池的控制难度。

2、现有的技术中，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.)等人提出在低温环境下，燃料电池的余热给乘员舱供热的热管理耦合系统的设计，使用滑膜控制将热交换器交换的热量控制在一个稳定值，实现燃料电池系统和乘员舱的独立热管理控制。

3、在燃料电池热管理系统中，存在热交换器的扰动。jiang等人设计的控制热交换器的热量，可能会过多的热量损失燃料电池的性能，过低的热量并不能实现能耗的最优化，需要改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种余热回收模式的燃料电池热管理控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种余热回收模式的燃料电池热管理控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1，基于燃料电池热管理控制系统，利用燃料电池余热通过热交换器将热量传递到乘员舱热管理回路，且利用热泵作为热源给乘员舱供热作为燃料电池热管理控制模型；

5、步骤2，基于燃料电池热管理模型判断燃料电池热管理控制系统处于散热模式还是加热模式；

6、步骤3，在散热模式下，设计出优化前馈的map控制器，来控制燃料电池热管理控制系统工作状态，并通过pid反馈调节进行控制修正。

7、作为本发明再进一步的方案：步骤1中，燃料电池热管理控制模型包括乘员舱热管理回路、燃料电池热管理回路；

8、乘员舱热管理回路包括膨胀阀、热交换器、压缩机、蒸发器，燃料电池的余热通过热交换器将热量传递到乘员舱热管理回路中，在低温环境下热泵作为辅助热源，经过压缩机对热量进一步压缩升温后，得到的冷媒介质(r134a)通过蒸发器给乘员舱供热；

9、燃料电池热管理回路包括燃料电池、电子节温器、散热器、水箱、电子水泵，燃料电池热管理回路分为大回路和小回路，大回路由燃料电池、电子水泵、水箱、散热器组成，为燃料电池系统散热，为散热模式；小回路由燃料电池、电子水泵、水箱、电子节温器组成，为燃料电池系统维持温度，为加热模式。

10、作为本发明再进一步的方案：步骤2中，获取当前燃料电池出口温度tcell，确定出第一控制输入信号，获取燃料电池的最佳工作温度t1，确定出t1为第二控制输入信号；当tcell小于t1时，燃料电池热管理系统处于加热模式，当tcell大于t1时，燃料电池热管理系统处于散热模式。

11、作为本发明再进一步的方案：步骤3包括：

12、步骤31，在散热模式下，获取当前燃料电池散热需求qreq，根据所述的散热需求确定燃料电池输出电流i为第三控制输入信号；获取实际环境温度tamb，确定为第四控制输入信号；获取当前热交换器交换的热量qexc，确定为第五控制输入信号；

13、步骤32，根据当前所获取的散热需求qreq、环境温度tamb、热交换器交换的扰动热量qexc，采用扩张状态观测器(eso)对热交换器造成的扰动进行估计，设计出优化前馈的map控制器来控制燃料电池热管理控制系统工作状态；

14、步骤33，设计pid反馈调节进行控制修正，控制第一控制输出信号来控制水泵转速npump,控制第二控制输出信号来控制量风扇的转速nfan，pid反馈调节和map控制器共同形成一个闭环的优化前馈的map-pid控制系统。

15、作为本发明再进一步的方案：步骤31中，燃料电池散热需求qreq由燃料电池输出电流i确定：

16、qreq＝ncell(enernst-vcell)i  (1)；

17、式中：ncell为燃料电池的单体数量，enernst为热力学理论电动势，vcell为燃料电池输出电压；

18、在燃料电池热管理系统中，由于存在热交换器的扰动量qexc，因此实际散热需求量qrea为：

19、qrea＝qreq-qexc  (2)；

20、作为本发明再进一步的方案：步骤32中，通过实际散热需求qrea以及环境温度tamb设计出map控制器，map控制器是根据电子水泵和风扇能耗最优化的原则确定的map表；

21、所述环境温度对实际散热需求量进行修正：

22、

23、式中：qs为实际散热需求修正量，δta_s为当前散热器空气侧和冷却侧修正后的实际温差，δta_rea为当前散热器空气侧和冷却侧标定的温差；

24、所述散热器的冷却功率qra：

25、qra＝lra·cair·δtra  (4)；

26、式中：lra为进入散热器的空气流量，cair为空气比热容，δtra为冷却液流经散热器前后两端的温差；

27、由此可得，冷却液在燃料电池电堆出口的最佳温度tfull可表示为：

28、

29、作为本发明再进一步的方案：步骤32中，采用扩张状态观测器(eso)对对热交换器的扰动估计和补偿，从而提高模型精度和鲁棒性；

30、将公式(5)整理成如下形式:

31、

32、y＝c (6)；

33、其中，c＝tfull，u＝i，δ＝f+d，为系统的热交换器的扰动，δ称为总扰动；

34、将δ扩张成系统的一个状态，于是原系统可重构为：

35、

36、y＝x1 (7)；

37、扩张状态观测器的具体形式为：

38、

39、式中，z1，z2分别为系统状态x1，x2的估计值；β1，β2为观测器增益；

40、观测误差：

41、

42、写成矩阵形式：

43、

44、其中，e为单位矩阵，c＝[10]；

45、选取合适的β使得矩阵(a-βc)的特征根具有负实部，从而使误差e在有限时间内收敛到0；

46、从而得到系统的热交换器扰动：

47、d＝z2-f (13)；

48、将上式带入公式(6)d值可得热交换量：

49、

50、热交换器扰动量是燃料电池系统损失量，此处为负值。

51、作为本发明再进一步的方案：步骤32中，对map控制器优化，电子水泵功耗ppump为：

52、

53、式中：qpump为流经电子水泵的冷却液流量，δp为电子水泵两端的压力差，ηpump为电子水泵的效率；

54、所述风扇的功耗为pfan为：

55、

56、式中：δpfan为空气流阻，vfan为空气体积流速；

57、由此燃料电池散热总功耗ptotal为：

58、ptotal＝ppump+pfan  (17)；

59、考虑到经济效益性，最大的降低功耗，响应的最优化问题表示为：

60、

61、x∈x,u∈u(20)；

62、x1(t0)＝p0,x1(tf)＝pf  (21)；

63、式中：f(x,u,t)是系统转态方程，x＝[ptotal tfull]是系统的状态变量，u＝[npumpnfan]是系统的控制变量，通过实时改变水泵转速npump，和风扇转速nfan改变实时的水泵和风扇功率，p0，pf分别为开始点到结束点总功耗的值；

64、x＝[x1 x2]，u＝[u1 u2]分别为系统转态变量和控制变量的边界限定条件，具体如下：

65、

66、式中:ppump,min，ppump,max为电子水泵的最低，最高功耗，pfan,min，pfan,max为风扇的最低，最高功耗；tfull,min，tfull,max为燃料电池冷却水出口最低，最高的温度；npump,min，npump,max为电子水泵的最低，最高转速，nfan,min，nfan,max为风扇的最低，最高转速。

67、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用遗传算法对控制变量不同组合的功耗进行优化，根据边界的限定条件和功耗的最优化求出满足在不同的散热需求情况下，电子水泵和风扇的最佳工作点，由此得出优化后实际的散热需求对应的电子水泵和风扇转速的map曲线图，在燃料电池热管理控制精确度上有所提高；通过前馈与反馈的结合控制，控制难度降低，成本较低；前馈控制器进行优化设计，实现了水泵和散热风扇的能耗最优，经济性较高。