基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

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基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

好吧，太久沒太關注燃料電池了，也好久沒有再閱讀相關資料和文獻了，想當初我還是是個做燃料電池的，這個公號最早更多的內容也是在討論燃料電池，燃料電池也算是我進入氫能行業的引路人，今天就當懷舊插播一篇和燃料電池控制相關的內容吧！

說明：本文來自于：

Proceedings of the 14th International Symposium on Process Systems Engineering – PSE 2021+

燃料電池(FC)系統控制器用于電堆、空氣、H2和熱管理系統，并與系統硬件模型集成。這些控制器允許在閉環模擬下靈活地改變系統硬件規格和操作條件。該文章對虛擬FC系統的硬件和控制器設計及系統性能評估進行了論證和驗證，為實際的產品系統開發過程提供了有益的參考。

一、介紹

FC-系統控制器的作用是在考慮硬件限制的情況下，通過操縱系統組件來確保FC堆棧中的最優條件，以實現系統效率和加速響應等最大的系統性能。在許多FC系統制造商中，只有在系統試驗臺的原型制造出來之后才能進行控制器的設計工作。由于系統試驗臺的準備周期長，費用大，因此對用于虛擬控制器開發和評估的系統集成模擬器的需求很大。盡管對控制系統的研究非常重要，但對燃料電池本身的研究更為深入，而對FC電堆、包括空氣、H2和冷卻系統等系統組件的FC系統以及FC系統控制器的研究則少得多。利用FC堆疊的物理模型和空氣、H2和冷卻系統的系統組件開發了集成FC系統模擬器。該模擬器可以以可接受的精度和允許的計算時間估計第二代MIRAI（圖1所示的最新商用燃料電池電動汽車（FCEV））的整個燃料電池系統的動態行為。該模型可用于乘用車、公共汽車和軌道的商用車、鐵路、船舶、航空和固定式發電機等廣泛的應用系統開發，盡管它只包括FC堆棧的硬件模型，不包括FC系統組件和控制器。

在本研究中，開發了具有流線型配置的整個FC系統控制器，其中FC系統凈功率的設定值、FC系統堆棧狀態變量和FC系統組件的驅動值可以獨立確定，并且非常容易修改、替換、添加和刪除控制器規格。將這些控制器與上述FC系統硬件模型進行集成，得到閉環FC系統模擬器。該模擬器縮短了整個FC系統和控制器開發的開發周期，減少了不同應用系統原型的開發費用。利用所研制的閉環模擬器，研究了冷卻劑散熱器尺寸對FC系統性能、FC系統凈功率動態設定點跟蹤性能和FC系統凈效率的影響。

圖1：第二代MIRAI中FC系統實現流程圖

在FC系統的應用中，給控制器設定一個凈功率的設定值，對設定值的跟蹤性能和系統的凈效率是最主要的要求。

1.FC系統凈功率由式(1)定義：

式中：

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發：FC系統的凈功率，單位是[W]

：FC電堆的總功率

PACP、PHP、PWP：分別為空壓機、氫氣循環泵、水泵的功率，單位為[W]

Pothers：其他系統組件(如DC-DC轉換器)所消耗的功率，單位為[W]

2.FC系統凈效率定義為式(2)如下：

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

式中：

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發：FC系統凈效率

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發：電堆的產熱率，單位為[W]

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發：由下面式(3)和式(4)計算得出：

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

式中：

：電堆的電流，單位為(A)

：電堆的電壓，單位為(V)

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發：電堆的開路電壓，單位為(V）

二、FC系統控制器和整個FC系統的閉環仿真

由本研究開發的FC系統控制器和FC系統硬件模型組成的閉環FC系統模擬器的組態如圖2所示。在該模擬器中，FC系統凈功率的設定值、環境溫度和大氣壓力是電力控制器的輸入。計算出的FC系統凈功率以及FC系統中的其他計算值、FC堆疊極化狀態(如電流、電壓和電阻)、狀態變量在整個系統中的分布(如壓力、流量、溫度和氣體組成)以及FC系統組件的執行值(如泵速和閥門開度)。

基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

圖2：整個FC系統閉環仿真流程圖

圖2中的控制器包括電力控制器、FC堆棧控制器和用于空氣、H2和冷卻系統中的系統組件的執行器控制器。電力控制器確定FC電流的設定值，以減小設定值與系統凈功率計算值之間的誤差。FC堆疊控制器由空氣、H2和冷卻狀態控制器組成。每個狀態控制器根據圖1中I和TI所示的傳感器測量的FC-堆棧電流和冷卻劑出口溫度以及預先校準的函數，確定狀態變量的設定點，如壓力、流量、溫度和FC堆棧進出口的氣體組成。空氣、H2和冷卻劑的執行器控制器確定執行器值的設定值，如泵轉速和閥門開度，以最小化fc堆棧控制器的狀態變量設定值與傳感器測量的狀態變量的實際值之間的誤差，如圖1所示。這樣一個簡單和流線型的控制器配置，使獨立調查的最佳堆棧操作條件和硬件規格。

圖3是Simulink流程圖中包含的電力控制器算法。首先，FC系統凈功率的設定值由系統硬件限制所決定的上限、下限、最小值和梯度限制進行中介;然后采用簡單的PI控制方法，通過確定FC堆疊電流的設定值來補償FC系統凈功率的控制誤差，該方法包含了積分防上和積分復位方法的補充功能，以實現穩定運行。

圖3：電力控制器流程圖

圖4是Simulink流程圖中包含的氣壓確定算法。將FC堆棧電流和溫度的設定值指定給預先確定的函數，這些函數是基于實驗數據建立的，以在考慮電力消耗和空氣壓縮機損耗的情況下實現最大的FC系統凈效率。然后，計算空氣壓力設定點。預定函數也用于確定其他狀態變量的設定點。空氣中H2，和冷卻系統控制器，通過圖3所示電力系統控制器中基于PI控制的相同算法，將FC堆棧控制器輸出的狀態變量的設定點轉換為驅動值，例如泵速和閥門開度。借助圖2所示的閉環模擬器，在不制造集成FC系統硬件的情況下，可以優化和確定預定功能和PI控制器參數。這減少了硬件準備的大量工作和費用。

圖4：FC-stack控制器中氣壓設定點確定的Simulink流程圖

三、仿真結果與討論

圖5為如圖2所示的閉環仿真結果，確認了當車速保持在160 km/h不變、冷卻劑散熱器尺寸變化時FC -系統凈功率的設定點跟蹤性能。如圖5 (a)所示，在基本尺寸散熱器的情況下，FC系統凈功率可以在小于1%的可接受偏差范圍內跟蹤設定值。圖5 (b)顯示，當冷卻劑散熱器尺寸為基本尺寸的70%時，FC系統凈功率在660 - 670秒內偏離設定值3%。在此期間，冷卻劑的平均溫度上升到105℃，如圖5 (c)所示，其中FC堆疊的IV性能由于圖5 (d)所示的嚴重干燥條件而惡化。從這些結果表明，在給定的操作條件下，散熱器尺寸減小的限制在85%左右。

圖5：冷卻劑散熱器尺寸和以下相關設計

(a) fc系統凈功率設定點和計算值，

(b) fc系統凈功率設定點和計算值之間的偏差，

(c)平均冷卻劑溫度，

(d) fc堆疊IV性能的靈敏度閉環模擬結果

圖6為方程式中FC系統效率的閉環仿真結果。(1)和(2).在20~90 kW的不同散熱器尺寸下，FC系統的凈效率被證實在40 ~70%左右，這與傳統內燃機系統相比已經足夠高了。

圖6：閉環仿真輸出fc系統凈效率

圖5和圖6中的例子表明，在本研究中對整個FC系統進行閉環仿真，可以在制造昂貴的FC系統試驗臺和測試車之前進行詳細的系統硬件和控制研究。另一方面，圖3中PI -控制的增益和圖4中目標狀態變量的預定函數等控制參數是通過耗時的試錯校準的，理論上無法保證FC系統凈效率的最大值。引入模型預測控制(MPC)等最先進的優化技術，實現更高效、更復雜的控制器參數確定過程。

結論：

開發了整個FC系統的控制器。這些控制器與FC系統的硬件模型集成，以服務于閉環仿真。它使整個FC系統的硬件和控制器的設計成為可能，而無需制造昂貴的系統原型。在開發的模擬器上對控制參數進行校準，直到確定控制器的預期性能。以校準后的控制器為例，研究了冷卻劑散熱器尺寸對FC系統凈功率和FC系統凈效率設定點跟蹤性能的敏感性，以驗證基于模型的FC系統開發。

原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：基于模型的燃料電池堆和系統控制器的開發

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