技术领域
[0001] 本
发明涉及甲醇水
燃料电池技术领域，特别涉及一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法。
背景技术
[0002] 基于HT-PEM的甲醇水燃料电池具有燃料适应性强，输出功率
密度大的特点，其一般组成如图1所示，为了使燃料电池正常工作，我们需控制燃料电池各个关键部位的反应
温度在
指定的范围内，还需根据电堆输出功率调整氢气即甲醇水的进液量。同时，为保证化学反应的顺利进行，还需控制
燃烧室和电堆供
氧风机的转速，最后，还需控制和电堆热平衡控制有关的
冷却液循环泵和强制
散热风机等，从而构成了一个非常复杂的MIMO(多输入多输出)控制系统。
[0003] 现有HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统包括燃料电池重整室
温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路以及燃料电池冷却系统控制回路这三个控制回路，这三个控制回路需要控制的对象包括：燃烧室进口温度、燃烧室出口温度、重整室进口温度、重整室出口温度、电堆进口温度、电堆出口温度、底部强制散热温度、冷却液散热系统温度和电堆输出功率等参数，反馈的
信号包括上述各个
位置的温度
传感器信号，冷却系统压
力信号，进液泵反馈信号，风机反馈信号等，而控制输出则包括燃烧室进液泵转速、重整室进液泵转速、加热装置驱动信号、冷却泵转速、供氧风机转速和强制散热风机等，这个属于典型的MIMO系统，现有解决方案为设计多个不同的单输入单输出控制回路，每个环路设计不同的控制校正环节和参数，导致控制
软件设计和参数调试复杂，且整体控制效果差。
发明内容
[0004] 本发明的目的是克服上述
现有技术中存在的问题，提供一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，将现有HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制简化为3个独立的SISO(单输入单输出)控制系统，分别为燃料电池重整室温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路和燃料电池冷却系统控制回路。
[0005] 为此，本发明提供一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，分别控制燃料电池重整室温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路以及燃料电池冷却系统控制回路，使得各回路分别独立并行工作。
[0006] 进一步，所述燃料电池重整室温度控制回路的工作方法包括如下步骤：
[0007] S2.1：调节燃烧室加热装置控制
电压，使得燃料电池燃烧室进口温度达到172℃至178℃之间；
[0008] S2.2：在步骤S2.1进行完毕后，调节燃料电池燃烧室甲醇水进液泵转速，使得使燃烧室出口温度始终维持在500℃至600℃之间；
[0009] S2.3：在步骤S2.2进行完毕后，调节燃料电池燃烧室供氧风机转速，使得燃料电池重整室进口温度达到280℃以上；
[0010] S2.4：在步骤S2.3进行完毕后，调节燃料电池重整室散热风机转速，使重整室出口温度和燃料电池重整室进口温度之间的差值稳定在20℃至50℃之间；
[0011] S2.5：在步骤S2.4进行完毕后，调节燃料电池燃烧室供氧风机转速，使得燃料电池重整室进口温度稳定在280℃至300℃之间。
[0012] 更进一步，在步骤S2.1、步骤S2.2、步骤S2.3、步骤S2.4以及步骤S2.5中，分别采用闭环控制
算法进行参数的调节。
[0013] 进一步，所述燃料电池电堆输出功率控制回路的工作方法包括如下步骤：
[0014] S4.1：通过燃料电池重整室和燃料电池电堆之间的热交换系统使得电堆出口温度大于127℃；
[0015] S4.2：在步骤S4.1进行完毕后，调节燃料电池重整室甲醇水进液泵转速，使得电堆出口温度达到165℃至171℃之间；
[0016] S4.3：在步骤S4.2进行完毕后，调节燃料电池电堆供氧风机转速，使得电堆的输出功率始终保持在额定功率；
[0017] S4.4：根据电堆的输出功率与负载功率之间的差值得到燃料电池重整室甲醇水进液泵转速。
[0018] 更进一步，在步骤S4.1中，燃料电池重整室和燃料电池电堆之间的热交换系统通过液体冷却方式自动完成
热能交换，所述液体冷却方式为热
循环泵控制的冷却剂进行循环。
[0019] 更进一步，在步骤S4.2、步骤S4.3以及步骤S4.4中，分别采用闭环控制算法进行参数的调节。
[0020] 进一步，所述燃料电池冷却系统控制回路的工作方法包括如下步骤：
[0021] S7.1：调节燃料电池冷却液循环泵的转速，使得燃料电池冷却系统的压
力反馈始终保持在预设的压力范围内；
[0022] S7.2：在步骤S7.1进行完毕后，调节燃料电池冷却液循环泵的转速，使得电堆出口温度和燃料电池进口温度之间的差值始终保持在2℃到3℃之间；
[0023] S7.3：在步骤S7.2进行完毕后，调节燃料电池电堆强制散热风机的转速，使得电堆出口温度始终低于168℃。
[0024] 更进一步，在步骤S7.1、步骤S7.2以及步骤S7.3中，分别采用闭环控制算法进行参数的调节。
[0025] 本发明提供的一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，具有如下有益效果：
[0026] 1、根据HT-PEM甲醇水燃料电池的物理属性，将现有HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制简化为3个独立的SISO控制系统，从而显著简化了控制软件的设计和参数调试，并提升了整个系统的控制效果；
[0027] 2、将燃料电池重整室温度控制回路的分离出来，使得燃料电池重整室温度编的单一，不会受到燃料电池电堆输出功率和燃料电池冷却系统中工作时候的温度的影响，在控制制氢的过程更加的精确；
[0028] 3、燃料电池电堆输出功率控制回路，通过将燃料电池电堆与其他的系统分离出来，使得燃料电池电堆单独进行，对于甲醇水的进量也不会与燃料电池重整室温度控制回路混合，从而使得参数清楚明了；
[0029] 4、燃料电池冷却系统控制回路的分离出来，使得冷却温度始终保持在一个固定的值，保证整个系统的工作稳定的进行。
附图说明
[0030] 图1为本发明提供的一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法的现有技术的整体系统连接示意图；
[0031] 图2为本发明提供的一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法的燃料电池重整室温度控制回路的控制方法的流程示意图；
[0032] 图3为本发明提供的一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法的燃料电池电堆输出功率控制回路的控制方法的流程示意图；
[0033] 图4为本发明提供的一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法的燃料电池冷却系统控制回路的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图，对本发明的多个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0035] 在本
申请文件中，未经明确的部件型号以及结构，均为本领域技术人员所公知的现有技术，本领域技术人员均可根据实际情况的需要进行设定，在本申请文件的
实施例中不做具体的限定。
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例提供了一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，通过基本的必要技术特征实现本发明，以解决本申请文件中技术背景部分所提出的问题。
[0038] 具体的，本发明提供了一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，将HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制分解为3个独立的SISO控制回路，3个独立的SISO控制系统独立并行工作，3个独立的SISO控制系统分别为燃料电池重整室温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路以及燃料电池冷却系统控制回路。
[0039] 在本实施例中，根据HT-PEM甲醇水燃料电池的物理属性将现有HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制简化为3个独立的SISO控制系统，从而显著简化了控制软件的设计和参数调试，并提升了整个系统的控制效果。
[0040] 实施例2
[0041] 本实施例是基于实施例1并对实施例1中的实施方案进行优化，使得本实施例在运行的过程中更加的稳定，性能更加的良好，但是并不仅限于本实施例所描述的一种实施方式。
[0042] 在本实施例中，所述的闭环控制算法可以使用二位式控制算法、具有回差的二位式控制算法或者三位式控制算法。
[0043] 上述实施例中的燃料电池重整室温度控制回路输入按燃料电池的工作顺序依次简化为：
[0044] 第一阶段，燃料电池冷机启动阶段，此阶段控制输入为燃烧室加热装置控制电压Vh，控制输出为燃料电池燃烧室进口温度Th1，此阶段的控制目标为调节Vh，使Th1快速达到175℃，可采用常规的闭环控制算法达到该目的。
[0045] 对于上述175℃，在实际的生产中可以将误差保持在以175℃为中心，上下浮动在3℃，即范围在172℃至178℃之间。
[0046] 第二阶段，燃料电池燃烧室甲醇无焰燃烧阶段，此阶段控制输入为燃料电池燃烧室甲醇水进液泵转速Sh1，输出为燃烧室出口温度Th3，此阶段控制目标为调节Sh1，使Th3始终维持在500～600℃之间，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0047] 第三阶段，燃料电池重整室升温阶段，此阶段控制输入为燃料电池燃烧室供氧风机转速Sh2，控制输出为燃料电池重整室进口温度Tr1，此阶段控制目标为调节Sh2，使得Tr1快速达到280℃以上，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0048] 第四阶段，燃料电池重整室热稳定阶段，此阶段控制输入为燃料电池重整室散热风机转速Sr1，输出为重整室进口温度Tr1和重整室出口温度Tr2的差值Tr2-Tr1，此阶段控制目的为调节Sr1，使Tr2-Tr1稳定在20～50℃的工作区间，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0049] 第五阶段，燃料电池重整室制氢阶段，此阶段控制输入为燃料电池燃烧室供氧风机转速Sh2，控制输出为燃料电池重整室进口温度Tr1，此阶段控制目标为调节Sh2，使得Tr1稳定在280℃～300℃的工作区间，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0050] 上述实施例中的燃料电池电堆输出功率控制回路输入按燃料电池的工作顺序依次简化为：
[0051] 第一阶段，燃料电堆预热阶段，此阶段控制输入为燃料电池重整室出口温度Tr2，控制输出为电堆出口温度Tf2，此阶段控制目的为使Tf2大于127℃，但控制过程在燃料电池重整室和燃料电池电堆之间的热交换系统自动完成，无需人工参与。
[0052] 其中，上述的热交换系统是通过液体冷却方式完成热能交换。液体冷却方式的核心为热循环泵控制的冷却剂循环系统。热循环泵和冷却剂，热循环泵使冷却剂流经重整室和电堆进行吸收热能，并将热能均匀传递，使用整个热交换系统内部温度达平衡上升。
[0053] 第二阶段，燃料电池电堆温度上升阶段，此阶段控制输入为燃料电池重整室甲醇水进液泵转速Sr2，输出为电堆出口温度Tf2，此阶段的控制目的为调节Sr2，使Tf2达到最高温168℃，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0054] 对于上述168℃，在实际的生产中可以将误差保持在以168℃为中心，上下浮动在3℃，即范围在165℃至171℃之间
[0055] 第三阶段，燃料电池满功率发电阶段，此阶段控制输入为燃料电池电堆供氧风机转速Sf2，输出为电堆的输出功率Pf1，此阶段的控制目的为调节Sf2，使Pf1始终保持在额定功率，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0056] 第四阶段，燃料电池负载调节阶段，此阶段控制输入为燃料电池电堆的输出功率Pf1与负载功率Pf2之间的差值，控制输出为燃料电池重整室甲醇水进液泵转速Sr2，控制目的为保证Sr2的转速变化始终跟随Pf1与Pf2之间的差值变化，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0057] 上述实施例中的燃料电池冷却系统控制回路输入按燃料电池的工作顺序依次简化为：
[0058] 第一阶段：燃料电池重整室热交换系统工作阶段，此阶段控制输入为燃料电池冷却液循环泵的转速Sc1，控制输出为燃料电池冷却系统的压力反馈Fc1，控制目的为调节Sc1，使Fc1始终维持在预设的压力范围内，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0059] 第二阶段：燃料电池电堆热平衡阶段，此阶段控制输入为燃料电池冷却液循环泵的转速Sc1，控制输出为燃料电池电堆出口温度Tf2与燃料电池进口温度Tf1的差值，控制目的为调节Sc1，使(Tf2-Tf1)始终维持在2～3℃，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0060] 第三阶段：燃料电池电堆满功率输出阶段：此阶段控制输入为燃料电池电堆强制散热风机的转速Sc2，控制输出为燃料电池电堆出口温度Tf2，控制目的为调节Sc2，Tf2始终小于168℃，可采用常规闭环控制算法达到该目的。
[0061] 综上所述，本发明公开了一种基于HT-PEM甲醇水燃料电池MIMO系统的控制方法，将HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制分解为3个独立的SISO控制回路，3个独立的SISO控制系统独立并行工作，3个独立的SISO控制系统分别为燃料电池重整室温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路以及燃料电池冷却系统控制回路。本发明将现有HT-PEM甲醇水燃料电池的MIMO控制简化为3个独立的SISO(单输入单输出)控制系统，分别为燃料电池重整室温度控制回路、燃料电池电堆输出功率控制回路和燃料电池冷却系统控制回路，从而显著简化了控制软件的设计和参数调试，并提升了整个系统的控制效果。
[0062] 以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
