[发明专利]一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法

说明书

本发明涉及一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法，在系统中搭建考虑燃料电池电堆电压与含水量关系的电堆温度动态描述模型，结合燃料电池电堆温度及其变化率观测系统并利用时滞信息对燃料电池电堆温度进行控制；燃料电池电堆温度及其变化率观测系统用来估计燃料电池电堆温度及其变化率，通过温度动态描述模型中可测物理量的时滞信息设计燃料电池热管理控制器，消除燃料电池热模型不确定性以及包括环境温度和工作电流在内的已知干扰与未知扰动，燃料电池热管理控制器结合燃料电池电堆温度及其变化率观测系统能够在噪声干扰下较为准确地估计燃料电池电堆温度及其变化率，减小温度测量噪声对热稳定性的影响进而较好地控制电堆温度。

技术领域

本发明涉及燃料电池热管理领域，特别是一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法。

背景技术

当前，全球能源、环境问题日益严重，世界各国都在积极寻求应对方案，在汽车领域大力推进新能源汽车的目的也正是如此。新能源汽车有不同的类型，其中，燃料电池汽车不仅能够在燃料上实现对燃油的完全替代，而且具有“零排放”，能量转换效率高、燃料来源多样并可灵活取自于可再生能源等优势，因而被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。

燃料电池是一种以电化学反应方式将燃料与氧化剂的化学能转变为电能的能量转换装置。目前，全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品初步进入了商业化应用阶段。其中，质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。其中，阴极开放式质子交换模燃料电池拥有极简的辅助系统，非常适合作为便携式移动电源应用。但质子交换膜的适宜工作温度范围相对而言较窄。若电堆温度太低，会降低质子交换膜中水分的蒸发，从而导致电化学反应速率变慢，使电池性能降低。然而，电堆温度过高，会使质子交换膜中的水分过度蒸发，导致湿度降低，这既降低了质子传导性，也会损害质子交换膜。

因此采用正确的控制策略才能为质子交换膜燃料电池提供适宜的工作温度。这对提高燃料电池的功率和延长寿命来说至关重要，也是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统及方法，实现对燃料电池有效的热管理。

本发明采用以下方案实现：一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理系统，包括阴极开放式燃料电池、外接负载、PC上位机、Arduino Nano开发板、温度传感器、直流电机PWM调速模块和直流风扇组；所述阴极开放式燃料电池与外接负载连接，用以为外接负载供电；所述温度传感器用于读取所述阴极开放式燃料电池的温度信息；所述ArduinoNano开发板分别与所述温度传感器和所述上位机连接，用以将所述温度传感器读取的温度信息通过所述Arduino Nano开发板上传到所述PC上位机进行实时监控，并通过所述PC上位机将带有时滞信息的控制器计算程序下载至所述Arduino Nano开发板中以实时计算控制率；所述Arduino Nano开发板还与所述直流电机PWM调速模块连接，所述直流电机PWM调速模块还与所述直流风扇组连接，用以将Arduino Nano开发板实时计算的控制率以PWM信号传至直流电机PWM调速模块对所述直流风扇组进行转速控制，进而对电堆温度有效控制以实现燃料电池热管理。

进一步地，所述温度传感器采用的是微型热电偶。

进一步地，所述直流电机PWM调速模块采用的是型号为XH-M222的调速模块。

进一步地，本发明还提供一种利用时滞信息的阴极开放式燃料电池热管理方法，包括以下步骤：

步骤S1：针对阴极开放式燃料电池热特性，搭建考虑阴极开放式燃料电池电堆电压与含水量关系的电堆温度动态描述模型，用以描述电堆温度的动态变化特性；