基于内阻检测的PEMFC温湿度特性及控制规则研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于环境友好等优点,被称为“最有前景的车载能量转化装置”,成为新研究热点。PEMFC研究涉及到电化学、材料学、自动控制等多学科知识,PEMFC电堆控制系统是非线性强耦合系统,堆内温湿度环境决定了电堆的输出特性。堆内温湿度因电堆密封性难以直接测量,外部参数并不能表征电堆内部实际工况。选取合适的电堆特性参数作为控制指标是保证电堆控制效果、对温湿度操作条件解耦的关键,而电堆控制变量调节是实现温湿度解耦控制的重要一环。温湿度变化是电堆内阻变化的根本原因,内阻作为电堆表征参数是导致外部输出性能的根本原因。目前内阻测试方法众多,但大多不能满足现有在线测量及精确度要求,且部分方法对电堆损伤极大。根据同期课题研究成果,基于改进型EIS法可准确测量得到堆内各内阻参数,通过内阻与温湿度操作条件间特性关系,建立机理模型。采取传统解耦方法虽能实现部分控制变量间的解耦,但对涉及众多控制变量及复杂变化特性的温湿度解耦显得过于繁琐,并不适用。本文针对传统方法研究电堆操作条件耦合性存在的不足,以水冷型电堆作为研究对象,以相关度系数为新切入点、以检测内阻代替检测外部参数,根据电堆内阻、温湿度操作条件及控制变量机理特性,通过研究变量间相关度参数、分析电堆控制变量与操作条件间的机理关系及实验数据,研究了电堆操作条件之间、控制变量之间及其之间复杂耦合关系,确定了电堆在不同输出特性阶段的主辅控变量,建立了电堆内阻模型及水热管理机理模型,确定了不同输出阶段下最优温湿度操作条件、温湿度调节基本原则;通过实验验证了模型的可行性,结果表明该模型能够实现电堆温湿度解耦,模型是正确的、可行的;同时认识到相关度研究过程与模糊控制器设计过程的相似性,提出了一种基于相关度的改进隶属度函数的模糊控制方法。