氫眼所見尋找有緣的氫能人，有緣之人可添加微信“zen13480834343”
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+
June 19-23, 2022, Kyoto, Japan ? 2022 Elsevier B.V. All rights reserved.
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
1.FC系統凈功率由式(1)定義：
式中：
：FC系統的凈功率，單位是[W]
：FC電堆的總功率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：
式中：
：FC系統凈效率
：電堆的產熱率，單位為[W]
：由下面式(3)和式(4)計算得出：
式中：
：電堆的電流，單位為(A)
：電堆的電壓，單位為(V)
：電堆的開路電壓，單位為(V）
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)。
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?？刂破骱陀糜诳諝?、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?？諝?、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?？刂破鞯臓顟B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?？諝庵蠬2，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?？刂破鬏敵龅臓顟B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，
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：
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
艾邦氫能產業鏈通訊錄，目前有2200人加入，如億華通、清極能源、氫藍時代、雄韜、氫牛、氫璞、愛德曼、氫晨、喜馬拉雅、明天氫能、康明斯、新源動力、巴拉德、現代汽車、神力科技、中船712等等，可以按照標簽篩選，請點擊下方關鍵詞試試
資料下載：