基于粒子群优化的燃料电池氢气路PID控制方法

2021-08-16彭再武胡振球毛懿坪刘文哲石高峰

客车技术与研究 2021年4期

关键词：优化方法

彭再武，胡振球，毛懿坪，刘文哲，石高峰

(长沙中车智驭新能源科技有限公司，长沙 410000)

燃料电池氢系统的控制要求高，国内外已提出了多种控制方法[1-5]。其中传统的PID(比例-积分-微分)控制存在参数整定困难的问题，而将优化方法引入PID控制可有效降低参数整定难度，提升控制性能[6-10]。

另外，氢系统气路的压力响应与燃料电池在工作中所承受的机械应力正相关，因此，优化燃料电池氢气路的PID控制参数，还可以提高氢气压力的动态响应性能，从而降低燃料电池运行过程中的机械应力，提升燃料电池寿命。

1 传统的PID控制系统分析

燃料电池氢气路传统的PID控制原理如图1所示[1]。

图1 燃料电池氢气路传统的PID控制原理

图中，s为拉普拉斯算子；Kv1为氢气调节阀门增益；Tv1为氢气调节阀门时间常数；Uc为氢气调节阀门开度控制信号；Y为氢气系统的实际压力；Yr为氢气系统的给定压力；i为电堆电流。

Ka=(RTst)/Van，Kb=(mH2n)/(2F)

(1)

(2)

式中：R为氢气气体常数，取值4 124 J/(kg·K)；Tst为电堆温度，取值353.16 K；Van为阳极与扩散层体积，取值0.001 m；mH2为氢气摩尔质量；n为电堆单电池数目；F为法拉第常数，取值96 485.34 C/mol；Kv2为排氢阀增益，取值0.5×10-4；Tv2为排氢阀时间常数，取值0.2 s；Ka为压力温度比系数，取值14 564；Kb为电流扰动系数，取值6.27×10-7；Mout为排氢阀排出氢气量。

图1所示的系统模型中，Uc为控制变量，i和Mout为扰动变量；PID控制器通过Y与Yr的偏差计算出相应的Uc来控制实际氢气的精确供应，达到误差收敛的目的。