Ачык катоддуу аба менен муздатылуучу протон алмашуучу мембраналуу отун элементи (open-cathode air-cooled Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) катодго берилген абаны электрокимиялык реакция үчүн да, стекти муздатуу үчүн да пайдаланган жана муздатуу күчү вентилятор аркылуу жөнгө салынган отун элементи системасы болуп саналат. Бул изилдөөдө PEMFC стегинин температурасын; вентилятордун иш цикли менен мажбурланган конвективдик жылуулук өткөрүүнүн ортосундагы күчтүү сызыктуу эмес байланыш, айлана-чөйрө температурасынын өзгөрүшү жана жүк агымынын термелүүлөрү шартында так жөнгө салуу максат кылынган. Изилдөөчүлөр MATLAB/Simulink чөйрөсүндө электрокимияны, анод-катод газ ташууну, мембрана гидратациясын жана жылуулук динамикасын бириктирген башкарууга багытталган топтолгон-параметрлүү моделди түзүп, негизги белгисиз параметрлерди чыныгы 2 kW эксперименттик платформадан аныкташкан. Вентилятордун PWM иш цикли менен жылуулук өткөрүү коэффициентинин ортосундагы эксперименттик сызыктуу эмес карта тескериленип, PI башкаргычтын алдына nonlinear transformation (NT) катмары кошулган. Моделдин максималдуу чыңалуу катасы 6 mVден төмөн, жылуулук моделинин орточо абсолюттук температура катасы 0.13 °C болгон. PI+NT стратегиясы 10 Aдан 45 Aга жүк кадамында температуранын ашып кетишин 1.41 °Cден 0.60 °Cге; +20 °C айлана-чөйрө температурасынын бузулуусунда четтөөнү 1.39 °Cден 0.42 °Cге; ±30 A жүк бузулууларында эң чоң температура четтөөсүн болжол менен 1.83 °Cден 0.62 °Cге азайткан. Натыйжалар каралган эксперименттик PEMFC системасы жана сыноо шарттары үчүн жарактуу; ыкма бардык ачык-катод PEMFC конструкцияларында бирдей иштөө көрсөткүчүн кепилдеген универсалдуу жыйынтык катары чечмеленбеши керек.

Ачык Катоддуу PEMFCде Температураны Башкаруу Эмне Үчүн Кыйын?

Ачык катоддуу PEMFCде температураны башкаруу кыйын, анткени стектин жылуулук өндүрүүсү электр жүгүнө жараша өзгөрөт, ал эми муздатуу таасири вентилятордун PWM буйругуна сызыктуу байланышкан эмес; мындан тышкары айлана-чөйрө температурасынын өзгөрүшү, ток кадамдары, мембранадагы суунун көлөмү жана газ ташуу сыяктуу бири-бири менен байланышкан динамикалар да кошулат. Ошондуктан туруктуу күчөтүүсү бар PI жөнгө салгыч бир иш чекитинде жетиштүү көрүнгөнү менен, жүк жана айлана-чөйрө шарттары кең диапазондо өзгөргөндө ашып кетүү, жай калыбына келүү же температура четтөөсүнүн көбөйүшү байкалышы мүмкүн.

PEMFC иштөө температурасы каталитикалык реакциянын ылдамдыгына, мембрана-электрод топтомунун суу абалына, иондук өткөргүчтүккө жана системанын туруктуулугуна таасир этет. Өтө төмөн температура электрокимиялык иштөөнү чектеши мүмкүн, ал эми өтө жогорку температура мембрананын кургашын жана материалдардын картаюусун тездетиши мүмкүн. Ачык катоддуу архитектурада суюктук менен муздатуу контуру ордуна вентилятор менен аба муздатууну колдонуу системаны жөнөкөйлөтөт, бирок вентилятор ошол эле учурда жылуулук динамикасынын негизги башкаруу актуаторуна айланат.

Башкарууга багытталган PEMFC модели

Булактын Figure 1 сүрөтү моделдин алты негизги функционалдык блогун өз ара байланыштырат: анод каналы, катод каналы, катод катализатор катмары, протон алмашуучу мембрананын гидратациясы, стек чыңалуусу жана стектин жылуулук динамикасы. Моделдин максаты үч өлчөмдүү клетка ичиндеги талааларды чечүү эмес, температура жөнгө салгычын долбоорлоого жетиштүү деңгээлде деталдуу, бирок реалдуу убакыттагы башкаруу анализине ылайыктуу деңгээлде компакт динамикалык сүрөттөмө түзүү.

Булак Table 1де активдештирүү аянтын \(A_{act}=93\times10^{-2}\) m² деп басып чыгарган. Verianla тексти бул маанини булакта жазылгандай берет; эгер бул физикалык чоңдук кайра колдонуу же моделди репликациялоо үчүн колдонулса, аны оригиналдуу изилдөө файлдарынан өзүнчө текшерүү туура болот.

Электрокимиялык стек чыңалуусу

Бир клетканын чыгыш чыңалуусу Нернстке окшош тең салмак потенциалын активдештирүү жана омдук жоготуулар менен бириктирген Теңдеме (1) аркылуу эсептелет:

\[ \begin{aligned} V_{out}={}&1.229-8.5\times10^{-4}(T_{st}-298.15)\\ &+\frac{RT_{st}}{2F} \ln\left[ \left(\frac{p_{O_2}^{ccl}}{10^5}\right)^{0.5} \left(\frac{p_{H_2}^{an}}{10^5}\right) \right]\\ &-I_{st}\left( \frac{\delta_{mem}}{A_{act}\sigma_{mem}}+R_{ohm} \right) -k_{act}\frac{T_{st}}{F} \ln\left( \frac{I_{st}}{j_0A_{act}} \right). \end{aligned} \tag{1} \]

\(T_{st}\) стек температурасы, \(I_{st}\) ток, \(p_{O_2}^{ccl}\) катод катализатор катмарындагы кычкылтектин жарым-жартылай басымы, \(p_{H_2}^{an}\) аноддогу суутек басымы, \(\sigma_{mem}\) мембрананын иондук өткөргүчтүгү, \(k_{act}\) активдештирүү поляризациясынын түзөтүү параметри жана \(R_{ohm}\) кошумча омдук жоготуу параметри. Изилдөөдө \(k_{act}\) жана \(R_{ohm}\) эксперименттик поляризация маалыматтарынан аныкталган.

Аноддогу суу ташуу

Анод кургак суутек менен камсыздалат жана төмөн жыштыктагы purge себептүү dead-end иштөө мамилеси менен моделденет. Аноддогу суу буусунун басымынын динамикасы:

\[ \frac{dp_{H_2O}^{an}}{dt} = \frac{RT_{st}}{V_{an}} \left( \dot n_{H_2O}^{back} - \dot n_{H_2O}^{eod} \right) \tag{2} \]

түрүндө берилет. Электро-осмостук сүйрөө жана артка диффузия агымдары:

\[ \dot n_{H_2O}^{eod} = n_{st}n^d\frac{I_{st}}{F} \tag{3} \]

\[ \dot n_{H_2O}^{back} = n_{st}A_{act}D_{mem} \frac{c_{H_2O}^{ca}-c_{H_2O}^{an}}{\delta_{mem}} = n_{st}A_{act}D_{mem} \frac{\rho_{mem}}{m_{mem}} \frac{\lambda_{ca}-\lambda_{an}}{\delta_{mem}} \tag{4} \]

менен сүрөттөлөт. Бул теңдемелер ток менен кошо протон ташуу сүйрөгөн суу менен мембранадагы ным айырмасы жараткан артка диффузиянын тең салмактуулугун моделдеги мембрана гидратациясына байланыштырат.

Катод кириш газы жана катализатор катмары

Катодго керектүү кургак аба түздөн-түз муздатуучу вентилятордон келет. Кычкылтек, азот жана суу буусунун кириш молярдык агымдары:

\[ \begin{aligned} \dot n_{N_2}^{ca-i}&=x_{N_2}^{amb}\dot n_{dair}^{ca-i},\\ \dot n_{O_2}^{ca-i}&=x_{O_2}^{amb}\dot n_{dair}^{ca-i},\\ \dot n_{H_2O}^{ca-i} &= \varphi_{ca}^{i}\dot n_{dair}^{ca-i} \frac{p_{sat}(T_{ca}^{i})} {p_{ca}^{i}-\varphi_{ca}^{i}p_{sat}(T_{ca}^{i})}. \end{aligned} \tag{5} \]

Булак Теңдеме (6)да катод катализатор катмарындагы суу жана кычкылтек концентрациясы үчүн эки динамикалык масса балансын жана газ диффузия катмары аркылуу суу менен кычкылтек ташуунун теңдемелерин бирге берет:

\[ \begin{aligned} \frac{dc_{H_2O}^{ccl}}{dt} &= \frac{1}{n_{st}\delta_{ccl}A_{act}} \left( \frac{n_{st}I_{st}}{2F} +\dot n_{H_2O}^{eod} -\dot n_{H_2O}^{back} -\dot n_{H_2O}^{ccl-ca} -\dot n_{lq}^{ca-e} \right),\\ \frac{dc_{O_2}^{ccl}}{dt} &= \frac{1}{n_{st}\delta_{ccl}A_{act}} \left( \dot n_{O_2}^{ca-ccl} -\frac{n_{st}I_{st}}{4F} \right),\\ \dot n_{H_2O}^{ccl-ca} &= D_{vap}A_{act}n_{st} \frac{c_{H_2O}^{ccl}-x_{H_2O}^{amb}p_{ca}/(RT_{st})} {\delta_{cgl}},\\ \dot n_{O_2}^{ca-ccl} &= D_{O_2}A_{act}n_{st} \frac{x_{O_2}^{amb}p_{ca}/(RT_{st})-c_{O_2}^{ccl}} {\delta_{cgl}}. \end{aligned} \tag{6} \]

Катод чыгышында азот сакталат, кычкылтек электрокимиялык реакцияда керектелет, ал эми суу буусу/суюк суу агымдары катоддун салыштырма нымдуулугуна жана фазалык абалына жараша аныкталат. Булак муну Теңдеме (7)де бөлүктүү чыгыш агым модели менен сүрөттөйт:

\[ \begin{aligned} \dot n_{N_2}^{ca-e}&=\dot n_{N_2}^{ca-i},\\ \dot n_{O_2}^{ca-e}&=\dot n_{O_2}^{ca-i}-\frac{n_{st}I_{st}}{4F},\\ \dot n_{H_2O}^{ca-e}&=\dot n_{ca}^{e} \frac{\varphi_{ca}p_{sat}(T_{st})}{p_{ca}}, \end{aligned} \tag{7} \]

жана \(\varphi_{ca}>1\) болгондо ашыкча суу үчүн суюк суу чыгыш терминин өзүнчө эсепке алат.

Мембрана гидратациясы

Мембрананын орточо суу мазмуну анод жана катод тараптарындагы суу мазмундарынын орточосу менен моделденет:

\[ \lambda_{mem} = \frac{1}{2} \left( \lambda_{an}+\lambda_{ca} \right) \tag{8} \]

Эки беттеги суу мазмуну салыштырма нымдуулуктун функциясы болуп саналат:

\[ \lambda_i= \begin{cases} 0.043+17.81\varphi_i-39.85\varphi_i^2+36.0\varphi_i^3, &0<\varphi_i\le1,\\ 14+1.4(\varphi_i-1), &1<\varphi_i\le3, \end{cases} \quad i=an,ca \tag{9} \]

жана салыштырма нымдуулуктар:

\[ \varphi_{an} = \frac{p_{H_2O}^{an}}{p_{sat}(T_{st})}, \qquad \varphi_{ca} = \frac{p_{H_2O}^{ccl}}{p_{sat}(T_{st})} = \frac{c_{H_2O}^{ccl}RT_{st}}{p_{sat}(T_{st})}. \tag{10} \]

Вентилятордун PWM Иш Цикли Эмне Үчүн Системанын Негизги Сызыктуу Эместиги?

Вентилятордун PWM иш цикли негизги сызыктуу эместик болуп саналат, анткени вентилятор буйругу менен катодго кирген аба агымынын жана айрыкча стектен алыстатылган мажбурланган конвективдик жылуулуктун ортосунда туруктуу күчөтүүчү сызыктуу байланыш жок. Булак эксперименттеринде PWM көбөйгөн сайын \(h_{fan}\) монотондуу жогорулайт, бирок өсүү ылдамдыгы туруктуу калбайт; демек, бирдей PWM өзгөрүүсү ар башка иш чекиттеринде ар башка температуралык таасир берет.

Вентилятордун аба агымы булакта:

\[ \dot n_{dair}^{ca-i} = \zeta(PWM_{fan}) \tag{11} \]

түрүндөгү калибрленген сызыктуу эмес функция менен көрсөтүлөт. Бул жердеги \(\zeta(\cdot)\) мурдагы стенд эксперименттеринен аныкталган вентилятор мүнөздөмөсү.

Стектин жылуулук модели

Отун элементи стегиндеги энергия топтолушу реакция энергиясы менен электр чыгышынын жана төрт негизги жылуулук жоготуу механизминин айырмасы болуп саналат:

\[ \frac{dT_{st}}{dt} = \frac{ P_{rxn} - P_{elc} - P_{hr} - P_{nat} - P_{fan} - P_{gas} } {m_{st}c_{p,st}} \tag{12} \]

Бул жерде \(P_{rxn}\) электрокимиялык реакциянын жалпы энтальпия кириши, \(P_{elc}\) электр чыгышы, \(P_{hr}\) радиация, \(P_{nat}\) табигый конвекция, \(P_{fan}\) вентилятор жараткан мажбурланган конвекция жана \(P_{gas}\) газ агымы алып кеткен таза жылуулук.

Жылуулук жоготуу компоненттери булакта:

\[ \begin{aligned} P_{hr}&=\varepsilon\sigma_{rad}A_{st} \left(T_{st}^4-T_{amb}^4\right),\\ P_{nat}&=h_{nat}A_{st}(T_{st}-T_{amb}),\\ P_{fan}&=h_{fan}(T_{st}-T_{amb}),\\ P_{gas}&=P_{gas}^{e}-P_{gas}^{i}. \end{aligned} \tag{13} \]

менен аныкталат. \(h_{fan}\) вентилятордун PWM буйругуна байланышкан мажбурланган конвективдик жылуулук өткөрүү коэффициенти жана башкаруу долбоорундагы борбордук өзгөрмө.

Булак Теңдеме (14)-(15)те катоддун кириш жана чыгыш газдарынын сезилүүчү жылуулугун O₂, N₂, суу буусу жана зарыл болгондо суюк суу молярдык агымдары менен, ал эми суунун жашыруун жылуулугун \(L_{H_2O}(T)\) термини менен кошуп, \(P_{gas}^{i}\) жана \(P_{gas}^{e}\) маанилерин эсептейт. Ошентип, газ менен муздатуу аба температурасына гана эмес, өндүрүлгөн жана ташылган суунун көлөмүнө да байланыштуу.

Эксперименттик платформа

Булактын Figure 2 жана Figure 3 сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн физикалык эксперименттик платформа 2 kW номиналдык кубаттагы ачык катоддуу аба менен муздатылган PEMFC стегинен, 48 V DC вентилятордон, суутек багынан, басым жөнгө салгычтан, purge клапанынан, Fuel Cell Control Unit (FCU), электрондук жүктөн, USB-CAN байланышынан, негизги компьютерден жана температура сенсорунан турат.

Суутек кириш басымы эксперименттерде 150 kPa болуп коюлган. Вентилятор ылдамдыгы PWM иш цикли менен жабык контурда башкарылат. Моделди текшерүү жана параметрлерди аныктоо үчүн жүк тогу 10-41 A жана вентилятордун иш цикли 0.5-0.9 камтылган 11 туруктуу иш режими колдонулган.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Үч баскычтуу параметр аныктоо

Авторлор белгисиз параметрлерди бир оптималдаштырууда бирге издегендин ордуна ырааттуу үч баскычтуу аныктоо процессин колдонушкан.

1. Электрокимиялык моделде \(k_{act}\) жана \(R_{ohm}\), 11 иш чекитиндеги эксперименттик жана моделдик чыңалуулардын айырмаларынын квадраттарынын суммасын минималдаштыруу аркылуу аныкталган.
2. Вентилятордун PWM иш цикли менен мажбурланган конвективдик жылуулук өткөрүү коэффициенти \(h_{fan}\) ортосундагы карта туруктуу жылуулук тең салмактуулугунан тескери эсептелген.
3. Стектин өзгөчө жылуулук сыйымдуулугу динамикалык вентилятор кадам экспериментинен dichotomy ыкмасы менен аныкталган.

Электрокимиялык параметр оптималдаштыруунун максат функциясы:

\[ \min_{k_{act},R_{ohm}} \sum_{i=1}^{11} \left| V_{exp,i}-V_{sim,i} \right|^2 \tag{16} \]

түрүндө. Булактын Figure 4 сүрөтүндө эксперименттик жана моделдик поляризация ийри сызыктары бири-бирине жакын дал келет жана максималдуу абсолюттук чыңалуу катасы 6 mVден төмөн калат.

Вентилятордун жылуулук өткөрүү коэффициентинин эксперименттик картасы

Туруктуу энергия тең салмагын колдонуп, вентилятордун мажбурланган конвективдик коэффициенти:

\[ h_{fan}(PWM_{fan}) = \frac{ P_{rxn} - P_{gas} - P_{hr} - P_{nat} } {T_{st}-T_{amb}} \tag{17} \]

менен тескери эсептелген. Булак PWM=0.1 чекитинде вентилятор токтогон жана мажбурланган конвекция жок деп кабыл алып, бул чекитте \(h_{fan}=0\) чектик шартын колдонгон.

Таблица башкаргыч жагынан эмне үчүн бир гана туруктуу күчөтүү божомолу жетишсиз экенин ачык көрсөтөт. Мисалы, иш цикли 0.4төн 0.5ке жогорулаганда коэффициент болжол менен 24 W K^-1 көбөйөт, ал эми 0.5тен 0.6га өткөндө өсүш болгону болжол менен 2 W K^-1 деңгээлинде. Бул байкоо жаңы эксперименттик жыйынтык эмес, булак таблицасындагы сызыктуу эмес картанын түз математикалык натыйжасы.

Стектин жылуулук сыйымдуулугу жана жылуулук моделин текшерүү

41 A жүк астында вентилятор иш циклине кадамдар берилген жана стек температурасынын өтмө жообун колдонуп өзгөчө жылуулук сыйымдуулугу аныкталган. Dichotomy ыкмасы менен оптималдуу:

\[ c_{p,st}=781\ \mathrm{J\,kg^{-1}K^{-1}} \]

мааниси алынган. Figure 6да модель менен эксперименттин температура ийри сызыктары жакын дал келет; орточо абсолюттук температура катасы болгону 0.13 °C.

Энергия агымы эмне үчүн чыңалуу эквивалентине айландырылды?

Химиялык, электрдик жана жылуулук кубат терминдеринин чоңдуктары жана бирдиктери бирдей болгону менен, аларды токко карата түз салыштыруу интуитивдүү эмес. Авторлор ар бир жылуулук агымын клетка башына ток менен нормалдаштырылган “чыңалуу потенциалы” формасына айландырышат.

Электр чыгыш чыңалуусу:

\[ V_{out} = \frac{P_{st}}{n_{st}I_{st}} \tag{18} \]

жана жылуулук компоненттеринин чыңалуу эквиваленттери жалпысынан:

\[ \eta_{gas}=\frac{P_{gas}}{n_{st}I_{st}}, \quad \eta_{hr}=\frac{P_{hr}}{n_{st}I_{st}}, \quad \eta_{nat}=\frac{P_{nat}}{n_{st}I_{st}}, \quad \eta_{col}=\frac{P_{fan}}{n_{st}I_{st}} \]

түрүндө жазылган. Жылуулук чыңалуусу:

\[ E_{th} = \frac{ P_{rxn} - P_{gas} - P_{hr} - P_{nat} } {n_{st}I_{st}} \tag{19} \]

деп аныкталат. Figure 7 жүк тогу көбөйгөн сайын вентилятор менен муздатуунун эквиваленти даана чоңоюп, жогорку жүктө үстөм жылуулук алып чыгуу каналына айланарын көрсөтөт. Газ жылуулук алмашуу потенциалы болжол менен 0.3 V айланасында жана салыштырмалуу туруктуу калат.

Жылуулук чыңалуусу типтүү иш диапазонунда чектелген өзгөрүү көрсөткөндүктөн башкаруу моделинде:

\[ E_{th}=1.15\ \mathrm{V} \]

туруктуусуна жакындатылган. Авторлор бул LHV үчүн 1.25 V же HHV үчүн 1.48 V сыяктуу туруктуу жакындатууларды түз колдонууга караганда башкача экенин өзгөчө белгилешет.

Башкаруу үчүн жөнөкөйлөштүрүлгөн жылуулук модели

Энергия агымынын анализинин натыйжасында деталдуу жылуулук модели:

\[ \frac{dT_{st}}{dt} = \frac{ n_{st}I_{st}(E_{th}-V_{out}) - h_{fan}(T_{st}-T_{amb}) } {m_{st}c_{p,st}} \tag{20} \]

түрүнө келтирилген. Булак:

\[ \zeta=m_{st}c_{p,st} \]

жана:

\[ P_{gen} = n_{st}I_{st}(E_{th}-V_{out}) \]

аныктамаларын колдонуп:

\[ \zeta\frac{dT_{st}}{dt} = Q_{gen} + h_{fan}(T_{amb}-T_{st}) \tag{21} \]

туюнтмасына өтөт. Бул жерде маанилүү булактык нотация маселеси бар: Теңдеме (21)де \(Q_{gen}\) басылып чыккан, ал эми айланасындагы аныктама жана кийинки Теңдемелер (22)-(26) \(P_{gen}\) белгисин колдонот. Verianla бул айырманы үнсүз бириктирбейт; текст агымынан физикалык жактан ошол эле жылуулук өндүрүү термини айтылып жатканы түшүнүктүү болгону менен, булактагы нотация айырмасы ошол бойдон белгиленген.

Сызыктуу Эмес Өзгөртүү (NT) Температура Башкаруусун Кантип Сызыктандырат?

Nonlinear transformation (NT), PI жөнгө салгыч түздөн-түз вентилятордун PWM иш циклин түзгөндүн ордуна алгач виртуалдык, болжолдуу сызыктуу жылуулук башкаруу киришин \(u\) түзүүгө мүмкүндүк берет; эксперименттик түрдө аныкталган \(h_{fan}(PWM_{fan})\) картасынын тескериси андан кийин бул виртуалдык буйрукту физикалык вентилятордун PWM буйругуна айлантат. Ошентип, вентилятор актуаторундагы айкын статикалык сызыктуу эместик башкаруу контурынан тышкары компенсацияланат.

Жылуулук моделинин Лаплас аймагындагы формасы:

\[ \zeta sT_{st}(s) + h_{fan}T_{st}(s) = P_{gen} + T_{amb}h_{fan} \tag{22} \]

жана ага тиешелүү өткөрүү байланышы:

\[ T_{st}(s) = \frac{ T_{amb}h_{fan}+P_{gen} } {\zeta s+h_{fan}} \tag{23} \]

түрүндө. Авторлор виртуалдык сызыктуу кириш \(u\)ну:

\[ T_{st}(s) = \frac{u(s)} {\zeta s+h_{fan}} \tag{24} \]

камсыз кыла тургандай аныктап жана:

\[ u(s) = T_{amb}h_{fan}+P_{gen} \tag{25} \]

байланышын колдонушат.

Чыныгы вентилятор буйругу эксперименттик вентилятор картасынын тескериси менен:

\[ PWM_{fan} = h_{fan}^{-1} \left( \frac{u(s)-P_{gen}}{T_{amb}} \right) \tag{26} \]

түрүндө эсептелет. Өзгөртүүдөн кийин башкаргыч көргөн динамикалык модель:

\[ \zeta\frac{dT_{st}}{dt} + h_{fan}T_{st} = u \tag{27} \]

түрүнө келет.

Булактын Figure 8 сүрөтүндөгү башкаруу контурында температура эталону менен өлчөнгөн стек температурасынын ортосундагы ката алгач PI жөнгө салгычка кирет. PI чыгышы \(u\), nonlinear transformation блогунда \(T_{amb}\), \(I_{st}\), \(P_{gen}\) жана аныкталган \(h_{fan}^{-1}\) картасын колдонуу аркылуу чыныгы \(PWM_{fan}\) буйругуна айландырылат.

Вентилятор иш циклинин физикалык чектөөлөрү себептүү integral windup алдын алынган. Авторлор интегралдын топтолуу диапазонун чектеп, интегралдык күчөтүүнү адаптивдүү түрдө жөндөп, башкаргыч буйругун вентилятордун колдонууга мүмкүн болгон иш циклинин ичинде кармашкан.

PI+NT Башкаруусу Салттуу PIге Салыштырмалуу Канча Жакшыруу Берди?

PI+NT сыналган бардык негизги динамикалык шарттарда салттуу PIге караганда кичирээк температура ашып кетүүсүн же бузулуучу фактордон келип чыккан четтөөнү жараткан; өзгөчө чоң жүк кадамында ашып кетүү 1.41 °Cден 0.60 °Cге, +20 °C айлана-чөйрө температурасынын бузулуусунда четтөө 1.39 °Cден 0.42 °Cге жана −30 A жүк бузулуусунда четтөө −1.83 °Cден −0.61 °Cге азайган.

Туруктуу иш чекитинин кадамдары

Figure 9(a), жүк иш чекиттери жогорулатылганда PI+NT эталон температурага төмөн ашып кетүү жана тезирээк отурукташуу менен жакындаарын көрсөтөт.

10 A → 45 A чоң жүк кадамы

Күчтүү сызыктуу эмес жүрүм-турумду сыноо үчүн ток 10 Aдан түздөн-түз 45 Aга көтөрүлгөн. Салттуу PI башкаруусунда температура ашып кетүүсү 1.41 °C, PI+NTде 0.60 °C. Вентилятор иш цикли убактылуу болжол менен %90га жетет. Бул чекит вентилятор буйругу кең диапазонго жайылганда эксперименттик \(PWM_{fan}\)-\(h_{fan}\) сызыктуу эместиги башкаруу иштөөсүнө эмне үчүн көбүрөөк таасир кыларын көрсөтөт.

Өзгөрмө жүк шарты

Figure 9(c)де кокустук жана тез жүк өзгөрүүлөрү колдонулган. Булак PI+NT температура ийри сызыгы эталонду тезирээк жана жылмакайраак ээрчигенин, бүт сыноо бою олуттуу дивергенция же ашыкча температура ашып кетүүсү болгон жок деп билдирет. Бул тесттин максаты бир гана максималдуу санды аныктоодон көрө кең иш диапазонунда үзгүлтүксүз адаптация жөндөмүн текшерүү.

Айлана-Чөйрө Температурасынын Өзгөрүшү PI+NT Тарабынан Кантип Басылды?

PI+NT айлана-чөйрө температурасын nonlinear transformation ичинде ачык бузулуучу термин катары колдонгондуктан, чөйрө температурасы өзгөргөндө вентилятордун керектүү жылуулук чыгаруу буйругун PI катасы өзүнчө топтолушун күтпөстөн өзгөртө алат; 41 A сыноосунда −15 °C жана +20 °C айлана-чөйрө кадамдарында температура четтөөлөрү тиешелүүлүгүнө жараша −0.33 °C жана +0.42 °C менен чектелген.

Айлана-чөйрө бузулуусу экспериментинде стек 41 A номиналдык токто кармалган. \(t=200\) s учурда айлана-чөйрө температурасы −15 °C, \(t=300\) s учурда болсо +20 °C кадам менен өзгөртүлгөн. Вентилятор иш цикли температура жөнгө салуу учурунда болжол менен %95ке чейин көтөрүлгөн.

Figure 10 PI башкаруусунда температура айлана-чөйрө өзгөргөндөн кийин байкаларлык алыстап, жайыраак калыбына келерин; PI+NTде болсо минималдуу/максималдуу четтөө азайып, температура эталонго тезирээк кайтарын көрсөтөт.

Жүк Тогунун Бузулуусунда Температура Канча Туруктуу Калды?

48.7 °C температура эталонунда колдонулган −30 A жана +30 A ток бузулууларында PI+NT стек температурасынын өзгөрүүсүн тиешелүүлүгүнө жараша −0.61 °C жана +0.62 °C деңгээлинде кармап турган, ал эми салттуу PIде четтөөлөр −1.83 °C жана +1.56 °Cге жеткен.

Жүк бузулуусу тести жылуулук өндүрүүнү түз өзгөртөт; анткени:

\[ P_{gen} = n_{st}I_{st}(E_{th}-V_{out}) \]

байланышында ток \(I_{st}\) түздөн-түз кирет. \(t=100\) s учурда −30 A, \(t=300\) s учурда +30 A кадам колдонулуп, вентилятор иш цикли болжол менен %80 деңгээлине чейин көтөрүлгөн.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Каралган ачык катоддуу PEMFCде вентилятордун иш цикли менен мажбурланган конвективдик жылуулук өткөрүүнүн ортосундагы сызыктуу эместик температура башкаруусунун негизги ички сызыктуу эмес булагы болуп саналат.
• Айлана-чөйрө температурасы жана жүк тогунун өзгөрүүлөрү негизги тышкы жылуулук бузулуучулар болуп саналат.
• Эксперименттик түрдө аныкталган тескери вентилятор картасын башкаруу контурына кошуу температура ашып кетүүсүн жана бузулуучу фактордун четтөөсүн азайткан.
• Башкарууга багытталган модель чыныгы эксперименттик маалымат менен жогорку тактыкта дал келген: максималдуу чыңалуу катасы 6 mVден төмөн, орточо жылуулук катасы 0.13 °C.
• PI+NT каралган туруктуу кадам, чоң жүк кадамы, өзгөрмө жүк, айлана-чөйрө температурасы жана жүк бузулуусу тесттеринде салттуу PIге караганда жакшыраак температура жөнгө салууну көрсөткөн.
• Жогорку жүктө вентилятор менен мажбурланган конвекция негизги жылуулук алып чыгуу жолуна айланат.

Изилдөө колдобогон жалпылоолор

• Натыйжалар бардык PEMFC стек геометриялары, вентилятор моделдери же кубат класстары үчүн бирдей башкаруу күчөтүүсүн кепилдебейт.
• Изилдөө автоунаа паркы, чыныгы жол айдоо же узак мөөнөттүү талаа туруктуулук эксперименти эмес.
• PI+NTнин MPC, ADRC, sliding-mode же башка өнүккөн башкаруу ыкмаларынан универсалдуу артык экендиги бул изилдөө менен далилденген эмес; түз эксперименттик салыштыруу салттуу PI менен гана жүргүзүлгөн.
• Жылуулук чыңалуусун \(E_{th}=1.15\) V туруктуусуна түшүрүү каралган типтүү иш диапазонунда алынган башкарууга багытталган жөнөкөйлөтүү; бардык мүмкүн болгон иш шарттарында өзгөрбөс физикалык туруктуу эмес.
• Вентилятор картасы эксперименттик жабдыкка мүнөздүү; башка вентилятор же аба каналында \(h_{fan}(PWM_{fan})\) кайра аныкталышы керек.
• Preprint статусуна байланыштуу жыйынтыктар азырынча рецензияланган илимий жазуу катары бааланбашы керек.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска изилдөө:Control-Oriented Modeling and Compensation-Based Temperature Regulation of Open-Cathode PEMFCs Under Multiple Disturbances.

Авторлор: Yaowang Pei, Xingwang Tang, Menglin Li, Nan Li, Fengxiang Chen.

Макаланын аффилиациялары: School of Vehicle and Energy, Yanshan University; College of Automotive Engineering, Jilin University; College of Automotive and Energy Engineering, Tongji University.

Байланыш автору: Xingwang Tang.

DOI: 10.2139/ssrn.7198431.

Платформа жана жарыялоо абалы: SSRNде 28-июль 2026-жылы жарыяланган 26 беттик, рецензиядан өтпөгөн preprint.

Изилдөө түрү: Физикага негизделген динамикалык моделдөө, эксперименттик параметр аныктоо жана чыныгы PEMFC эксперименттик платформасында жабык контурдуу температура башкаруу тести.

Программалык камсыздоо: Башкарууга багытталган PEMFC динамикалык модели MATLAB/Simulink чөйрөсүндө түзүлгөн.

Эксперименттик платформа: 2 kW номиналдык ачык катоддуу PEMFC стеги, 48 V DC вентилятор, суутек камсыздоо системасы, FCU, электрондук жүк, температура сенсору жана негизги компьютер мониторинг системасы.

Каржылоо: National Natural Science Foundation of China (52506238), National Key R&D Program of China (2026YFE0158000), Key Project of Natural Science Foundation of Hebei Province (E2025203231) жана Natural Science Foundation of Hebei Province (E2024203144).

Авторлордун салымы: Yaowang Pei — conceptualization, software, visualization, original draft; Xingwang Tang — funding acquisition, supervision; Menglin Li — software, resources; Nan Li — software, visualization; Fengxiang Chen — methodology, experiment.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор изилдөөгө таасир тийгизе турган белгилүү финансылык кызыкчылык же жеке байланыш жок экенин билдиришкен.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Булакта өзүнчө маалымат жеткиликтүүлүгү бөлүмү жок; бул талаа үчүн кошумча маалымат репозиторийи же ачык маалымат шилтемеси ойдон чыгарылган эмес.

Булак ичиндеги нотация: Теңдеме (21)де \(Q_{gen}\) колдонулат, ошол эле терминдин мурунку аныктамасы жана Теңдемелер (22)-(26) болсо \(P_{gen}\) белгилөөсүн колдонот. Бул кичине нотация айырмасы булакта кандай болсо, ошондой катталган.

Кайталанган/байланыштуу изилдөө эскертүүсү: Ошол эле негизги изилдөө тобунун мурда SSRN 7070434 астында жарыялаган энергия агымы жана nonlinear compensation темасындагы preprint методологиялык жана эксперименттик жактан күчтүү байланышта; бирок аталышы, авторлор тизмеси, изилдөө көлөмү жана башкаруу стратегиясынын түзүлүшү айырмалангандыктан, бул изилдөө өз алдынча библиографиялык жазуу катары каралган.

Автордук укук/визуалдык колдонуу: Жүктөлгөн preprint ачык кайра колдонуу лицензиясын көрсөтпөйт. Булак фигураларын түз көчүрүүнүн ордуна, система түзүлүшү, эксперименттик орнотуу, жылуулук агымы жана башкаруу диаграммалары Verianla үчүн оригиналдуу жана булакка ишенимдүү схемалар катары кайра тартылышы керек.