Bei der Auswahl von Regelalgorithmen für Brennstoffzellensysteme in Wasserstofffahrzeugen ist es entscheidend, die Regelungsanforderungen und den Implementierungsgrad zu berücksichtigen. Ein guter Regelalgorithmus ermöglicht eine präzise Steuerung des Brennstoffzellensystems, beseitigt stationäre Fehler und erzielt eine hochpräzise Regelung. Verschiedene Regelalgorithmen für Brennstoffzellensysteme wurden bereits untersucht, darunter Proportional-Integral-Regler, Zustandsregelung, segmentierte prädiktive negative Rückkopplungsregelung, nichtlineare Vorsteuerung, lineare quadratische Regler-Rückkopplungsregelung und verallgemeinerte prädiktive Regelung. Aufgrund der Nichtlinearität und Unsicherheit der Brennstoffzellensystemparameter sind diese Regelalgorithmen jedoch für Wasserstofffahrzeuge nicht optimal geeignet. Insbesondere bei dynamischen Laständerungen und Schwankungen der Systemparameter stoßen diese Algorithmen an ihre Grenzen, was zu einer unzureichenden Regelgüte führt.
Derzeit ist die Fuzzy-Regelung der geeignetste Regelalgorithmus für Brennstoffzellensysteme. Aufbauend auf der Fuzzy-Regelung haben Forscher einen praktikableren Regelalgorithmus entwickelt: die Fuzzy-Inkrementalregelung mit variablem Bereich. Dieser Algorithmus behält die Vorteile der Fuzzy-Regelung bei, wie z. B. die Unabhängigkeit von präzisen Modellen des Regelobjekts, die einfache Struktur, die gute Anpassungsfähigkeit und die Robustheit. Zusätzlich behebt er die Probleme der geringen stationären Genauigkeit und der statischen Fehler, die bei der Fuzzy-Regelung auftreten können. Durch die Verwendung von Skalierungsfaktoren zur Erweiterung oder Verkleinerung des Fuzzy-Bereichs erhöht der Algorithmus indirekt die Anzahl der Regelregeln und erreicht so stationäre Fehler von null und eine hochpräzise Regelung. Darüber hinaus zeigt das Fuzzy-Inkrementalregelungssystem mit variablem Bereich ein schnelles dynamisches Ansprechverhalten über einen großen Fehlerbereich. Dadurch kann das System Totzonen bei kleinen Abweichungen vermeiden und seine dynamische und statische Leistungsfähigkeit sowie seine Robustheit weiter verbessern.
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Nichtlinearität und Unsicherheit der Brennstoffzellensystemparameter
Obwohl Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge Vorteile wie geringe Geräuschentwicklung, hohen Wirkungsgrad, gute Leistung und große Reichweite mit Wasserstoff als Energiequelle bieten, laufen in der Brennstoffzelle gleichzeitig viele interne Transportprozesse ab, darunter Wärmetransport, Ladungstransport, Produktabgabe und die Zufuhr von Reaktionsgasen. Dadurch verteilen sich Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftstrom und Stromstärke ungleichmäßig entlang des Reaktionsgasstromfeldes. Dies führt zu Nichtlinearitäten und Unsicherheiten im Brennstoffzellensystem. Werden diese Faktoren nicht adäquat kontrolliert, können sie die Leistung und den Zustand der Brennstoffzelle beeinträchtigen.
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Vorteile der Fuzzy-Inkrementalregelung mit variablem Definitionsbereich
Die Fuzzy-Inkrementalregelung mit variablem Bereich ist eine auf der Fuzzy-Regelung basierende Optimierung. Sie vereint die Vorteile der Fuzzy-Regelung – wie Unabhängigkeit von präzisen Modellen des Regelobjekts, einfache Struktur, gute Anpassungsfähigkeit und hohe Robustheit – mit den potenziellen Problemen der geringen stationären Genauigkeit und statischen Fehlern der Fuzzy-Regelung. Durch Skalierungsfaktoren zur Erweiterung oder Verkleinerung des Fuzzy-Bereichs lassen sich die Regelungsregeln indirekt verbessern, was stationäre Fehler auf null reduziert und eine hochpräzise Regelung ermöglicht. Darüber hinaus reagiert das Fuzzy-Inkrementalregelungssystem mit variablem Bereich schnell über einen weiten Fehlerbereich. Dadurch werden Totzonen bei kleinen Abweichungen vermieden und die dynamische und statische Leistungsfähigkeit sowie die Robustheit des Systems weiter verbessert.
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Veröffentlichungsdatum: 11. Oktober 2023
