[發(fā)明專利]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自抗擾控制的燃料電池溫度控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811596969.4
• 申請(qǐng)日: 2018-12-26
• 公開（公告）號(hào): CN109742425A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金宇暉;李冠儒;孫立
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04701
• 分類號(hào): H01M8/04701;H01M8/04992
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 饒欣

本發(fā)明公開了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自抗擾控制的燃料電池溫度控制方法，包括以下步驟：S1：建立燃料電池電堆的非線性溫度模型；S2：通過自抗擾控制器對(duì)非線性溫度模型進(jìn)行控制；S3：通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)外部總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)與反饋，將非線性溫度模型補(bǔ)償為理想純積分模型；S4：基于非線性溫度模型整定傳統(tǒng)PI控制器，將傳統(tǒng)PI控制器的比例增益用于設(shè)計(jì)外環(huán)比例控制器，對(duì)理想純積分模型進(jìn)行控制，達(dá)到抗干擾與跟蹤的優(yōu)化目標(biāo)。本發(fā)明基于多工況溫度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線的非線性模型更加直觀、真實(shí)；本發(fā)明的自抗擾控制器改善了燃料電池溫度抗擾與跟蹤控制性能，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別是涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自抗擾控制的燃料電池溫度控制方法。

背景技術(shù)

隨著全社會(huì)對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的日益關(guān)注，綠色能源的研究與應(yīng)用前景空前寬廣。燃料電池憑借其不受制于環(huán)境的穩(wěn)定輸出、高效率、零碳排放(針對(duì)氫燃料電池)與控制靈活性在各種綠色能源中脫穎而出，不但被全世界學(xué)者廣泛研究，而且作為交通工具或分布式能源的供能單元活躍于市場(chǎng)。

盡管發(fā)展勢(shì)頭良好，一些尚未攻克的技術(shù)難題依舊阻滯了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程。其中，電堆溫度控制品質(zhì)與電池運(yùn)行高效性、可靠性、安全性緊密相連，是亟待解決的關(guān)鍵問題。電堆溫度由電化學(xué)反應(yīng)附加的產(chǎn)熱量與散熱單元的散熱量之間的平衡決定，對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，最佳運(yùn)行溫度為40-100℃，過高的電堆溫度會(huì)降低輸送效應(yīng)并對(duì)膜材料造成不可逆損傷，過低的溫度則會(huì)降低電化學(xué)反應(yīng)速率，因此穩(wěn)定的電堆溫度對(duì)電池的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)有重要意義。

燃料電池電堆溫度控制難點(diǎn)主要在于系統(tǒng)內(nèi)部的強(qiáng)非線性與多樣的外部未知擾動(dòng)。首先，在不同的運(yùn)行工況下，如不同的運(yùn)行環(huán)境溫度或發(fā)電負(fù)荷時(shí)，燃料電池電堆溫度模型皆不相同、互相偏離，表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特性。同時(shí)，作為供能單元的燃料電池系統(tǒng)發(fā)電功率隨用戶需求而變化，此不確定擾動(dòng)往往快速發(fā)生，對(duì)反應(yīng)遲滯的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是巨大挑戰(zhàn)。其他擾動(dòng)如環(huán)境溫度變化、入口氣流濕度變化等也會(huì)導(dǎo)致溫度偏離設(shè)定值。再者，當(dāng)燃料電池工作在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中時(shí)，準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的溫度設(shè)定值跟蹤能力是保證聯(lián)產(chǎn)效率與供熱品質(zhì)的重要因素。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自抗擾控制的燃料電池溫度控制方法，能夠改善溫度在負(fù)荷需求指令波動(dòng)下的抗擾品質(zhì)，并保證良好的跟蹤控制性能。

技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自抗擾控制的燃料電池溫度控制方法，包括以下步驟：

S1：建立燃料電池電堆的非線性溫度模型；

S2：通過自抗擾控制器對(duì)非線性溫度模型進(jìn)行控制；

S3：通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)外部總擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)與反饋，將非線性溫度模型補(bǔ)償為理想純積分模型；

S4：基于非線性溫度模型整定傳統(tǒng)PI控制器，將傳統(tǒng)PI控制器的比例增益用于設(shè)計(jì)外環(huán)比例控制器，對(duì)理想純積分模型進(jìn)行控制，達(dá)到抗干擾與跟蹤的優(yōu)化目標(biāo)。

進(jìn)一步，所述燃料電池電堆溫度模型如式(1)所示：

式(1)中，P_n為燃料電池電堆溫度被控對(duì)象的開環(huán)增益，T_n為時(shí)間常數(shù)，它們都是環(huán)境溫度T_ab、用電負(fù)荷L_d與運(yùn)行時(shí)間t的函數(shù)；f_P為P_n與T_ab、L_d、t之間的函數(shù)關(guān)系，f_T為T_n與T_ab、L_d、t之間的函數(shù)關(guān)系。

進(jìn)一步，所述自抗擾控制器通過以下過程得到：