[發明專利]一種基于自抗擾控制方法的質子交換膜燃料電池濕度控制方法

有效

• 申請號: 201911289079.3
• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN111009674B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 陳曦;徐江海;王學鵬;劉騫;甘玉坤;羅振威;萬忠民;丁躍澆
• 申請（專利權）人: 湖南理工學院
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;H01M8/04828
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于自抗擾控制方法的質子交換膜燃料電池濕度控制方法；其特征在于提供了一種基于自抗擾控制技術的PEMFC濕度控制方法，通過控制陰極進氣濕度來調節燃料電池的工作濕度，有效減少電池濕度在動態負載下的波動，確保電池濕度保持在最佳工作狀態，有效提高電池的性能；包括以下幾個步驟：

Step1：建立PEMFC動態水管理模型，包括：陰極水平衡模型、陽極水平衡模型、膜水合模型、電壓模型；

①陰極水平衡模型；

陰極中水的平衡方程定義為：

W代表質量流速，單位為Kg/sec；W_v，ca，in，W_v，ca，out分別為陰極水蒸氣進口和出口流速，流過膜的水的流速W_v，menbr由膜的濕度決定，假設陰極中液態水并未流出陰極，因此，流出陰極的液態水的速率W_l，ca，out為零；

利用電化學原理計算燃料電池反應消耗的氧氣和產生的水：

式中，n為電堆中電池的個數，F為法拉第常數；

②陽極水平衡模型；

陽極中水的控制方程定義為：

W_v，an，in，W_v，an，out分別為陽極水蒸氣進口和出口流速，假設陽極中液態水并未流出陽極，因此，流出陽極的液態水的速率W_l，an，out也為零；

③膜水合模型；

水在PEMFC膜中的傳輸過程有兩種形式：電滲透與“反向擴散”；假設水濃度在膜厚度上線性變化；結合兩種水傳輸機制，水從陽極到陰極流過膜的流速為：

式中，t_m為膜的厚度，M_v為空氣的摩爾質量分數，A_fc為電池活化面積，I_st為負載電流，電滲因數n_d和擴散因數D_w是關于膜的含水量λ_m的函數；

④電壓模型

電壓是電流、陰極壓力、反應物分壓、溫度和膜濕度的函數，表示如下：

V_st＝E-V_activation-V_ohmic-V_concentrate??????(5)

式中，E為開路電壓，V_activation為激活電壓損耗，V_ohmic為歐姆電壓損耗，V_concentrate為濃度電壓損耗；

Step2：利用自抗擾控制技術的抗干擾和抑制性能對燃料電池動態水管理模型進行濕度控制，通過控制陰極進氣濕度來調節電池工作濕度，利用擴張狀態觀測器對外部總擾動進行觀測與反饋，確保電池濕度保持在最佳狀態，提高電池性能；

進一步，自抗擾控制算法可以表示為：

跟蹤微分器以質子交換膜燃料電池陰極相對濕度的設定值v0作為輸入，并獲得輸入信號v1：

其中h為采樣周期，具有快速收斂特性，fal(v₁-v₀，α₀，δ₀)對輸入噪聲具有良好的濾波效果；其公式表示如下：

其中，δ是過濾因子，α是非線性因子；

擴張狀態觀測器以質子交換膜燃料電池陰極相對濕度y和自抗擾控制的控制量u作為輸入量來估計系統的各種狀態變量和外部擾動，從而提高控制器的控制能力；

其中y是輸出的被控對象，z1和z2分別是y的跟蹤信號和外部干擾的觀測值，β01、β02是輸出誤差校正增益，b是補償因子；

非線性狀態誤差反饋控制器將跟蹤微分器和擴張狀態觀測器的誤差信號集成到非線性處理中，得到輸出u；

其中β是反饋控制律的比例系數；

質子交換膜燃料電池陰極相對濕度可表示為：

其中，W_v，ca，in＝W_ca×RH_ca，in，所以方程(10)可以進一步表示為：

為了設計質子交換膜燃料電池電堆系統的自抗擾控制器，將所有未知部件視為總干擾f_total：

f_total＝(-W_v，ca，out-W_l，ca，out+W_v，vc，gen+W_v，membr)×????(12)(12)

控制變量的增益是：

質子交換膜燃料電池陰極相對濕度又可表示為：

控制系統可以進一步表示為：

其中RH_ca，in為陰極進氣濕度；

Step3：利用Matlab和Simulink進行仿真分析，同時將自抗擾控制技術的濕度控制與傳統的PID控制和模糊PID控制方法進行對比；

Step4：驗證不同溫度下自抗擾控制技術的濕度控制的抗干擾性能和跟蹤性能，確保了所述質子交換膜燃料電池濕度控制方法在不同溫度場合下的有效性和可靠性；

Step5：結合自抗擾控制技術的濕度控制系統的實際應用，進行了實驗研究。