[發(fā)明專利]一種燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010171072.8
• 申請(qǐng)日: 2020-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN111403783B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高金武;劉華洋;胡云峰;陳虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04992
• 分類號(hào): H01M8/04992;H01M8/04089;H01M8/04746
• 代理公司: 北京東巖躍揚(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11559
• 代理人: 王玉鵬

1.一種燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、建立燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)模型，其中依次包括空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)建模、進(jìn)氣歧管建模、陰極建模和節(jié)氣門建模；

在步驟一中，所述空氣壓縮機(jī)建模包括以下步驟：

壓縮機(jī)的出口流量與其速度呈正相關(guān)，與其壓縮比呈負(fù)相關(guān)，因此通過扭矩平衡方程可建立壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下：

采用帶慣性的集總轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)模型來表示壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的動(dòng)態(tài)特性，如下式(1):

式中，ω_cp是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，J_cp是壓縮機(jī)的慣性指數(shù)，τ_cm是壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸入，τ_cp是驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的所需轉(zhuǎn)矩，t表示時(shí)間；

通過靜態(tài)電機(jī)方程得出壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，見公式(2)：

式中，η_cm是電機(jī)效率，k_t,R_cm,k_v是壓縮機(jī)的機(jī)械常數(shù)，v_cm是壓縮機(jī)電壓；

根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)方程得出驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的所需轉(zhuǎn)矩，見公式(3)：

式中，C_p是空氣的比熱容，T_atm是大氣壓下空氣的溫度，γ是空氣的比熱系數(shù)，p_sm是進(jìn)氣歧管的壓力，p_atm是進(jìn)氣壓力，η_cp是壓縮機(jī)的效率，W_cp是壓縮機(jī)輸出的空氣流率，由(4)式表示：

其中，W_cp是利用Matlab中的曲線擬合工具通過多項(xiàng)式擬合導(dǎo)出的壓縮機(jī)流量，式中，p_i,i＝1,...,8是擬合系數(shù)；

在步驟一中，所述進(jìn)氣歧管建模包括以下步驟：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和理想氣體定律，在進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣壓力的動(dòng)力學(xué)方程由(5)式表示：

式中，R_a是理想氣體常數(shù)，V_sm是進(jìn)氣歧管體積，T_cp表示空氣離開壓縮機(jī)的溫度，W_sm是流出進(jìn)氣歧管的流量并且等于流入陰極的流量；

T_cp和W_sm分別由下式(6)和(7)表示：

W_sm＝k_sm(p_sm-p_ca) (7)

式中，k_sm是流量常數(shù)，p_ca是陰極壓力；

步驟一中，所述陰極建模包括以下步驟：

陰極的動(dòng)力學(xué)描述了空氣質(zhì)量和壓力的變化，由理想氣體方程和電化學(xué)方程組成，由式(8)表示：

式中，V_ca和和Ro₂分別是陰極的體積和氧氣氣體常數(shù)，T_st是陰極的操作溫度，Wo_2,react是PEMFC實(shí)際消耗的氧氣流量；

Wo_2,react是關(guān)于負(fù)載電流I_st的方程，由(9)式表示：

式中，n_cell是在PEMFC中單電池的數(shù)量，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，是氧氣的摩爾質(zhì)量；

根據(jù)噴嘴流量方程計(jì)算出陰極出口流量W_ca,out，由(10)式表示：

式中，C_D,tr節(jié)氣門排放系數(shù)，A_T,tr是節(jié)氣門開口面積，θ是調(diào)節(jié)陰極輸出流量的節(jié)氣門開度角，是一般氣體常數(shù)；

步驟一中，所述節(jié)氣門建模包括以下步驟：

燃料電池節(jié)氣門的開度的動(dòng)態(tài)特性可以近似為一階方程，由(11)式表示：

式中，T_tr是節(jié)氣門反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，θ^*是節(jié)氣門開度命令；

最后，將模型整理為面向控制模型如式(12)表示：

式中，a_i，i＝1,...,12,根據(jù)每個(gè)部件的規(guī)格計(jì)算得到；

步驟二、控制器的設(shè)計(jì),包括以下步驟：

1)模型線性化：

在式(12)中建立的面向控制模型改寫為公式(13)中的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)模型方程，以規(guī)范控制器的設(shè)計(jì)，式13如下表示：

x＝f(x)+g₁(x)u₁+g₂(x)u₂ (13a)

y＝h(x) (13b)

式中

x＝[ω_cp p_sm p_ca θ]^T (14a)

u＝[u₁ u₂]^T＝[v_cm θ^*] (14b)

g₁(x)＝[a₅ 0 0 0]^T (14d)

h₁(x)＝[0 a₈ -a₈ 0]x (14f)

h₂(x)＝[0 0 1 0]x (14g)

式中，f(x),g_i(x),i＝1,2在四維空間上是平滑函數(shù)；

采用模型線性化的方法，對(duì)系統(tǒng)輸出h_j(x)求二階李導(dǎo)數(shù)得到以下模型，由式(15)表示：

2)外部干擾估計(jì)策略，依次包括以下步驟：

2.1)參考信號(hào)的設(shè)計(jì)，包括以下步驟：

兩個(gè)控制輸出最佳參考值：最優(yōu)流量值和最優(yōu)陰極壓力值與負(fù)載電流相關(guān)，最佳流速可以表示為與耗氧量數(shù)、比例常數(shù)和最佳氧過剩比的函數(shù)：

式中，是0.21，由式(17)表示：

最佳陰極壓力用于跟蹤陽(yáng)極的氫壓，最佳陰極壓力一般與負(fù)載電流呈正相關(guān)，并由此給出合理范圍的最佳陰極壓力的軌跡；

2.2)擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)，包括以下步驟：

由于系統(tǒng)的不確定性，用ΔE_fc(x)和ΔA_fc(x)表示模型不確定性產(chǎn)生的影響，由式(18)表示：

式中，用d₁和d₂項(xiàng)代表擾動(dòng)；

設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器來估計(jì)所建模型的不確定性d：首先定義變量即：以及一個(gè)擴(kuò)張狀態(tài)同理定義：以及一個(gè)擴(kuò)張狀態(tài)將式(18)重新寫成如下的狀態(tài)空間方程(19)：

式中，b₁,b₂是未知擾動(dòng)的變化率；

擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器可以寫成如下式(20)：

參數(shù)ω_o由參數(shù)調(diào)整規(guī)則來選擇；

所述參數(shù)調(diào)整規(guī)則為：

根據(jù)經(jīng)典控制理論，如果特征多項(xiàng)式的根在左半平面，那么系統(tǒng)是穩(wěn)定的； 因此得到的傳遞函數(shù)，由式(23 )表示：

那么其特征方程式，由式(24)表示：

因此，其控制增益選擇如下式(25)：

同樣，根據(jù)以上方法，結(jié)合式(19)、式(20)，求得 其控制增益如下式(26)：

2.3)反饋控制律，包括以下步驟：

選擇虛擬控制輸入和由式(21)表示：

忽略和中的估計(jì)誤差，導(dǎo)出新的控制輸入與實(shí)際控制輸入之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式為方程(22)：

由上述公式，根據(jù)負(fù)載電流參考發(fā)電模塊規(guī)劃最佳輸出，即流量和陰極壓力，然后，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器模塊獲得的真實(shí)輸出的估計(jì)值與參考值之間的差異以PID的形式作用于誤差反饋模塊，生成虛擬控制輸入，最后，非線性反饋?zhàn)儞Q模塊將虛擬控制輸入轉(zhuǎn)換為實(shí)際控制輸入來調(diào)節(jié)空氣供應(yīng)子系統(tǒng)，完成燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法。