[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(kāi)（公告）號(hào): CN111403783B
• 公開(kāi)（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

本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法，包括建立燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)模型、控制器的設(shè)計(jì)等步驟，空氣系統(tǒng)面向控制模型的建立、基于反饋線性化的自抗擾控制器設(shè)計(jì)。首先通過(guò)反饋線性化得到兩個(gè)獨(dú)立的二階仿射系統(tǒng)，使輸出和控制輸入解耦；自適應(yīng)抗擾控制用于跟蹤進(jìn)入陰極流量和陰極壓力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的壓縮機(jī)和節(jié)氣門(mén)的數(shù)據(jù)，在不同工況下實(shí)現(xiàn)了多組仿真。本發(fā)明，不僅具有良好的性能，而且對(duì)未知的模型不確定性和擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池(以下簡(jiǎn)稱PEMFC)是將氫氣和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，并且它被認(rèn)為是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)最有潛力的替代品。對(duì)于大功率PEMFC 來(lái)說(shuō)，空氣供應(yīng)子系統(tǒng)的瞬態(tài)行為對(duì)于提供所需的功率和延長(zhǎng)PEMFC的使用壽命起著至關(guān)重要的作用。特別是對(duì)于車(chē)用燃料電池，由于路況復(fù)雜，負(fù)荷需求頻繁，對(duì)PEMFC的動(dòng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)跟蹤提出了更高的要求。在眾多的特性中，進(jìn)入陰極的空氣流量和陰極壓力無(wú)疑是兩個(gè)最關(guān)鍵的變量。低空氣流量會(huì)導(dǎo)致氧饑餓破壞聚合物電解膜(PEM)，而當(dāng)不同道路條件下車(chē)輛的功率需求變化時(shí)，高空氣流量會(huì)增加寄生功率。另一方面，空氣流量的變化會(huì)影響陰極壓力。高陰極壓力可以提高空氣通過(guò)擴(kuò)散層到達(dá)催化層的速率，從而提高催化速率。但同時(shí)，陰極與陽(yáng)極之間的瞬時(shí)壓差會(huì)影響PEM，從而對(duì)PEMFC造成不可逆的損傷。如何設(shè)計(jì)控制器將進(jìn)入陰極的空氣流量和壓力解耦是研究的重要問(wèn)題之一。

綜上所述，目前需要設(shè)計(jì)一種更新式的燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)控制器將進(jìn)入陰極的空氣流量和壓力解耦的問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的解耦控制方法，包括以下步驟：

步驟一、建立燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)模型，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(mén)建模；

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(guò)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(lái)表示壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)靜態(tài)電機(jī)方程得出壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，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；

步驟二、控制器的設(shè)計(jì),包括以下步驟：

1)模型線性化：

2)外部干擾估計(jì)策略，依次包括以下步驟：

參考信號(hào)的設(shè)計(jì)；擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)：反饋控制律。

在上述方案中，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(guò)ESO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(lái)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。

本發(fā)明的有益效果：

1.實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制目標(biāo)，將進(jìn)氣流量和壓力進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)控制輸入進(jìn)行協(xié)同控制。

2.本發(fā)明提出了一個(gè)仿射形式的二階系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)有益于控制器的設(shè)計(jì)，在該模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，提高模型的精度。

3.本發(fā)明結(jié)合模型線性化與外部干擾估計(jì)策略，用于跟蹤進(jìn)入陰極流量和陰極壓力。此控制方法具有簡(jiǎn)單且直觀的結(jié)構(gòu)，并且不僅具有良好的性能，而且對(duì)未知的模型不確定性和擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；