[發明專利]一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法

在審

• 申請號: 202010392793.1
• 申請日: 2020-05-11
• 公開（公告）號: CN111707945A
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 戴海峰;魏學哲;袁浩
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01R31/378
• 分類號: G01R31/378;G01R31/389;G01R31/36;G01R31/367;G06F17/15
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 楊宏泰

1.一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立燃料電池系統集總參數模型；

2)利用非線性最小二乘法和遺傳粒子群混合尋優算法對燃料電池系統集總參數模型進行參數辨識；

3)基于辨識后的燃料電池系統集總參數模型，采用自適應容積卡爾曼濾波算法建立燃料電池內部狀態觀測器；

4)將燃料電池系統可測量信號輸入到燃料電池內部狀態觀測器中，通過迭代計算使系統輸出誤差收斂在要求范圍內，實現內部狀態觀測。

2.根據權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的步驟1)中，根據質量守恒定律、理想氣體定律和假設條件建立的適用于實車控制器應用的燃料電池系統集總參數模型。

3.根據權利要求2所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的假設條件具體包括：

所有氣體均視為理想氣體；

內部氣體組分的壓力、溫度和濃度均勻分布；

不考慮熱力學動態過程，電池溫度視為恒定不變。

4.根據權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的燃料電池系統集總參數模型用以描述質子交換膜燃料電池的陰極內部氣體質量與外部輸入之間的耦合關系，具體包括空壓機模型、進氣歧管模型、電堆陰極腔體模型、排氣歧管模型和電化學電壓模型。

5.根據權利要求4所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的燃料電池系統集總參數模型的狀態方程具體為：

u＝[I_st,φ_ca,in,T_sm,T_rm]^T

y＝h(x)＝[ω_cp,p_sm,p_rm]^T

其中，為系統狀態變量，為系統狀態變量變化率，ω_cp為空壓機轉速、p_sm為進氣歧管壓力、為電堆內部氧氣質量、為電堆內部氮氣質量、p_rm為排氣歧管壓力，為可測量的輸出變量，為模型輸入向量，I_st為負載電流、φ_ca,in為陰極進氣濕度、T_sm為進氣溫度、T_rm為排氣溫度，f(x,u)為系統狀態方程。

6.根據權利要求5所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的步驟2)中，對燃料電池系統集總參數模型進行參數辨識使得參數向量下的燃料電池系統集總參數模型輸出值與實測值y_j的均方根誤差最小，則有：

其中，fit(·)為適應度函數，λ_opt為需要辨識得到的最優參數向量，N為采樣點總數，j為采樣點。

7.根據權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，其特征在于，所述的步驟3)中，采用三階容積卡爾曼濾波算法設計燃料電池內部狀態觀測器，通過采用自適應過程更新噪聲協方差，用以增加觀測器對不確定性的魯棒性，通過采用非奇異值分解來分解狀態協方差為防止狀態協方差在更新過程中引起非正定計算。