[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

本發明涉及一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，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。與現有技術相比，本發明具有無需線性化處理、不依賴能觀矩陣、自適應噪聲變化、避免非正定等優點。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其是涉及一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法。

背景技術

隨著全世界汽車保有量的日益增多，能源緊缺和環境污染問題愈發凸顯，發展新能源汽車將對全球汽車和能源產業格局以及社會經濟發展產生重大深遠的影響，質子交換膜燃料電池(PEMFC)汽車因其加氫時間短、一次加氫續駛里程長等優勢而可望成為未來新能源汽車主導性技術。

但是，燃料電池汽車大規模商業化應用受到耐久性和可靠性制約，在動態車用工況下，不足的燃料電池供氣會導致燃料電池內部發生局部或全局缺氣現象，一旦電池內部發生缺氣，則會出現碳支撐層腐蝕、催化劑溶解、電池反極、等效活性面積下降等現象，最終電池性能下降，壽命衰退，為此，需要對燃料電池內部狀態進行反饋控制，然而目前內部氣體狀態的測量方法僅有電路板分區測量和質譜儀分析法，但這些方法無法在實車上應用，只適用于實驗室單片測量，因此，需要開發適用于燃料電池實車應用的內部狀態的獲取方式。

中國專利CN108241128提出了一種燃料電池內部狀態估計方法，但其觀測器依賴于能觀矩陣的計算，而能觀矩陣的計算則依賴李導數的計算，該方法的計算成本較大，不適用于實車控制器應用，此外，一旦燃料電池系統模型的階數增多或模型復雜后，滿足收斂要求的能觀矩陣難以獲取。

為此，需要開發一種更容易實施、更適用于實車控制器的內部狀態觀測方法。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種質子交換膜燃料電池內部狀態觀測方法，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。

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。

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。

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。

所述的燃料電池系統集總參數模型的狀態方程具體為：