[發明專利]一種基于壓力補償的燃料電池供給路解耦控制方法

有效

• 申請號: 202010696902.9
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111769312B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 宋大鳳;曾繁勇;曾小華;雷宗坤;楊麗麗;梁偉智;寧競
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04992;H01M8/04746;H01M8/04089;H01M8/04082
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

1.一種基于壓力補償的燃料電池供給路解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、根據電化學反應機理和實驗測試結果建立燃料電池電堆的輸出電壓模型；

步驟二、對燃料電池空氣供給系統分別建立壓力動態模型和流量動態模型；

步驟三、確定燃料電池電堆的過氧比參考值；

步驟四、基于步驟三確定的燃料電池電堆過氧比參考值，通過補償背壓提升燃料電池的輸出功率，提出壓力補償因子κ_air；

步驟五、根據步驟四引入的壓力補償因子后，分別為建立流量環和壓力環建立反饋控制器，為實現流量-壓力的聯合控制，設計流量-壓力自抗擾控制器，建立相應擴展狀態變量的狀態空間方程，完成流量-壓力動態解耦控制器的設計；

(1)在所述步驟二中，所述的壓力動態模型為：

式中：W_sm,out為電堆排氣流量，C_d為噴嘴流量系數，P_sm為進氣壓力，r_v為背壓閥開口半徑，γ為氣體在固定壓力下的比熱系數，M_a為干空氣的摩爾質量，R為氣體常數，T為氣體溫度，P_atm為大氣壓力，P_rm為背壓，θ為背壓閥角度，V_sm為進氣管路體積，W_cp為進氣質量流量；

(2)在所述步驟二中，所述的流量動態模型為：

式中：h(ω,P_sm)表示為空壓機下游空氣質量流量是空壓機角速度和壓縮比的函數，ω^*為壓縮機參考角轉速，T_m為與壓縮機本身有關的時間常數；

(3)將所述(1)中的流量動態模型和所述(2)中的壓力動態模型進行進一步的歸納：

式中：

(4)在所述的步驟三中，所述的燃料電池電堆的過氧比參考值根據陰極氧氣進氣量與消耗量的比值，過氧比需要保持在最佳的參考工作點附近使得系統凈功率最大；

(5)在所述的步驟四中，還包括：將不同的特征電流密度對應的電堆功率輸出隨背壓變化的數據通過數值分析的方法，提出壓力補償因子κ_air：

式中；I為電流，單位為A；

(6)在所述的步驟五中，還包括：建立與進氣質量流量W_cp和壓力P_sm有關的擴展系統狀態變量x_2,1和x_2,2，u₁和u₂分別表示為背壓閥開度θ和壓縮機參考角速度ω^*的系統控制輸入，選取系統的進氣質量流量和壓力為輸出量，分別為y₁和y₂；其狀態空間表達式為：

式中，需要確定的狀態觀測器增益參數包括l_1,1、l_1,2、l_2,1和l_2,2，令：

式中，α_i,j滿足：

對于參數ι_o,1和ι_o,2，在控制器設計過程中，根據自抗擾控制原理，為提升估計的性能，設置較大的ι_o,1和ι_o,2；

進氣-背壓耦合系統的自抗擾控制律為：

式中，r₁和r₂分別為控制器的參考進氣質量流量和參考壓力，進氣質量流量r₁由負載需求和過氧比計算得到，進氣壓力是大氣壓與壓力補償因子乘積的相關狀態量；b₁和b₂由被控對象特性決定的控制參數，需要參考系統的工作點范圍確定該值；

系統的進氣質量流量和壓力分別為：

式中：增益參數k₁和k₂基于控制目標進行調整。