[發(fā)明專(zhuān)利]一種燃料電池空氣供給系統(tǒng)建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110723340.7
• 申請(qǐng)日: 2021-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113422089A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳啟宏;閆豪;鄧志華;張立炎;周克亮;肖朋;賀遠(yuǎn)華
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M8/04298
• 分類(lèi)號(hào): H01M8/04298;G06F30/20;G06N3/08
• 代理公司: 武漢開(kāi)元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42104
• 代理人: 劉琳

本發(fā)明公開(kāi)了一種燃料電池空氣供給系統(tǒng)建模方法，所述方法包括步驟：S1)采集高保真度三階PEMFC空氣供給模型和實(shí)況運(yùn)行下的PEMFC空氣供給系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以陰極壓力代替氮?dú)夂脱鯕獾姆謮海⒌拿嫦蚩刂频娜A非線性PEMFC空氣供給系統(tǒng)模型；S2)利用深度自動(dòng)編碼器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)坐標(biāo)變換以獲得在降維空間中的稀疏特征數(shù)據(jù)；S3)設(shè)計(jì)字典學(xué)習(xí)模型，選擇多項(xiàng)式作為基函數(shù)構(gòu)建字典庫(kù)，以保證字典稀疏性；S4)采用稀疏回歸方法求解稀疏辨識(shí)模型；S5)利用得到的稀疏解重構(gòu)PEMFC空氣供給系統(tǒng)模型。本發(fā)明利用基于深度自動(dòng)編碼器的控制方法，從有限的測(cè)量數(shù)據(jù)中建立一個(gè)精確的面向控制的PEMFC空氣供給系統(tǒng)模型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供給系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種燃料電池空氣供給系統(tǒng)建模方法。

技術(shù)背景

隨著日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，人們對(duì)太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能和氫能等清潔能源的需求日漸迫切。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種新型的利用氫能產(chǎn)生電能的發(fā)電設(shè)備，以其能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、能量密度高、零污染等優(yōu)點(diǎn)，在電力、通信以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景，并被認(rèn)為是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)最有前途的電源之一。然而，在PEMFC電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化之前，仍然有三大障礙亟待解決，即耐久性、運(yùn)行成本和氫基礎(chǔ)設(shè)施不足。燃料電池空氣供給系統(tǒng)的運(yùn)行與PEMFC的耐久性和運(yùn)行成本密切相關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，由于燃料電池電化學(xué)反應(yīng)是微秒級(jí)，而空氣壓縮機(jī)需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的陰極供氣管道傳輸屬于分秒級(jí)，從而導(dǎo)致PEMFC在空氣供應(yīng)具有相當(dāng)大的時(shí)間延遲，尤其當(dāng)負(fù)載電流需求突然增加時(shí)，易導(dǎo)致陰極供氣嚴(yán)重不足，出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，從而加速PEMFC的性能退化和其輸出性能的降低。

上述情況將對(duì)PEMFC本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，并導(dǎo)致PEMFC的耐久性降低。反之，當(dāng)陰極供氣充足時(shí)，空氣壓縮機(jī)消耗的寄生功率較，導(dǎo)致PEMFC凈輸出功率較小，從而直接減小PEMFC系統(tǒng)輸出性能及增加運(yùn)行成本。現(xiàn)有研究表明，良好的空氣供給系統(tǒng)建模和控制可以提高PEMFC系統(tǒng)的凈輸出功率，從而提高系統(tǒng)效率，降低運(yùn)行成本。因此，建立一種準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、可解釋的空氣供給模型是保障系統(tǒng)良好運(yùn)行不可或缺的關(guān)鍵因素，同時(shí)為后續(xù)面向控制模型設(shè)計(jì)控制器提供準(zhǔn)確模型做鋪墊。

目前已有許多方法建立精確的面向控制的PEMFC空氣供給系統(tǒng)模型，如機(jī)理建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和混合建模。在眾多的機(jī)理建模方法中，其中建立PEMFC空氣供給系統(tǒng)的機(jī)理模型存在階數(shù)高，涉及的狀態(tài)變量多，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)控制器難度大。另外，不同的空氣壓縮機(jī)性能往往具有較大差異，導(dǎo)致建立的PEMFC空氣供給系統(tǒng)機(jī)理建模缺乏對(duì)實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述；為了提高空氣供給系統(tǒng)模型的普適性，進(jìn)一步提高模型精度，研究人員提出了混合建模方法，即結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和機(jī)理模型方法，雖然極大地提高模型精度但也增加模型的復(fù)雜性和建模難度。目前研究人員對(duì)供氣系統(tǒng)的機(jī)理研究還不足建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，同時(shí)存在不同空氣壓縮機(jī)型號(hào)和在負(fù)載功率變化下，還需要進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化甚至重新設(shè)計(jì)控制器；與機(jī)理建模和混合建模方法不同，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、通用，并且不需要對(duì)操作機(jī)構(gòu)有深入的理解，缺點(diǎn)是可解釋性低，需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

盡管現(xiàn)有的一些PEMFC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模研究已經(jīng)涉及到燃料電池空氣供氣系統(tǒng)，但是沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)空氣供給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模研究，并且沒(méi)有同時(shí)考慮通過(guò)采集有限時(shí)間序列測(cè)量數(shù)據(jù)從而建立可解釋性和高精度的空氣供氣模型這一挑戰(zhàn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于深度自動(dòng)編碼的稀疏辨識(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池空氣供給系統(tǒng)建模方法，利用深度自動(dòng)編碼器將高維數(shù)據(jù)特征通過(guò)坐標(biāo)變換到低維稀疏特征，從有限的測(cè)量數(shù)據(jù)中提取低維空間中的稀疏特征數(shù)據(jù)，建立一個(gè)精確的面向控制的PEMFC空氣供給系統(tǒng)模型。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種燃料電池空氣供給系統(tǒng)建模方法，其特殊之處在于，所述方法包括如下步驟：