一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法与流程

本发明属于燃料电池系统领域，涉及一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法。

背景技术：

随着全球工业的迅速发展，世界能源的需求日益增长，而环境污染问题与能源危机的影响日趋加剧。燃料电池，作为一种新型的、高效的、无污染的清洁能源，具有广阔的运用市场，迅速的获得了各国政府和组织的青睐。

为保证燃料电池平稳、正常的工作，应保证燃料电池系统的氢气路和空气路供应满足需求。其中氢气的供应路在变载的过程控制策略只需满足压力的跟随，而相对于此的空气供给路的控制更为复杂。

当前针对燃料电池系统的空气供给路大都采用过氧比的控制方法，国内外已有大量的研究技术成果，比如基于模型预测的控制、基于线性二次高斯的控制和基于神经网络的控制等等。上述的各种控制方法对于燃料电池系统的过氧比调节各有优势，但是对于实际中的工程意义不太，对于燃料电池流量-压力强耦合系统的适应性不强。本发明针对流量-压力的强耦合问题，设计流量-压力动态解耦控制器以削弱流量-压力的耦合作用，对提升燃料电池系统的功率具有指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法。针对燃料电池的空气供给路系统在变载过程中的动态响应品质问题上提出一种削弱系统流量与压力的耦合强化问题，对于提升系统的功率水平，在实际的工程应用具有设计指导意义。

本发明采用如下的技术方案实现：

步骤一、根据电化学反应机理和实验测试结果建立燃料电池电堆的输出电压模型；

步骤二、对燃料电池空气供给系统分别建立压力动态模型和流量动态模型；

步骤三、确定燃料电池电堆的过氧比参考值；

步骤四、基于步骤三确定的燃料电池电堆过氧比参考值，通过补偿背压提升燃料电池的输出功率，提出压力补偿因子κair；

步骤五、根据步骤四引入的压力补偿因子后，分别为建立流量环和压力环建立反馈控制器，为实现流量-压力的联合控制，设计流量-压力自抗扰控制器，建立相应扩展状态变量的状态空间方程，完成流量-压力动态解耦控制器的设计；

(1)在所述步骤二中，所述的压力动态模型为：

式中：wsm,out为电堆排气流量，cd为喷嘴流量系数，psm为进气压力，rv为背压阀开口半径，γ为气体在固定压力下的比热系数，ma为干空气的摩尔质量，r为气体常数，t为气体温度，patm为大气压力，prm为背压，θ为背压阀角度，vsm为进气管路体积，wcp为进气质量流量；

(2)在所述步骤二中，所述的流量动态模型为：

式中：h(ω,psm)表示为空压机下游空气质量流量是空压机角速度和压缩比的函数，ω^*为压缩机参考角转速，tm为与压缩机本身有关的时间常数。

(3)将所述(1)中的流量动态模型和所述(2)中的压力动态模型进行进一步的归纳：

式中：

(4)在所述的步骤三中，所述的燃料电池电堆的过氧比参考值根据阴极氧气进气量与消耗量的比值，过氧比需要保持在最佳的参考工作点附近使得系统净功率最大；

(5)在所述的步骤四中，还包括：将不同的特征电流密度对应的电堆功率输出随背压变化的数据通过数值分析的方法，提出压力补偿因子κair：

式中；i为电流。

(6)在所述的步骤五中，还包括：建立与进气质量流量wcp和压力psm有关的扩展系统状态变量x1,2和x2,2，u1和u2分别表示为背压阀开度θ和压缩机参考角速度ω^*的系统控制输入，选取系统的进气质量流量和压力为输出量，分别为y1和y2。其状态空间表达式为：

式中，需要确定的状态观测器增益参数包括l1,1、l1,2、l2,1和l2,2，令：

式中，αi,j满足：

对于参数ιo,1和ιo,2，在控制器设计过程中，根据自抗扰控制原理，为提升估计的性能，设置较大的ιo,1和ιo,2。

进气-背压耦合系统的自抗扰控制律为：

式中，r1和r2分别为控制器的参考进气质量流量和参考压力，进气质量流量r1由负载需求和过氧比计算得到，进气压力是大气压与压力补偿因子乘积的相关状态量。b1和b2由被控对象特性决定的控制参数，需要参考系统的工作点范围确定该值。

系统的进气质量流量和压力分别为：

式中：增益参数k1和k2基于控制目标进行调整。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对燃料电池的供给路系统运用背压补偿和流量控制的方法，设计流量-压力动态解耦控制器，削弱流量-压力的耦合作用，在电堆单体数目不变的情况下，从系统优化控制层面实现深度挖掘电堆的输出功率水平，改善燃料电池净功率输出性能。

附图说明

图1为本发明所述的控制方法流程图；

图2为本发明实施例的燃料电池系统的构型图；

图3为本发明设计的流量-压力双闭环控制结构；

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

步骤一、根据电化学反应机理和实验测试结果建立燃料电池电堆的输出电压模型；

步骤二、对燃料电池空气供给系统分别建立压力动态模型和流量动态模型；

步骤三、确定燃料电池电堆的过氧比参考值；

步骤四、基于步骤三确定的燃料电池电堆过氧比参考值，通过补偿背压提升燃料电池的输出功率，提出压力补偿因子κair；

步骤五、根据步骤四引入的压力补偿因子后，分别为建立流量环和压力环建立反馈控制器，为实现流量-压力的联合控制，设计流量-压力自抗扰控制器，建立相应扩展状态变量的状态空间方程，完成流量-压力动态解耦控制器的设计；

下面结合附图，对本发明所述的技术方案进行一步的说明。

首先，如图2所示的燃料电池系统的构型，在matlab/simulink仿真环境中根据其工作机理和物理特性建立数学模型，其中主要包括电堆、压缩机、中冷器、增湿器、高压氢气罐和阀体等。

根据步骤二所述，建立压缩机的压力动态模型为：

式中：wsm,out为电堆排气流量，cd为喷嘴流量系数，psm为进气压力，rv为背压阀开口半径，γ为气体在固定压力下的比热系数，ma为干空气的摩尔质量，r为气体常数，t为气体温度，patm为大气压力，prm为背压，θ为背压阀角度，vsm为进气管路体积，wcp为进气质量流量；

根据步骤二所述，建立空气供给管路的流量动态模型为：

式中：h(ω,psm)表示为空压机下游空气质量流量是空压机角速度和压缩比的函数，ω^*为压缩机参考角转速，tm为与压缩机本身有关的时间常数。

将以上的流量动态模型和压力动态模型进行进一步的归纳：

式中：

在步骤三中，所述的燃料电池电堆的过氧比参考值根据阴极氧气进气量与消耗量的比值，其表达式如下式所示：

过氧比需要保持在最佳的参考工作点附近使得系统净功率最大，如果过氧比过小，会引发燃料电池系统出现“氧饥饿”现象，导致电堆性能不足，如果过氧比过大，会引发燃料电池系统出现“氧饱和”现象，导致电堆寄生功率，净输出功率减少。考虑燃料电池系统要获得最佳的能耗，过氧比需控制在2～2.5范围内。

在步骤四中，将表1所示不同的特征电流密度对应的电堆功率输出随背压变化的数据通过数值分析的方法，提出压力补偿因子κair：

式中；i为电流。

表1

在步骤五中，如图3所示，建立与进气质量流量wcp和压力psm有关的扩展系统状态变量x1,2和x2,2，u1和u2分别表示为背压阀开度θ和压缩机参考角速度ω^*的系统控制输入，选取系统的进气质量流量和压力为输出量，分别为y1和y2。其状态空间表达式为：

式中，需要确定的状态观测器增益参数包括l1,1、l1,2、l2,1和l2,2，令：

式中，αi,j满足：

对于参数ιo,1和ιo,2，在控制器设计过程中，根据自抗扰控制原理，为提升估计的性能，设置较大的ιo,1和ιo,2。

进气-背压耦合系统的自抗扰控制律为：

式中，r1和r2分别为控制器的参考进气质量流量和参考压力，进气质量流量r1由负载需求和过氧比计算得到，进气压力是大气压与压力补偿因子乘积的相关状态量。b1和b2由被控对象特性决定的控制参数，需要参考系统的工作点范围确定该值。

系统的进气质量流量和压力分别为：

式中：增益参数k1和k2基于控制目标进行调整。