具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法及系统与流程

本发明涉及燃料电池阴极空气供给领域，涉及一种具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法。

背景技术：

随着有限的自然能源不断减少，价格也在不断飙升，人们对环保意识不断增强，对减少co2的排放量、降低燃料费用的市场需求急速上升。新能源动力的开发与应用已经成为了世界能源领域中的一个重要研究热点，几乎每个国家都将它看成国家发展的战略高度。目前新能源汽车主要分为三大类：混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。氢燃料电池是车载燃料电池中最常用的一种，相比其他电池，氢燃料电池不需要存储电能，只要保证燃料的供给，燃料电池就可以持续工作，实现行驶里程长而且无需充电等待时间。相对于传统内燃机汽车，燃料电池直接将燃料中的化学能转化为电能，能量转换效率高而且排放有害气体几乎为零。综合这些因素，燃料电池被寄望于未来交通运输最佳动力源之一。

氢燃料电池的辅助系统有空压机，氢气循环泵，增湿器，冷却器等，燃料电池的输出性能与其工作条件有着十分重要的关系，空压机作为燃料电池阴极空气供给系统的主要元件，若空压机提供不足的空气量将引起燃料电池内部发生“饿氧”，使得工作效率下降，造成膜损坏，降低使用寿命；若供气过多，将间接造成空气“浪费”现象，从而导致辅件消耗的能量过多，燃料电池净输出功率降低。燃料电池过氧比指的是空压机提供的空气量与燃料电池实际反应所需的空气量的比值，因此对其精确控制是十分重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法，包括以下步骤：

步骤s1:构建燃料电池电化学输出特性模型以及非线性离心式空压机模型；

步骤s2:根据非线性离心式空压机模型，设计随机预测控制器，包含车速预测模块和燃料电池过氧比控制模块；

步骤s3:将车速传感器采集的实时的车速输入车速预测模块，预测得到未来n个时刻的车速序列，并通过车辆动力学方程以及燃料电池电化学输出特性模型，计算燃料电池电堆电流；

步骤s4:将燃料电池电堆电流作为扰动以及流量传感器实时测得的空压机输出流量输入到燃料电池过氧比控制模块，并预设燃料电池的目标过氧比，得到输出空压机的控制电压，实现对燃料电池过氧比的调节。

进一步的，所述车速预测模块采用的是马尔可夫预测方法，对应的输入量有车速传感器实时测得的车速，输出量是预测步长为3的未来车速序列，具体马尔可夫车速预测模型为:

将典型循环行驶工况导入，通过划分速度区间，计算速度的转移概率：

式中，pij是当前时刻速度为i,转移到下一时刻速度为j的概率；nij是当前时刻速度为i下一时刻速度为j的次数；q是划分后的速度区间个数。

通过计算速度转移概率，则得出速度转移概率矩阵：

根据所建立的马尔可夫预测模型，利用累计函数对当前车速进行随机预测，其预测步长为3。

进一步的，所述燃料电池过氧比控制模块采用模型预测控制来控制过氧比，对应的输入量包括燃料电池电堆电流、预设的目标过氧比、流量传感器测得的空压机实时输出流量及模型线性化过程中留下的常值干扰项，输出量是空压机的控制电压，具体为：

(1)根据非线性离心式空压机模型，利用泰勒展开等线性化方法，建立空压机角速度wcp、进气管路压力psm和进气管路质量msm的状态量模型，由状态模型可得出的过氧比与状态量、电流干扰量和空压机的控制电压之间的关系；

(2)利用所建立的状态模型，设计燃料电池过氧比控制模块，定义一个优化过氧比的目标函数j(y(t),ut)，求出最优解，即为输出的空压机的控制电压。

式中，r(z)是z时刻的目标参考值，y(z∣t)是在z时刻的基础上预测t时刻的过氧比，h是预测步长。

进一步的，包括依次连接的车速传感器、随机预测控制器、空压机驱动电路、空压机和质子交换膜燃料电池；还包括一流量传感器与空压机和随机预测控制器分别连接。

进一步的，所述随机预测控制器采用mpc5602p微控制器。

进一步的，所述空压机驱动电路包括irs2004s芯片，mos管，自举电路，电容和电阻，12v直流电源，200v直流电源；其中irs2004s芯片的引脚vcc与12v直流电源的正极相连，引脚in与mpc5602p单片机的d[12]口相连，引脚sd与mpc5602p单片机的d[13]口相连，引脚ho，lo高低输出端口，各自接上一个10k的电阻后与mos管的栅极连接,引脚vs与mos管1的源极和mos管2的漏极以及负载空压机相连，mos管1的漏极与200v的直流电源正极相连。

进一步的，所述自举电路由自举电容和二极管组成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明用马尔可夫车速预测具有随机性，提高了预测的精准度。通过设计模型预测控制器，控制燃料电池过氧比，具有响应快，实时控制且精度高、靠干扰性强等特点。为燃料电池提供合适的空气量，改善净输出功率。

附图说明

图1是本发明实施例中结构示意图；

图2是本发明实施例中马尔可夫预测过程的流程示意图，其中n是代表工况的循环时间长度；

图3是本发明实施例中马尔可夫预测过程所计算的速度概率转移矩阵；

图4是本发明实施例中车速预测示意图；

图5是本发明实施例中控制示意图；

图6是本发明实施例中一个基于mpc5602p微控制器的具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制系统；

图7是本发明实施例中空压机驱动电路示意图；

图中：1-流量传感器，2-空压机，3-驱动电路，4-车速传感器

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法，包括以下步骤：

步骤s1:构建燃料电池电化学输出特性模型以及非线性离心式空压机模型；

步骤s2:根据非线性离心式空压机模型，设计随机预测控制器，包含车速预测模块和燃料电池过氧比控制模块；

步骤s3:将车速传感器采集的实时的车速输入车速预测模块，预测得到未来n个时刻的车速序列，并通过车辆动力学方程以及燃料电池电化学输出特性模型，计算燃料电池电堆电流；

步骤s4:将燃料电池电堆电流作为扰动以及流量传感器实时测得的空压机输出流量输入到燃料电池过氧比控制模块，并预设燃料电池的目标过氧比，得到输出空压机的控制电压，实现对燃料电池过氧比的调节。

在本实施例中，所述车速预测模块采用的是马尔可夫预测方法，对应的输入量有车速传感器实时测得的车速，输出量是预测步长为3的未来车速序列，具体马尔可夫车速预测模型为:

将典型循环行驶工况导入，通过划分速度区间，计算速度的转移概率：

式中，pij是当前时刻速度为i,转移到下一时刻速度为j的概率；nij是当前时刻速度为i下一时刻速度为j的次数；q是划分后的速度区间个数。

通过计算速度转移概率，则得出速度转移概率矩阵：

根据所建立的马尔可夫预测模型，利用累计函数对当前车速进行随机预测，其预测步长为3。

在本实施例中，所述燃料电池过氧比控制模块采用模型预测控制来控制过氧比，对应的输入量包括燃料电池电堆电流、预设的目标过氧比、流量传感器测得的空压机实时输出流量及模型线性化过程中留下的常值干扰项，输出量是空压机的控制电压，具体为：

(1)根据非线性离心式空压机模型，利用泰勒展开等线性化方法，建立空压机角速度wcp、进气管路压力psm和进气管路质量msm的状态量模型，由状态模型可得出的过氧比与状态量、电流干扰量和空压机的控制电压之间的关系；

(2)利用所建立的状态模型，设计燃料电池过氧比控制模块，定义一个优化过氧比的目标函数j(y(t),ut)，求出最优解，即为输出的空压机的控制电压。

式中，r(z)是z时刻的目标参考值，y(z∣t)是在z时刻的基础上预测t时刻的过氧比，h是预测步长。

控制器的设计不仅考虑线性模型，还要准确的设置内部参数以及外部干扰量，即前述所计算的电堆电流。通过预测时域p和控制时域m的特性以及多次的仿真对比结果，选用p＝12，m＝6，其采样时间为1ms。

在本实施例中通过采用曼哈顿岛工况以及某款轿车，在变负载的情况下，来仿真验证该具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法。其中图4是车速的预测效果图，从图中可看出预测的时刻越近，预测的准确率越高，所以本实施例采用的是预测下一时刻的车速来做仿真。图5是燃料电池过氧比的控制效果图，根据仿真结果显示，所设计的具有随机预测功能的燃料电池过氧比控制方法能够精确地预测干扰，有效地实现对目标过氧比的控制，且系统响应速度快等特点。

本实施了例中设计一个基于mpc5602p微控制器的随机预测控制燃料电池过氧比控制系统，请参照图6，包括依次连接的车速传感器、mpc5602p微控制器、空压机驱动电路、空压机和质子交换膜燃料电池；还包括一流量传感器与空压机和随机预测控制器分别连接。前述仿真验证后的随机预测控制器算法可通过在第三方codewarrior编译环境下生成程序代码，利用mpc5602p芯片中的14-pin标准jtag仿真调试接口实现程序的烧写并在线调试。

在本实施例中，mpc5602p通过a[3]～a[7]口与流量传感器相连，以实时读取空压机输出流量，b[0]～b[2]口与车速传感器相连，进而实时读取车速。通过设置d[12]和d[13]口，作为逻辑电压输出，该信号用来调节空压机的驱动电路，使其输出相对应的pwm值，对空压机转速的进行控制，最终实现对燃料电池过氧比的调节。基于mpc5602p微控制器的随机预测控制的燃料电池过氧比控系统的输入量是流量传感器和车速传感器所测得的数据，通过控制算法输出逻辑电压来控制驱动芯片irs2004s，使其输出相应的pwm来控制空压机的转速，达到所设定的过氧比目标值。

在本实施例中，所述空压机驱动电路如图7所示，包括irs2004s芯片，mos管，自举电路，电容和电阻，12v直流电源，200v直流电源；其中irs2004s芯片的引脚vcc与12v直流电源的正极相连，引脚in与mpc5602p单片机的d[12]口相连，引脚sd与mpc5602p单片机的d[13]口相连，引脚ho，lo高低输出端口，各自接上一个10k的电阻后与mos管的栅极连接,引脚vs与mos管1的源极和mos管2的漏极以及负载空压机相连，mos管1的漏极与200v的直流电源正极相连。所述的自举电路由自举电容和二极管组成，主要作用是为驱动高输出端提供电压。当低输出端接通时，电源电压通过二级管对自举电容进行充电，使其两端压降达到12v左右，此时的vs引脚电压是0v；当低输出端口关闭时，高输出端口打开，vs引脚电压为12v，由于电容两端电压不能有突变现象，故为了维持电容的12v压降，vb引脚的电压将会上升至24v左右，并且该电压作为高输出端口的输出。自举电路中的二极管的作用是反向截止。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。