CN110350221A - 一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，具体包括：获取用于描述燃料电池加载电流至输出功率的映射关系的标称模型，将其与被控燃料电池并联；将被控燃料电池的实际输出功率与标称模型得出的功率作偏差，得到功率偏差值；结合燃料电池需求功率和功率偏差值利用内模控制器得到燃料电池需求电流值；将被控燃料电池实际空气流量值反馈至电流调节器，结合燃料电池需求电流值计算得到被控燃料电池实际加载电流值；根据燃料电池需求电流值经查表分别得到空气流量设定值和空气压力设定值；利用空气流量设定值和空气压力设定值经解耦后对燃料电池中的空压机和背压阀进行闭环控制。与现有技术相比，本发明具有鲁棒性好，动态跟踪性能好等优点。

Description

一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统控制技术领域，尤其是涉及一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法。

背景技术

燃料电池是一种将燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能通过电化学反应转化为电能的装置。作为能源装置，燃料电池需要快速响应外部功率需求，在各种工况下均有较高的稳态精度以及在工况变化时具有较好的动态特性，并且要求控制策略具有一定的鲁棒性，能抑制外部扰动和燃料电池衰退等导致的模型参数摄动。此外，在功率需求变化时，由于空气供应系统动态响应滞后，在功率突增时容易出现“缺氧”现象，造成电压瞬间下降，达不到需求功率，甚至损害燃料电池寿命，且空气流量和空气压力相互耦合，提高了控制的难度。本发明可应用于车载燃料电池系统。目前现有技术如下：

专利文献1(CN 102522581 A)提供了一种用于车用燃料电池发电系统的加减载控制方法，加载时设定一个最大功率增量，根据整车需求功率整车和目前燃料电池的加载功率的差值与其进行比较来确定加载量，并计算出燃料电池发电系统准备输出的允许功率，根据所算出的允许加载功率，调节对应的燃料电池发电系统参数，反复循环加载至整车功率等于允许功率。依此类推，循环加载至整车所需功率。减载时，直接减载，减载完成后然后调节对应的燃料电池发电系统参数。

专利文献2(CN 108110282 A)提供了一种燃料电池发动机功率控制方法，根据燃料电池发动机功率反应特性，按功率范围从小到大等分为多个功率区间，在各个功率区间设定最大加载幅度和最大减载幅度，当燃料电池发动机的需求功率发生改变时，通过识别功率变化幅度调节所需空气流量的供给策略。

专利文献1和专利文献2都通过划分不同功率区间和限制功率变化幅度按时间步长来调节功率，该方法能降低缺氧风险，但变载速率设置难以保证最优，导致快速性差，且控制精度较低。此外传统PID控制方法无法兼顾快速性和鲁棒性，在功率需求动态变化时控制精度较低，跟随性和稳定性较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取用于描述燃料电池加载电流至输出功率的映射关系的标称模型将其与被控燃料电池并联；

步骤2：将被控燃料电池的实际输出功率P_e与标称模型得出的功率P_e’作偏差，得到功率偏差值e_p；

步骤3：结合燃料电池需求功率P_req和功率偏差值e_p利用内模控制器C₁得到燃料电池需求电流值I_req；

步骤4：将被控燃料电池实际空气流量值m_out反馈至电流调节器C₂，结合燃料电池需求电流值I_req计算得到被控燃料电池实际加载电流值I_set；

步骤5：根据燃料电池需求电流值I_req经查表分别得到空气流量设定值m_set和空气压力设定值p_set；

步骤6：根据空气流量设定值m_set、反馈的空气流量实际值m_out和空气压力设定值p_set、空气压力实际值p_out，经解耦后对燃料电池中的空压机和背压阀进行闭环控制。

进一步地，所述的步骤1中的标称模型的描述公式为：

式中，P_ed和I_d分别为线性化平衡点处输出功率和加载电流。

进一步地，所述的步骤3中的内模控制器C₁的描述公式为：

式中，C₁(s)表示拉普拉斯域下的内模控制器，T表示滤波器时间常数，r为用于保证内模控制器为真的选取值。

进一步地，所述的步骤4包括以下分步骤：

步骤41：将被控燃料电池实际空气流量值反馈至电流调节器C₂，由被控燃料电池实际空气流量值m_out和过氧比下限值λ_min计算得到可加载电流值I’_max；

步骤42：比较燃料电池需求电流值I_req和可加载电流值I’_max并取小作为被控燃料电池实际加载电流值I_set。

进一步地，所述步骤41中的可加载电流值I’_max的计算公式为：

式中，F表示法拉第常数，表示空气中氧气的摩尔分数，n_cell表示燃料电池单体片数，M_air表示空气分子量。

进一步地，所述步骤42中的被控燃料电池实际加载电流值I_set的计算公式为

I_set＝min{I_req,I’_max}

式中，min{}表示取小。

进一步地，所述的步骤6包括以下分步骤：

步骤61：获取燃料电池空气供应系统流量、压力与空压机转速、背压阀之间的映射关系；

步骤62：根据空气流量设定值m_set、空气压力设定值p_set和被控燃料电池实际空气流量值m_out、空气压力实际值p_out，利用解耦控制器C₃得到空压机转速设定值n_set和背压阀开度设定值θ_set并按照得到数值闭环控制燃料电池中的空压机和背压阀。

进一步地，所述步骤61中的映射关系的描述公式为：

式中，G_n11(s)、G_n12(s)、G_n21(s)和G_n22(s)为映射关系矩阵的元素，m_d、p_d、n_d和θ_d为线性化平衡点处空气流量、空气压力、空压机转速和背压阀开度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明能快速稳定提供燃料电池所需功率，在各个工况下均有较高的稳态精度以及在工况变化时具有较好的动态特性，跟踪性能好。

(2)本发明通过调节内模控制器滤波时间常数使系统具有良好动态性能的同时，能抑制外部扰动及燃料电池衰退导致的模型参数摄动对功率的影响，整体方法具有较好的鲁棒性。

(3)本发明结合解耦控制解决了空气供应系统中空气流量和压力存在较强耦合性的问题，避免缺氧导致的燃料电池输出功率降低，从而实现燃料电池快速稳定地响应功率需求，实现了空气流量和压力的快速稳定控制。

(4)由于本发明具有电流调节器C₂，避免了由于空气供应系统动态响应滞后，在功率突增出现的“缺氧”现象，保证了稳定的功率输出，延长了燃料电池的使用寿命。

(5)本发明由图1可得，所设计的控制器结构简单，参数调节单一，计算方便。

附图说明

图1为本发明的控制方法框图；

图2为本发明中燃料电池加载电流至输出功率映射关系的运行辨识示意图；

图3为本发明中空气供应系统部分的运行辨识示意图；

图4为本发明中的解耦控制器结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种基于内模的燃料电池功率闭环控制技术，包括以下步骤：

1)采用M序列辨识方法，如图2所示，由实验数据辨识得到燃料电池加载电流I_set至输出功率P_e的映射关系，为标称模型

式中，P_ed和I_d分别为线性化平衡点处输出功率和加载电流。

将标称模型与被控燃料电池并联。

2)将被控燃料电池实际输出功率P_e与标称模型计算功率P_e’作偏差，得到功率偏差值e_p。

3)根据需求燃料电池功率P_req和功率偏差值e_p，内模控制器C₁计算需求燃料电池电流值I_req。内模控制器C₁由标称模型和内模控制器滤波器f(s)确定：

其中T为滤波器时间常数。选取r以保证内模控制器为真。

4)将被控燃料电池实际空气流量值m_out反馈至电流调节器C₂输入端，计算被控燃料电池实际加载电流值I_set。电流调节器C₂具体为：

41)由被控燃料电池实际空气流量值m_out和过氧比下限值λ_min计算可加载电流值I’_max：

式中，F表示法拉第常数，表示空气中氧气的摩尔分数，n_cell表示燃料电池单体片数，M_air表示空气分子量。

42)比较可加载电流值I’_max与需求燃料电池电流值I_req大小，取较小值作为被控燃料电池实际加载电流值I_set：

I_set＝min{I_req,I’_max}

式中，min{}表示取小。

5)根据需求燃料电池电流I_req，查表LUT1得到空气流量设定值m_set。LUT1由目标过氧比λ_set确定：

6)根据需求燃料电池电流I_req，查表LUT2得到空气压力设定值p_set。

7)空气流量和空气压力采用解耦控制，解耦控制器C₃采用前馈补偿解耦方式，实现具体步骤为：

71)如图3所示，通过实验辨识得到燃料电池空气供应系统流量、压力与空压机转速、背压阀开度之间的映射关系G_n(s)：

其中，m_d,p_d,n_d,θ_d为线性化平衡点处空气流量、空气压力、空压机转速和背压阀开度。

72)如图4所示，C₃₁，C₃₂为PID控制器，前馈补偿解耦器为

根据空气流量设定值m_set、空气压力设定值p_set和反馈的空气流量实际值m_out、空气压力实际值p_out，解耦控制器C₃得到空压机转速设定值n_set和背压阀开度设定值θ_set。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：获取用于描述燃料电池加载电流至输出功率的映射关系的标称模型将其与被控燃料电池并联；

步骤2：将被控燃料电池的实际输出功率P_e与标称模型得出的功率P_e’作偏差，得到功率偏差值e_p；

步骤3：结合燃料电池需求功率P_req和功率偏差值e_p利用内模控制器C₁得到燃料电池需求电流值I_req；

步骤4：将被控燃料电池实际空气流量值m_out反馈至电流调节器C₂，结合燃料电池需求电流值I_req计算得到被控燃料电池实际加载电流值I_set；

步骤5：根据燃料电池需求电流值I_req经查表分别得到空气流量设定值m_set和空气压力设定值p_set；

步骤6：根据空气流量设定值m_set、反馈的空气流量实际值m_out和空气压力设定值p_set、空气压力实际值p_out，经解耦后对燃料电池中的空压机和背压阀进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤1中的标称模型的描述公式为：

式中，P_ed和I_d分别为线性化平衡点处输出功率和加载电流。

3.根据权利要求1所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤3中的内模控制器C₁的描述公式为：

式中，C₁(s)表示拉普拉斯域下的内模控制器，T表示滤波器时间常数，r为用于保证内模控制器为真的选取值。

4.根据权利要求1所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下分步骤：

步骤41：将被控燃料电池实际空气流量值反馈至电流调节器C₂，由被控燃料电池实际空气流量值m_out和过氧比下限值λ_min计算得到可加载电流值I’_max；

步骤42：比较燃料电池需求电流值I_req和可加载电流值I’_max并取小作为被控燃料电池实际加载电流值I_set。

5.根据权利要求4所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述步骤41中的可加载电流值I’_max的计算公式为：

式中，F表示法拉第常数，表示空气中氧气的摩尔分数，n_cell表示燃料电池单体片数，M_air表示空气分子量。

6.根据权利要求4所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述步骤42中的被控燃料电池实际加载电流值I_set的计算公式为

I_set＝min{I_req,I’_max}

式中，min{}表示取小。

7.根据权利要求1所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤6包括以下分步骤：

步骤61：获取燃料电池空气供应系统流量、压力与空压机转速、背压阀之间的映射关系；

步骤62：根据空气流量设定值m_set、空气压力设定值p_set和被控燃料电池实际空气流量值m_out、空气压力实际值p_out，利用解耦控制器C₃得到空压机转速设定值n_set和背压阀开度设定值θ_set并按照得到数值闭环控制燃料电池中的空压机和背压阀。

8.根据权利要求7所述的一种基于内模的燃料电池功率闭环控制方法，其特征在于，所述步骤61中的映射关系的描述公式为：

式中，G_n11(s)、G_n12(s)、G_n21(s)和G_n22(s)为映射关系矩阵的元素，m_d、p_d、n_d和θ_d为线性化平衡点处空气流量、空气压力、空压机转速和背压阀开度。