CN110414157B - 质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，首次应用电流变化率作为控制量，实现系统功率跟踪。为确保燃料电池的高效安全运行，综合考虑了燃料电池外界负载、阴极空气流量、阳极氢气流量和电堆工作温度变化对电池输出特性的影响，并设计了一种多目标滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的输出功率、阴极空气流量、阴、阳极压差和电堆温度进行控制，在确保跟踪负载需求功率的同时，最大化系统的输出功率。

Description

质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法的设计。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一个复杂的非线性系统，其瞬态工况下的动态响应一直是研究的热点。燃料电池系统工作过程中，压缩机为燃料电池提供空气(氧气)，是燃料电池系统的重要组成部分，且压缩机消耗的功率占整个系统功率的10％-30％，是功耗最大的辅助设备，因此，对压缩机的有效控制能够提高系统的效率。同时，氢气作为燃料电池正常工作所需的反应物之一，其流量大小直接关系到燃料电池系统发电效率。氢气流量过小会导致氢气供应不足，也会导致阴、阳极两侧压差较大，对质子交换膜造成损伤，从而影响燃料电池寿命；而流量过大会造成燃料的不必要浪费，降低燃料的利用率，因此有必要建立氢气循环系统模型，对阳极氢气流量进行控制，在确保燃料电池阴、阳极两侧压力相等的同时，提高氢气的利用率。另外，燃料电池工作过程中会产生大量的热，引起电堆温度升高。温度升高会增加化学反应速率和水活性，从而影响电荷和反应物的输运，而过高的温度会影响电堆内部催化剂的活性，影响电堆的性能和使用寿命。温度过低，电堆输出性能较差，也会影响电堆效率。在以往的文献中，对质子交换膜燃料电池系统的控制方法都只考虑上述单一因素，其控制结果并不精确，无法保证最大化系统的输出功率，进而造成了资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有对质子交换膜燃料电池系统的控制方法都只考虑单一因素，无法保证最大化系统的输出功率的问题，提出了一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法。

本发明的技术方案为：质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，包括以下步骤：

S1、根据质子交换膜燃料电池系统的电流变化率与外界负载需求功率的关系，建立质子交换膜燃料电池功率跟踪模型。

S2、根据质子交换膜燃料电池系统的阴极空气流量与空气压缩机电压的关系，建立质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型。

S3、根据质子交换膜燃料电池系统的阴、阳极压差与阳极一次流流量的关系，建立质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型。

S4、根据质子交换膜燃料电池系统的电堆温度与冷却水流量的关系，建立质子交换膜燃料电池电堆温度模型。

S5、综合质子交换膜燃料电池功率跟踪模型、质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型、质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型和质子交换膜燃料电池电堆温度模型，建立质子交换膜燃料电池系统滑模控制器。

S6、采集质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差以及电堆温度。

S7、设置质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值。

S8、将质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差、电堆温度、外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值输入质子交换膜燃料电池系统滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的电流变化率、空气压缩机电压、阳极一次流流量以及冷却水流量进行控制。

进一步地，步骤S1中建立的质子交换膜燃料电池功率跟踪模型为：

其中V_st为燃料电池输出电压，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，T_st为电堆温度，I为燃料电池系统电流，P_st为燃料电池最大输出功率，P为外界负载需求功率，P_battery为锂电池功率，

为燃料电池系统的电流变化率，上标·表示该参数的一阶导数。

进一步地，步骤S2中建立的质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型为：

其中J_cp为空气压缩机转动惯量，τ_cm为空气压缩机的电机转矩，τ_cp为空气压缩机的负载转矩，ω_cp为空气压缩机的转速，t为时间，k_t、k_v和R_cm均为电机常数，η_cp为空气压缩机的效率，η_cm为电机的机械效率，V_cm为空气压缩机电压，C_p为空气定压比热容，γ为空气比热容系数，W_cp为阴极空气流量，P_sm为阴极供应管压力，P_atm为环境压力，T_atm为环境温度。

进一步地，步骤S3中建立的质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型为：

其中P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，P_v,an为阳极水蒸气压力，P_v,ca为阴极水蒸气压力，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，

为阴极氮气压力，R为通用气体常数，T_st为电堆温度，V_ca、V_an分别为阴、阳极体积，

为氢气的摩尔质量，wan,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，I为燃料电池系统电流，

为水的摩尔质量，A_FC为质子交换膜的有效反应面积，N_d为电渗透系数，i为电堆电流密度，D_w为水的扩散系数，

分别为阴、阳极水的浓度，l为质子交换膜厚度，

分别为阴、阳极生成的液态水的质量流量，

为氧气的摩尔质量，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，

和m_ca分别为阴极氧气、氮气和混合气体的质量，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，

为氮气的摩尔质量，上标·表示该参数的一阶导数。

进一步地，步骤S4中建立的质子交换膜燃料电池电堆温度模型为：

其中m_st为电堆质量，C_P,st为电堆的定压比热容，E₀为氢气的高热能，V_st为燃料电池输出电压，T_st、T_an、T_ca、T_amb、T_cw,in和T_cw,out分别为电堆温度、阳极气体温度、阴极气体温度、环境温度、冷却水入口温度和冷却水出口温度，k_conv,an、k_conv,ca和k_conv,amb分别为阳极气体对流传热系数、阴极气体对流传热系数和环境对流传热系数，

为冷却水的定压比热容，m_cw为冷却水的质量流量，I为燃料电池系统电流，t表示时间；

m_v,an分别为氢气质量和阳极水蒸气质量，

分别为水蒸气和氢气的定压比热容，ω_an,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，T_an,in为阳极入口气体温度，ω_an,out为流出阳极的水蒸气的质量分数，

为阳极氢气压力，

为阳极水蒸气压力，A_sy为二次流入口气体有效截面积，R为通用气体常数，γ为空气比热容系数，η_s为二次流路径效率，

为氢气的摩尔质量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，T₀表示环境温度；

和m_v,ca分别为阴极氧气质量、氮气质量和水蒸气质量，

分别为氧气和氮气的定压比热容，T_ca,in为阴极入口气体温度，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，m_ca为阴极混合气体的质量，

为氧气的摩尔质量。

进一步地，步骤S5中建立的质子交换膜燃料电池系统滑模控制器为：

其中s_i表示第i个滑模面，i＝1,2,3,4，P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，W_cp为阴极空气流量，W_cp,ref为阴极空气流量参考值，T_st为电堆温度，T_st,ref为电堆温度参考值，P为外界负载需求功率，P_ref为外界负载需求目标功率，u₁、u₂、u₃、u₄分别表示阳极一次流流量、压缩机电压、冷却水流量和电流变化率，上标·表示该参数的一阶导数，ΔP₁(x)、ΔP₂(x)、λ₁(x)、λ₂(x)、λ₃(x)、T₁(x)、T₂(x)、P₁(x)和P₂(x)均为状态量。

进一步地，步骤S7中阴极空气流量参考值W_cp,ref设置为：

其中M_H2O为水蒸气的摩尔质量，M_air为空气的摩尔质量，

为周围环境中空气的相对湿度，P_atm为环境压力，

为环境中饱和水蒸气压力，λ为过氧比，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，

为氧气的质量分数，I为燃料电池系统电流。

进一步地，步骤S7中电堆温度参考值T_st,ref设置为：

T_st,ref＝343K

其中K表示温度单位开尔文。

本发明的有益效果是：本发明首次应用电流变化率作为控制量，实现系统功率跟踪。为确保燃料电池的高效安全运行，综合考虑了燃料电池外界负载、阴极空气流量、阳极氢气流量和电堆工作温度变化对电池输出特性的影响，并设计了一种多目标滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的输出功率、阴极空气流量、阴、阳极压差和电堆温度进行控制，在确保跟踪负载需求功率的同时，最大化系统的输出功率。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池系统滑模控制器示意图。

图3所示为本发明实施例提供的负载需求功率示意图。

图4所示为本发明实施例提供的电堆功率跟踪控制效果示意图。

图5所示为本发明实施例提供的电流变化率示意图。

图6所示为本发明实施例提供的负载电流示意图。

图7所示为本发明实施例提供的空气压缩机电压示意图。

图8所示为本发明实施例提供的过氧比控制效果示意图。

图9所示为本发明实施例提供的阳极一次流流量示意图。

图10所示为本发明实施例提供的阳极压力跟踪控制效果示意图。

图11所示为本发明实施例提供的冷却水流量示意图。

图12所示为本发明实施例提供的电堆温度控制效果示意图。

图13所示为本发明实施例提供的负载需求功率示意图。

图14所示为本发明实施例提供的燃料电池功率跟踪示意图。

图15所示为本发明实施例提供的电流示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S8：

S1、根据质子交换膜燃料电池系统的电流变化率与外界负载需求功率的关系，建立质子交换膜燃料电池功率跟踪模型。

质子交换膜燃料电池功率跟踪模型具体为：

其中V_st为燃料电池输出电压，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，T_st为电堆温度，I为燃料电池系统电流，P_st为燃料电池最大输出功率，P为外界负载需求功率，P_battery为锂电池功率，

为燃料电池系统的电流变化率，上标·表示该参数的一阶导数。

当外界负载需求功率P小于燃料电池最大输出功率P_st时，负载功率由唯一燃料电池提供，在外界负载需求功率P大于燃料电池最大输出功率P_st时，燃料电池输出功率达到最大值，剩余部分功率由锂电池功率P_battery提供。

S2、根据质子交换膜燃料电池系统的阴极空气流量与空气压缩机电压的关系，建立质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型。

燃料电池系统工作过程中，空气压缩机为燃料电池提供空气(氧气)，是燃料电池系统的重要组成部分，且空气压缩机消耗的功率占整个系统功率的10％-30％，是功耗最大的辅助设备，因此，对空气压缩机的有效控制能够提高系统的效率。为保证燃料电池输出功率最大化，需对空气压缩机进行控制。

本发明实施例中建立的质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型为：

其中J_cp为空气压缩机转动惯量，τ_cm为空气压缩机的电机转矩，τ_cp为空气压缩机的负载转矩，ω_cp为空气压缩机的转速，t为时间，k_t、k_v和R_cm均为电机常数，η_cp为空气压缩机的效率，η_cm为电机的机械效率，V_cm为空气压缩机电压，C_p为空气定压比热容，γ为空气比热容系数，W_cp为阴极空气流量，P_sm为阴极供应管压力，P_atm为环境压力，T_atm为环境温度。

S3、根据质子交换膜燃料电池系统的阴、阳极压差与阳极一次流流量的关系，建立质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型。

氢气作为燃料电池正常工作所需的反应物之一，其流量大小直接关系到燃料电池系统发电效率。氢气流量过小会导致氢气供应不足，同时，阴、阳极两侧压差较大，会对质子交换膜造成损伤，从而影响燃料电池寿命；而流量过大会造成燃料的不必要浪费，降低燃料的利用率。其次，阳极氢气流量对电压的输出性能影响较小，因此有必要建立氢气循环系统模型，对阳极氢气流量进行控制，在确保燃料电池高效安全运行的同时，提高氢气的利用率。因此，阳极氢气流量的控制目标即为，燃料电池工作过程中，阳极压力能时刻跟踪阴极压力，本发明实施例中建立的质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型为：

其中P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，P_v,an为阳极水蒸气压力，P_v,ca为阴极水蒸气压力，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，

为阴极氮气压力，R为通用气体常数，T_st为电堆温度，V_ca、V_an分别为阴、阳极体积，

为氢气的摩尔质量，wan,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，I为燃料电池系统电流，

为水的摩尔质量，A_FC为质子交换膜的有效反应面积，N_d为电渗透系数，i为电堆电流密度，D_w为水的扩散系数，

分别为阴、阳极水的浓度，l为质子交换膜厚度，

分别为阴、阳极生成的液态水的质量流量，

为氧气的摩尔质量，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，

和m_ca分别为阴极氧气、氮气和混合气体的质量，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，

为氮气的摩尔质量，上标·表示该参数的一阶导数。

S4、根据质子交换膜燃料电池系统的电堆温度与冷却水流量的关系，建立质子交换膜燃料电池电堆温度模型。

燃料电池工作过程中会产生大量的热，引起电堆温度升高。温度升高会增加化学反应速率和水活性，从而影响电荷和反应物的输运，而过高的温度会影响电堆内部催化剂的活性，影响电堆的性能和使用寿命。温度过低，电堆输出性能较差，也会影响电堆效率。因此，需要将温度控制在合理的工作温度范围。在现有技术中，通常使用冷却水出口温度作为电堆温度进行控制器设计，而实际中，电堆阴、阳极气体出口温度更接近电堆温度，故本发明实施例提出了一种用电堆阴、阳极气体出口温度与冷却水出口温度的均值估计电堆温度的方法，建立的质子交换膜燃料电池电堆温度模型为：

其中m_st为电堆质量，C_P,st为电堆的定压比热容，E₀为氢气的高热能，V_st为燃料电池输出电压，T_st、T_an、T_ca、T_amb、T_cw,in和T_cw,out分别为电堆温度、阳极气体温度、阴极气体温度、环境温度、冷却水入口温度和冷却水出口温度，k_conv,an、k_conv,ca和k_conv,amb分别为阳极气体对流传热系数、阴极气体对流传热系数和环境对流传热系数，

为冷却水的定压比热容，m_cw为冷却水的质量流量，I为燃料电池系统电流，t表示时间。

阳极气体温度模型为：

其中

m_v,an分别为氢气质量和阳极水蒸气质量，

分别为水蒸气和氢气的定压比热容，ω_an,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，T_an,in为阳极入口气体温度，ω_an,out为流出阳极的水蒸气的质量分数，

为阳极氢气压力，

为阳极水蒸气压力，A_sy为二次流入口气体有效截面积，R为通用气体常数，γ为空气比热容系数，η_s为二次流路径效率，

为氢气的摩尔质量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，T₀表示环境温度。

阴极气体温度模型为：

其中

和m_v,ca分别为阴极氧气质量、氮气质量和水蒸气质量，

分别为氧气和氮气的定压比热容，T_ca,in为阴极入口气体温度，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，m_ca为阴极混合气体的质量，

为氧气的摩尔质量。

本发明实施例提出的电堆温度估计值为：

S5、综合质子交换膜燃料电池功率跟踪模型、质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型、质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型和质子交换膜燃料电池电堆温度模型，建立质子交换膜燃料电池系统滑模控制器。

由于燃料电池是一个多输入多输出的复杂非线性系统，为了实现燃料电池的系统控制，本发明实施例针对燃料电池系统设计了一种非线性的滑模变结构控制器，选择滑模面为：

其中s_i表示第i个滑模面，i＝1,2,3,4，r为相对阶，σ是一个常数，控制器相对阶为r＝1时，有：

为消除稳态误差，设计带有积分项的滑模控制器如下：

其中，s为滑模面，e为系统输出值与参考值的偏差，ε、k、b为控制器的调优参数，则滑模控制器的控制律为:

结合燃料电池系统的控制目标，设定系统跟踪有界参考信号h_ref＝[h_1,ref,h_2,ref,h_3,ref,h_4,ref]^T，定义跟踪误差为：

e＝h_i(x)-h_i,ref＝[h₁(x)-h_1,ref,h₂(x)-h_2,ref,h₃(x)-h_3,ref,h₄(x)-h_4,ref]T

滑模面为：

s＝e＝h_i(x)-h_i,ref；i＝1,2,3,4

其中h_i(x)表示系统输出信号，设计滑模控制器方程为：

其中，r为控制器相对阶数，由于控制系统相对阶都为1，所以燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差以及电堆温度的滑模控制器设计可通过下式进行推导：

其中s_i表示第i个滑模面，i＝1,2,3,4，P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，W_cp为阴极空气流量，W_cp,ref为阴极空气流量参考值，T_st为电堆温度，T_st,ref为电堆温度参考值，P为外界负载需求功率，P_ref为外界负载需求目标功率，u₁、u₂、u₃、u₄分别表示阳极一次流流量、压缩机电压、冷却水流量和电流变化率，ΔP₁(x)、ΔP₂(x)、λ₁(x)、λ₂(x)、λ₃(x)、T₁(x)、T₂(x)、P₁(x)和P₂(x)均为状态量，其具体表达式为：

S6、采集质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差以及电堆温度。

S7、设置质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值。

本发明实施例中，阴极空气流量参考值W_cp,ref设置为：

其中M_H2O为水蒸气的摩尔质量，M_air为空气的摩尔质量，

为周围环境中空气的相对湿度，P_atm为环境压力，

为环境中饱和水蒸气压力，λ为过氧比，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，

为氧气的质量分数，I为燃料电池系统电流。

电堆温度参考值T_st,ref设置为：

T_st,ref＝343K

其中K表示温度单位开尔文。

S8、将质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差、电堆温度、外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值输入质子交换膜燃料电池系统滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的电流变化率、空气压缩机电压、阳极一次流流量以及冷却水流量进行控制。

本发明实施例中，采用质子交换膜燃料电池系统滑模控制器对质子交换膜燃料电池系统的电流变化率、空气压缩机电压、阳极一次流流量以及冷却水流量进行控制的过程如图2所示。图3-图15为控制器作用下滑模控制器的控制效果图。给定图3所示负载需求功率，由图4-图12可以看到，在控制器作用下，在负载功率跟踪、阴极压力跟踪、过氧比控制和电堆温度的控制中，滑模控制器的动态响应较快，且抗干扰性较强，能够实现质子交换膜的高效安全运行。由于汽车工作过程中，瞬态负载需求功率可能大于燃料电池最大输出功率，此时燃料电池输出功率不足以满足负载功率需求，燃料电池输出功率达到最大值，剩余部分功率由锂电池提供。给定图13所示负载需求功率，仿真结果如图14和图15所示，瞬态工况下，负载功率大于75KW时，燃料电池输出功率达到最大值75KW，剩余部分功率由锂电池提供。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据质子交换膜燃料电池系统的电流变化率与外界负载需求功率的关系，建立质子交换膜燃料电池功率跟踪模型；

S2、根据质子交换膜燃料电池系统的阴极空气流量与空气压缩机电压的关系，建立质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型；

S3、根据质子交换膜燃料电池系统的阴、阳极压差与阳极一次流流量的关系，建立质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型；

S4、根据质子交换膜燃料电池系统的电堆温度与冷却水流量的关系，建立质子交换膜燃料电池电堆温度模型；

S5、综合质子交换膜燃料电池功率跟踪模型、质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型、质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型和质子交换膜燃料电池电堆温度模型，建立质子交换膜燃料电池系统滑模控制器；

S6、采集质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差以及电堆温度；

S7、设置质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值；

S8、将质子交换膜燃料电池系统的外界负载需求功率、阴极空气流量、阴、阳极压差、电堆温度、外界负载需求目标功率、阴极空气流量参考值、阴、阳极压差参考值以及电堆温度参考值输入质子交换膜燃料电池系统滑模控制器，对质子交换膜燃料电池系统的电流变化率、空气压缩机电压、阳极一次流流量以及冷却水流量进行控制。

2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S1中建立的质子交换膜燃料电池功率跟踪模型为：

其中V_st为燃料电池输出电压，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，T_st为电堆温度，I为燃料电池系统电流，P_st为燃料电池最大输出功率，P为外界负载需求功率，P_battery为锂电池功率，

为燃料电池系统的电流变化率，上标·表示该参数的一阶导数。

3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S2中建立的质子交换膜燃料电池阴极空气供给模型为：

其中J_cp为空气压缩机转动惯量，τ_cm为空气压缩机的电机转矩，τ_cp为空气压缩机的负载转矩，ω_cp为空气压缩机的转速，t为时间，k_t、k_v和R_cm均为电机常数，η_cp为空气压缩机的效率，η_cm为电机的机械效率，V_cm为空气压缩机电压，C_p为空气定压比热容，γ为空气比热容系数，W_cp为阴极空气流量，P_sm为阴极供应管压力，P_atm为环境压力，T_atm为环境温度。

4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S3中建立的质子交换膜燃料电池阳极氢气供给模型为：

其中P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，P_v,an为阳极水蒸气压力，P_v,ca为阴极水蒸气压力，

为阳极氢气压力，

为阴极氧气压力，

为阴极氮气压力，R为通用气体常数，T_st为电堆温度，V_ca、V_an分别为阴、阳极体积，

为氢气的摩尔质量，wan,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，I为燃料电池系统电流，

为水的摩尔质量，A_FC为质子交换膜的有效反应面积，N_d为电渗透系数，i为电堆电流密度，D_w为水的扩散系数，

分别为阴、阳极水的浓度，l为质子交换膜厚度，

分别为阴、阳极生成的液态水的质量流量，

为氧气的摩尔质量，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，

和m_ca分别为阴极氧气、氮气和混合气体的质量，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，

为氮气的摩尔质量，上标·表示该参数的一阶导数。

5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S4中建立的质子交换膜燃料电池电堆温度模型为：

其中m_st为电堆质量，C_P,st为电堆的定压比热容，E₀为氢气的高热能，V_st为燃料电池输出电压，T_st、T_an、T_ca、T_amb、T_cw,in和T_cw,out分别为电堆温度、阳极气体温度、阴极气体温度、环境温度、冷却水入口温度和冷却水出口温度，k_conv,an、k_conv,ca和k_conv,amb分别为阳极气体对流传热系数、阴极气体对流传热系数和环境对流传热系数，

为冷却水的定压比热容，m_cw为冷却水的质量流量，I为燃料电池系统电流，t表示时间；

m_v,an分别为氢气质量和阳极水蒸气质量，

分别为水蒸气和氢气的定压比热容，ω_an,in表示进入阳极的水蒸气的质量分数，W_P为阳极一次流流量，T_an,in为阳极入口气体温度，ω_an,out为流出阳极的水蒸气的质量分数，

为阳极氢气压力，

为阳极水蒸气压力，A_sy为二次流入口气体有效截面积，R为通用气体常数，γ为空气比热容系数，η_s为二次流路径效率，

为氢气的摩尔质量，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，T₀表示环境温度；

和m_v,ca分别为阴极氧气质量、氮气质量和水蒸气质量，

分别为氧气和氮气的定压比热容，T_ca,in为阴极入口气体温度，ω_ca,in为进入阴极的水蒸气的质量分数，K_sm,out和K_down,ca均为流量系数，ω_ca,out为流出阴极的水蒸气的质量分数，P_sm、P_ca和P_rm分别为阴极供应管、阴极和回流管的压力，m_ca为阴极混合气体的质量，

为氧气的摩尔质量。

6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S5中建立的质子交换膜燃料电池系统滑模控制器为：

其中s_i表示第i个滑模面，i＝1,2,3,4，P_an为阳极气体压力，P_ca为阴极气体压力，W_cp为阴极空气流量，W_cp,ref为阴极空气流量参考值，T_st为电堆温度，T_st,ref为电堆温度参考值，P为外界负载需求功率，P_ref为外界负载需求目标功率，u₁、u₂、u₃、u₄分别表示阳极一次流流量、压缩机电压、冷却水流量和电流变化率，上标·表示该参数的一阶导数，ΔP₁(x)、ΔP₂(x)、λ₁(x)、λ₂(x)、λ₃(x)、T₁(x)、T₂(x)、P₁(x)和P₂(x)均为状态量。

7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S7中阴极空气流量参考值W_cp,ref设置为：

其中M_H2O为水蒸气的摩尔质量，M_air为空气的摩尔质量，

为周围环境中空气的相对湿度，P_atm为环境压力，

为环境中饱和水蒸气压力，λ为过氧比，N为电堆中的电池个数，F为法拉第常数，

为氧气的质量分数，I为燃料电池系统电流。

8.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池系统多目标滑模控制方法，其特征在于，所述步骤S7中电堆温度参考值T_st,ref设置为：

T_st,ref＝343K

其中K表示温度单位开尔文。

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