CN111009674B - 一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法。包括以下步骤：Step1:建立PEMFC动态水管理模型，主要包括：阴极水平衡模型、阳极水平衡模型、膜水合模型、电压模型。Step2：利用自抗扰控制技术的抗干扰和抑制性能对燃料电池动态水管理模型进行湿度控制，通过控制阴极进气湿度来调节电池工作湿度。Step3：利用Matlab和Simulink进行仿真分析，同时将自抗扰控制技术的湿度控制与传统的PID控制和模糊PID控制方法进行对比。与传统PID控制器和模糊PID控制器相比，本发明的自抗扰控制器改善了质子交换膜燃料电池湿度的抗干扰与跟踪控制性能，具有更高的控制精度、更快的响应速度和更小的超调量，更能满足控制的需求。

Description

一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制 方法

技术领域：

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池是目前应用最广泛的燃料电池之一。质子交换膜燃料电池的水含量对其导电性具有关键作用。水含量太低导致膜干燥，增加了离子电阻及欧姆损耗，加剧了电压降。水含量太高会导致“水淹”，阻塞多孔通道，降低反应物到催化剂位点的传输速率。不适当的湿度条件不仅会降低燃料电池的性能和效率，甚至会导致内部组件如催化剂或膜的不可逆的降解。这将导致催化剂在交替的干湿条件下脱落并且损坏膜。因此，采用高效的控制方法对质子交换膜燃料电池膜的湿度进行控制显得至关重要。然而，在质子交换膜燃料电池动态系统中，由于许多变量相互关联，例如质量传递现象，操作温度，入口气体的相对湿度等，所以控制膜中的水含量是有挑战性的。在动态过程中，质子交换膜燃料电池内部参数具有很强的非线性和不确定性，给水管理控制带来了很大的困难。若能以全干扰的形式处理燃料电池电堆压力、工作温度等未知动态扰动，则通过对全干扰的一次估计和消除，可以大大降低控制设计的难度。自抗扰控制(ADRC) 策略为这种干扰估计和消除提供了一种手段。本发明根据质子交换膜燃料电池的动态特性，利用自抗扰控制的干扰估计和抑制功能，提出了一种高效的质子交换膜燃料电池湿度调节干扰抑制方案。

发明内容：

本发明的主要目的是针对PEMFC动态系统中水管理现有技术中存在的缺陷，提供了一种基于自抗扰控制技术的PEMFC湿度控制方法，通过控制阴极进气湿度来调节燃料电池的工作湿度，有效减少电池湿度在动态负载下的波动，确保电池湿度保持在最佳工作状态，有效提高电池的性能。

技术方案：

本发明所述的基于自抗扰控制技术的PEMFC湿度控制方法，包括以下步骤：

Step1:建立PEMFC动态水管理模型，主要包括：阴极水平衡模型、阳极水平衡模型、膜水合模型、电压模型。

Step2：利用自抗扰控制技术的抗干扰和抑制性能对燃料电池动态水管理模型进行湿度控制，通过控制阴极进气湿度来调节电池工作湿度，利用扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，确保电池湿度保持在最佳状态，提高电池性能。

Step3：利用Matlab和Simulink进行仿真分析，同时将自抗扰控制技术的湿度控制与传统的PID控制和模糊PID控制方法进行对比，突出本发明的优势。

Step4：分析验证了不同温度下自抗扰控制技术的湿度控制的抗干扰性能和跟踪性能，确保了本发明在不同温度场合下的有效性和可靠性。

Step5：结合自抗扰控制技术的湿度控制系统的实际应用，进行了实验研究，并与仿真数据进行了比较，实验结果与仿真数据误差很小，说明本发明是可行的。

有益效果：本发明公开了一种基于自抗扰控制技术的质子交换膜燃料电池水管理控制方法；与传统PID控制器和模糊PID控制器相比，本发明的自抗扰控制器改善了质子交换膜燃料电池湿度的抗干扰与跟踪控制性能，具有更高的控制精度、更快的响应速度和更小的超调量，更能满足控制的需求。

附图说明：

图1为本发明技术流程图；

图2为本发明具体实施方式中基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池水管理结构图；

图3为本发明具体实施方式中基于自抗扰控制的质子交换膜燃料电池湿度结构图

图4为本发明具体实施方式中质子交换膜燃料电池动态系统中基于自抗扰控制、PID控制和模糊-PID控制三种方法的仿真结果对比图

图4(a)为本发明具体实施方式中三种控制方法作用下的阴极进气湿度仿真结果对比图

图4(b)为本发明具体实施方式中三种控制方法作用下的阴极相对湿度仿真结果对比图

图4(c)为本发明具体实施方式中三种控制方法作用下的膜的含水量仿真结果对比图

图5为本发明具体实施方式中基于自抗扰控制、PID控制和模糊 -PID控制的质子交换膜燃料电池阴极入口湿度的相对误差曲线

图6为本发明具体实施方式中基于自抗扰控制、PID控制和模糊 -PID控制三种方法的质子交换膜燃料电池发电效率的仿真结果对比图

图7为本发明具体实施方式中在不同温度下基于自抗扰控制、 PID控制和模糊-PID控制三种方法的质子交换膜燃料电池阴极进气湿度和阴极相对湿度的仿真结果对比图

图7(a)为本发明具体实施方式中在343K下基于自抗扰控制、 PID控制和模糊-PID控制三种方法的质子交换膜燃料电池阴极进气湿度和阴极相对湿度的仿真结果对比图

图7(b)为本发明具体实施方式中在363K下基于自抗扰控制、 PID控制和模糊-PID控制三种方法的质子交换膜燃料电池阴极进气湿度和阴极相对湿度的仿真结果对比图

图8为本发明具体实施方式中基于自抗扰控制的质子交换膜燃料电池输出电压的仿真与实验结果对比图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明所述的基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池水管理控制方法，包括以下步骤：

Step1:建立PEMFC动态水管理模型，主要包括：阴极水平衡模型、阳极水平衡模型、膜水合模型、电压模型。

Step2：利用自抗扰控制技术的抗干扰和抑制性能对燃料电池动态水管理模型进行湿度控制，通过控制阴极进气湿度来调节电池工作湿度，利用扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，确保电池湿度保持在最佳状态，提高电池性能。

进一步，自抗扰控制算法可以表示为：

跟踪微分器(TD)以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度的设定值 v₀作为输入，并获得输入信号v₁：

其中h为采样周期，具有快速收敛特性，fal(v₁-v₀,α₀,δ₀)对输入噪声具有良好的滤波效果。其公式表示如下：

其中，δ是过滤因子，α是非线性因子。

扩张状态观测器(ESO)以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度y和自抗扰控制的控制量u作为输入量来估计系统的各种状态变量和外部扰动，从而提高控制器的控制能力。

其中y是输出的被控对象，z₁和z₂分别是y的跟踪信号和外部干扰w(T)的观测值，β₀₁、β₀₂是输出误差校正增益，b是补偿因子。

非线性状态误差反馈控制器(NSEFL)将跟踪微分器和扩张状态观测器的误差信号集成到非线性处理中，得到输出u。

其中β是反馈控制律的比例系数。

进一步，质子交换膜燃料电池阴极相对湿度可表示为：

其中，W_v,ca,in＝W_ca×RH_ca,in，所以方程(1)可以进一步表示为：

为了设计质子交换膜燃料电池电堆系统的自抗扰控制器，将所有未知部件视为总干扰f_total：

值得注意的是，自抗扰控制的思想是为了补偿整个干扰中的所有干扰和不确定性，因此没有必要考虑总干扰的具体内部形式。

控制变量的增益是：

进一步，质子交换膜燃料电池阴极相对湿度又可表示为：

因此，控制系统可以进一步表示为：

其中RHca,in为阴极进气湿度。

Step3：利用Matlab和Simulink进行仿真分析，同时将自抗扰控制技术的湿度控制与传统的PID控制和模糊PID控制方法进行对比，突出本发明的优势。

Step4：分析验证了不同温度下自抗扰控制技术的湿度控制的抗干扰性能和跟踪性能，确保了本发明在不同温度场合下的有效性和可靠性。

Step5：结合自抗扰控制技术的湿度控制系统的实际应用，进行了实验研究，并与仿真数据进行了比较，实验结果与仿真数据误差很小，说明本发明是可行的。

本方法的实验平台由一个质子交换膜燃料电池电堆、加湿器、控制器、湿度传感器、压力传感器与若干通讯设备组成。该系统由上位机控制，所有设备都与其直接通讯。电堆湿度由出口湿度间接显示，布置于其中的湿度传感器将湿度信号转换为电信号并由放大器放大后进入数据采集模块，传达给上位机。上位机计算控制量后送还给数据输出模块，对阴极进气湿度进行控制。

图1为本发明技术流程图，通过阅读文献，模型搭建，数值仿真，实验研究等几步来实现。

图2为基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池水管理结构图。通过控制质子交换膜燃料电池阴极的进气湿度来控制阴极的相对湿度，是电池的工作湿度保持在最佳状态。

图3为基于自抗扰控制的质子交换膜燃料电池湿度控制结构图。自抗扰控制算法应用到质子交换膜燃料电池湿度控制进一步表示如下：

1、跟踪微分器(TD)以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度的设定值v₀作为输入，并获得输入信号v₁：

其中h为采样周期，具有快速收敛特性，fal(v₁-v₀,α₀,δ₀)对输入噪声具有良好的滤波效果。其公式表示如下：

其中，δ是过滤因子，α是非线性因子。

2、扩张状态观测器(ESO)以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度y 和自抗扰控制的控制量u作为输入量来估计系统的各种状态变量和外部扰动，从而提高控制器的控制能力。

其中y是输出的被控对象，z₁和z₂分别是y的跟踪信号和外部干扰w(T)的观测值，β₀₁、β₀₂是输出误差校正增益，b是补偿因子。

3、非线性状态误差反馈控制器(NSEFL)将跟踪微分器和扩张状态观测器的误差信号集成到非线性处理中，得到输出u。

其中β是反馈控制律的比例系数。

4、质子交换膜燃料电池阴极相对湿度可表示为：

其中，W_v,ca,in＝W_ca×RH_ca,in，所以方程(5)可以进一步表示为：

为了设计质子交换膜燃料电池电堆系统的自抗扰控制器，将所有未知部件视为总干扰f_total：

值得注意的是，自抗扰控制的思想是为了补偿整个干扰中的所有干扰和不确定性，因此没有必要考虑总干扰的具体内部形式。

控制变量的增益是：

进一步，质子交换膜燃料电池阴极相对湿度又可表示为：

因此，控制系统可以进一步表示为：

其中RH_ca,in为阴极进气湿度。

图4为质子交换膜燃料电池动态系统中基于自抗扰控制、PID控制和模糊-PID控制方法的仿真结果对比图。在自抗扰控制下的响应时间仅为0.4s，而PID和模糊-PID分别为1.2s和0.7s。在自抗扰控制的作用下，阴极入口湿度比PID控制和模糊-PID控制更快。图 4(b)和图4(c)分别为三个控制器作用下质子交换膜燃料电池阴极相对湿度和膜的含水量的变化曲线。当负载电流逐步变化时，三种控制器可使质子交换膜燃料电池阴极相对湿度保持在100％，调节时间不超过3s。自抗扰控制器的控制效果明显优于其它两种控制器。在自抗扰控制作用下，质子交换膜燃料电池的湿度变化范围小于2％，膜的含水量的变化范围小于1，系统稳定时无静态误差。自抗扰控制器除了具有较高的控制精度外，具有较快的动态响应速度，比模糊-PID 控制调整时间短0.3s，比PID控制器减少了至少0.6s。

图5为基于自抗扰控制、PID控制和模糊-PID控制的质子交换膜燃料电池阴极入口湿度的相对误差曲线。为更好地说明控制品质，引入相对误差(RE)判断指标，其定义为

在动态负载运行过程中，传统PID控制和模糊-PID控制方法的相对误差分别达到28％和16.5％，而自抗扰控制的相对误差始终小于 7.5％，大大减小了质子交换膜燃料电池动态运行的波动。相比传统 PID控制和模糊-PID控制，自抗扰控制器在湿度控制方面的优势可见一斑。

图6为基于自抗扰控制、PID控制和模糊-PID控制方法的质子交换膜燃料电池发电效率的仿真结果对比图。自抗扰控制下的质子交换膜燃料电池发电效率分别比PID控制和模糊-PID控制提高了2.36％和1.48％，表明自抗扰控制对质子交换膜燃料电池湿度的控制有效地提高了电堆的效率。

图7为在不同温度下基于自抗扰控制、PID控制和模糊-PID控制方法的质子交换膜燃料电池阴极进气湿度和阴极相对湿度的仿真结果对比图。质子交换膜燃料电池点堆的温度对阴极相对湿度和膜的含水量有很大的影响。所以，本发明对不同温度下质子交换膜燃料电池电堆湿度的控制进行了探讨。由图7所示，随着温度的升高，阴极入口湿度增加。这是因为随着温度的升高，电堆中大量的液态水变成水蒸气，随着气体从电池中流出，从而增加了入口湿度。在不同温度下，自抗扰控制的阴极相对湿度比PID和模糊-PID控制的响应速度快，超调量小，稳定性好。

图8为基于自抗扰控制的质子交换膜燃料电池输出电压的仿真与实验结果对比图。在对自抗扰控制器湿度控制性能进行理论研究的基础上，通过实验验证了本发明控制策略的有效性。实验条件与模拟条件完全相似。图8显示了仿真结果与实验数据的比较。相对误差小于4％，从而保证了本发明控制策略的准确性。

Claims (1)

1.一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法；其特征在于提供了一种基于自抗扰控制技术的PEMFC湿度控制方法，通过控制阴极进气湿度来调节燃料电池的工作湿度，有效减少电池湿度在动态负载下的波动，确保电池湿度保持在最佳工作状态，有效提高电池的性能；包括以下几个步骤：

Step1：建立PEMFC动态水管理模型，包括：阴极水平衡模型、阳极水平衡模型、膜水合模型、电压模型；

①阴极水平衡模型；

阴极中水的平衡方程定义为：

W代表质量流速，单位为Kg/sec；W_v，ca，in，W_v，ca，out分别为阴极水蒸气进口和出口流速，流过膜的水的流速W_v，menbr由膜的湿度决定，假设阴极中液态水并未流出阴极，因此，流出阴极的液态水的速率W_l，ca，out为零；

利用电化学原理计算燃料电池反应消耗的氧气和产生的水：

式中，n为电堆中电池的个数，F为法拉第常数；

②阳极水平衡模型；

阳极中水的控制方程定义为：

W_v，an，in，W_v，an，out分别为阳极水蒸气进口和出口流速，假设阳极中液态水并未流出阳极，因此，流出阳极的液态水的速率W_l，an，out也为零；

③膜水合模型；

水在PEMFC膜中的传输过程有两种形式：电渗透与“反向扩散”；假设水浓度在膜厚度上线性变化；结合两种水传输机制，水从阳极到阴极流过膜的流速为：

式中，t_m为膜的厚度，M_v为空气的摩尔质量分数，A_fc为电池活化面积，I_st为负载电流，电渗因数n_d和扩散因数D_w是关于膜的含水量λ_m的函数；

④电压模型

电压是电流、阴极压力、反应物分压、温度和膜湿度的函数，表示如下：

V_st＝E-V_activation-V_ohmic-V_concentrate (5)

式中，E为开路电压，V_activation为激活电压损耗，V_ohmic为欧姆电压损耗，V_concentrate为浓度电压损耗；

Step2：利用自抗扰控制技术的抗干扰和抑制性能对燃料电池动态水管理模型进行湿度控制，通过控制阴极进气湿度来调节电池工作湿度，利用扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，确保电池湿度保持在最佳状态，提高电池性能；

进一步，自抗扰控制算法可以表示为：

跟踪微分器以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度的设定值v0作为输入，并获得输入信号v1：

其中h为采样周期，具有快速收敛特性，fal(v₁-v₀，α₀，δ₀)对输入噪声具有良好的滤波效果；其公式表示如下：

其中，δ是过滤因子，α是非线性因子；

扩张状态观测器以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度y和自抗扰控制的控制量u作为输入量来估计系统的各种状态变量和外部扰动，从而提高控制器的控制能力；

其中y是输出的被控对象，z1和z2分别是y的跟踪信号和外部干扰的观测值，β01、β02是输出误差校正增益，b是补偿因子；

非线性状态误差反馈控制器将跟踪微分器和扩张状态观测器的误差信号集成到非线性处理中，得到输出u；

其中β是反馈控制律的比例系数；

质子交换膜燃料电池阴极相对湿度可表示为：

其中，W_v，ca，in＝W_ca×RH_ca，in，所以方程(10)可以进一步表示为：

为了设计质子交换膜燃料电池电堆系统的自抗扰控制器，将所有未知部件视为总干扰f_total：

f_total＝(-W_v，ca，out-W_l，ca，out+W_v，vc，gen+W_v，membr)× (12)(12)

控制变量的增益是：

质子交换膜燃料电池阴极相对湿度又可表示为：

控制系统可以进一步表示为：

其中RH_ca，in为阴极进气湿度；

Step3：利用Matlab和Simulink进行仿真分析，同时将自抗扰控制技术的湿度控制与传统的PID控制和模糊PID控制方法进行对比；

Step4：验证不同温度下自抗扰控制技术的湿度控制的抗干扰性能和跟踪性能，确保了所述质子交换膜燃料电池湿度控制方法在不同温度场合下的有效性和可靠性；

Step5：结合自抗扰控制技术的湿度控制系统的实际应用，进行了实验研究。

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