CN111769312B - 一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法，通过补偿燃料电池系统的进气压力优化电堆的输出能力。本发明包括：步骤一、对燃料电池系统建立供给路动态模型；步骤二、确定燃料电池电堆的过氧比参考值；步骤三、通过补偿燃料电池系统的背压提升系统的输出功率，提出压力补偿因子κair；步骤四、根据自抗扰控制思想设计燃料电池系统供给路流量‑压力动态解耦控制器。本发明利用流量‑压力动态解耦控制器以削减流量‑压力的耦合作用，为实现整体提升燃料电池系统的功率水平提供设计指导。

Description

一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法
技术领域
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。
发明内容
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：
Figure BDA0002591455840000021
Figure BDA0002591455840000022
Figure BDA0002591455840000023
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：
Figure BDA0002591455840000031
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：
Figure BDA0002591455840000032
式中：
Figure BDA0002591455840000033
(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
Figure BDA0002591455840000034
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：
Figure BDA0002591455840000041
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：
Figure BDA0002591455840000042
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：
Figure BDA0002591455840000043
式中，αi,j满足：
Figure BDA0002591455840000044
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：
Figure BDA0002591455840000051
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：
Figure BDA0002591455840000052
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：
Figure BDA0002591455840000061
Figure BDA0002591455840000062
Figure BDA0002591455840000063
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：
Figure BDA0002591455840000071
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：
Figure BDA0002591455840000072
式中：
Figure BDA0002591455840000073
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：
Figure BDA0002591455840000074
过氧比需要保持在最佳的参考工作点
Figure BDA0002591455840000075
附近使得系统净功率最大，如果 过氧比
Figure BDA0002591455840000076
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
Figure BDA0002591455840000077
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：
Figure BDA0002591455840000081
式中；I为电流。
表1
Figure BDA0002591455840000082
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：
Figure BDA0002591455840000083
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：
Figure BDA0002591455840000084
式中，αi,j满足：
Figure BDA0002591455840000091
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：
Figure BDA0002591455840000092
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：
Figure BDA0002591455840000093
式中：增益参数k1和k2基于控制目标进行调整。

Claims (1)

1.一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法，其特征在于，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；
(1)在所述步骤二中，所述的压力动态模型为：
Figure FDA0003527410340000011
Figure FDA0003527410340000012
Figure FDA0003527410340000013
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：
Figure FDA0003527410340000021
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：
Figure FDA0003527410340000022
式中：
Figure FDA0003527410340000023
(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
Figure FDA0003527410340000024
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：
Figure FDA0003527410340000025
式中；I为电流，单位为A；
(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x2,1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：
Figure FDA0003527410340000031
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：
Figure FDA0003527410340000032
式中，αi,j满足：
Figure FDA0003527410340000033
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：
Figure FDA0003527410340000034
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：
Figure FDA0003527410340000041
式中：增益参数k1和k2基于控制目标进行调整。
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车用质子交换膜燃料电池空气供应系统自适应解耦控制方法研究;周苏 等;《汽车工程》;20200302;第42卷(第2期);第172-177页 *

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CN111769312A (zh) 2020-10-13

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