[发明专利]基于最大净功率策略的质子交换膜燃料电池空气供应系统控制

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术，尤其是质子交换膜燃料电池供气系统控制技术领域。 

背景技术

燃料电池技术是一种清洁能源技术，具有高效、环保等特点，被称为是21世纪最有前途的“绿色能源”技术，目前已受到世界各国的高度重视，在我国属国家能源领域的重点研发技术，尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC）除了具有燃料电池共有的污染低、燃料利用率高等优点外，还具有功率密度高、工作温度低、启动快、积木性强等优点，在便携式动力源、混合动力车辆及中小型分布式发电系统领域得到了高度重视。 

在PEMFC系统中，由于空气供应系统与氢气供应系统相比，具有相对缓慢的动态特性，导致电堆内部空气流量难于根据负载需求快速响应，而且由于不同系统过氧比OER会引起“氧饥饿”和“氧饱和”现象（OER为阴极入口供应的氧气质量流量F_O2,in与所消耗的氧气质量流量F_O2,ret之比），影响系统净功率最大限度地输出，因此采用有效的控制策略维持系统OER为相对最优值，对于改善PEMFC系统的净输出功率、维持系统稳定、延长系统使用寿命具有重要的意义。 

PEMFC电堆温度会受到环境温度、负载电流等因素的影响。如果电堆温度过高，将会造成水蒸汽饱和程度下降，质子膜出现“脱水”现象，增大水管理的难度，此时若提高散热器输出功率，将导致系统寄生功耗增大，使系统净输出功率降低；如果电堆温度过低，会导致系统输出功率减小、输出性能下降，无法满足负载需求。因此，系统 净输出功率会受到电堆运行温度的影响。 

目前，针对PEMFC系统净功率控制问题的研究成果相对较少。已提出的控制方法大部分都是基于“氧饥饿”问题动态模型进行控制策略设计，控制目标通常设定为常值OER，难于实现系统净功率的最大化输出，而且所采用控制方法大多是基于工作点近似线性化设计，只针对非线性系统的部分固有性质，也没有充分地考虑PEMFC系统在实际工作过程中受到外界干扰以及不确定性的影响，如忽略了环境噪声和非线性特性所引起的系统参数摄动，导致所设计的控制系统过于依赖精确的系统数学模型，难于满足在存在干扰、量测噪声及不确定性条件下的跟踪能力和抑制扰动能力要求。 

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种基于最大净功率策略的PEMFC空气供应系统预测自校正控制方法，实现系统在存在外界干扰、噪声及不确定性情况下，减少系统寄生功耗，提高系统净输出功率。 

本发明的目的通过如下手段来实现。 

分析质子交换膜燃料电池PEMFC系统最大净输出功率的最优化特征和优化求解“最优运行条件”。首先，根据1.2kW Nexa PEMFC系统的试验测试数据，分析基于电堆运行温度、OER和负载电流之间的净输出功率最优化特征，建立多维曲面模型。然后，根据分析结果，总结出电堆运行温度和OER的最优化运行边界条件，提出不同负载电流下的“最优运行条件”约束范围。最后，根据“最优运行条件”约束范围，建立“最优运行条件”目标函数，并采用一种基于有效信息的自适应粒子群优化算法求解“最优运行条件”[OER^*,T_st^*,I_net]。 

一种基于最大净功率策略的质子交换膜燃料电池空气供应系统控制，实现系统净功率的最大化输出，包括以下的手段： 

A、基于改进隐式广义预测自校正控制IGPC的空气供应控制系 统，采用滚动优化，反复在线对控制目标函数F在每个时刻进行优化，并根据并列预测器参数矩阵G，设计最优控制律；同时，在设计目标函数F时引入柔化控制参考轨迹w，具体形式如下：