[发明专利]燃料电池空气供给系统模型预测控制方法

说明书

一种燃料电池空气供给系统模型预测控制方法，属于控制技术领域。本发明的目的是对质子交换膜燃料电池系统的过氧比进行调节，避免氧饥饿，以实现系统平稳运行的燃料电池空气供给系统模型预测控制方法。本发明步骤是：步骤一：建立高精度面向控制的燃料电池空气供给系统动态模型；步骤二：确定质子交换膜燃料电池系统的过氧比参考值；步骤三：采用扩展状态观测器对阴极内部压力值和系统扰动进行估计；步骤四：设计质子交换膜燃料电池系统的过氧比控制器。本发明利用扩展状态观测器对输出估计误差进行实时调节，同时输出误差能够在有限时间内收敛到零，实现对不可测量值阴极管道压力的准确估计。

技术领域

本发明属于控制技术领域，特别是涉及质子交换膜燃料电池技术。

背景技术

新能源电动汽车节能、环保，是汽车工业发展的必然趋势。因而开发低能耗和低排放的新型汽车成为当今世界汽车发展的方向。质子交换膜燃料电池作为电动汽车最重要的核心部件，影响着汽车的动力性、安全性和续航里程等性能。质子交换膜燃料电池是一种直接将氢气和氧气的化学能通过电化学反应转换为电能的发电装置，具有高效率、低噪声、适应不同功率需求、可快速补充能量、氢气来源丰富、无污染等特点。目前，车载燃料电池的研发在全世界范围内都受到了极其广泛的关注。

燃料电池空气供给系统是保证燃料电池系统正常稳定工作的一个重要子系统。但由于供气系统的时滞性，电池电堆需求气体流量不能快速跟随负载的变化。当负载突然增加时，电化学反应会消耗更多的氧气，如果空气供应不足，就会产生“氧气饥饿”，即产生氧匮乏现象，直接导致电池输出电压的衰退、电堆水淹，甚至损害燃料电池的使用寿命。当氧气流量远高于需求量时，压缩机功耗(寄生功耗)过大而电堆输出净功率没有明显提高，使整个系统效率降低。燃料电池车运行工况复杂，负载时刻变化，因此必须快速准确地控制氧气流量，使系统过氧比始终保持在理想范围。

针对燃料电池空气供给系统过氧比的控制问题，国内外研究者做了大量工作。目前，已有的控制方法有线性二次型高斯控制、反馈线性化的线性控制、神经网络控制及滑模控制等。上述各种控制策略对过氧比的调节都有各自的优点，但无法完全适用于非线性、多输入、强耦合的燃料电池系统。而且以上控制策略没有充分地考虑燃料电池系统在实际运行过程中存在的不确定性以及外界干扰的影响，如传感器引起的测量干扰或是环境引起的系统模型参数摄动。因此已有的控制策略不具有较好的抗扰性和鲁棒性。

发明内容

本发明的目的是对质子交换膜燃料电池系统的过氧比进行调节，避免氧饥饿，以实现系统平稳运行的燃料电池空气供给系统模型预测控制方法。

本发明步骤是：

步骤一：根据电化学、热力学和流体动力学原理，建立质子交换膜燃料电池内部反应的机理模型，对燃料电池机理模型的参数耦合、时变、非线性特性及模型不确定等特性进行分析，建立高精度面向控制的燃料电池空气供给系统动态模型；

步骤二：确定质子交换膜燃料电池系统的过氧比参考值；

步骤三：鉴于步骤一建立的面向控制的燃料电池空气供给系统模型中，状态变量阴极内部压力不能直接测量，且燃料电池系统中存在的不确定性以及外界干扰，采用扩展状态观测器对阴极内部压力值和系统扰动进行估计；

步骤四：基于非线性模型预测控制算法，以空气压缩机输出电压为控制变量，设计质子交换膜燃料电池系统的过氧比控制器：选用非线性模型预测控制算法，以空气压缩机输出电压为控制变量，并以过氧比跟踪参考值为控制目标，同时考虑系统存在的流量约束、压力约束，完成控制器的设计；

(1)交换膜燃料电池空气供给系统建模：根据系统的工作机理和物理特性，分别建立进气系统空气压缩机、供气歧管、阴极气流的数学模型

①空气压缩机模型：

压缩机角速度w_cp的动态模型为