[发明专利]一种燃料电池进气系统的解耦控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池进气系统的解耦控制方法，包括建立燃料电池进气系统模型、控制器的设计等步骤，空气系统面向控制模型的建立、基于反馈线性化的自抗扰控制器设计。首先通过反馈线性化得到两个独立的二阶仿射系统，使输出和控制输入解耦；自适应抗扰控制用于跟踪进入阴极流量和阴极压力，根据实验中测得的压缩机和节气门的数据，在不同工况下实现了多组仿真。本发明，不仅具有良好的性能，而且对未知的模型不确定性和扰动具有较强的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及燃料电池进气系统技术领域，具体涉及一种燃料电池进气系统的解耦控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下简称PEMFC)是将氢气和氧气的化学能转变为电能的装置，并且它被认为是传统发动机最有潜力的替代品。对于大功率PEMFC 来说，空气供应子系统的瞬态行为对于提供所需的功率和延长PEMFC的使用寿命起着至关重要的作用。特别是对于车用燃料电池，由于路况复杂，负荷需求频繁，对PEMFC的动力动态响应、稳态跟踪提出了更高的要求。在众多的特性中，进入阴极的空气流量和阴极压力无疑是两个最关键的变量。低空气流量会导致氧饥饿破坏聚合物电解膜(PEM)，而当不同道路条件下车辆的功率需求变化时，高空气流量会增加寄生功率。另一方面，空气流量的变化会影响阴极压力。高阴极压力可以提高空气通过扩散层到达催化层的速率，从而提高催化速率。但同时，阴极与阳极之间的瞬时压差会影响PEM，从而对PEMFC造成不可逆的损伤。如何设计控制器将进入阴极的空气流量和压力解耦是研究的重要问题之一。

综上所述，目前需要设计一种更新式的燃料电池进气系统的解耦控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何设计控制器将进入阴极的空气流量和压力解耦的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种燃料电池进气系统的解耦控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立燃料电池进气系统模型，依次包括空气压缩机系统建模、进气歧管建模、阴极建模和节气门建模；

步骤一中，所述空气压缩机建模包括以下步骤：

压缩机的出口流量与其速度呈正相关，与其压缩比呈负相关，因此通过扭矩平衡方程可建立压缩机的动态方程如下：

采用带惯性的集总转动参数模型来表示压缩机转动角速度的动态特性，通过静态电机方程得出压缩机的电机转矩，根据热动力学方程得出驱动压缩机的所需转矩；

步骤二、控制器的设计,包括以下步骤：

1)模型线性化：

2)外部干扰估计策略，依次包括以下步骤：

参考信号的设计；扰动观测器的设计：反馈控制律。

在上述方案中，根据负载电流参考发电模块规划最佳输出，即流量和阴极压力，然后，通过ESO模块获得的真实输出的估计值与参考值之间的差异以PID 的形式作用于误差反馈模块，生成虚拟控制输入，最后，非线性反馈变换模块将虚拟控制输入转换为实际控制输入来调节空气供应子系统，完成燃料电池进气系统的解耦控制方法。

本发明的有益效果：

1.实现多个控制目标，将进气流量和压力进行解耦，实现对多个控制输入进行协同控制。

2.本发明提出了一个仿射形式的二阶系统，此结构有益于控制器的设计，在该模型的基础上，设计一个扩张状态观测器，提高模型的精度。

3.本发明结合模型线性化与外部干扰估计策略，用于跟踪进入阴极流量和阴极压力。此控制方法具有简单且直观的结构，并且不仅具有良好的性能，而且对未知的模型不确定性和扰动具有较强的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明燃料电池的结构示意图；