[发明专利]变海拔条件下燃料电池空气供给系统OER预测控制方法

说明书

本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统OER预测控制方法，包括：建立面向变海拔环境的燃料电池外特性模型，通过不同海拔的实验数据拟合辨识模型参数，并建立模型参数随海拔变化的变化规律；采集环境中大气参数值，借助参数计算等效海拔用于调整模型参数，确定燃料电池安全运行范围；在调整后的模型基础上，利用基于拓展线性状态观测器的估计方法估计燃料电池实时的阴极压力并间接计算当前OER值；采集的大气参数和负载工况，计算以净输出功率最大为优化目标的理想OER值；根据理想OER值与当前OER值之间的差值和燃料电池安全运行范围，开展预测控制，实现变海拔环境下燃料电池安全运行。

技术领域

本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统OER预测控制方法，属于燃料电池控制技术领域。

背景技术

近年来，随着国际社会对保护环境和节约能源的关注日益增加，氢能作为新兴的清洁能源技术，具有清洁、热值高等优点。质子交换膜燃料电池（Proton exchangemembrane fuel cell, PEMFC）是氢能开发应用的重要形式，具有高效、无污染、低噪声等优点。但是由于燃料电池是复杂、非线性、大时滞的强耦合系统，其动力性、安全性、经济性受多方面因素影响，所以需要为燃料电池设计安全、高效的控制方法与管理策略。

燃料电池系统的动态输出性能往往由空气供给系统决定，在变海拔环境下，大气压力、大气温度、大气密度的降低导致空气供给系统的影响进一步增大。氧气过量比（Oxygen excess ration， OER）是空气供给系统重要参数，OER是指供给的空气质量流量与负载需求的空气质量流量之比。OER对于空气供给系统控制尤为重要，因此准确地控制OER有利于提高燃料电池系统的效率、安全性和使用寿命。

基于模型的OER控制方法具有较高的稳定性与控制效果，得到广泛的应用，其中基于面向外特征的系统模型控制方法最为广泛。目前已有一些面向外特征的系统模型控制方法，例如基于PID的控制方法、模糊逻辑法、滑模变结构法等。 但是随着海拔的变化，空气供给系统的工作条件发生改变，基于离线标定的静态模型不能保证足够精度，导致控制效果的下降。

为提高变海拔环境下的燃料电池空气供给系统控制效果，目前已有一些优化控制方法，例如模型参考自适应控制、分数阶PID控制、神经网络控制等，其中模型预测控制凭借所需的数据量较低、控制效果较好等优势，具有较好前景。

在变海拔环境下，由于大气压力、温度、密度的降低，导致在OER控制过程中，空气压缩机的运行曲线很有可能超过喘振安全范围，系统压力会出现周期性震荡现象，导致质子交换膜受损，进而导致燃料电池故障。

现有技术有基于面向系统外部特性的经验模型的OER预测控制，经验模型是根据电化学、空气动力学等学科原理和经验公式来描述系统外部特性的一种模型，其关键参数是根据机理公式与离线实验标定而得的，模型参数一经确定便不在变化。基于面向系统外部特性的经验模型展开OER的预测控制，主要包括模型预测、滚动优化和反馈校正三个步骤，实现对OER的稳定控制。但是该方法中空气压缩机的压力-流量-转速-效率特性在变海拔条件下会发生变化，燃料电池空气压力、流量动态响应，燃料电池电堆极化曲线都会随着海拔变化而变化，因此面向系统外部特性的经验模型无法准确模拟变海拔情况下的燃料电池真实情况。海拔变化带来的大气压力和温度的下降会导致空气压缩机在OER预测控制下运行在喘振区，导致系统压力出现周期性震荡现象，甚至导致燃料电池故障。所以在变海拔情况下，基于面向系统外部特性的经验模型的OER预测控制的控制效果不足以满足稳定、安全、高效的要求。