[发明专利]机车质子交换膜燃料电池系统最优效率控制方法

摘要

本发明公开了一种机车质子交换膜燃料电池系统最优效率控制方法，通过建立三维曲面模型，分析基于电堆运行温度、空气过量系数和负载电流之间的系统效率最优化运行特征，获得电堆运行温度和空气过量系数的约束运行边界条件，并建立在线辨识系统和基于高速群体智能优化算法的优化系统，获得最优控制变量，在此基础上，采用基于α阶动态伪线性复合系统的多工况逆控制和基于改进隐式广义预测自校正的预测逆控制，实现系统效率的最优化控制。本发明方法能够解决传统PEMFC系统效率控制方法过于依赖精确的系统数学模型、实际应用中易受扰动、噪声及不确定性影响的局限性等问题，提高系统可靠性，实现机车PEMFC系统最优效率运行。

主权项

1.机车质子交换膜燃料电池系统最优效率控制方法，包含如下主要步骤：1）首先根据150kW Ballard HD6系统的试验测试数据，建立三维曲面模型，分析基于电堆运行温度、空气过量系数和负载电流之间的机车质子交换膜燃料电池PEMFC系统效率最优化运行特征；然后根据分析结果，获得电堆运行温度和空气过量系数的约束运行边界条件；2）根据不同运行工况，建立基于在线数据管理系统和在线参数估计子系统的机车PEMFC系统在线辨识系统；该在线数据管理子系统在不同工况下，实现时变系统的冗余数据处理和存储；在线参数估计子系统根据在线数据管理系统所提供的数据进行模型参数估计，建立参数化辨识系统；式（1）所示为系统效率计算方程，其中η₀为在线数据管理系统处理后的系统效率，λ₀为在线数据管理系统处理后的空气过量系数，T₀为在线数据管理系统处理后的电堆运行温度，为待辨识参数，I_net为系统净输出电流；3）建立基于高速群体智能优化算法的优化系统；设计目标函数F，如式（2）所示，其中η_r为HD6最优参考效率，X=[λ₀,T₀]为控制变量，Q和R为罚因子矩阵；F＝f₂(X,η₀,η_r,Q,R)    （2）根据式（1）和（2），在k时刻求解如式（3）所示的最小化问题，获得最优控制变量X^*；X^*(k)＝min F(X(k),η₀(k))    （3）其中，最优控制变量的约束边界条件为λ₀^min≤λ₀(k)≤λ₀^max，T₀^min≤T₀(k)≤T₀^max；4）基于最优效率策略的机车PEMFC系统多工况预测逆控制，实现系统效率最优化，包括以下手段：A、基于α阶动态伪线性复合系统的多工况逆控制方法，将整个工作区间根据最优效率的运行特征约束范围，划分为不同的子空间，构造全局运行区间内的多工况α阶动态逆系统，再与原不同工况子系统串联构成动态伪线性复合系统，实现机车PEMFC系统的全局运行区间动态解耦，并按照大、中、小三个工况区间对全局运行空间进行分层；式（4）中，v₁和v₂是改进隐式广义预测自校正预测控制器的输出变量，U₁和U₂是α阶动态逆系统的输出变量，即空气压缩机系统机端控制电压和散热器风机控制电压；(U₁,U₂)＝ψ(v₁,v₂,I_net)    （4）B、基于改进隐式广义预测自校正的逆控制，采用滚动优化，反复在线对控制目标函数在每个时刻进行优化，并根据并列预测器参数矩阵，设计最优控制律；然后，通过采集在某运行工况下的系统净输出电流、空气过量系数、电堆运行温度，建立在线辨识系统，计算系统效率η₀；再由优化系统获得最优控制变量X^*，与实际采集到的电堆运行温度和空气过量系数一起作为改进隐式广义预测自校正控制器的输入量；然后通过反馈校正，修正预测的不确定性，提高系统鲁棒性；最后，获得改进隐式广义预测自校正控制器的输出控制量，该控制量通过α阶动态伪线性复合系统后，实现对后续空气压缩机系统机端电压和散热器风机电压的多工况逆控制。