一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略技术方案

本发明专利技术涉及一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略，包括：建立水冷燃料电池空气供给系统模型；设计阴极压力观测器；设计反馈线性化控制；设计滑模自抗扰控制器。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术针对质子交换膜燃料电池空气供给系统进行研究，建立了面向电堆阴极压力和过氧比控制的空气供给系统四阶非线性状态空间模型；并且，本发明专利技术设计的基于反馈线性化的滑模自抗扰控制策略在负载电流变化和存在测量信号噪声污染的情况下，系统的稳态误差小于反馈线性化控制和传统自抗扰控制，验证了提出的控制算法的鲁棒性。控制算法的鲁棒性。控制算法的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，更确切地说，它涉及一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略。

技术介绍

[0002]燃料电池气体供给系统由氢气供给子系统和空气供给子系统两部分组成。空气供给系统是由空气压缩机、空气供给管道、冷却器、增湿器、电堆阴极、回流管道和背压阀等装置组成。燃料电池的空气供给系统具有模型复杂、高度非线性、强耦合、多参数多变量等特点，选取合适的控制策略可以有效地提高燃料电池系统的输出功率和能源效率。
[0003]现有技术中，可以基于线性变参数模型的预测控制算法对过氧比进行调节，也可以通过反馈线性化控制和基于二阶滑模的串级控制两种策略实现对过氧比的控制。此外，通过线性最优控制和二阶滑模超螺旋非线性控制两种算法，能够实现过氧比对期望值的准确跟踪并减少了空压机功率消耗。将稳态控制、前馈控制和误差反馈控制相结合得到的非线性三步控制器，能够实现在负载电流快速变化的情况下将过氧比调节至期望值。基于自抗扰控制的流量
‑
压力动态解耦控制器，能够通过控制空压机转速和背压阀开度来实现对阴极进气质量流量和进气压力的解耦控制。基于扩张状态观测器估计未知扰动，使用反推法设计控制律能够实现快速调节电堆阴极压力到期望值。
[0004]但是，现有技术主要集中于研究对过氧比或电堆阴极压力单一输出的控制，缺乏对同时控制二者的多输出的研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略，建立面向控制的空气供给系统四阶非线性状态空间模型，使用基于反馈线性化的滑模自抗扰控制策略实现对电堆阴极压力和过氧比的解耦控制，包括：
[0006]步骤1、建立水冷燃料电池空气供给系统模型；
[0007]步骤2、设计阴极压力观测器；
[0008]步骤3、设计反馈线性化控制；
[0009]步骤4、设计滑模自抗扰控制器。
[0010]作为优选，步骤1包括：
[0011]步骤1.1、建立空气压缩机模型；空气压缩机的动态响应模型为：
[0012][0013]式中，J
cp
为空压机转动惯量，ω
cp
为空压机转动角速度，τ
cm
、τ
cp
为空压机电机的驱动力矩和负载力矩；
[0014]步骤1.2、建立空气供给管道模型；空气供给管道气体压力变化表达式为：
[0015][0016]式中，p
sm
为空气供给管道压力，R
a
为空气气体常数，M
a
为空气摩尔质量，V
sm
为空气供给管道体积，T
cp
为空压机出口空气温度；W
cp
为空压机出口的空气质量流量，W
ca,in
为电堆阴极入口空气质量流量；
[0017]步骤1.3、建立电堆阴极气体模型；电堆阴极内氧气和氮气压力变化的动态方程分别为：
[0018][0019][0020]式中，为电堆阴极内氧气压力，为电堆阴极内氮气压力，T
st
为电堆温度，V
ca
为电堆阴极体积，为氧气和氮气的摩尔质量，为进入阴极的氧气和氮气质量流量，为电化学反应所消耗的氧气质量流量，为离开阴极的氧气和氮气质量流量；
[0021]步骤1.4、建立回流管道模型；回流管道压力变化表达式为：
[0022][0023]式中，p
rm
表示回流管道压力，T
rm
为回流管道温度，V
rm
为回流管道体积，W
ca,out
为离开阴极的空气质量流量，W
rm,out
为回流管道出口处空气的质量流量；
[0024]步骤1.5、建立面向控制的空气供给系统模型。
[0025]作为优选，步骤1.5的所述空气供给系统模型中，所有气体遵循理想气体定律，回流管道温度等于电堆温度，氢气供给回路得到有效控制始终使阳极氢气满足负载需求，温度和湿度管理系统正常工作使系统温度和湿度保持在期望值，且电堆阴极内满足：
[0026][0027]式中，p
sat
为电堆温度下的饱和蒸汽压，κ为模型常数。
[0028]作为优选，步骤1.5中，定义状态变量为x＝[ω
cp p
sm p
ca p
rm
]T
，p
ca
为电堆阴极压力，控制输入为u＝[u
1 u2]T
＝[V
cm θ]T
，V
cm
为电机电压，θ为背压阀门开度，建立的面向控制的四阶非线性状态空间模型如下所示：
[0029][0030][0031]g1(x)＝[c
5 0 0 0]T
[0032]g2(x)＝[0 0 0
ꢀ‑
c
15
x4]T
[0033]式中，c
i
(i＝1,
…
,15)为空气供给系统模型常数，I
st
为电堆电流；
[0034]燃料电池系统过氧比定义为：
[0035][0036]式中，c
16
、c
17
为空气供给系统模型常数；
[0037]定义虚拟输出将系统控制输出定义为y＝[h1(x)h2(x)]T
＝[x3x2‑
x3]T
。
[0038]作为优选，步骤2中，阴极压力x3的表达式为：
[0039][0040]使用微分器估计空气供给管道压力微分值的值，微分器结构为：
[0041][0042]式中，l1、l2为x2和的估计值，T、m0、m1、n0、n1、t为微分器的性能整定参数，需要满足T,m0,m1,n0,n1>0，0<t<1；通过微分器获取到的估计值l2后，根据下式得到阴极压力x3的估计值
[0043][0044]作为优选，步骤3中，对系统进行反馈线性化，将原来耦合的非线性系统解耦成分别控制阴极压力和过氧比的两个线性模型，对系统的两个输出h1(x)和h2(x)求关于g1(x)和g2(x)的一阶与二阶李导数，表示为：
[0045][0046][0047]其中，h1(x)和h2(x)关于f(x)的李导数定义为：
[0048][0049][0050][0051]h1(x)和h2(x)关于g1(x)和g2(x)的李导数定义为：
[0052][0053]设计新的虚拟输入为v＝[v
1 v2]T
，则反馈控制变量为：
[0054][u
1 u2]T
＝E
*
(x)
‑1[[v
1 v2]T
‑
A
*
(x)][0055]式中，解耦矩阵...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，包括：步骤1、建立水冷燃料电池空气供给系统模型；步骤2、设计阴极压力观测器；步骤3、设计反馈线性化控制；步骤4、设计滑模自抗扰控制器。2.根据权利要求1所述的水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1、建立空气压缩机模型；空气压缩机的动态响应模型为：式中，J
cp
为空压机转动惯量，ω
cp
为空压机转动角速度，τ
cm
、τ
cp
为空压机电机的驱动力矩和负载力矩；步骤1.2、建立空气供给管道模型；空气供给管道气体压力变化表达式为：式中，p
sm
为空气供给管道压力，R
a
为空气气体常数，M
a
为空气摩尔质量，V
sm
为空气供给管道体积，T
cp
为空压机出口空气温度；W
cp
为空压机出口的空气质量流量，W
ca，in
为电堆阴极入口空气质量流量；步骤1.3、建立电堆阴极气体模型；电堆阴极内氧气和氮气压力变化的动态方程分别为：为：式中，为电堆阴极内氧气压力，为电堆阴极内氮气压力，T
st
为电堆温度，V
ca
为电堆阴极体积，为氧气和氮气的摩尔质量，为进入阴极的氧气和氮气质量流量，为电化学反应所消耗的氧气质量流量，为离开阴极的氧气和氮气质量流量；步骤1.4、建立回流管道模型；回流管道压力变化表达式为：式中，p
rm
表示回流管道压力，T
rm
为回流管道温度，V
rm
为回流管道体积，W
ca，out
为离开阴极的空气质量流量，W
rm，out
为回流管道出口处空气的质量流量；步骤1.5、建立面向控制的空气供给系统模型。3.根据权利要求2所述的水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，步骤1.5的所述空气供给系统模型中，所有气体遵循理想气体定律，回流管道温度等于电堆温度，氢气供给回路得到有效控制始终使阳极氢气满足负载需求，温度和湿度管理系统正常工作使系统温度和湿度保持在期望值，且电堆阴极内满足：
式中，p
sat
为电堆温度下的饱和蒸汽压，κ为模型常数。4.根据权利要求3所述的水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，步骤1.5中，定义状态变量为x＝[ω
cp p
sm p
ca p
rm
]
T
，p
ca
为电堆阴极压力，控制输入为u＝[u
1 u2]
T
＝[V
cm θ]
T
，V
cm
为电机电压，θ为背压阀门开度，建立的面向控制的四阶非线性状态空间模型如下所示：下所示：g1(x)＝[c
5 0 0 0]
T
g2(x)＝[0 0 0
ꢀ‑
c
15
x4]
T
式中，c
i
(i＝1，
…
，15)为空气供给系统模型常数，I
st
为电堆电流；燃料电池系统过氧比定义为：式中，c
16
、c
17
为空气供给系统模型常数；定义虚拟输出将系统控制输出定义为y＝[h1(x) h2(x)]
T
＝[x3x2‑
x3]
T
。5.根据权利要求4所述的水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，步骤2中，阴极压力x3的表达式为：使用微分器估计空气供给管道压力微分值的值，微分器结构为：式中，l1、l2为x2和的估计值，T、m0、m1、n0、n1、t为微分器的性能整定参数，需要满足T，m0，m1，n0，n1＞0，0＜t＜1；通过微分器获取到的估计值l2后，根据下式得到阴极压力x3的估计值估计值
6.根据权利要求5所述的水冷燃料电池空气供给系统控制策略，其特征在于，步骤3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖铎，解同辰，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：