【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，特别是涉及一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法。
技术介绍
1、近年来，质子交换膜燃料电池(pemfc)以其在清洁环保与发电效率方面强大的优势，逐渐应用于轨道交通、无人机、便携式电源等多个领域。这也对质子交换膜燃料电池系统提出极端环境运行应用需求。在极端环境及复杂工况条件下，如何设计先进的控制策略以保证质子交换膜燃料电池的输出性能是重要的研究方向。
2、目前国内外学者对质子交换膜燃料电池系统建模进行了大量研究，提出了质子交换膜燃料电池系统简化模型。但是简化模型中拟合参数较多，并且与经典模型存在偏差。并且目前的质子交换膜燃料电池系统模型多面向常温常压环境，无法反映极端环境及复杂工况下质子交换膜燃料电池系统的运行状态。
3、针对质子交换膜燃料电池系统优化控制方法，国内外学者对质子交换膜燃料电池系统运行区域优化和输出性能优化展开了大量研究。然而，目前的研究成果并没有针对性地根据极端环境及复杂工况提出相应的优化控制方法。同时，对于质子交换膜燃料电池系统输出性能的优化大都仅考虑了固定不变的运行环境，没有考虑外部环境干扰。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，能够有效提高质子交换膜燃料电池系统的净功率，实现质子交换膜燃料电池系统在极端环境下的安全稳定运行。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，包括步骤：>
3、s1：建立基于环境交互的质子交换膜燃料电池系统模型，环境空气数据得到质子交换膜燃料电池空气回流管道的空气质量流量和压比；
4、s2：获得极端环境下质子交换膜燃料电池系统对应的安全运行区域约束；根据极端环境数据建立离心式空气压缩机约束，利用离心式空气压缩机约束组成极端环境下质子交换膜燃料电池系统的安全运行区域约束；
5、s3：进行极端环境下质子交换膜燃料电池系统运行区域优化；
6、s4：实现极端环境下质子交换膜燃料电池系统协同优化轨迹跟踪控制。
7、进一步的是，所述步骤s1中，建立基于环境交互的质子交换膜燃料电池系统模型，包括步骤：
8、s11：根据大气环境与海拔高度的耦合关系计算大气压力、空气密度和气温；
9、s12：环境空气进入离心式空气压缩机，经过压缩后送入空气供应管道，通过控制电动机电压和压比计算离心式空气压缩机输出的空气质量流量；
10、s13：根据质子交换膜燃料电池出口处背压阀开度调节空气回流管道的空气质量流量和压比。
11、进一步的是，海拔高度的变化会直接引起大气压力、空气密度等物理量的变化，通过线性拟合得到大气压力、空气密度和气温随海拔高度的变化规律为：
12、
13、其中，h是海拔高度，patm是大气压力，ρatm是空气密度，tatm是环境温度；α0、α1、α2是大气压力随海拔高度的变化规律的拟合系数，β0、β1、β2是空气密度随海拔高度的变化规律的拟合系数，γ0、γ1是气温随海拔高度的变化规律的拟合系数。
14、进一步的是，根据离心式空气压缩机的静态map图和转动惯量参数模型建立离心式空气压缩机的动态模型，用来描述空压机转速的动态特性；
15、离心式空气压缩机输出的空气质量流量的动态特性由离心式空气压缩机的转速和离心式空气压缩机的压比共同决定。
16、进一步的是，由于空气回流管道与环境的压差大，采用非线性喷嘴方程计算空气回流管道内的空气质量流量，公式为：
17、
18、其中，θ是背压阀开度，cd,rm是背压阀流量系数，at,rm是空气回流管道的有效流通截面积，frm,out是空气回流管道出口的气体质量流量，prm是空气回流管道气体压力，r是空气气体常数，trm是空气回流管道气体温度，patm是大气压力，γ是比热容比。
19、进一步的是，在所述步骤s2中，获得极端环境下质子交换膜燃料电池系统对应的安全运行区域约束，包括步骤；
20、s21：确定当前环境下的大气压力、空气密度和环境温度；
21、s22：确定当前离心式空气压缩机的转速；
22、s23：计算当前环境下离心式空气压缩机运行的喘振线和阻塞线的空气质量流量；
23、s24：计算当前环境下离心式空气压缩机运行的喘振线和阻塞线的压比；
24、s25：以离心式空气压缩机的最高转速约束、最低转速约束和离心式空气压缩机的喘振线约束、阻塞线约束共同组成极端环境下质子交换膜燃料电池系统的安全运行区域约束。
25、进一步的是，所述喘振线位于喘振区和安全区的交界处，决定离心式空气压缩机的最大排气压力；所述阻塞线位于阻塞区和安全区的交界处，决定离心式空气压缩机的最大排气流量。
26、进一步的是，在所述步骤s3中，进行极端环境下质子交换膜燃料电池系统运行区域优化，包括步骤：
27、s31：确定不同负载电流下的空气回流管道的空气质量流量和压比范围；
28、s32：确定空气质量流量和压比的增量，离心式空气压缩机电压的改变体现在空气质量流量上，背压阀开度的改变体现在压比上；
29、s33：根据空气质量流量和压比的增量，遍历安全运行区域内的空气质量流量和压比范围，并获得相应的质子交换膜燃料电池系统的净功率；
30、s34：根据多项式拟合得到质子交换膜燃料电池系统的净功率特性曲面；
31、s35：在满足偏导约束和安全运行约束的条件下得到质子交换膜燃料电池系统的最大净功率及相应的空气质量流量和压比。
32、进一步的是，计算质子交换膜燃料电池系统的最大净功率的公式为：
33、
34、其中，pnet是质子交换膜燃料电池系统的净功率，fcp是离心式空气压缩机输出的空气质量流量，pr是离心式空气压缩机的压比，h是海拔高度，ist为质子交换膜燃料电池系统的负载电流，δ为拟合系数；
35、质子交换膜燃料电池系统的最大净功率满足的偏导约束为：
36、
37、其中，pnet是质子交换膜燃料电池系统的净功率，fcp是离心式空气压缩机输出的空气质量流量，pr是离心式空气压缩机的压比，h是海拔高度，ist为质子交换膜燃料电池系统的负载电流，δ为拟合系数。
38、进一步的是，在步骤s4中，实现极端环境下质子交换膜燃料电池系统协同优化轨迹跟踪控制，包括步骤：
39、s41：将空气质量流量和压比作为控制器的输入，空气质量流量和压比存在耦合关系，将两个耦合变量的控制问题转化为协同控制，将优化轨迹作为协同控制器的参考轨迹，获得协同优化轨迹跟踪控制器的控制目标；
40、s42：协同优化轨迹跟踪控制器实现对耦合变量的控制，在控制作用下，当系统平稳的收敛于参考轨迹时，即为系统运行在优化轨迹；控制器本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立基于环境交互的质子交换膜燃料电池系统模型，包括步骤：
3.根据权利要求2所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，海拔高度的变化会直接引起大气压力、空气密度等物理量的变化，通过线性拟合得到大气压力、空气密度和气温随海拔高度的变化规律为：
4.根据权利要求2所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，根据离心式空气压缩机的静态MAP图和转动惯量参数模型建立离心式空气压缩机的动态模型，用来描述空压机转速的动态特性；
5.根据权利要求2所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，由于空气回流管道与环境的压差大，采用非线性喷嘴方程计算空气回流管道内的空气质量流量，公式为：
6.根据权利要求1所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，获得极端环境下质子交换膜
7.根据权利要求6所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，所述喘振线位于喘振区和安全区的交界处，决定离心式空气压缩机的最大排气压力；所述阻塞线位于阻塞区和安全区的交界处，决定离心式空气压缩机的最大排气流量。
8.根据权利要求1所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，进行极端环境下质子交换膜燃料电池系统运行区域优化，包括步骤：
9.根据权利要求8所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，计算质子交换膜燃料电池系统的最大净功率的公式为：
10.根据权利要求1所述的一种极端环境下PEMFC系统性能保障控制方法，其特征在于，在步骤S4中，实现极端环境下质子交换膜燃料电池系统协同优化轨迹跟踪控制，包括步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，其特征在于，所述步骤s1中，建立基于环境交互的质子交换膜燃料电池系统模型，包括步骤：
3.根据权利要求2所述的一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，其特征在于，海拔高度的变化会直接引起大气压力、空气密度等物理量的变化，通过线性拟合得到大气压力、空气密度和气温随海拔高度的变化规律为：
4.根据权利要求2所述的一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，其特征在于，根据离心式空气压缩机的静态map图和转动惯量参数模型建立离心式空气压缩机的动态模型，用来描述空压机转速的动态特性；
5.根据权利要求2所述的一种极端环境下pemfc系统性能保障控制方法，其特征在于，由于空气回流管道与环境的压差大，采用非线性喷嘴方程计算空气回流管道内的空气质量流量，公式为：
6.根据权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：李奇，解淑祺，尹良震，陈维荣，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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