[发明专利]一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立燃料电池系统温度控制模型；

S2：通过结构分析法建立系统结构矩阵；

通过结构分析法针对燃料电池系统温度控制模型建立横坐标为系统未知变量、纵坐标为系统方程的系统结构矩阵；对于系统结构矩阵中的任一元素，若矩阵元素所对应纵坐标的系统方程包含有该矩阵元素所对应横坐标的系统未知变量，则将该矩阵元素标记为1，反之则标记为0；

S3：使用Dulmage-Mendelsohn法分解系统结构矩阵，分解后的系统结构矩阵呈现为上三角形态；获得分解后的系统结构矩阵的冗余部分，冗余部分为分解后的系统结构矩阵中系统方程数量大于系统未知变量数量的区域；并在冗余部分中构建余差，通过余差在线检测燃料电池系统温度控制模型中的传感器故障：若余差低于设定阈值，则表明燃料电池系统温度控制模型中的传感器未发生故障，若余差超过设定阈值，则表明燃料电池系统温度控制模型中的传感器发生故障；

S4：在步骤S3识别传感器故障基础上，设计基于滑模控制器的主动容错控制结构，对燃料电池出口温度实现容错控制。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的燃料电池系统温度控制模型由燃料电池温度模型、电堆电压模型和辅助系统半经验模型共同构成；

1)根据能量守恒定律以及热力学原理，建立如下燃料电池温度模型；

其中，M_st为电堆质量，C_st为电堆热容，T_st,out为电堆温度，电堆温度采用电堆冷却水出口温度；为电堆反应物带入的化学能，为电堆的输入气体带入的能量，为输出气体带出的能量，为电堆中的负载输出功率，为电堆冷却水带走的能量，为电堆自身散热；

所述电堆为燃料电池简称；

2)根据电化学原理，建立电堆电压模型；

3)针对辅助系统，建立辅助系统的半经验模型；

辅助系统为与电堆相连的散热器、水泵，半经验模型包括水泵模型与散热器模型；水泵模型通过水泵电压V_pump与流量W_cl拟合获得，具体形式如下：

散热器模型通过散热器出口温差T_diff、流量W_cl、风扇转速ω、室温T₀拟合获得，具体形式如下：

。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，系统方程包括燃料电池温度模型、电堆电压模型以及辅助系统半经验模型中的所有模型方程；系统未知变量包括燃料电池温度模型、电堆电压模型以及辅助系统半经验模型方程中所有随时间变化发生变化的变量。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，燃料电池系统温度控制模型中的传感器为电堆进口温度、电堆出口温度、冷却水流量、风扇出口温度和电堆电压的传感器。

5.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，所述步骤S4的主动容错控制结构主要由滑模控制器、故障检测模块以及控制模块构成；故障检测模块根据燃料电池系统温度控制模型中温度、气压、体积或质量流量、电压这些参数判断模型中的传感器是否发生故障，在故障检测模块检测到模型中的传感器发生故障后，控制模块根据燃料电池系统温度控制模型重构发生故障的传感器信号并反馈至滑模控制器，最终由滑模控制器通过反馈实现燃料电池出口温度的容错控制。

6.根据权利要求5所述的一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，其特征在于，根据燃料电池系统温度控制模型建立所述的滑模控制器，滑模控制器输入为燃料电池设定温度，滑模控制器输出为冷却水流量，冷却水流量作为滑模控制器的控制变量；根据燃料电池系统温度控制模型设计滑模控制器的滑模面，为避免水泵产生震荡，采用平滑处理的切换函数；此外考虑到滑模控制器中积分效果带来的过大超调作用，在滑模面上加入积分分离式抗积分饱和方法，以加快系统响应能力与稳定性。