[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

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法。首先建立质子交换膜燃料电池温度控制系统的模型，通过结构分析法针对模型建立系统结构矩阵，并使用Dulmage‑Mendelsohn分解系统结构矩阵，获得模型冗余部分，并构建系统余差以反映温度控制系统传感器故障，在故障识别基础上，设计了基于滑模的主动容错控制，对电堆出口温度实现精确控制。本发明解决了质子交换膜燃料电池系统温度控制模型在运行过程中的传感器失效问题，将基于模型的容错控制运用到温度控制中，可以有效提高燃料电池系统的可靠性与耐久性。

技术领域

本发明属于燃料电池应用领域的一种电池系统控制方法，尤其是涉及了一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法。

背景技术

由于环境污染与能源危机，以质子交换膜燃料电池为首的新能源正在受到人们越来越多的重视。燃料电池具有功率密度大，转化效率高，无污染等优点，在分布式发电，新能源汽车，储能等领域都得到了越来越多的运用。但是根据美国DOE发布的年度报告，燃料电池的经济性与耐久性均未完全达到商业化的指标。在这其中，电堆制造工艺与系统控制是解决其商业化的重要手段，而温度控制更是影响电堆性能的重要因素。电堆在实际的运行过程中会产生大量热量，过高的温度会导致膜干，影响膜的活性；过低的温度会造成水淹，影响电堆的效率。温度控制失常会影响电堆性能，反之，电堆或辅助系统发生故障也会影响温度控制。主动容错控制是一种基于故障诊断的容错控制。故障诊断可以分为基于模型与基于数据两大类，基于数据的故障诊断需要大量数据训练，缺乏一定的鲁棒性；基于模型的故障诊断需要建立精确的数学模型，但具有较好的鲁棒性。温度控制是燃料电池控制类的重要研究领域，现有研究成果包括PID控制，前馈控制，模型预测控制，模糊控制等，但上述方法都未考虑到系统故障，且控制精度不高，因此在实际操作过程中具有一定的局限性。综上所述，基于模型的质子交换膜燃料电池温度主动容错控制的研究是具有重要价值。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种质子交换膜燃料电池系统温度主动容错控制方法，使用结构分析法与Dulmage-Mendelsohn法分解获得模型冗余部分，从而产生系统余差以诊断传感器故障，并采用基于滑模的主动容错控制实现了质子交换膜燃料电池系统温度的容错控制，提高了温度控制系统的鲁棒性。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

S1：建立燃料电池系统温度控制模型；

S2：通过结构分析法(Krysander M,Frisk E.A structuralalgorithm for finding testable sub-models and multiple fault isolabilityanalysis[C]//21st International Workshop on Principles of Diagnosis(DX-10),Portland,Oregon,USA.2010：17-18.)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。