[发明专利]基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法

权利要求书

1.一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建燃料电池电化学输出特性模型、阴极流量模型、车辆动力学模型以及双螺杆空压机模型；

步骤S2：根据所述双螺杆空压机模型，构建调节燃料电池阴极化学计量数的比例积分增益控制器；

步骤S3:将车速传感器测得的实时车速作为车辆动力学模型的输入，并计算出电池需求功率；

步骤S4：根据得到的电池需求功率，由燃料电池电化学输出特性模型和阴极流量模型计算燃料电池反应所需的空气流量，并作为目标流量；

步骤S5:将目标流量与流量传感器所测的双螺杆空压机实际输出流量的差值作为比例积分增益控制器的输入，并将比例积分增益控制器的输出量作为双螺杆空压机的控制电压，实现燃料电池阴极化学计量数的控制。

2.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于：所述燃料电池阴极化学计量数具体为质子交换膜燃料电池电堆阴极入口供应的氧气质量流量与所消耗的氧气质量流量之比。

3.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于：所述的比例积分增益控制器是通过在稳态工作时近似线性化双螺杆空压机模型基于闭环增益成形方法进行设计计算。

4.根据权利要求1所述的基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制方法，其特征在于,所述步骤S2具体为：

步骤S21：构建双螺杆空压机模型

双螺杆空压机的流量为：

式中，C_N是双螺杆空压机面积利用系数，是扭角系数，D为转子半径，L是转子长度，n为转子的转速，η_v是容积效率，ρ_air是空气密度；

双螺杆空压机输出的温度为：

式中，d是多方过程指数；根据等式(1)和(2)以及双螺杆空压机的机理建立双螺杆空压机模型；

步骤S22：假设系统工作时供应歧管的压力损失△P＝0，对系统进行近似线性化处理，得出空压机电压U_cm与转速ω之间的关系：

式中，η_cm是电机的效率，k_t是电机的转矩系数，k_e是电机的电势系数，R_s是电机的内阻，J是电机的转动惯量。

根据等式(3)可得出空压机电压到转速之间的传递函数：

式中，s是传递函数的复变量，

由于等式(1)可写成y＝kω，其中故得出空压机的转速与流量之间的传递函数：

F₂(s)＝k (5)

通过等式(4)和(5)得出U_cm与W_cp之间的传递函数：

步骤S23：根据闭环增益成形设计，得到比例积分增益控制器具体为：

式中，T₀是响应时间。

5.一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于，包括依次连接的车速传感器、比例积分增益控制器、双螺杆空压机驱动电路、双螺杆空压机和质子交换膜燃料电池；所述空气流量传感器与比例积分增益控制器和双螺杆空压机分别连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于：所述比例积分增益控制器采用MPC5634微控制器。

7.根据权利要求6所述的一种基于双螺杆空压机的燃料电池阴极化学计量数控制系统，其特征在于：所述的双螺杆空压机驱动电路包括IR2101芯片，15V直流电源，100V直流电源，电阻、电容，MOSFET；其中IR2101芯片的引脚3与MPC5634的引脚60相连，引脚5输出PWM信号并通过电阻与MOSFET的栅极相连接，引脚1与15V的直流电源正极相连，引脚4接地线；MOSFET的源极接地，漏极接空压机负极；空压机的正极与100V的直流电源正极相连。