[发明专利]一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法

权利要求书

1.一种基于自抗扰控制方法的质子交换膜燃料电池湿度控制方法；其特征在于提供了一种基于自抗扰控制技术的PEMFC湿度控制方法，通过控制阴极进气湿度来调节燃料电池的工作湿度，有效减少电池湿度在动态负载下的波动，确保电池湿度保持在最佳工作状态，有效提高电池的性能；包括以下几个步骤：

Step1：建立PEMFC动态水管理模型，包括：阴极水平衡模型、阳极水平衡模型、膜水合模型、电压模型；

①阴极水平衡模型；

阴极中水的平衡方程定义为：

W代表质量流速，单位为Kg/sec；W_v，ca，in，W_v，ca，out分别为阴极水蒸气进口和出口流速，流过膜的水的流速W_v，menbr由膜的湿度决定，假设阴极中液态水并未流出阴极，因此，流出阴极的液态水的速率W_l，ca，out为零；

利用电化学原理计算燃料电池反应消耗的氧气和产生的水：

式中，n为电堆中电池的个数，F为法拉第常数；

②阳极水平衡模型；

阳极中水的控制方程定义为：

W_v，an，in，W_v，an，out分别为阳极水蒸气进口和出口流速，假设阳极中液态水并未流出阳极，因此，流出阳极的液态水的速率W_l，an，out也为零；

③膜水合模型；

水在PEMFC膜中的传输过程有两种形式：电渗透与“反向扩散”；假设水浓度在膜厚度上线性变化；结合两种水传输机制，水从阳极到阴极流过膜的流速为：

式中，t_m为膜的厚度，M_v为空气的摩尔质量分数，A_fc为电池活化面积，I_st为负载电流，电渗因数n_d和扩散因数D_w是关于膜的含水量λ_m的函数；

④电压模型

电压是电流、阴极压力、反应物分压、温度和膜湿度的函数，表示如下：

V_st＝E-V_activation-V_ohmic-V_concentrate      (5)

式中，E为开路电压，V_activation为激活电压损耗，V_ohmic为欧姆电压损耗，V_concentrate为浓度电压损耗；

Step2：利用自抗扰控制技术的抗干扰和抑制性能对燃料电池动态水管理模型进行湿度控制，通过控制阴极进气湿度来调节电池工作湿度，利用扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，确保电池湿度保持在最佳状态，提高电池性能；

进一步，自抗扰控制算法可以表示为：

跟踪微分器以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度的设定值v0作为输入，并获得输入信号v1：

其中h为采样周期，具有快速收敛特性，fal(v₁-v₀，α₀，δ₀)对输入噪声具有良好的滤波效果；其公式表示如下：

其中，δ是过滤因子，α是非线性因子；

扩张状态观测器以质子交换膜燃料电池阴极相对湿度y和自抗扰控制的控制量u作为输入量来估计系统的各种状态变量和外部扰动，从而提高控制器的控制能力；

其中y是输出的被控对象，z1和z2分别是y的跟踪信号和外部干扰的观测值，β01、β02是输出误差校正增益，b是补偿因子；

非线性状态误差反馈控制器将跟踪微分器和扩张状态观测器的误差信号集成到非线性处理中，得到输出u；

其中β是反馈控制律的比例系数；

质子交换膜燃料电池阴极相对湿度可表示为：

其中，W_v，ca，in＝W_ca×RH_ca，in，所以方程(10)可以进一步表示为：

为了设计质子交换膜燃料电池电堆系统的自抗扰控制器，将所有未知部件视为总干扰f_total：

f_total＝(-W_v，ca，out-W_l，ca，out+W_v，vc，gen+W_v，membr)×    (12)(12)

控制变量的增益是：

质子交换膜燃料电池阴极相对湿度又可表示为：

控制系统可以进一步表示为：

其中RH_ca，in为阴极进气湿度；

Step3：利用Matlab和Simulink进行仿真分析，同时将自抗扰控制技术的湿度控制与传统的PID控制和模糊PID控制方法进行对比；

Step4：验证不同温度下自抗扰控制技术的湿度控制的抗干扰性能和跟踪性能，确保了所述质子交换膜燃料电池湿度控制方法在不同温度场合下的有效性和可靠性；

Step5：结合自抗扰控制技术的湿度控制系统的实际应用，进行了实验研究。