[发明专利]一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法

说明书

本发明公开了一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法，通过补偿燃料电池系统的进气压力优化电堆的输出能力。本发明包括：步骤一、对燃料电池系统建立供给路动态模型；步骤二、确定燃料电池电堆的过氧比参考值；步骤三、通过补偿燃料电池系统的背压提升系统的输出功率，提出压力补偿因子κ_air；步骤四、根据自抗扰控制思想设计燃料电池系统供给路流量‑压力动态解耦控制器。本发明利用流量‑压力动态解耦控制器以削减流量‑压力的耦合作用，为实现整体提升燃料电池系统的功率水平提供设计指导。

技术领域

本发明属于燃料电池系统领域，涉及一种基于压力补偿的燃料电池供给路 解耦控制方法。

背景技术

随着全球工业的迅速发展，世界能源的需求日益增长，而环境污染问题与 能源危机的影响日趋加剧。燃料电池，作为一种新型的、高效的、无污染的清 洁能源，具有广阔的运用市场，迅速的获得了各国政府和组织的青睐。

为保证燃料电池平稳、正常的工作，应保证燃料电池系统的氢气路和空气 路供应满足需求。其中氢气的供应路在变载的过程控制策略只需满足压力的跟 随，而相对于此的空气供给路的控制更为复杂。

当前针对燃料电池系统的空气供给路大都采用过氧比的控制方法，国内外 已有大量的研究技术成果，比如基于模型预测的控制、基于线性二次高斯的控 制和基于神经网络的控制等等。上述的各种控制方法对于燃料电池系统的过氧 比调节各有优势，但是对于实际中的工程意义不太，对于燃料电池流量-压力强 耦合系统的适应性不强。本发明针对流量-压力的强耦合问题，设计流量-压力动 态解耦控制器以削弱流量-压力的耦合作用，对提升燃料电池系统的功率具有指 导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压力补偿的燃料电池供给路解耦控制方法。 针对燃料电池的空气供给路系统在变载过程中的动态响应品质问题上提出一种 削弱系统流量与压力的耦合强化问题，对于提升系统的功率水平，在实际的工 程应用具有设计指导意义。

本发明采用如下的技术方案实现：

步骤一、根据电化学反应机理和实验测试结果建立燃料电池电堆的输出电 压模型；

步骤二、对燃料电池空气供给系统分别建立压力动态模型和流量动态模型；

步骤三、确定燃料电池电堆的过氧比参考值；

步骤四、基于步骤三确定的燃料电池电堆过氧比参考值，通过补偿背压提 升燃料电池的输出功率，提出压力补偿因子κ_air；

步骤五、根据步骤四引入的压力补偿因子后，分别为建立流量环和压力环 建立反馈控制器，为实现流量-压力的联合控制，设计流量-压力自抗扰控制器， 建立相应扩展状态变量的状态空间方程，完成流量-压力动态解耦控制器的设计；

(1)在所述步骤二中，所述的压力动态模型为：

式中：W_sm,out为电堆排气流量，C_d为喷嘴流量系数，P_sm为进气压力，r_v为背 压阀开口半径，γ为气体在固定压力下的比热系数，M_a为干空气的摩尔质量，R 为气体常数，T为气体温度，P_atm为大气压力，P_rm为背压，θ为背压阀角度，V_sm为进气管路体积，W_cp为进气质量流量；

(2)在所述步骤二中，所述的流量动态模型为：