[发明专利]车载燃料电池阴极流量与压力控制方法

权利要求书

1.一种车载燃料电池阴极流量与压力控制方法，其特征在于：

S1、最优过氧比Map表标定：过氧比被定义为空气供给系统提供的氧气流量与反应氧气流量的比率

其中，为过氧比，为空气供给系统提供的氧气流量，为反应氧气流量；

反应氧气流量可由下式计算：

其中，为氧气的摩尔质量，n为电堆中电池数量，F为法拉第常数，I_st为电堆电流；

空气供给系统提供的流量：

其中，为空气供给系统提供的氧气流量，由过氧比与反应氧气流量计算得到，Ω为空气湿度比，为空气中氧气质量分数

其中，为氧气的摩尔分数，为氮气的摩尔质量；

电堆净功率：

P_net＝P_st-P_cp (5)

其中，P_net为电堆净功率，P_st为电堆输出功率，P_cp为压缩机消耗功率；

最优过氧比Map表标定过程为：固定电堆电流不变，过氧比从1.5逐渐升到3，记录在固定电堆电流下每个过氧比对应的净功率；然后改变电堆电流重复试验；电堆电流与最优过氧比曲线是标定的最优过氧比Map表，通过此Map表可以得到最优空气供给系流量；

S2、无模型自适应滑模+反步法双回路控制器

(1)无模型自适应滑模流量跟踪控制器

①空气供给系统流量数据模型建立

空气供给系统流量数据模型

ΔW_ca(k+1)＝φ(k)ΔN_cmd(k) (6)

其中，W_ca为空气供给系统流量，k为当前时刻，W_ca(k)为当前时刻空气供给系统流量，W_ca(k+1)为下一时刻空气供给系统流量，ΔW_ca(k+1)＝W_ca(k+1)-W_ca(k)为空气供给系统流量增量；φ(k)为伪偏导，是一个待估计的时变参数；N_cmd为压缩机转速指令，ΔN_cmd(k)＝N_cmd(k)-N_cmd(k-1)为压缩机转速信号增量，N_cmd(k)为当前时刻压缩机转速指令，N_cmd(k-1)为下一时刻压缩机转速指令；

②伪偏导估计

考虑如下伪梯度估计准则函数：

J(φ(k))＝|W_ca(k)-W_ca(k-1)-φ(k)ΔN_cmd(k)|²+μ|φ(k)-φ(k-1)|² (7)

其中，μ＞0是权重因子；φ(k)是当前时刻的伪偏导；φ(k-1)为上一时刻伪偏导；

φ(k)求极值，得伪偏导估计为：

其中，η∈(0,2]为步长因子；是伪偏导当前时刻估计值；是伪偏导前一时刻估计值；

为了使伪偏导估计具有更强的跟踪时变参数能力，加入如下重置法：如果或或其中，为的初值，为一个很小的正数；

③无模型自适应控制率

考虑如下控制输入准则函数：

其中，λ＞0是一个权重因子，为期望的空气供给系统流量；将式(6)的数据模型代入上式中，并对N_cmd(k)求导，令其等于零得：

其中，ρ_i∈(0,1],(i＝1,2,…,L)为步长因子；为空气供给系统流量在k+1时刻的期望值；

④滑模控制器

定义空气供给系统流量跟踪误差为：

其中，为当前时刻空气供给系统流量期望值；W_ca(k)为当前时刻空气供给系统流量；定义如下滑模面函数：

s(k)＝e(k)+c₀e(k-1) (12)

其中，e(k)为当前时刻空气供给系统流量跟踪误差；e(k-1)为前一时刻空气供给系统流量跟踪误差；c₀为一个正常数；则：

其中，s(k+1)为下一时刻滑模面函数；设计如下的离散滑模趋近率：

其中，T为离散采样时间；ξ为一正数；sign[·]为符号函数；m为一正数，它决定着系统响应时间；则滑模控制率为：

⑤无模型自适应滑模流量跟踪控制器

最终的无模型自适应滑模流量跟踪控制率为：

ΔN_cmd(k)＝ΔN_cmd,MFAC(k)+γΔN_cmd,SMC(k) (16)

其中，γ为一个正常数；

(2)反步法阴极压力跟踪控制器

①阴极压力模型为：

其中，R_a为空气气体常数，T为电堆温度，V_ca为电堆体积，W_ca为空气供给系统流量，f(P_ca,θ)为节气门出口流量，与阴极压力P_ca和节气门开度θ有关，节气门的动态特性表示为如下的一阶惯性环节：

其中，T_tr为节气门响应时间常数，θ_cmd为节气门开度指令；

将上述模型整理成如下形式：

其中，a_i(i＝1,2,3)为与模型参数相关的量，

②反步法阴极压力跟踪控制器

定义阴极压力的期望值为阴极压力跟踪误差为：定义如下形式的Lyapunov函数：

对上式进行求导可得：

令：k₁为控制器增益，保证则得到期望节气门出口流量为：

通过选取期望的节气门开度θ^*可由f(P_ca,θ)^*通过反查表得到，定义节气门开度跟踪误差为：e₂＝θ^*-θ，定义另一个Lyapunov函数：

对上式进行求导得：

令：θ^*+a₃θ-a₃θ_cmd＝-k₂e₂，k₂为控制器增益，保证则得到节气门开度指令为：

定义整个闭环系统的Lyapunov函数为：

V＝V₁+V₂ (26)

对上式求导得：

只有当e₁＝e₂＝0时，因此，整个闭环系统是渐进稳定的。