[发明专利]一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法

权利要求书

1.一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立燃料电池系统模型：设定燃料电池系统模型的状态变量、输入变量和输出变量，对燃料电池系统模型进行建模；

模型线性化处理：对所述燃料电池系统模型进行线性化处理，得到状态空间方程；

设计无偏差MPC控制系统：基于所述线性化燃料电池系统模型，设计无偏差MPC控制系统，在线求解燃料电池系统模型的最优输入，对燃料电池净输出功率进行跟踪且输出效率优化。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，其特征在于，在步骤“建立燃料电池系统模型”中，所述燃料电池系统模型包括空气压缩机、进气歧管、电堆阴极和DC/DC转换器，所述燃料电池系统模型的工作过程为：

设定不同的空气压缩机输入电压，控制空气压缩机的转速，调节流向进气歧管的气体质量流量，流入进气歧管的气体经进气歧管增湿和冷却后继续流入电堆阴极内部；流入电堆阴极内部的气体中的氧气通过质子交换膜与电堆阳极氢气结合反应产生电子，电子经外部电路由电堆阳极到达电堆阴极，进而产生电堆阴极的输出电压和输出电流，分别提供给空气压缩机和DC/DC转换器，并由DC/DC转换器提供给外接负载。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，其特征在于，所述燃料电池系统模型的状态变量包括电堆阴极内氧气和氮气的分压力、进气歧管内的气体压力和空气压缩机的转速；所述燃料电池系统模型的输入变量包括空气压缩机的输入电压和燃料电池系统模型的期望净输出电流；所述燃料电池系统模型的可测量输出变量包括进气歧管内的气体压力、流出空气压缩机的气体质量流量和燃料电池系统模型的净输出功率。

4.根据权利要求2所述的一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，其特征在于：在步骤“建立燃料电池系统模型”中，所述空气压缩机的旋转动态特性可表示为：

其中：ω_cp为空气压缩机的转速；J_cp为空气压缩机的叶轮及电机转子的总转动惯量；τ_cm为空气压缩机的电机转矩；τ_cp为空气压缩机的负载转矩；

所述进气歧管内部的气压动态特性可表示为：

其中：p_sm为流出进气歧管或进气歧管内部的气体压力；R为理想气体常数；T_cp为流入进气歧管的气体温度；M_atm为进气歧管内气体的摩尔质量；V_sm为进气歧管的总容积；W_cp为流入进气歧管的气体质量流量，即空气压缩机流出的气体质量流量；W_ca,in为进气歧管流出的气体质量流量，即流入电堆阴极的气体质量流量；

所述电堆阴极内部气体中的氧气和氮气的压力动态特性分别表示为：

其中：和分别为电堆阴极内氧气和氮气的分压力；R为理想气体常数；T_st为燃料电池温度；和分别为电堆阴极中氧气和氮气的摩尔质量；V_ca为电堆阴极的总容积；和分别为流入电堆阴极的氧气和氮气的质量流量；和分别为流出电堆阴极的氧气和氮气的质量流量；为电堆阴极反应消耗的氧气的质量流量；

所述DC/DC转换器的动态特性可表示为：

其中：I_net为燃料电池系统模型的净输出电流；为燃料电池系统模型的期望净输出电流；j₁和j₂分别为燃料电池系统模型的净输出电流I_net和燃料电池系统模型的期望净输出电流的系数。