[发明专利]基于融合式模型预测的燃料电池空气供给系统控制方法

权利要求书

1.一种基于融合式模型预测的燃料电池空气供给系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:根据质子交换膜燃料电池电堆及空气供给系统的特性，构建燃料电池电堆及空气供给系统的高阶非线性模型，并设阳极氢气供应满足需要以及加湿器处于理想状态，将高阶非线性模型简化为六阶模型；

步骤S2:基于高阶非线性模型获取燃料电池在A、B功率点情况下的状态参数数据，并利用泰勒展开的方式，对六阶模型进行线性化，得到线性化模型；

步骤S3:将A、B功率点的状态参数数据带入到线性化模型中,并将线性化模型转换成状态空间方程的形式；

步骤S4:采用模型预测算法，为A、B功率点下的线性化模型设计控制器，并对控制器给定约束和参考输出；

步骤S5：对步骤S4构建的两个模型预测控制器给定可变权重，实现两个控制器的输出耦合，并对耦合的控制量设计一个补偿量，用以补充在电流阶跃下降时的控制量，实现当电流阶跃下降时对控制量进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于融合式模型预测的燃料电池空气供给系统控制方法，其特征在于，所建立的燃料电池电堆及空气供给系统的高阶非线性模型为：

式中为状态量，具体的ω_cp是压气机角速度，P_sm是供气歧管的气压，m_sm是供气歧管的气体质量，是燃料电池内的氧气质量，是燃料电池内的氢气质量，是燃料电池内的氮气质量，P_rm是回流歧管的气压，m_w,an是燃料电池阳极水蒸气质量，m_w,ca是燃料电池阴极水蒸气质量。和分别是燃料电池阳极氢气输入，输出和反应消耗流量。W_v,an,in，W_v,an,out，W_v,membr和W_l,an,out分别是燃料电池阳极输入，输出，穿越质子交换膜的水蒸气及输出的液态水流量。和燃料电池阳极输入，输出的氮气流量。W_v,ca,in，W_v,ca,out，W_v,ca,gen，W_v,membr和W_l,ca,out分别是燃料电池阴极输入，输出，产生，穿越质子交换膜的水蒸气及输出的液态水流量。和分别是燃料电池阴极氧气输入，输出和反应消耗流量。T_rm为排气歧管中气体温度，R_a为空气气体常数，V_rm为排气歧管体积，W_ca,out为阴极输出的气体质量流量，W_rm,out为排气歧管输出的质量流量。W_cp是空压机输出质量流量，W_sm,out为进气歧管输出的质量流量。γ为恒热压比，V_sm为进气歧管体积，T_cp,out为空压机的输出气体温度，T_sm为进气歧管气体温度。τ_cm和τ_cp分别是空压机扭矩和负载，J_cp是空压机的等效惯量。

3.根据权利要求2所述的基于融合式模型预测的燃料电池空气供给系统控制方法，其特征在于，基于高阶非线性模型获取燃料电池在A、B功率点情况下的状态参数数据具体方法为：

①在Matlab/simulink仿真环境中建立高阶非线性模型的数学模型，模型内部的参数状态可进行实时观测。

②输入恒定的A、B功率点对应的负载电流，用以模拟稳态工况下的燃料电池系统输入负载。

③分别观测并记录A、B功率点负载电流下的模型内部参数数据。

4.根据权利要求1所述的基于融合式模型预测的燃料电池空气供给系统控制方法，其特征在于，所述燃料电池空气供给系统的控制输入为空压机的控制电压，可测的输入扰动是电流，输出为电堆的氧气过量系数，所述的输入输出表达式为：

式中，I_st表示燃料电池电堆的电流，U_cp表示压气机控制电压，表示燃料电池电堆氧气进气流量，表示燃料电池反应所需的氧气流量。