[发明专利]燃料电池空气供给系统数据驱动离散三步解耦控制方法

说明书

一种燃料电池空气供给系统数据驱动离散三步解耦控制方法，属于车辆燃料电池发动机控制领域。本发明的目的是基于离散三步法的无模型自适应控制器针对燃料电池的不同工况对空压机转速和节气门开度产生控制信号，使空气供给系统中的空气质量流量和阴极压力处于所需期望值的燃料电池空气供给系统数据驱动离散三步解耦控制方法。本发明首先采用动态线性化方法获取了动态线性化模型，无需使用系统模型的任何数据，然后基于该数据模型，利用扩展状态观察器，对系统输出进行解耦。最后基于解耦数据模型开发了一种基于离散三步法的无模型自适应控制器。本发明提出的控制方案可以避免对空气供给系统进行建模并且易于工程实现。

技术领域

本发明属于车辆燃料电池发动机控制领域。

背景技术

现如今，能源替代需求迫切，传统的石油能源已经不能满足人们对环境保护的要求，我国政策也注重生态文明建设。相比于在碳排放方面，欧美国家已经碳达峰，正在往碳中和的目标进发。我国也提出了“双碳”计划，交通方面，传统的汽车发动机的尾气，是二氧化碳的重点排放途径，为减少汽车尾气排放，质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC）是汽车能源替代的最佳方案。而PEMFC的空气供给系统对其整体的性能有很大的影响，在PEMFC的空气供给系统中流过阴极的空气流量通常由过氧比表示，过氧比定义为进入燃料电池阴极的氧气质量流量与燃料电池内发生反应的氧气的质量流量的比值。通常燃料电池的空气供给系统一般由压缩机、中冷器、加湿器、电堆、节气门以及连接管路组成。其中压缩机所消耗的功率占燃料电池总功率的40%左右。图1为不同电堆电流的过氧比与净功率关系曲线，压缩机功率越高，空气供给系统的空气流量就越大，导致过氧比变大，产生“氧饱和”现象，从而导致燃料电池的净功率下降；当压缩机功率过低时，空气供给系统的空气流量就越小，导致“氧饥饿”，过氧比变小，严重时会损害电池寿命。图2为最优过氧比和最优净功率与电堆电流拟合曲线，可以看出通过控制PEMFC的空气供给系统可以使燃料电池的过氧比稳定在合理数值，从而提升燃料电池的净功率。其次，燃料电池的输出功率水平与阴极压力直接相关，如果阴极压力不控制在一个合理的范围内，质子交换膜两侧的压差就会增大，会损害膜的使用寿命。PEMFC的空气供给系统控制可以被描述为对阴极流量和阴极压力的协调控制。

针对空气供给系统的控制，主要有以下问题：

1. PEMFC的空气供给系统是一个多输入多输出、存在内外部扰动等不确定信息的复杂系统，非线性较强，并且多种变量耦合在一起，难以建立其精确的机理模型。因此，基于机理模型的控制方案难以应用。

2. PEMFC空气供给系统的两个控制输出，即空气质量流量和阴极压力，相互影响，会恶化系统输出的跟踪性能，给控制器设计带来问题。

3.现有的燃料电池的控制算法，例如模型预测控制，对所需算力要求较高，对车载的电脑控制模组（Electronic Control Unit,ECU）计算负担较大，效率不高，难以落实在实际应用当中。

发明内容

本发明的目的是基于离散三步法的无模型自适应控制器针对燃料电池的不同工况对空压机转速和节气门开度产生控制信号，使空气供给系统中的空气质量流量和阴极压力处于所需期望值的燃料电池空气供给系统数据驱动离散三步解耦控制方法。

本发明步骤是：

S1、利用燃料电池空气供给系统模型的输入数据和输出数据，得到动态线性化数据模型

S11、PEMFC的空气供给系统描述成如下的一般非线性系统：

 （1）

其中，是时间序列；为长度；是未知的正整数；是未知正整数；是时刻的输出向量；为空气供给系统的空气质量流量；为阴极压力；是时刻的输入向量；为空气压缩机转速；为节气门开度；代表着一般广义非线性函数；

S12、将模型（1）转变成动态线性化数据模型：

  （2）