变海拔条件下燃料电池空气供给系统OER预测控制方法

变海拔条件下燃料电池空气供给系统oer预测控制方法
技术领域
1.本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统oer预测控制方法，属于燃料电池控制技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着国际社会对保护环境和节约能源的关注日益增加，氢能作为新兴的清洁能源技术，具有清洁、热值高等优点。质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, pemfc）是氢能开发应用的重要形式，具有高效、无污染、低噪声等优点。但是由于燃料电池是复杂、非线性、大时滞的强耦合系统，其动力性、安全性、经济性受多方面因素影响，所以需要为燃料电池设计安全、高效的控制方法与管理策略。
3.燃料电池系统的动态输出性能往往由空气供给系统决定，在变海拔环境下，大气压力、大气温度、大气密度的降低导致空气供给系统的影响进一步增大。氧气过量比（oxygen excess ration， oer）是空气供给系统重要参数，oer是指供给的空气质量流量与负载需求的空气质量流量之比。oer对于空气供给系统控制尤为重要，因此准确地控制oer有利于提高燃料电池系统的效率、安全性和使用寿命。
4.基于模型的oer控制方法具有较高的稳定性与控制效果，得到广泛的应用，其中基于面向外特征的系统模型控制方法最为广泛。目前已有一些面向外特征的系统模型控制方法，例如基于pid的控制方法、模糊逻辑法、滑模变结构法等。 但是随着海拔的变化，空气供给系统的工作条件发生改变，基于离线标定的静态模型不能保证足够精度，导致控制效果的下降。
5.为提高变海拔环境下的燃料电池空气供给系统控制效果，目前已有一些优化控制方法，例如模型参考自适应控制、分数阶pid控制、神经网络控制等，其中模型预测控制凭借所需的数据量较低、控制效果较好等优势，具有较好前景。
6.在变海拔环境下，由于大气压力、温度、密度的降低，导致在oer控制过程中，空气压缩机的运行曲线很有可能超过喘振安全范围，系统压力会出现周期性震荡现象，导致质子交换膜受损，进而导致燃料电池故障。
7.现有技术有基于面向系统外部特性的经验模型的oer预测控制，经验模型是根据电化学、空气动力学等学科原理和经验公式来描述系统外部特性的一种模型，其关键参数是根据机理公式与离线实验标定而得的，模型参数一经确定便不在变化。基于面向系统外部特性的经验模型展开oer的预测控制，主要包括模型预测、滚动优化和反馈校正三个步骤，实现对oer的稳定控制。但是该方法中空气压缩机的压力-流量-转速-效率特性在变海拔条件下会发生变化，燃料电池空气压力、流量动态响应，燃料电池电堆极化曲线都会随着海拔变化而变化，因此面向系统外部特性的经验模型无法准确模拟变海拔情况下的燃料电池真实情况。海拔变化带来的大气压力和温度的下降会导致空气压缩机在oer预测控制下运行在喘振区，导致系统压力出现周期性震荡现象，甚至导致燃料电池故障。所以在变海拔情况下，基于面向系统外部特性的经验模型的oer预测控制的控制效果不足以满足稳定、安
全、高效的要求。
8.现有技术中还有采用基于面向系统外部特性的模型参考自适应控制，该模型额外增加了考虑环境压力的非线性动态空气压缩机的模型，通过限制燃料电池运行范围的方式，设计了模型参考自适应控制器，该控制器可以随着工况变化自适应调节控制器参数，使得被控参量始终运行在安全范围内，保证了燃料电池的稳定、安全运行。但是因为燃料电池变海拔条件下运行环境恶劣，传感器存在误差和电磁干扰等问题，这些误差与干扰会导致控制器自适应调节过程参数误差，对控制效果产生不利影响，该技术无法减小或消除噪声的影响。变海拔条件下，燃料电池以效率最优为前提的oer值将会随着海拔变化而变化，该技术未考虑这一因素，导致燃料电池运行效率并未最优。


技术实现要素：

9.本发明提供一种变海拔条件下燃料电池空气供给系统oer预测控制方法，以解决以下的问题：1.解决模型参数受海拔变化的影响产生的数值变化及其引起的控制效果下降问题。
10.2.以效率最优为优化方向的oer值在变海拔条件下的取值及以其为追踪目标的oer控制。
11.具体的技术方案为：变海拔条件下燃料电池空气供给系统oer预测控制方法，包括以下步骤：s1.建立面向变海拔环境的燃料电池外特性模型，通过不同海拔的实验数据拟合辨识模型参数，并建立模型参数随海拔变化的变化规律；s2.通过传感器采集环境中大气参数值，借助参数计算等效海拔用于调整模型参数，确定燃料电池安全运行范围；s3.在调整后的模型基础上，利用基于拓展线性状态观测器的估计方法估计燃料电池实时的阴极压力并间接计算当前oer值；s4.根据传感器采集的大气参数和负载工况，计算以净输出功率最大为优化目标的理想oer值；s5.根据理想oer值与当前oer值之间的差值和燃料电池安全运行范围，开展预测控制，实现变海拔环境下燃料电池安全运行。
12.具体的技术方案为：s1具体包括以下步骤：s1.1.采集不同海拔条件下燃料电池运行参数，包括氧气过量比、输出电压、阴极压力、空气压缩机转速、负载电流、阴极空气流量；s1.2.利用运行参数对不同海拔的燃料电池模型参数进行拟合：
（1-1）其中e、v0、c
1-c3、va、r
ohm、
α
0-α
6、
β
0-β6是待拟合参数，v
fc
是燃料电池电堆单体的输出电压，v
act
是活化极化损失，v
ohm
是欧姆损失，v
conc
是浓差极化损失，i是负载电流密度，i
max
是浓差极化损失急剧上升时的电流密度，pr是空气压缩机压比，w
cr
是空气压缩机出口空气质量流量，η
cp
是空气压缩机工作效率；构造如下的拟合问题以求解待拟合参数：
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（1-2）其中v
fcmea
是单体输出电压的测量值；建立待拟合参数与海拔高度之间的关系：
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（1-3）x为待拟合参数的集合，h代表海拔高度，x（0）表示海平面处的待拟合参数值，x（h）表示一定海拔高度的待拟合参数值。
13.s2具体包括以下步骤：s2. 1.通过传感器采集环境中大气参数；s2.2.计算等效海拔高度，并调整模型参数：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-4)其中a
0-a3、b
0-b3、c
0-c3分别为大气压力、大气温度和大气密度的权重、p为大气压力、t为大气温度、ρ为大气密度；s2.3.根据等效海拔高度带入式（1-3）确定模型参数。
14.s2.4.利用模型确定燃料电池安全运行区域。
15.s3具体包括以下步骤：s3.1.通过传感器采集供给管路参数；s3.2.利用如下观测器估计阴极压力与计算oer：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1-5）其中z1是供给管路压力值，z2是供给管路压力与阴极压力的函数，p
ca
是阴极压力估计值，λ
o2
是oer的估计值，β1和β2为状态观测器参数，c1、c3和c4为变海拔模型参数。
16.s4具体包括以下步骤：s4.1收集负载工况信息；
s4.2结合变海拔燃料电池性能模型与负载工况，计算以净输出功率最大为优化目标的理想oer值：
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（1-6）其中p
net
是净输出功率。
17.s5具体包括以下步骤：s5.1.根据实际oer预测oer变化并与理想oer的差值作为控制器输入；s5.2.计算控制器输出并校验是否符合燃料电池安全运行区域；s5.3.控制器输出，控制燃料电池安全运行。
18.本发明具有的技术效果：（1）本发明能够准确反映不同海拔下燃料电池空气供给系统动态响应特性和功率输出的性能模型。
19.（2）本发明以净输出最大为优化目标计算理想氧气过量比，提高燃料电池净输出功率。
20.（3）本发明采用自适应控制器，能够追踪理想氧气过量比的变化并校验是否处于燃料电池安全运行区间，控制燃料电池安全、高效运行。
附图说明
21.图1为本发明的燃料电池空气供给系统；图2为本发明的方法流程图；图3为本发明的变海拔燃料电池性能模型流程图；图4为本发明的基于模型的oer预测控制器。
具体实施方式
22.结合附图说明本发明的具体技术方案。
23.本发明提出变海拔条件下燃料电池空气供给系统oer预测控制方法，其中，燃料电池空气供给系统如图1所示，包括：燃料电池电堆，空气滤清器，空气压缩机、供给管路、中冷器、加湿器、阴极流道、回流管路及背压阀和控制器。
24.通过参数修正与状态估计器估计补偿由于变海拔环境导致的模型偏差，根据采集的环境参数和变化的负载，自适应计算以净输出功率最大为优化目标的oer值，通过跟踪最优化的oer值与限制燃料电池运行范围，实现燃料电池在变海拔条件下的安全、稳定、高效运行。
25.如图2所示，所述的方法，包括以下步骤：s1.建立面向变海拔环境的燃料电池外特性模型，通过不同海拔的实验数据拟合辨识模型参数，并建立模型参数随海拔变化的变化规律。
26.s2.通过传感器采集环境中大气压力、大气温度及大气密度等参数值，借助这些参数计算等效海拔用于调整模型参数，确定燃料电池安全运行范围。
27.s3.在调整后的模型基础上，利用基于拓展线性状态观测器的估计方法估计燃料电池实时的阴极压力并间接计算当前oer值。
28.s4.根据传感器采集的大气压力等参数和负载工况，计算以净输出功率最大为优
化目标的理想oer值s5.根据理想oer值与当前oer值之间的差值和燃料电池安全运行范围，开展预测控制，实现变海拔环境下燃料电池安全、高效运行。
29.如图2所示，s1具体包括：s1.1.采集不同海拔条件下燃料电池运行参数，包括氧气过量比、输出电压、阴极压力、空气压缩机转速、负载电流、阴极空气流量等。
30.s1.2.利用运行参数对不同海拔的燃料电池模型参数进行拟合：（1-1）其中e、v0、c
1-c3、va、r
ohm、
α
0-α
6、
β
0-β6是待拟合参数，v
fc
是燃料电池电堆单体的输出电压，v
act
是活化极化损失，v
ohm
是欧姆损失，v
conc
是浓差极化损失，i是负载电流密度，i
max
是浓差极化损失急剧上升时的电流密度，pr是空气压缩机压比，w
cr
是空气压缩机出口空气质量流量，η
cp
是空气压缩机工作效率；需要构造如下的拟合问题以求解待拟合参数：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1-2）其中v
fcmea
是单体输出电压的测量值。
31.建立待拟合参数与海拔高度之间的关系：
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（1-3）x为待拟合参数的集合，h代表海拔高度，x（0）表示海平面处的待拟合参数值，x（h）表示一定海拔高度的待拟合参数值。
32.如图3所示，s2具体包括：s2. 1.通过传感器采集环境中大气压力、大气温度及大气密度等参数。
33.s2.2.计算等效海拔高度，并调整模型参数。
34.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-4)其中a
0-a3、b
0-b3、c
0-c3分别为大气压力、大气温度和大气密度的权重、p为大气压力、t为大气温度、ρ为大气密度；s2.3.根据等效海拔高度带入式（1-3）确定模型参数。
35.s2.4.利用模型确定燃料电池安全运行区域。
36.s3具体包括：s3.1.通过传感器采集供给管路压力等参数。
37.s3.2.利用如下观测器估计阴极压力与计算oer
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1-5）其中z1是供给管路压力值，z2是供给管路压力与阴极压力的函数，p
ca
是阴极压力估计值，λ
o2
是oer的估计值，β1和β2为状态观测器参数，c1、c3和c4为变海拔模型参数。
38.s4具体包括：s4.1收集负载工况信息s4.2结合变海拔燃料电池性能模型与负载工况，计算以净输出功率最大为优化目标的理想oer值
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（1-6）其中p
net
是净输出功率。
39.如图4所示，s5具体包括：s5.1.根据实际oer预测oer变化并与理想oer的差值作为控制器输入。
40.s5.2.计算控制器输出并校验是否符合燃料电池安全运行区域。
41.s5.3.控制器输出，控制燃料电池安全、高效运行。