一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法与流程

本发明涉及车载质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法。

背景技术：

随着全球的环境问题不断加剧，环境友好型的新能源电动汽车是当今汽车发展的一个重要方向。质子交换膜燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的装置，其中质子交换膜质子交换膜燃料电池由于其高效率、零排放以及较低的工作温度被认为是最具发展潜力的汽车动力源，质子交换膜质子交换膜燃料电池电动汽车一直受到国内外高度重视。目前使用质子交换膜质子交换膜燃料电池作为能量源的电动汽车已经进行试生产，并已经在一些国家和地区进行预售。

质子交换膜燃料子系统电池包括空气供应子系统、氢气供应子系统，湿度管理子系统和温度管理子系统。其中空气供应系统消耗最多的能量，使得质子交换膜燃料电池(pemfc)的输出净功率降低。实验表明空气供应子系统的消耗功率达到质子交换膜燃料电池输出功率的25％，空气供应子系统的功率消耗主要取决于过氧比，过氧比是指供应的氧气量和消耗的氧气量之比，过氧比越大，需要压缩的空气越多，消耗电能越多。因此较小的过氧比可以减小空气供应子系统的能量消耗；但是当负载电流发生变化时，当过氧比较小时，氧气供应量不足会导致催化剂缺氧而“饥饿”，会出现质子交换膜燃料电池输出电压降低、反应堆水淹以及质子交换膜燃料电池寿命降低等一系列问题，为了避免上述问题，需要较大的过氧比。

如何在避免质子交换膜燃料电池因缺氧而“饥饿”的基础上实现质子交换膜燃料电池输出净功率最大，是质子交换膜质子交换膜燃料电池在应用过程中一个需要解决的关键问题。

在目前已经授权的专利中，公开号为cn102891329a中，授权公告日为2014年9月17日，发明名称为“一种燃料电池系统空气端控制方法”，该发明提出了一种燃料电池系统空气端控制方法，当需求电流增大时，判断当前的需求电流是否引起系统“缺氧”，若是，则将当前的需求电流降至不引起系统“缺氧”的临界电流值；反之，则将当前的需求电流作为电流控制的目标值；当需求电流减小时，保持系统的其他输入不变，将空压机控制电压直接降至当前的需求电流对应的电压值，所提出的控制方法可以充分利用空气流量，同时将过氧比维持在较低水平且不会引起缺氧；公开号为cn105186025a中，授权公告日为2017年3月29日，发明名称为“一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池及其控制方法”，该发明公开了一种阴极进气可反馈控制的直接碳燃料电池及其控制方法。通过增加了电子控制单元、节气片、空气循环装置和电磁阀等可控流量系统，实现了阴极进气的流量控制；电子控制单元设定了熔融碱溶液电解质不同温度下的电流密度参考值,并且实现了节气片的多级调节,能够更好地控制进气流量,实现稳定控制。

目前研究的缺陷在于，在过氧比恒定的条件下，改变燃料电池负载电流而提高氧气利用率，其原理是，在空气供应子系统消耗功率一定的情况下，尽量提高燃料电池的工作电流，即燃料电池的最佳工作点是在不引起系统“缺氧”的临界电流值，当低于该电流值，仍然需要压缩额外的空气，这种的控制方法限制了燃料电池的输出电流宽度，只能让燃料电池在特定的功率下工作。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法，本发明的发明目的之一通过在燃料电池反应电流发生变化时对最佳过氧比进行计算进而通过最佳过氧比控制空气流量的方法。

本发明的发明目的之二是通过基于极值寻优的方式解决的最佳过氧比的计算问题。

本发明提供的技术方案为：

一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法，包括如下步骤：

步骤一、燃料控制器采集燃料电池反应堆电流ist；

步骤二、对空气供应系统建立压缩机角速度wcp、进气管路压力psm和阴极流场压力pca的状态量模型；

步骤三、由状态量模型得出的压缩机角速度wcp、进气管路压力psm和阴极流场压力pca，再根据如下建立的过氧比模型和净输出功率模型分别得出燃料电池反应堆电流为ist时的过氧比λo2和净输出功率pnet，通过过氧比λo2和净输出功率pnet得到当燃料电池反应堆电流为ist时，保证净输出功率pnet最大时的最佳过氧比

式中，xo2，atm为空气中的氧气体积分数，wo2，atm为空气流量，mo2为氧气的摩尔质量，e0为燃料电池热力学理论电压，ph2为阳极气路压力，

po2为阴极气路氧气分压，ploss为其他电附件损失功率，cp为空气比热，

tatm为大气温度，ηcp压缩机效率，patm为大气压力；

步骤四、将所述最佳过氧比转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度：

优选的是，在所述步骤二中，所述状态量模型为：

式中，ηcm为电动机效率，kt为转矩灵敏度，kv为反电动势系数，jcp为压缩机转动惯量，rcm为电机电阻，cp为空气比热，tatm为大气温度，ηcp为压缩机效率，patm为大气压力，vcm为电机输入电压，ksm,out为进气管路出口流量常数，vsm为进气管路体积，tst为燃料电池反应堆温度，cd为喷嘴排放系数，n为燃料电池单体个数，at为喷嘴出口横截面面积，f为法拉第常数，vca为阴极体积，ist为反应堆电流，h(wcp,psm)为由压缩机转动角速度和供气歧管压力决定的空气从压缩机流入进气管路的空气质量比率。

优选的是，在所述步骤三中，计算净输出功率pnet最大时的最佳过氧比包括：对燃料电池反应堆电流ist进行不同的取值，做出进行不同取值的燃料电池反应堆电流ist时的过氧比λo2与净输出功率pnet的关系曲线，从所述关系曲线中确定当净输出功率pnet最大时对应的最佳过氧比进而得到不同取值的燃料电池反应堆电流ist相对应的最佳过氧比

优选的是，在所述步骤三中还包括：将进行不同取值的燃料电池反应堆电流ist和相对应的最佳过氧比做成二维数表，通过查表确定在不同的反应堆电流时，净输出功率pnet最大时对应的最佳过氧比

优选的是，在所述步骤三中还包括：将进行不同取值的燃料电池反应堆电流ist和相对应的最佳过氧比做成二维数表，通过插值计算确定在不同的反应堆电流时，净输出功率pnet最大时对应的最佳过氧比

优选的是，在所述步骤四中获得所述压缩机角速度的过程包括通过将所述步骤二中的压缩机角速度wcp、进气管路压力psm和阴极流场压力pca的状态量经过如下转换函数计算得到：

优选的是，建立所述转换函数过程如下：

首先，建立虚拟输出，将所述最佳过氧比转化为能够用所述步骤二的状态量模型进行描述的量；其中，虚拟输出为：

其次，根据所述虚拟输出，通过如下公式得到电机输入电压vcm与最佳过氧比的关系并且将所述电机输入电压vcm作为反馈控制变量u(t)进行表示：

式中，a、b、c和d为状态系数，u(t)为电机输入电压vcm的反馈控制变量；其中，

最后，根据所述虚拟输出、电机输入电压vcm与最佳过氧比的关系式以及所述反馈控制变量建立所述转换函数。

优选的是，所述状态系数a、b、c、d分别为

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、通过构建燃料电池系统输出净功率模型和燃料电池空气供给系统的三阶模型，确定了基于净功率最大的燃料电池反应堆电流ist与最佳过氧比的对应关系，保证了在燃料电池反应堆电流一定时其损耗功率最小；

2、将最佳过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度，进而实现最佳过氧比的跟踪控制，与目前现有技术的通过传感器测量进气管路压力和阴极流场压力进而控制氧气流量阀的方法相比，由于本技术方案是最佳过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压来实现对最佳过氧比的跟踪控制，因此该控制方法可以改善燃料电池动态响应慢的问题

附图说明

图1为本发明所述的控制方法流程图。

图2为本发明所述的不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn时的过氧比与净输出功率pnet的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明所提出的一种基于最佳过氧比的燃料电池空气流量控制方法是通过如下技术方案实现的，本方法的具体步骤如下：

步骤一、燃料电池控制器接收燃料电池反应堆电流ist；

步骤二、基于极值寻优算法计算当燃料电池反应堆电流为ist时的最佳过氧比

步骤三、上述过程得到了在不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn时最佳过氧比通过对空气供应系统的控制保证阴极的过氧比为上述所得的基于燃料电池输出净功率pnet的最佳过氧比因此可将过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度，进而实现过氧比的跟踪控制；

在另一种实施例中，步骤二中的基于极值寻优算法计算当燃料电池反应堆电流为ist时的最佳过氧比的计算，计算过程如下：

首先，空气供应子系统建模：

用如下所述的简化的三阶非线性模型来描述质子交换膜燃料电池的空气供应子系统的状态量，状态量包括压缩机角速度wcp、进气管路压力psm和阴极流场压力pca，具体模型如下：

式中，ηcm为电动机效率；kt为转矩灵敏度；kv为反电动势系数；jcp为压缩机转动惯量；rcm为电机电阻；cp为空气比热；tatm为大气温度；ηcp为压缩机效率；patm为大气压力；vcm为电机输入电压；ksm,out为进气管路出口流量常数；vsm为进气管路体积；tst为燃料电池反应堆温度；cd为喷嘴排放系数；n为燃料电池单体个数；at为喷嘴出口横截面面积；vca为阴极体积；f为法拉第常数；ist为反应堆电流；h(wcp,psm)由压缩机转动角速度wcp和供气歧管压力psm决定的空气从压缩机流入进气管路的空气质量比率，可由实验测得；psat阴极流场平均圧力。

然后，基于以上状态量进行过氧比λo2的计算：

当阴极供应氧气的质量wo2，in达不到阴极反应的氧气质量wo2，rec时，会造成催化剂的退化以及燃料电池寿命的降低，但是阴极供应氧气的质量wo2，in过大会使空气压缩机消耗更多的能量，通常用过氧比λo2来描述阴极供应氧气的质量；过氧比λo2是指在供给阴极的氧气质量wo2，in与阴极反应的氧气质量wo2，rec的比值，即：

由于供给阴极的氧气质量wo2，in与阴极反应的氧气质量wo2，rec均是不易测量的，因此通过质子交换膜燃料电池的空气供应子系统的状态量来进一步确定供给阴极的氧气质量wo2，in与阴极反应的氧气质量wo2，rec，具体地，在燃料电池阴极反应的氧气质量wo2，rec与燃料电池反应堆的电流ist相关，用mo2表示氧气的摩尔质量，wo2，rec满足：

供给阴极的氧气质量wo2，in不能够直接计算，需要用所述的状态量psm和pca来描述，用xo2，atm表示空气中的氧气体积分数，用wo2，atm表示空气流量，用所述的状态量psm和pca来描述的氧气质量wo2，in表达式如下：

联立计算式(4)(5)(6)，可得到基于状态量psm、pca和燃料电池反应堆电流ist的过氧比的表达式：

最后，确定基于极值寻优算法确定最佳过氧比与燃料电池反应堆电流ist的关系：

当燃料电池反应堆电流ist变化时，过氧比也应该随之变化才能减少压缩机部分能量的损失，即当燃料电池反应堆电流ist与最佳过氧比存在对应映射，通过以下过程来确定基于净功率最大的燃料电池反应堆电流ist与最佳过氧比的对应关系；

燃料电池净输出功率pnet为燃料电池反应堆功率pst与压缩机消耗功率pca的差值，即：

pnet＝pst-pca(8)，

燃料电池反应堆功率可由能斯特方程确定，用e0表示燃料电池热力学理论电压，ph2表示阳极气路压力，po2表示阴极气路氧气分压，ploss表示其他电附件损失功率，pst表达式如下：

压缩机的功率pca是压缩机角速度wcp的函数，pca表达式如下：

通过计算式(8)(9)(10)可以得到基于燃料电池反应堆电流ist和压缩机角速度wcp的净输出功率pnet的表达式：

如图2所示，通过基于状态量psm、pca和燃料电池反应堆电流ist的过氧比的表达式(7)和基于燃料电池反应堆电流ist和压缩机角速度wcp的净输出功率pnet的表达式(11)可以做出在不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn时的过氧比与净输出功率pnet的关系曲线，从该关系曲线中找到净输出功率pnet最大时对应的过氧比即为不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn时对应的最佳过氧比即：

分别求出不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn对应的最佳过氧比将不同的燃料电池反应堆电流ist1、ist2、ist3……istn对应的最佳过氧比做成二维数表输入燃料电池控制器中，燃料电池控制器接收到燃料电池反应堆电流ist后即可通过查表或者插值的方法确定该燃料电池反应堆电流ist时对应的最佳过氧比

在另一种实施例中，步骤三中的将最佳过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度，进而实现最佳过氧比的跟踪控制，具体方法是通过如下过程实现的：

首先，为了将不易测量的最佳过氧比转化为可用上述质子交换膜燃料电池的空气供应子系统模型中的状态量进行描述的量，建立一个虚拟输出：

将建立的质子交换膜燃料电池的空气供应子系统的模型代入描述过氧比状态的式(13)，通过其求二阶偏导从而使得可控变量电机输入电压vcm在表达式中，这样做的目的在于通过对电机的输入电压的控制实现对空气压缩机的控制进而实现对过氧比的控制；v(t)的设计用于配置新的等价线性系统的极点：

其中，a、b、c和d为由燃料电池结构和性能参数决定，分别为：

将式(14)中的电机输入电压vcm作为反馈控制变量，用u(t)表示，根据式(14)可将该反馈量u(t)表示为：

式中，

为了将式(1)(2)(3)的三阶非线性模型所描述的空气供应子系统转化为线性可控系统，首先基于式(13)(14)(15)，建立一个转换函数t(x)：

由此可将式(1)(2)(3)的三阶非线性空气供应子模型所描述的系统转化为用于控制器开发的线性系统，当燃料电池反应堆电流ist一定时，将根据基于极值寻优算法确定最佳过氧比确定空气压缩机角速度wcp，通过控制电机输入电压vcm可以控制压缩机的角速度，控制系统用以下形式表示：

当燃料电池反应堆电流ist一定时，将根据基于极值寻优算法确定最佳过氧比确定空气压缩机角速度wcp，上述控制系统可通过控制电机输入电压vcm可以控制压缩机的角速度wcp进而实现对最佳过氧比的跟踪。

本发明与现有技术相比，本发明通过构建燃料电池系统输出净功率模型和燃料电池空气供给系统的三阶模型，确定了基于净功率最大的燃料电池反应堆电流ist与最佳过氧比的对应关系，保证了在燃料电池反应堆电流一定时其损耗功率最小；另一方面将最佳过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压进而获得所需的压缩机角速度，进而实现最佳过氧比的跟踪控制，与目前现有技术的通过传感器测量进气管路压力和阴极流场压力进而控制氧气流量阀的方法相比，由于本技术方案是最佳过氧比信号转化为压缩机角速度信号，通过控制电机电压来实现对最佳过氧比的跟踪控制，因此该控制方法可以改善燃料电池动态响应慢的问题。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。