质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法、系统及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法、系统，包括如下步骤：S100、建立PEMFC氢气喷射系统模型：S101、PEMFC氢气喷射系统是一个双输入双输出系统，其输入为氢气喷射电磁阀占空比和背压阀开度，输出为阳极氢气的流量和压力；所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵；S102、采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数；S200、解耦控制器设计，依次包括以下步骤：S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计；S202、设计两路PI控制器分别控制流量和压力。本发明专利技术实现氢气流量和背压的优化协调控制，从而使PEMFC系统获得良好的动静态特性。从而使PEMFC系统获得良好的动静态特性。从而使PEMFC系统获得良好的动静态特性。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法、系统及装置


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过氢气和氧气之间发生的氧化还原反应，将化学能转变为电能输出的发电装备。近年来，其在车载电源中备受青睐。世界各大汽车厂商竞相研发具备零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生的燃料电池汽车。在此同时，如何提高PEMFC的系统效率、增大系统能量密度和功率密度、减小系统尺寸，改善水平衡等，对于有限的车载空间具有十分重要的意义。
[0003]PEMFC必须在充足的氧气氢气供应环境、合适的温度湿度条件下进行工作，所以PEMFC电堆需要与其他子系统协调运行，这些子系统主要包括空气供给系统、氢气供给系统、水管理系统、热管理系统和控制系统。PEMFC的阳极供氢系统主要由储氢气瓶、开关阀、减压阀、阳极喷射器等组成。储氢气瓶用来储存高压氢气,其中气体压力可高达35MPa甚至70MPa,其上附带压力传感器、电磁阀和温度传感器等元件以检测氢气的压力、温度等各项指标,保证用氢安全。PEMFC两极的气体压力对燃料电池的性能会产生不可忽略的影响。气体压力的大小会影响反应过程中的离子或分子的渗透压，进而影响电化学反应速率。
[0004]研究表明，提高电堆内部气体压力可以减少活化和质量传递的损失，从而较大提升PEMFC电堆内各物理参量的空间分布均匀性，此外，增大氢气压力也可增大PEMFC的输出电压。高压系统的氢气是一个多输入多输出耦合系统，而且还具较强的非线性、不确定性等特点，在控制氢气压力的同时，其流量波动较大，而单独控制氢气流量，其压力也会变化。故而，有效控制PEMFC阳极氢气的压力、流量对提升PEMFC的系统效率和可靠性具有关键意义。

技术实现思路

[0005]1、本专利技术的目的
[0006]本专利技术为了有效控制PEMFC阳极氢气的压力、流量，设计了一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法。
[0007]2、本专利技术所采用的技术方案
[0008]本专利技术提出了一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法，包括如下步骤：
[0009]S100、建立PEMFC氢气喷射系统模型：
[0010]S101、PEMFC氢气喷射系统是一个双输入双输出系统，其输入为氢气喷射电磁阀占空比和背压阀开度，输出为阳极氢气的流量和压力；所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵；
[0011]S102、采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数
[0012]S200、解耦控制器设计，依次包括以下步骤：
[0013]S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计；
[0014]S202、设计两路PI控制器分别控制流量和压力。
[0015]更进一步具体实施方式，所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵：
[0016][0017]式中，Q(s)为氢气的流量，P(s)为进入阳极的氢气的压力，G
p
(s)为系统的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
[0018]更进一步具体实施方式，所述的S102、采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数，包括以下步骤：
[0019]S1021、生成M序列；
[0020]所述M序列，周期为2n-1的n电平移位寄存器生成毫秒序列；在输出过程中，每级移位寄存器将状态移到下一级，最后一级移位寄存器移出的状态即为输出；
[0021]S1022、确定平衡工作点，进行辨识；
[0022]选定系统平衡点(n0,θ0)，n0,θ0是前述电磁阀占空比、背压阀开度的一个初始值，叠加所述M序列，对PEMFC氢气喷射系统进行测试；辨识得到传递函数矩阵G
p
(s)。
[0023]更进一步具体实施方式，所述的S200、解耦控制器设计，依次包括以下步骤：
[0024]S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：
[0025]U
c1
G
p21
(s)+U
c1
N
21
(s)G
p22
(s)＝0
[0026]U
c2
G
p12
(s)+U
c2
N
12
(s)G
p11
(s)＝0
[0027]其中，U
c
为控制器输出控制量，G
p
(s)为系统传递函数，N(s)为系统解耦器；
[0028]因此解耦器可设计为：
[0029][0030][0031]其中，N
P
和N
Q
分别为流量和压力的解耦器；
[0032]S202、分别设计流量和压力的控制器；
[0033]设计两路PI控制器分别控制流量和压力，所述两路PI控制器控制器实现流量回路和压力回路的单独控制。
[0034]本专利技术提出了一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制系统，包括：
[0035]PEMFC氢气喷射系统模型：
[0036]PEMFC氢气喷射系统是一个双输入双输出系统，其输入为氢气喷射电磁阀占空比和背压阀开度，输出为阳极氢气的流量和压力；所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵；
[0037]采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数解耦控制器：基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计；设计两路PI控制器分别控制流量和压力。
[0038]更进一步具体实施方式，所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵：
[0039][0040]式中，Q(s)为氢气的流量，P(s)为进入阳极的氢气的压力，G
p
(s)为系统的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
[0041]更进一步具体实施方式，采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数，包括：生成M序列；
[0042]所述M序列，周期为2n-1的n电平移位寄存器生成毫秒序列；在输出过程中，每级移位寄存器将状态移到下一级，最后一级移位寄存器移出的状态即为输出；
[0043]确定平衡工作点，进行辨识；
[0044]选定系统平衡点(n0,θ0)，n0,θ0是前述电磁阀占空比、背压阀开度的一个初始值，叠加所述M序列，对PEMFC氢气喷射系统进行测试；辨识得到传递函数矩阵G(s)。
[0045]更进一步具体实施方式，解耦控制器包括：
[0046]基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：
[0047]U
c1
G
p21
(s)+U
c1
N
21
(s)G
p22...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S100、建立PEMFC氢气喷射系统模型：S101、PEMFC氢气喷射系统是一个双输入双输出系统，其输入为氢气喷射电磁阀占空比和背压阀开度，输出为阳极氢气的流量和压力；所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵；S102、采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数S200、解耦控制器设计，依次包括以下步骤：S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计；S202、设计两路PI控制器分别控制流量和压力。2.根据权利要求1所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法，其特征在于：所述PEMFC氢气喷射系统的传递函数为二阶矩阵：式中，Q(s)为氢气的流量，P(s)为进入阳极的氢气的压力，G
p
(s)为系统的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。3.根据权利要求2所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法，其特征在于：所述的S102、采用M序列系统辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射系统的传递函数，包括以下步骤：S1021、生成M序列；所述M序列，周期为2n-1的n电平移位寄存器生成毫秒序列；在输出过程中，每级移位寄存器将状态移到下一级，最后一级移位寄存器移出的状态即为输出；S1022、确定平衡工作点，进行辨识；选定系统平衡点(n0,θ0)，n0,θ0是前述电磁阀占空比、背压阀开度的一个初始值，叠加所述M序列，对PEMFC氢气喷射系统进行测试；辨识得到传递函数矩阵G
p
(s)。4.根据权利要求3所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法，其特征在于：所述的S200、解耦控制器设计，依次包括以下步骤：S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：U
c1
G
p21
(s)+U
c1
N
21
(s)G
p22
(s)＝0U
c2
G
p12
(s)+U
c2
N
12
(s)G
p11
(s)＝0其中，U
c
为控制器输出控制量，G
p
(s)为系统传递函数，N(s)为系统解耦器；因此解耦器可设计为：因此解耦器可设计为：其中，N
P
和N
Q
分别为流量和压力的解耦器；S202、分别设计流量和压力的控制器；
设计两路PI控制器分别控制流量和压力，所述两路PI控制器控制器实现流量回路和压力回路的单独控制。5.一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，梁满志，张思龙，樊军，
申请(专利权)人：苏州智检通联技术有限公司，
类型：发明
国别省市：