【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池，具体为基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法。
技术介绍
1、对质子交换膜燃料电池进行有效的水管理能够提高电池性能，对于质子交换膜燃料电池的推广应用具有重要意义。然而，质子交换膜燃料电池的液态水饱和度不能用传感器直接测量得到。目前对于液态水饱和度的估计，可以采用如中子射线照相或x射线照相等测量技术，此外，还通过分析燃料电池光谱阻抗的高频分量来估计其液态水含量，然而上述测量技术成本昂贵，测量过程缓慢。因此，需要研究观测器算法来实现对液态水饱和度的软测量。对于目前的质子交换膜燃料电池观测器的研究，自适应观测器仅能保证状态观测误差和参数估计误差指数收敛，无法对收敛时间给出定量分析，然而，在固定时间内实现对系统状态和未知参数的准确估计能够提高控制系统的性能。
2、现有技术中缺乏对质子交换膜燃料电池液态水饱和度进行固定时间估计的手段。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，具备实现了系统状态和未知参数的准确估计等优点，解决了上述技术问题。
3、(二)技术方案
4、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，包括质子交换膜燃料电池系统，包括以下步骤：
5、s1、建立质子交换膜燃料电池温度模型、液态水饱和度
6、所述质子交换膜燃料电池温度模型、液态水饱和度模型和电压模型的表达式依次如下：
7、
8、vfc＝ncell(e0-ηact-ηohm)
9、其中，tfc、s、vfc分别表示电堆温度、液态水饱和度和输出电压，表示电堆温度tfc的一阶导数，表示液态水饱和度s的一阶导数，eth表示理论电势，ifc表示负载电流，tamb表示环境温度，vair表示阴极空气速度，pca表示阴极压力，ncell表示电池片数，e0表示理想开路电压，ηact表示活化损耗，ηohm表示欧姆损耗，fd和fp分别表示两个非线性函数，k1、k2、k3、k4、ks、kevap分别表示系统常数；
10、所述非线性函数fd和fp的具体表达式如下：
11、
12、fd＝s4(1.42-4.24s+3.79s2)
13、其中，exp表示以自然常数为底数的指数函数，s表示液态水饱和度，p0表示指数前因子，ea表示蒸发量的活化能；kb表示玻尔兹曼参数；pv表示阴极催化剂层水蒸气的压力，tfc表示电堆温度；
14、所述将机理模型转化为一个非线性状态空间方程的过程为：选择电堆温度tfc和液态水饱和度s为状态变量，采用质子交换膜燃料电池系统中电堆温度tfc和输出电压vfc构建输出信号y，负载电流ifc和阴极空气速度vair作为输入信号u，结合k2得到非线性状态空间方程，具体表达式如下：
15、
16、y＝cx+vfc
17、
18、x＝[x1 x2]t＝[tfc s]t
19、
20、θ＝k2
21、其中，i0表示交换电流密度，f(x,u)表示一个非线性函数，φ(x,u)表示回归向量,y表示系统输出信号，c表示系统输出矩阵，a表示系统矩阵，x表示系统状态量，x1用于指代电堆温度tfc，x2用于指代液态水饱和度s，表示x的一阶导数，上标t表示转置，θ表示系统未知参数，pca表示阴极压力，rohm表示每片电池的等效电阻，ifc表示负载电流，tfc、s、vfc分别表示电堆温度、液态水饱和度和输出电压，p0表示指数前因子，k1、k2、k3、k4、ks、kevap分别表示系统常数，e表示自然常数，ageo表示催化剂的几何面积，ncell表示电池片数，ea表示蒸发量的活化能；kb表示玻尔兹曼参数；pv表示阴极催化剂层水蒸气的压力，s表示液态水饱和度，tamb表示环境温度，vair表示阴极空气速度，ln表示以自然常数为底数的对数函数；
22、s2、对转化后的非线性状态空间方程引入反馈项得到固定时间自适应观测器，用于质子交换膜燃料电池中液态水饱和度和未知参数的估计；
23、所述固定时间自适应观测器表达式如下：
24、
25、其中，表示对时间的导数，表示系统状态量x的估计值，表示重构电压值，表示电堆温度的估计值，表示f(x,u)在处的估计值，表示φ(x,u)在处的估计值，表示系统未知参数θ的估计值，h表示高增益系数，h∈r，h-1表示关于h的正定对角矩阵的逆，h-2表示关于h的正定对角矩阵的逆矩阵的平方，h＝diag(1,h-1)∈r2×2,k表示观测器增益矩阵，k∈r2×1，r2×1表示矩阵的维度为2×1，ki和pi分别表示第i个设计参数，y表示输出信号，g表示扩展的误差向量，g∈r3×1，r3×1表示矩阵的维度为3×1，表示电堆温度的估计误差，表示重构电压值与真值之间的误差，w表示辅助向量，表示参数估计误差，p、q均表示辅助变量，表示反馈项，n和n1均表示两个不同的辅助矩阵，其表达式如下：
26、
27、
28、其中，表示重构电压值，和表示分别为输出电压vfc在处对x1和x2的偏导数；
29、所述反馈项中的表达式如下：
30、
31、其中，表示包含辅助矩阵、状态估计误差和参数估计误差的项，(ntg)1、(ntg)2、(ntg)3分别表示ntg中的第一、第二和第三个元素，sign(*)表示符号函数，n表示辅助矩阵，g表示扩展的误差向量，pi表示第i个设计参数；
32、所述固定时间自适应观测器的自适应律的表达式如下：
33、
34、其中，表示对时间的导数，γ>0表示增益系数，n2表示辅助矩阵，表示在处回归向量的转置向量，表示反馈项，tfc表示电堆温度，表示系统状态量x的估计值；
35、s3、依据电堆温度估计值和液态水饱和度估计值，重新构建输出电压值；所述重新构建输出电压值，即重构电压值的具体表达式如下：
36、
37、其中，表示活化损耗ηact的估计值，ncell表示电池片数，e0表示理想开路电压，ηact表示活化损耗，r表示摩尔气体常数，α表示电荷转移系数，i0表示交换电流密度，f表示法拉第常数，ageo表示催化剂的几何面积，ln表示以自然常数为底数的对数函数，表示i0的估计值。
38、作为本专利技术的优选技术方案，所述系统常数k1、k2、k3、k4的具体表达式如下：
39、
40、其中，mfc表示电堆质量，cp,fc表示电堆平均热容，ρair表示空气密度，cp,air表示空气平均热容，ainlet表示阴极外壳的横截面积，表示水的摩本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，包括质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，其特征在于：所述系统常数K1、K2、K3、K4的具体表达式如下：
3.根据权利要求2所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，其特征在于：所述欧姆损耗ηohm的具体表达式如下：
4.根据权利要求1所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，其特征在于：所述辅助变量P和Q的具体表达式如下：
5.根据权利要求4所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，其特征在于：所述辅助矩阵N2的表达式如下：
【技术特征摘要】
1.基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，包括质子交换膜燃料电池系统，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电池液态水饱和度估计方法，其特征在于：所述系统常数k1、k2、k3、k4的具体表达式如下：
3.根据权利要求2所述的基于固定时间自适应观测器的质子交换膜燃料电...
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