CN112421083A - 质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制方法、***及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明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、***，包括如下步骤：S100、建立PEMFC氢气喷射***模型：S101、PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵；S102、采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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。本发明实现氢气流量和背压的优化协调控制，从而使PEMFC***获得良好的动静态特性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，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。
背景技术
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***效率、增大***能量密度和功率密度、减小***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。
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***协调运行，这些子***主要包括空气供给***、氢气供给***、水管理***、热管理***和控制***。PEMFC的阳极供氢***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。
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***的氢气是一个多输入多输出耦合***，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***效率和可靠性具有关键意义。
发明内容
1、本发明的目的
本发明为了有效控制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。
2、本发明所采用的技术方案
本发明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：
S100、建立PEMFC氢气喷射***模型：
S101、PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵；
S102、采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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。
更进一步具体实施方式，所述PEMFC氢气喷射***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，Gp(s)为***的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
更进一步具体实施方式，所述的S102、采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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***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***进行测试；辨识得到传递函数矩阵Gp(s)。
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：
S201、基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：
Uc1Gp21(s)+Uc1N21(s)Gp22(s)＝0
Uc2Gp12(s)+Uc2N12(s)Gp11(s)＝0
其中，Uc为控制器输出控制量，Gp(s)为***传递函数，N(s)为***解耦器；
因此解耦器可设计为：
其中，NP和NQ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。
本发明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***，包括：
PEMFC氢气喷射***模型：
PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵；
采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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。
更进一步具体实施方式，所述PEMFC氢气喷射***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，Gp(s)为***的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
更进一步具体实施方式，采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***的传递函数，包括：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；
确定平衡工作点，进行辨识；
选定***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***进行测试；辨识得到传递函数矩阵G(s)。
更进一步具体实施方式，解耦控制器包括：
基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：
Uc1Gp21(s)+Uc1N21(s)Gp22(s)＝0
Uc2Gp12(s)+Uc2N12(s)Gp11(s)＝0
其中，Uc为控制器输出控制量，Gp(s)为***传递函数，N(s)为***解耦器；
因此解耦器可设计为：
其中，NP和NQ分别为流量和压力的解耦器；
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。
本发明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装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，其特征在于；所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的方法步骤。
本发明提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述的方法步骤。
3、本发明所采用的有益效果
本发明实现氢气流量和背压的优化协调控制，从而使PEMFC***获得良好的动静态特性。
附图说明
图1为本发明PEMFC氢气喷射***的结构示意图；
图2为本发明二输入二输出的耦合***；
图3为本发明解耦***；
图4为本发明控制框图；
图5为本发明设计流程图；
图6为本发明步骤1流程图；
图7为本发明步骤2流程图；
图8为本发明氢气喷嘴pwm的M序列；
图9为本发明背压阀开度的M序列；
图10为本发明背压阀开度变化结果；
图11为本发明氢气喷嘴pwm的变化结果。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
本发明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，其中，一种PEMFC阳极氢气***典型结构如图1所示。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
S100、建立PEMFC氢气喷射***模型；如图2所示，
S101、PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵。PEMFC氢气喷射******的输入输出关系可以由公式(1)表示：
式中，Q(s)为氢气的流量，P(s)为进入阳极的氢气的压力，Gp(s)为***的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
S102、采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***的传递函数，包括以下步骤：
S1021、生成M序列；
所述M序列，是周期为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。
M序列各测试点的叠加时间不宜过短，叠加范围不宜过大，否则控制参数(电磁阀占空比、背压阀开度)不能调整到设定值，导致执行机构损坏。
S1022、确定平衡工作点，进行辨识。
选定***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，
叠加上述M序列，对PEMFC氢气喷射***进行测试。辨识得到传递函数矩阵G(s)。
S200、解耦控制器设计，如图3所示，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：
Uc1Gp21(s)+Uc1N21(s)Gp22(s)＝0
Uc2Gp12(s)+Uc2N12(s)Gp11(s)＝0
因此解耦器可设计为：
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。
所述控制器可实现流量回路和压力回路的单独控制。
如图8-11，可以得到PEMFC***获得良好的动静态特性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
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***模型：
S101、PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵；
S102、采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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***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，Gp(s)为***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***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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***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***进行测试；辨识得到传递函数矩阵Gp(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：
Uc1Gp21(s)+Uc1N21(s)Gp22(s)＝0
Uc2Gp12(s)+Uc2N12(s)Gp11(s)＝0
其中，Uc为控制器输出控制量，Gp(s)为***传递函数，N(s)为***解耦器；
因此解耦器可设计为：
其中，NP和NQ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***，其特征在于：
PEMFC氢气喷射***模型：
PEMFC氢气喷射***是一个双输入双输出***，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***的传递函数为二阶矩阵；
采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***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。
6.根据权利要求5所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制***，其特征在于：所述PEMFC氢气喷射***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，Gp(s)为***的传递函数，n(s)为喷射电磁阀占空比，θ(s)为背压阀开度。
7.根据权利要求6所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制***，其特征在于：采用M序列***辨识方法来辨识PEMFC氢气喷射***的传递函数，包括：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；
确定平衡工作点，进行辨识；
选定***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***进行测试；辨识得到传递函数矩阵G(s)。
8.根据权利要求7所述的适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制***，其特征在于：解耦控制器包括：
基于前馈补偿原理，进行前馈补偿解耦器设计：
Uc1Gp21(s)+Uc1N21(s)Gp22(s)＝0
Uc2Gp12(s)+Uc2N12(s)Gp11(s)＝0
其中，Uc为控制器输出控制量，Gp(s)为***传递函数，N(s)为***解耦器；
因此解耦器可设计为：
其中，NP和NQ分别为流量和压力的解耦器；
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。
9.一种适用于质子交换膜燃料电池阳极氢气解耦控制装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，其特征在于；所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一所述的方法步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一所述的方法步骤。
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