[发明专利]基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，尤其是质子交换膜燃料电池系统控制方法技术领域。

背景技术

随着全球变暖问题的出现，燃料电池技术由于具有高效、环境友好的特点，被视为一种具有发展前景的能源技术。与其它类型的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点，适用于便携式动力源、混合动力车辆及分布式发电。PEMFC发电系统是一个强耦合、非线性的复杂动态系统。当被驱动负载发生变化时电堆电流会相应地变化。若阴极氧气流量过低，则系统会由于供氧不足，降低其输出功率，即产生氧匮乏现象；若供给氧气量超过一定限度后，则会使系统寄生功耗增大，进而降低了系统的净输出功率。目前国内外已经开展了有关以上现象的研究，已有的研究结果表明为了防止氧匮乏和过量氧气供给的问题，应当采用有效的控制方法使系统过氧比(Oxygen Excess Ratio，OER)维持在最优值。而且由于空气供应子系统与氢气供应子系统相比具有较慢的动态响应，在快速的暂态运行中，如车辆的急加速和减速过程，氧匮乏和过量氧气供给的问题难于解决。因此，采用有效的控制策略维持系统最优OER，对于改善PEMFC系统的净输出功率具有极其重要的意义。

目前，针对PEMFC系统最佳OER问题的研究成果相对较少。已提出的控制方法主要包括最优控制、神经网络控制、滑模控制及预测控制等。这些控制方法仅仅是基于氧匮乏问题动态模型进行控制器的设计，只考虑了氧匮乏现象，所以一般都将控制目标设定为OER常数值作为避免氧匮乏的最小限制值，忽略了最优OER轨迹的存在，无法实现最大净输出功率。而且以上控制策略没有充分地考虑PEMFC系统在实际工作过程中受到不确定性以及外界干扰的影响，如忽略了由于环境变化和非线性特性所引起的系统参数摄动。因此所设计的控制器不具备较好的抗扰性和鲁棒性。

H_∞控制技术能够较好地解决不确定性系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能等问题。H_∞次优控制策略的存在条件是由2个Riccati代数方程和谱半径条件确定。线性矩阵不等式(LMI)方法可以克服上述求解Riccati方程中存在的诸多不足，通过给出问题可解的一个凸约束条件，使得从这个凸约束条件的任意一个可行解均可以得到一个控制器，而且LMI方法仅需要满足基本假设条件即可进行求解。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种将H_∞次优输出反馈控制方法(HSFC)与前馈控制方法(FFC)相结合的二自由度控制方法(2DOF)，在系统存在外界干扰、不确定性以及环境噪声的情况下，提供合理的伺服控制行为，跟踪系统最优OER轨迹，减少系统寄生功耗，提高系统净输出功率。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法，将H_∞次优输出反馈控制方法HSFC与前馈控制方法FFC相结合实现2DOF控制，

A、基于PEMFC系统的最优OER分析

定义OER为阴极入口供应的氧气质量流量F_O2，in与所消耗的氧气质量流量F_O2，ret之比：

OER=FO2,inFO2,ret;]]>