[发明专利]基于过氧比区域的机车燃料电池系统净输出功率满意控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机车燃料电池技术，尤其是机车质子交换膜燃料电池系统控制方法技术领域。

背景技术

燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，清洁、噪声低，模块结构、积木性强，受到了世界各国的高度重视，在我国属国家能源领域的重点研发技术，尤其是质子交换膜燃料电池（PEMFC）除了具有燃料电池共有的低污染、燃料利用率高等优点外，还具有工作温度低、启动快、寿命长、响应速度快、模块化结构等突出优点，在电动汽车及中小型分布式发电系统领域得到了高度重视。

燃料电池电动机车技术是目前轨道交通领域新能源应用的研究前沿。大功率机车PEMFC系统在不同工况下运行时不仅存在严重的“氧饥饿”现象，同时也存在严重的、一般小功率PEMFC系统和混合动力系统常常忽略的“氧饱和”现象。在PEMFC系统中，由于氧气供应系统与氢气供应系统相比，具有相对缓慢的动态特性，导致PEMFC电堆内部氧气流量难于随负载需求快速响应。系统过氧比（OER）表征了PEMFC系统的供氧状况，是衡量系统发电性能的重要指标。如果OER过低，即出现“氧饥饿”现象，导致电堆供氧不足，使系统输出功率降低，无法满足负载需求，同时会使质子交换膜表面出现“热点”，导致电堆短路、降低电堆使用寿命等问题；如果OER过高，即出现“氧饱和”现象，将导致系统寄生功耗增大，使系统净输出功率降低。因此，采用有效的控制策略维持系统OER为相对最优值，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OER控制问题的研究成果相对较少。已提出的控制方法如最优控制、神经网络控制、滑模控制及预测控制等，主要采用跟踪参考OER设定值或最优OER轨迹的方式提高机车PEMFC系统的净输出功率。但是，OER为不可直接检测变量，精确跟踪难度大且成本高，尤其是在轻负载条件下，OER对系统净输出功率的影响相对较小，无需对OER最佳值进行高精度分辨。而且，已提出的控制方法大多是基于运行工作点近似线性化进行设计，只针对非线性系统的一些固有性质，忽略了系统变量之间的耦合关系以及不确定性摄动所带来的影响，导致所设计的控制系统过于依赖精确的系统数学模型，且跟踪能力和抑制扰动能力有限，难于满足在存在干扰及量测噪声条件下的系统净输出功率要求。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种基于OER区域的机车燃料电池系统净输出功率满意控制方法，解决最优OER轨迹跟踪方法在实际应用中易受运行参数、噪声扰动等因素影响的局限性，实现系统净输出功率的满意化输出，提高机车燃料电池系统可靠性，延长系统使用寿命。

本发明的目的通过如下手段来实现。

A、基于机车PEMFC系统的OER分析

定义OER为PEMFC电堆阴极入口供应的氧气质量流量W_O2,in与所消耗的氧气质量流量W_O2,ret之比：

OER=WO2,inWO2,ret---(1)]]>

对于不同的负载电流，都存在不同的OER能够使净输出功率达到最大值，一旦系统达到最佳OER，若再继续增加就会引起寄生功耗增加，进而恶化系统净输出功率。因此存在最优OER轨迹，使PEMFC系统净输出功率达到最大值。

B、基于净输出功率满意度的OER运行区域划分

定义负载电流I_st与最优OER值OER_op的函数关系如下：

OER_op=f(I_st)                                （2）