(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210861823.8 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长 春市前进大街269 9 号 (72)发明人 曾小华　周岚琦　曾繁勇　杨东坡　 宋大凤　吴佳俊　 (74)专利代理 机构 长春市恒誉 专利代理事务所 (普通合伙) 22212 专利代理师 李荣武 (51)Int.Cl. H01M 8/04992(2016.01) H01M 8/04746(2016.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种燃料电池系统空气供给回路的控制方 法 (57)摘要 本发明公开了一种燃料电池系统空气供给 回路的控制方法， 该发明旨在提升燃料电池系统 空气供给回路的控制性能， 提出基于反馈线性化 的模型预测自抗扰控制器， 实现 空气供给回路中 供给管路气体压强和阴极流场气体压强的协同 控制， 进而稳定的跟踪期望控制目标， 包括以下 步骤： 首先， 搭建燃料电池系统空气供给回路模 型； 其次， 建立空气供给回路控制模型； 再次， 利 用输入输 出反馈线性化对非线 性系统进行解耦； 然后， 设计扰动观测器； 最后， 将扰动估计信号结 合模型预测控制器的虚拟控制输出共同作用于 反馈线性 化的被控系统。 权利要求书5页 说明书17页 附图6页 CN 115188999 A 2022.10.14 CN 115188999 A 1.一种燃料电池系统 空气供给回路的控制方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一、 燃料电池系统空气供给回路建模， 包括电堆模型和空气供给回路模型两部分； 其中电堆模型包括电化学模型、 电堆流场气体动态模型和膜含水量模型； 空气供给回路模 型包括空压 机模型、 供 给管路模型、 中冷器模型、 加湿 器模型、 排气管路模型和背压阀模型； 步骤二、 模型 预测自抗扰控制器设计 (1)建立空气供 给回路控制模型 空气供给回路控制系统的状态向量为 控制输 入为u＝[ υcp θ ]T， 建立燃料电池空气供 给回路面向控制的六阶动态方程如下： 式中： 为阴极流场氧气质量， 为阴极流场氮气质量， ωcp为空压机转速， psm 为供给管路气体压强， msm为供给管路气体质量， prm为排气管路气体压强， υcp为空压机的控 制电压， θ为背压阀的开度， 为混合气体中氧气的质量分数， ksm_out为供给管路出口 的流量系数， pca为阴极流场气体压强， 为混合气体中氧气质量 分数， kca_out为阴极流场 出口的流量系数， n为单体燃料电池的数 目， 为氧气的摩尔质量， F为法拉第 常数， Ist为 电堆电流， 为混合气体中氮气的质量分数， 为混合气体中氮气质量分数， Jcp为 空压机和电机的连接惯性， ηcm为电机的机械效率， kt、 Rcm和kυ为驱动电机的常数， Cp为空气 的比热容， Tatm周围环境空气的温度， ηcp为空压机的效率， patm为大气压的压强， γ为比热容 比， 在空气中一般γ＝1.4， Wcp为空压机的出口流量， Ra为理想气体常数， Vsm为供给管 路的体 积， Tcp_out为空压机的出口气体温度， Tsm为供给管路气体的温度， Trm为排气管路中的气体温 度， Vrm为排气管路的容积， Wrm_out为排气管路出口混合气体的质量 流量； (2)阴极流场气体压强滑模微分观测器 根据燃料电池空气供给回路系统建立的面向控制模型， 阴极流场气体压强pca可以根据 排气管路气体压强prm即系统状态量x6进行滑模微分观测器设计：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115188999 A 2式中： λ0,1, λ0,2, λ1,1, λ1,2为微分器的调节参数， 一般为常数， v0,z0,z1是微分器系统内部 的状态量； q、 p是Termi nal吸引因子的设计参数， 其满足条件： q>p>0； 排气管路气体压强的跟踪误差为 系统的干扰ξ(t)＝0， 系统的观测误差 则微分观测器的误差系统如下： 燃料电池电堆的阴极流场压强 可在观测出x6的基础上求得： (3)利用输入输出反馈线性 化对非线性系统进行解耦 将六阶动态模型写成状态空间方程的形式： 空气供给系统的解耦矩阵a(x)如下： 定义系统矩阵b(x)： 通过系统的解耦矩阵可 得， 空气供 给系统的线性模型： 通过设计反馈线性化后系统的虚拟控制输入量 υ＝[ υ1 υ2]T， 燃料电池系统的实际控制 输入信号u：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115188999 A 3