16、PEM燃料电池监测：观察者设计与优化

PEM燃料电池监测：观察者设计与优化

1. 高增益观察者与电压测量的优势与挑战

在PEM燃料电池监测中，引入电压传感器可直接提高收敛速度，使观察者能以较低增益实现，从而降低噪声敏感性。这有助于在观察者瞬态期间使液体水饱和度估计朝着“正确方向”进行，减少不良行为。

然而，这种设计并非没有缺点。电压传感器的干扰会直接进入观察者，可能会恶化估计结果。特别是在某些燃料电池运行模式下，电压信号除了传感器噪声外还会受到显著干扰。

2. 观察者2：带电压传感器和低通内部模型滤波器的高增益观察者

2.1 死端模式运行的动机

在燃料电池运行时，氢气通过压缩气缸输送到阳极侧，有两种不同的运行策略：
- 流通模式 ：阳极出口开放，便于排出水和氮气等不需要的成分，但需要输送过量氢气，且需要流量控制器设计。
- 死端模式 ：阳极出口通常关闭，氢气由高压气缸输送，无需流量控制，但阳极需要定期吹扫以去除积累的惰性气体和水。

在死端模式运行中，阳极吹扫会导致气体分压剧烈振荡，从而对输出电压产生扰动。这种现象在简化模型中未被建模，可视为影响观察者精度的外部干扰。

2.2 周期性吹扫的建模

由于阳极通道通常是周期性吹扫的，这种周期性可被利用来减少干扰的影响。假设周期性干扰是连续的，可通过傅里叶展开来表示：
[d(t) = \frac{a_0}{2} + \sum_{k=1}^{\infty} \left[ a_k \cos \left( \frac{2\pi kt}{T} \right) + b_k