燃料電池系統(tǒng)建模與控制研究.pdf

1、燃料電池具有高效率、噪音低、零排放等特點，被認為最具發(fā)展前景的能源之一。燃料電池系統(tǒng)的建模與控制研究對于提高燃料電池系統(tǒng)的效率、動態(tài)響應能力及使用壽命等有著重要的意義。目前這方面的研究特別是控制方面還處于初步階段，許多問題亟待解決。
　　 燃料電池系統(tǒng)主要包括4個部分:進氣子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)、水管理子系統(tǒng)和能源管理子系統(tǒng)。由于各子系統(tǒng)動態(tài)響應時間不同，本文忽略熱管理子系統(tǒng)和水管理子系統(tǒng)，最終基于進氣系統(tǒng)和DC/DC變換器的動態(tài)

2、對氣管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)進行了研究。此外，電堆電壓模型無論對于燃料電池性能的評價還是對于控制都十分重要，因而對該部分也進行了研究。本文主要開展了以下幾個方面的工作:
　　 1.在電堆電壓模型方面，從機理出發(fā)推導建立了半經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)模型。所建立的模型不僅包含電化學反應過程還考慮了氣體擴散層(GDL)的氣體擴散。GDL的氣體擴散經(jīng)適當簡化后得到解析表達式，以便于計算。電化學反應部分通過一定的簡化和變形得到線性化的參數(shù)方程，由于辨識參

3、數(shù)不包含溫度、壓強等外界條件，保證了模型的通用性，且這些模型的參數(shù)可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)采用最小二乘方法辨識得到。實驗結果表明，該模型具有很好的擬合效果和泛化能力。進氣系統(tǒng)的動態(tài)模型方面，在現(xiàn)有文獻3階模型的基礎上根據(jù)控制需要提出了4階模型，通過模型的仿真比較，驗證了該4階動態(tài)模型的有效性。
　　 2.針對燃料電池空氣進氣系統(tǒng)，考慮其非線性和約束，提出了基于線性變參數(shù)模型的預測控制(LPV-MPC)算法。針對狀態(tài)不可測問題，在LPV-M

4、PC算法中加入Kalman濾波，并通過可觀性分析確定了需要測量的變量。通過與線性MPC和基于機理模型的非線性預測控制(NMPC)對比，驗證了在燃料電池負載大范圍變化時該算法的有效性和可行性。
　　 3.針對燃料電池能源管理系統(tǒng)，首先給出了Boost型DC/DC變換器的平均值模型。然后針對DC/DC系統(tǒng)采用最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)(LQR)實現(xiàn)PID參數(shù)整定，避免了PID參數(shù)整定的復雜過程，并保證了控制的最優(yōu)性。同時通過增加輸出偏差的積分狀