質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模及其控制方法研究.pdf

1、隨著全球變暖問題的出現(xiàn)，燃料電池技術(shù)由于具有高效、環(huán)境友好的特點(diǎn)，被視為一種具有發(fā)展前景的能源技術(shù)。與其它類型的燃料電池相比，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有運(yùn)行溫度低、功率密度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好以及當(dāng)使用純氫氣時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染等特點(diǎn)，適用于便攜式動(dòng)力源、混合動(dòng)力車輛及分布式發(fā)電。本文主要對(duì)車用PEMFC系統(tǒng)建模、改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法(MPSO)及其在PEMFC模型參數(shù)辨識(shí)中的應(yīng)用、基于H∞次優(yōu)控制方法的PEMFC控制問題、燃料電

2、池混合動(dòng)力車輛建模及其多能源控制策略進(jìn)行了研究。本文主要研究成果如下。
　　 ⑴根據(jù)PEMFC機(jī)理模型和辨識(shí)模型的建模原理，建立了包括PEMFC機(jī)理模型和輔助設(shè)備模型的車用PEMFC系統(tǒng)混合動(dòng)態(tài)模型。其中機(jī)理模型部分由輸出電壓模型、陰極流量模型、陽極流量模型以及膜水合模型組成；系統(tǒng)輔助設(shè)備模型部分由空氣壓縮機(jī)模型、管道集總模型、冷卻器模型以及增濕器模型組成。該系統(tǒng)模型克服了既有PEMFC系統(tǒng)機(jī)理模型較復(fù)雜和參數(shù)繁多以及辨識(shí)模型需

3、要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量大、成本高等問題，而且模型中綜合考慮輸出電壓系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)等相關(guān)子系統(tǒng)的建模。所建立的系統(tǒng)模型作為后續(xù)章節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；
　　 ⑵針對(duì)傳統(tǒng)PSO算法難以跳出局部極值點(diǎn)，易使平衡點(diǎn)陷入停滯狀態(tài)，造成早熟收斂的問題，本文提出了一種具有較好全局搜索能力和尋優(yōu)速度的MPSO算法。該算法主要包括有效信息策略、自適應(yīng)慣性權(quán)值和加速度因子策略、BFGS擬牛頓法局部搜索策略以及隨機(jī)重組策略。本文采用MPSO算法對(duì)

4、benchmark函數(shù)問題進(jìn)行函數(shù)優(yōu)化測試，以驗(yàn)證該算法的性能，同時(shí)與其它已被廣泛采用的改進(jìn)PSO算法進(jìn)行分析比較；
　　 ⑶在新加坡淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心(CEC)建立了PEMFC實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，利用燃料電池測試系統(tǒng)對(duì)CEC自主研發(fā)的PEMFC進(jìn)行了極化特性曲線測試。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合所建立的PEMFC模型，在無噪聲和含噪聲條件下，采用MPSO算法對(duì)輸出電壓模型的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，并與其它改進(jìn)PSO算法的辨識(shí)結(jié)果進(jìn)

5、行了分析比較，以驗(yàn)證MPSO算法的優(yōu)越性；
　　 ⑷針對(duì)PEMFC系統(tǒng)過氧保護(hù)問題，根據(jù)所建立的非線性PEMFC系統(tǒng)模型，本文提出一種將降階H∞次優(yōu)輸出反饋控制器與前饋補(bǔ)償器相結(jié)合的2自由度控制器(2DOF)，使系統(tǒng)過氧比(OER)能夠維持在最優(yōu)值附近。在仿真模擬電動(dòng)車的動(dòng)態(tài)行駛過程時(shí)，考慮了多種不確定性參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)的影響，以檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的魯棒性能，同時(shí)與其它控制方法進(jìn)行了比較，并使用Ballard1.2kW Nexa實(shí)驗(yàn)

6、系統(tǒng)進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)分析比較，以驗(yàn)證所建控制系統(tǒng)的可行性和有效性；
　　 ⑸為了防止質(zhì)子交換膜損壞、保證PEMFC系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及延長其使用壽命，本文提出了一種非線性H∞次優(yōu)輸出反饋控制方法，建立了PEMFC壓力控制系統(tǒng)模型。該方法通過非線性坐標(biāo)變換和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展算法，求解了非線性狀態(tài)反饋控制律，得到了線性可控的Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將前文提出的基于LMI的H∞次優(yōu)輸出反饋控制方法與狀態(tài)反饋精確線性化方法相結(jié)合，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了非

7、線性H∞次優(yōu)輸出反饋控制器。通過模擬燃料電池測試系統(tǒng)的負(fù)載電流出現(xiàn)連續(xù)突變情況，對(duì)PEMFC壓力控制系統(tǒng)進(jìn)了動(dòng)態(tài)仿真，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的非線性控制器的抑制擾動(dòng)能力，同時(shí)與其它非線性控制方法進(jìn)行了比較分析；
　　 ⑹在燃料電池和蓄電池(FC+B)雙混合驅(qū)動(dòng)型車輛的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)電動(dòng)車輛仿真軟件ADVISOR進(jìn)行了二次開發(fā)，重新配置了裝載文件，建立了燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容器(FC+B+UC)混合驅(qū)動(dòng)型車輛的仿真模型。此外為了