質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的智能建模優(yōu)化與控制研究.pdf

1、能源短缺是世界發(fā)展面臨的問題。燃料電池的高發(fā)電效率、高可靠性、低噪聲、零排放的環(huán)境效益使其迅速成為二十一世紀(jì)解決能源問題的一種非常合適的能量轉(zhuǎn)換裝置。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)更是具有室溫下快速啟動、排水方便、壽命長以及比功率、比能量高等突出特點,特別適用于為電動汽車、便攜設(shè)備,分散電站等提供動力,是軍民通用的新型電源,也是商業(yè)化前景很好的燃料電池。論文的選題正是在此背景下提出的。
　　 隨著PEMFC技術(shù)的不斷成熟

2、和大規(guī)模商業(yè)化,對它的可靠和高效運行的提出了更高的要求。PEMFC可靠和高效運行關(guān)鍵除了電池本體的制造工藝外,控制系統(tǒng)的好壞也很重要?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)電池的實際運行情況、負(fù)載對功率的要求等,隨時調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量等參數(shù),以保證電化學(xué)反應(yīng)有效的進行。目前國內(nèi)外對PEMFC的研究主要集中在機理模型,結(jié)構(gòu)和材料等方面,因此還需要我們從控制方案的角度來進一步研究,從而提高其運行效率和可靠性。電堆的可靠性,安全效率的提高通過控制系統(tǒng)得以保證。控制系統(tǒng)

3、的目標(biāo)是要使電堆在負(fù)載波動情況下,電堆的工作溫度和氣壓保持穩(wěn)定,使電池有良好的輸出性能；通過優(yōu)化其運行操作參數(shù),來使其維持在安全可靠的運行環(huán)境中。此方面國內(nèi)外對PEMFC研究還比較少,因此在PEMFC建模、優(yōu)化和控制的研究方面,有待于進一步深入研究。
　　 本課題是結(jié)合上海交通大學(xué)燃料電池研究所正在進行的科研項目:“十五”國防科研項目-“20kW車載質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的研制”,“985”工程項目-“千瓦級PEMFC電堆發(fā)電系

4、統(tǒng)的研制”。本文詳細(xì)分析研究了國內(nèi)外最新研究資料,定量分析了各種因素對PEMFC性能的影響。在深入分析了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,搭建了PEMFC系統(tǒng)SIMULINK仿真模型。為保證陰極氧化學(xué)計算量維持在所需的固定值上,在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中采用動態(tài)前饋控制器加PI反饋控制器,以此獲得希望的FC系統(tǒng)凈輸出功率。為避免氧氣不足帶來的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池瞬時短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴(yán)重后果,提出了基于非線性干擾觀測器控制的PE

5、MFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計步驟。設(shè)計了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測器,并將其與PID控制器合成。提出了基于微粒群優(yōu)化算法的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的PID控制器中參數(shù)尋優(yōu)方法,并與基于GA調(diào)整的方法進行比較驗證了算法的優(yōu)化高效性。通過由干擾觀測器對電堆電流的前饋補償,PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性及系統(tǒng)抗干擾能力大幅提高。為避免當(dāng)燃料電池電流下降時,陰極會遭受氧不足的現(xiàn)象以及在瞬態(tài)及大的負(fù)載電流出現(xiàn)時電池能工作在有效的工作點附近,

6、采用了非線性模型預(yù)測控制方案。通過研究基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的支持向量機回歸(SVMR)建模理論,微粒群優(yōu)化算法(PSO)以及智能預(yù)測控制理論,構(gòu)造了基于SVMR的PEMFC陰極氧氣化學(xué)計算量的模型。最后對陰極氧氣化學(xué)計算量采用了智能預(yù)測控制,預(yù)測模型采用了構(gòu)造的基于SVMR的陰極氧氣化學(xué)計算量模型,滾動優(yōu)化中采用微粒群優(yōu)化算法,并與基于GA的滾動優(yōu)化策略進行了比較,驗證了本文提出的智能預(yù)測控制的較好控制效果。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點:

7、>　　 (1)根據(jù)燃料電池的實驗?zāi)Ｐ鸵约半姵氐耐獠坑^測數(shù)據(jù),定量分析了運行參數(shù)以及質(zhì)子交換膜、電流密度對電池輸出性能的影響,并分析了電堆的組裝及操作不當(dāng)對電池壽命的影響,總結(jié)了PEMFC性能提高所面臨的挑戰(zhàn)。為在實際應(yīng)用中調(diào)節(jié)PEMFC運行中的參數(shù),提高系統(tǒng)的輸出性能,并為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)分析打下基礎(chǔ)。
　　 (2)詳細(xì)分析研究了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的工作原理,并搭建了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。為了使燃料電池發(fā)

8、電系統(tǒng)達(dá)到好的抗干擾性,獲得所期望的的凈輸出功率,設(shè)計采用了動態(tài)前饋控制器加PI反饋控制器,將陰極氧氣化學(xué)計算量控制在所需的水平。
　　 (3)在燃料電池空氣管理子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)電過程中,需要調(diào)節(jié)從燃料電池陰極氧氣的消耗,此調(diào)節(jié)需要快速高效以避免電池的氧不足,從而延長電池的壽命。為避免氧不足帶來的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池短時短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴(yán)重后果,本文提出了基于非線性干擾觀測器控制的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計步驟

9、。設(shè)計了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測器,并將其與PID控制器合成。
　　 (4)提出了基于微粒群優(yōu)化算法的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的PID控制器中參數(shù)尋優(yōu)方法,并與基于GA調(diào)整的方法進行比較,驗證了算法的優(yōu)化高效性。設(shè)計的干擾觀測器的全局穩(wěn)定性由所選擇的參數(shù)保證。由實驗及仿真結(jié)果表明對于時變的電堆電流信號,觀測器達(dá)到了滿意的性能。通過由干擾觀測器對電堆電流的前饋補償,PEMFC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性大幅提高。
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10、)為避免當(dāng)燃料電池電流下降時,陰極會遭受氧不足的現(xiàn)象以及在瞬態(tài)及大的負(fù)載電流出現(xiàn)時電池能工作在有效的工作點附近,采用了非線性模型預(yù)測控制方案。提出了對陰極氧化學(xué)計算量進行建模,構(gòu)造了基于SVMR的陰極氧氣化學(xué)計算量的模型,并驗證了此模型滿足作為預(yù)測模型的要求。本文提出了采用基于SVMR的預(yù)測模型,PSO的滾動優(yōu)化的智能預(yù)測控制對PEMFC陰極氧氣化學(xué)計算量進行預(yù)測控制,通過仿真比較方法驗證了此智能預(yù)測控制的性能。提出了三種基于不同準(zhǔn)則的