機器人燃料電池混合動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、經(jīng)濟性、實時性及操縱性等性能要求是野外機器人應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。作為目前廣泛使用的能源,蓄電池存在能量密度小、重量大、充電時間長等缺點,已經(jīng)不能適應(yīng)野外的能源需求,而質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)能量密度大、燃料補給時間短,因此PEMFC及其混合動力系統(tǒng)已經(jīng)引起了廣泛的重視,并被應(yīng)用于機器人樣機。目前,PEMFC混合動力系統(tǒng)的研究還處于起步階段。因此,研究和掌握PEMFC混合動力系統(tǒng)建模、控制及優(yōu)化,有著十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義。<

2、br>　　 機器人燃料電池混合動力系統(tǒng)包括PEMFC、蓄電池、機器人本體及其他子系統(tǒng)。機器人是非線性機電系統(tǒng),具備突發(fā)間歇式高功率需求,實時性要求高,而PEMFC涉及電化學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等過程,因此系統(tǒng)具有機理復(fù)雜、動態(tài)耦合強、滯后不確定、控制復(fù)雜等特點。
　　 論文結(jié)合“十五”國防預(yù)研項目“10KW車載質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)研制”,圍繞機器人燃料電池混合動力系統(tǒng)建模及分析、控制、功率優(yōu)化和機器人性能分析等方面進行研究。<

3、br>　　 本論文的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下:
　　 1)PEMFC的動態(tài)模型是混合動力系統(tǒng)控制、優(yōu)化的基礎(chǔ)。論文考慮反應(yīng)氣送入、溫度變化及分壓變化等動態(tài),建立了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模型。針對突發(fā)功率需求、反應(yīng)氣流量變化的情況,對電堆輸出性能進行了動態(tài)仿真和分析。結(jié)果表明,此模型可以有效反映小功率PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的實際運行性能,并可為中高功率的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)建模提供一定的參考。
　　 2)針對機理模型耦

4、合性強、時變、氫氣比空氣動態(tài)快等特點,論文從工程角度提出將氫氣流量和空氣流量動態(tài)解耦及采用Takagi-Sugeno(T-S)模型辨識的模型簡化方法。仿真結(jié)果表明,簡化模型可以很好的逼近機理模型,為后續(xù)的工程實用控制設(shè)計、功率實時優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。
　　 3)野外機器人存在空間限制,多采用常壓空氣供給。由于系統(tǒng)的實時性要求高、負載變化大,因而在控制系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮空氣流量的時變時滯,以及由于氣體分壓變化和極化壓降動態(tài)引起的電壓大

5、慣性。
　　 基于對PEMFC單元和轉(zhuǎn)換器單元的分析,論文提出了一種PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合控制方法。對PEMFC單元采用小波時滯估計和模糊控制相結(jié)合的方法；對電壓轉(zhuǎn)換器單元,采用T-S模糊控制和并行分布補償相結(jié)合的方法。仿真結(jié)果表明,在阻抗隨機波動情況下,PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的輸出可以保持穩(wěn)定,并具有較好的控制性能。
　　 4)機器人是具有突發(fā)間歇式高功率需求的非線性機電系統(tǒng),實時性和能量經(jīng)濟性要求高。在大電流工作范圍內(nèi)

6、,燃料電池的輸出功率增加會造成運行效率的下降。因此,必須對功率分配進行管理,以滿足動態(tài)負載變化情況下功率需求的實時、高效跟隨。論文針對混合動力系統(tǒng)的實時運行,提出了改進的功率管理優(yōu)化方法。引入兩個模糊輸入量,并提出變結(jié)構(gòu)雙修正模糊策略。仿真結(jié)果表明,改進的模糊策略可以有效降低功率波動,提高燃料電池運行效率。
　　 5)基于野外機器人的工作特點和燃料電池的運行特性,提出軟件實時性分層和多任務(wù)并發(fā)運行的故障處理機制。目前機器人樣機運