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(diǎn)，被認(rèn)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(duì)于提高燃料電池系統(tǒng)的效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(gè)部分:進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(jìn)氣系統(tǒng)和DC/DC變換器的動(dòng)態(tài)

2、對(duì)氣管理系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。此外，電堆電壓模型無論對(duì)于燃料電池性能的評(píng)價(jià)還是對(duì)于控制都十分重要，因而對(duì)該部分也進(jìn)行了研究。本文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　 1.在電堆電壓模型方面，從機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)建立了半經(jīng)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)模型。所建立的模型不僅包含電化學(xué)反應(yīng)過程還考慮了氣體擴(kuò)散層(GDL)的氣體擴(kuò)散。GDL的氣體擴(kuò)散經(jīng)適當(dāng)簡化后得到解析表達(dá)式，以便于計(jì)算。電化學(xué)反應(yīng)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(shí)參

3、數(shù)不包含溫度、壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用最小二乘方法辨識(shí)得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有很好的擬合效果和泛化能力。進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型方面，在現(xiàn)有文獻(xiàn)3階模型的基礎(chǔ)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(yàn)證了該4階動(dòng)態(tài)模型的有效性。
　　 2.針對(duì)燃料電池空氣進(jìn)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(yù)測控制(LPV-MPC)算法。針對(duì)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(jī)理模型的非線性預(yù)測控制(NMPC)對(duì)比，驗(yàn)證了在燃料電池負(fù)載大范圍變化時(shí)該算法的有效性和可行性。
　　 3.針對(duì)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(duì)DC/DC系統(tǒng)采用最優(yōu)二次型調(diào)節(jié)(LQR)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定，避免了PID參數(shù)整定的復(fù)雜過程，并保證了控制的最優(yōu)性。同時(shí)通過增加輸出偏差的積分狀