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)，燃料電池技術由于具有高效、環(huán)境友好的特點，被視為一種具有發(fā)展前景的能源技術。與其它類型的燃料電池相比，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有運行溫度低、功率密度高、響應快、穩(wěn)定性好以及當使用純氫氣時不會造成環(huán)境污染等特點，適用于便攜式動力源、混合動力車輛及分布式發(fā)電。本文主要對車用PEMFC系統(tǒng)建模、改進粒子群優(yōu)化算法(MPSO)及其在PEMFC模型參數(shù)辨識中的應用、基于H∞次優(yōu)控制方法的PEMFC控制問題、燃料電

2、池混合動力車輛建模及其多能源控制策略進行了研究。本文主要研究成果如下。
　　 ⑴根據(jù)PEMFC機理模型和辨識模型的建模原理，建立了包括PEMFC機理模型和輔助設備模型的車用PEMFC系統(tǒng)混合動態(tài)模型。其中機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)輔助設備模型部分由空氣壓縮機模型、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)機理模型較復雜和參數(shù)繁多以及辨識模型需

3、要實驗數(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)、空氣供應系統(tǒng)和增濕系統(tǒng)等相關子系統(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)設計的基礎；
　　 ⑵針對傳統(tǒng)PSO算法難以跳出局部極值點，易使平衡點陷入停滯狀態(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、自適應慣性權值和加速度因子策略、BFGS擬牛頓法局部搜索策略以及隨機重組策略。本文采用MPSO算法對

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

5、行了分析比較，以驗證MPSO算法的優(yōu)越性；
　　 ⑷針對PEMFC系統(tǒng)過氧保護問題，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償器相結合的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。在仿真模擬電動車的動態(tài)行駛過程時，考慮了多種不確定性參數(shù)攝動和外部擾動的影響，以檢驗控制系統(tǒng)的魯棒性能，同時與其它控制方法進行了比較，并使用Ballard1.2kW Nexa實驗

6、系統(tǒng)進行定性實驗分析比較，以驗證所建控制系統(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變換和動態(tài)擴展算法，求解了非線性狀態(tài)反饋控制律，得到了線性可控的Brunovsky標準型結構，進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合，進一步設計了非

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)的負載電流出現(xiàn)連續(xù)突變情況，對PEMFC壓力控制系統(tǒng)進了動態(tài)仿真，以檢驗所設計的非線性控制器的抑制擾動能力，同時與其它非線性控制方法進行了比較分析；
　　 ⑹在燃料電池和蓄電池(FC+B)雙混合驅(qū)動型車輛的仿真系統(tǒng)結構基礎上，對電動車輛仿真軟件ADVISOR進行了二次開發(fā)，重新配置了裝載文件，建立了燃料電池、蓄電池和超級電容器(FC+B+UC)混合驅(qū)動型車輛的仿真模型。此外為了