質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源的建模、先進(jìn)控制和電池管理系統(tǒng)的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種用固體高分子膜作電解質(zhì)的氫氧型發(fā)電裝置。它是繼堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之后發(fā)展起來(lái)的一種新型燃料電池。作為高效清潔能源，PEMFC具有操作溫度低、啟動(dòng)快和無(wú)電解質(zhì)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。九十年代以來(lái)，美國(guó)、加拿大、德國(guó)、日本、英國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入大量的人力、物力發(fā)展PEMFC技術(shù)，我國(guó)也將其列入

2、“九五”、“十五”期間重點(diǎn)支持的高新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。目前，PEMFC的研究和開發(fā)在建模、材料試驗(yàn)、基礎(chǔ)工藝、產(chǎn)品研制、系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用等方面展開，并在航天、電動(dòng)汽車、艦船、潛艇、移動(dòng)電源、分布式電站中不斷試驗(yàn)。由于PEMFC是一個(gè)具有多回路、多相流電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)，同時(shí)，PEMFC系統(tǒng)控制具有大滯后、不確定性和非線性等特點(diǎn)，因此PEMFC系統(tǒng)建模、先進(jìn)控制和電池管理系統(tǒng)的研究就具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 目前本所正在進(jìn)行

3、“985工程”項(xiàng)目“質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)研制”、“十五”國(guó)防科研項(xiàng)目“20kW車載質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)研制”和“863計(jì)劃”項(xiàng)目“50kW天然氣熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研制”等科研工作。結(jié)合這些任務(wù)和項(xiàng)目，本文主要研究了質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源的系統(tǒng)建模、系統(tǒng)控制和電池管理系統(tǒng)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了三種先進(jìn)控制復(fù)合策略，研究了移動(dòng)電源及其混合動(dòng)力的電池管理系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)。本文的研究成果主要

4、有如下幾個(gè)方面。 首先，在初步研究課題背景和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，論文第一章介紹了燃料電池的研究背景和PEMFC的技術(shù)進(jìn)展，分析了影響PEMFC性能的主要因素，并闡述了PEMFC移動(dòng)電源，最后對(duì)本論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)作了說(shuō)明。 其次，在第二章中，基于研究對(duì)象的參考模型，建立了PEMFC移動(dòng)電源的系統(tǒng)模型。應(yīng)用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律以及氣—液—固三相界面的傳熱傳質(zhì)理論，詳細(xì)研究了PEMFC元件、單電池和電堆三個(gè)層次的機(jī)理和

5、建模，建立了三個(gè)具有可操作性的、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PEMFC移動(dòng)電源的系統(tǒng)模型，并依據(jù)200W和1kWPEMFC電堆的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真。 然后，根據(jù)本所的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，論文第三章研究了PEMFC移動(dòng)電源的系統(tǒng)辨識(shí)。首先分析了基于過(guò)程控制的復(fù)雜系統(tǒng)辨識(shí)理論，接著研究了以操作參數(shù)和輸出控制為目標(biāo)的PEMFC移動(dòng)電源的系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)，最后在200W和500WPEMFC電堆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了PEMFC移動(dòng)電源的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識(shí)模型。

6、 接著，根據(jù)第二章和第三章的研究結(jié)果，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，詳細(xì)研究了PEMFC移動(dòng)電源的系統(tǒng)控制，建立了三種先進(jìn)控制復(fù)合策略的PEMFC移動(dòng)電源控制系統(tǒng)，針對(duì)1kWPEMFC移動(dòng)電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了仿真對(duì)比，這些內(nèi)容分別在第四章中進(jìn)行敘述。 最后，論文第五章詳細(xì)研究了PEMFC移動(dòng)電源的電池管理系統(tǒng)。首先分析了目前電池管理系統(tǒng)的理論和方法，接著在描述PEMFC發(fā)電量和效率的基礎(chǔ)上應(yīng)用軟計(jì)算和專家系統(tǒng)的知識(shí)，研究了PEMFC移動(dòng)電源

7、的電池管理系統(tǒng)，最后建立了PEMFC移動(dòng)電源混合動(dòng)力系統(tǒng)的專家系統(tǒng)模型。 在論文的最后一章，對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)，指出了一些尚未解決的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)PEMFC的科學(xué)研究進(jìn)行了展望。 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)具體如下：1.建立了三個(gè)能夠?qū)嶋H應(yīng)用的基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PEMFC移動(dòng)電源系統(tǒng)模型。目前PEMFC的系統(tǒng)模型，基本上都是復(fù)雜難解的機(jī)理模型和過(guò)于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，難以操作，不能用于PEMFC的實(shí)際控制。本文在PEMFC的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

8、建模方面進(jìn)行了創(chuàng)新，所建模型的誤差小于1﹪，仿真速度平均不到0.5秒。 2.針對(duì)本所自行開發(fā)的PEMFC電堆和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了兩種方式的PEMFC移動(dòng)電源系統(tǒng)辨識(shí)，設(shè)計(jì)了三種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識(shí)模型，進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)仿真研究。研究結(jié)果表明，PEMFC系統(tǒng)辨識(shí)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，不能采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)方法，需要針對(duì)具體PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的大小、結(jié)構(gòu)和使用場(chǎng)合，選擇新的系統(tǒng)辨識(shí)方法。司時(shí)，建立了PEMFC系統(tǒng)辨識(shí)的向量空間，完成了多變量

9、的系統(tǒng)辨識(shí)模型。 3.系統(tǒng)研究了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的先進(jìn)控制理論和方法，對(duì)各種情況下的PEMFC移動(dòng)電源系統(tǒng)控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真研究。結(jié)果表明，PEMFC移動(dòng)電源系統(tǒng)控制并不是控制系統(tǒng)越復(fù)雜算法越新就越好，而要針對(duì)不同的情況和系統(tǒng)大小，根據(jù)不同的操作參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)綜合選取。特別地，在實(shí)驗(yàn)室千瓦級(jí)PEMFC運(yùn)行的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了PEMFC移動(dòng)電源的模糊PID控制，自適應(yīng)模糊控制和基于自適應(yīng)—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—模糊邏輯的