質子交換膜燃料電池系統(tǒng)的建模與智能控制策略研究.pdf

1、燃料電池以無污染、高效率的特性迅速成為二十一世紀解決能源問題的重要課題。質子交換膜燃料電池除具有燃料電池一般的特點外，同時還具有室溫快速啟動、無腐蝕、裝置輕便、機動性強等特點，特別適用于建設分散電站(如小區(qū)熱電聯(lián)供等)以及移動電源(如燃料電池電動汽車、野戰(zhàn)通信電源等)，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。因此越來越受到世人的矚目。目前對它的研究正是如火如荼。論文的研究課題就是在此背景下提出的。 隨著PEMFC技術

2、的不斷成熟和大規(guī)模商業(yè)化，在運行過程中，PEMFC系統(tǒng)的發(fā)電性能需要得到提高和有力的保證。目前國內外對PEMFC性能的研究主要集中在機理模型、結構和材料等方面。除此之外，我們還需著重從控制方案設計等方面著手。電堆的可靠性、安全性需要通過高性能控制系統(tǒng)得以保證，控制的目的在于：保證電堆在負載波動下情況下，溫度和氣壓保持穩(wěn)定，電池的輸出性能有良好的工作曲線(電壓—電流密度曲線)；并維持其在安全可靠、高效的環(huán)境中運行，延長電池的使用壽命。而這

3、方面是當前國內外PEMFC研究的一大薄弱環(huán)節(jié)，因此，在PEMFC的建模和控制研究方面，還有很多工作需要深入研究。 本課題是上海交通大學燃料電池研究所正在進行的“985工程”項目“千瓦級PEMFC電堆發(fā)電系統(tǒng)的研制”課題的一部分。首先，根據實驗測試和燃料電池機理建立了PEMFC電堆的電特性模型，分析了影響電池輸出性能的相關參數。然后將影響電堆輸出性能的運行參數放在電池發(fā)電系統(tǒng)中考慮，并從節(jié)能的角度出發(fā)，分析了系統(tǒng)運行在最優(yōu)情況下的

4、運行參數值。最后，為了保證發(fā)電系統(tǒng)運行在最優(yōu)情況下，提出了兩種PEMFC系統(tǒng)的模型預測控制方案，并根據仿真實驗結果，對兩種模型預測控制器進了可行性分析和性能比較。 本論文的主要工作包括： 1.根據實驗測試和燃料電池機理建立了PEMFC電堆的電特性模型。深入研究了PEMFC系統(tǒng)運行過程中電堆輸出性能與電特性模型參數的關系及運行參數對電池輸出性能的影響。影響PEMFC輸出性能的因素包括1)：電池輸出特性的參變量；2)：運行參

5、數；3)：材料參數。重點考慮了電池系統(tǒng)運行過程中運行參數—氧氣化學計算量(氧氣利用率)對電池輸出特性的影響，并進行了定量分析。研究結果為PEMFC系統(tǒng)的設計和動態(tài)分析打下基礎。 2.利用專家經驗和實驗數據，搭建了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)進行了動靜態(tài)分析。為保證系統(tǒng)運行在最佳操作溫度下，設計了一種基于在線模糊建模和離散優(yōu)化的非線性預測控制算法控制PEMFC電堆工作溫度，仿真實驗結果驗證了該算法的良好性能。從節(jié)能的角度出

6、發(fā)，根據整個系統(tǒng)的發(fā)電效能，設計了基于優(yōu)值域的改進遺傳算法對系統(tǒng)運行參數一氧氣化學計算量進行尋優(yōu)，尋優(yōu)的結果與前面進行電特性分析的結果是相吻合的，為系統(tǒng)的最優(yōu)運行控制打下了理論基礎。 3.對陰極氧氣化學計算量等參數進行了模型辨識和智能控制。建立了兩種形式的陰極氧氣化學計算量模型：基于T-S模型和最小二乘支持向量機(LS-SVM)的辨識模型。首先基于T-S模型分別給出了兩種不同的非線性控制策略：1)第一種控制策略，直接基于非線性T

7、-S模糊模型，使用分支定界優(yōu)化方法搜索最優(yōu)控制序列(NMPCB&B)；2).第二種控制策略，也是基于非線性T-S模糊模型，在系統(tǒng)運行的每個采樣周期，將T-S模糊模型局部動態(tài)線性化，從而得到系統(tǒng)的線性輸入/輸出關系，并用廣義預測控制策略實現(xiàn)被控對象的預測控制(LDLMPC)。然后，比較了兩種控制算法的特點，結果表明LDCGPC在計算方面有很強的優(yōu)勢；最后，給出了基于最小二乘支持向量機(LS-SVM)的建模算法，與第一種建模算法進行了比較，