質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的智能建模優(yōu)化與控制研究.pdf

1、能源短缺是世界發(fā)展面臨的問(wèn)題。燃料電池的高發(fā)電效率、高可靠性、低噪聲、零排放的環(huán)境效益使其迅速成為二十一世紀(jì)解決能源問(wèn)題的一種非常合適的能量轉(zhuǎn)換裝置。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)更是具有室溫下快速啟動(dòng)、排水方便、壽命長(zhǎng)以及比功率、比能量高等突出特點(diǎn),特別適用于為電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備,分散電站等提供動(dòng)力,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。論文的選題正是在此背景下提出的。
　　 隨著PEMFC技術(shù)的不斷成熟

2、和大規(guī)模商業(yè)化,對(duì)它的可靠和高效運(yùn)行的提出了更高的要求。PEMFC可靠和高效運(yùn)行關(guān)鍵除了電池本體的制造工藝外,控制系統(tǒng)的好壞也很重要?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)電池的實(shí)際運(yùn)行情況、負(fù)載對(duì)功率的要求等,隨時(shí)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量等參數(shù),以保證電化學(xué)反應(yīng)有效的進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PEMFC的研究主要集中在機(jī)理模型,結(jié)構(gòu)和材料等方面,因此還需要我們從控制方案的角度來(lái)進(jìn)一步研究,從而提高其運(yùn)行效率和可靠性。電堆的可靠性,安全效率的提高通過(guò)控制系統(tǒng)得以保證?？刂葡到y(tǒng)

3、的目標(biāo)是要使電堆在負(fù)載波動(dòng)情況下,電堆的工作溫度和氣壓保持穩(wěn)定,使電池有良好的輸出性能；通過(guò)優(yōu)化其運(yùn)行操作參數(shù),來(lái)使其維持在安全可靠的運(yùn)行環(huán)境中。此方面國(guó)內(nèi)外對(duì)PEMFC研究還比較少,因此在PEMFC建模、優(yōu)化和控制的研究方面,有待于進(jìn)一步深入研究。
　　 本課題是結(jié)合上海交通大學(xué)燃料電池研究所正在進(jìn)行的科研項(xiàng)目:“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)的研制”,“985”工程項(xiàng)目-“千瓦級(jí)PEMFC電堆發(fā)電系

4、統(tǒng)的研制”。本文詳細(xì)分析研究了國(guó)內(nèi)外最新研究資料,定量分析了各種因素對(duì)PEMFC性能的影響。在深入分析了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,搭建了PEMFC系統(tǒng)SIMULINK仿真模型。為保證陰極氧化學(xué)計(jì)算量維持在所需的固定值上,在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中采用動(dòng)態(tài)前饋控制器加PI反饋控制器,以此獲得希望的FC系統(tǒng)凈輸出功率。為避免氧氣不足帶來(lái)的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池瞬時(shí)短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴(yán)重后果,提出了基于非線性干擾觀測(cè)器控制的PE

5、MFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計(jì)步驟。設(shè)計(jì)了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測(cè)器,并將其與PID控制器合成。提出了基于微粒群優(yōu)化算法的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的PID控制器中參數(shù)尋優(yōu)方法,并與基于GA調(diào)整的方法進(jìn)行比較驗(yàn)證了算法的優(yōu)化高效性。通過(guò)由干擾觀測(cè)器對(duì)電堆電流的前饋補(bǔ)償,PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性及系統(tǒng)抗干擾能力大幅提高。為避免當(dāng)燃料電池電流下降時(shí),陰極會(huì)遭受氧不足的現(xiàn)象以及在瞬態(tài)及大的負(fù)載電流出現(xiàn)時(shí)電池能工作在有效的工作點(diǎn)附近,

6、采用了非線性模型預(yù)測(cè)控制方案。通過(guò)研究基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)回歸(SVMR)建模理論,微粒群優(yōu)化算法(PSO)以及智能預(yù)測(cè)控制理論,構(gòu)造了基于SVMR的PEMFC陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量的模型。最后對(duì)陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量采用了智能預(yù)測(cè)控制,預(yù)測(cè)模型采用了構(gòu)造的基于SVMR的陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量模型,滾動(dòng)優(yōu)化中采用微粒群優(yōu)化算法,并與基于GA的滾動(dòng)優(yōu)化策略進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了本文提出的智能預(yù)測(cè)控制的較好控制效果。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn):

7、>　　 (1)根據(jù)燃料電池的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约半姵氐耐獠坑^測(cè)數(shù)據(jù),定量分析了運(yùn)行參數(shù)以及質(zhì)子交換膜、電流密度對(duì)電池輸出性能的影響,并分析了電堆的組裝及操作不當(dāng)對(duì)電池壽命的影響,總結(jié)了PEMFC性能提高所面臨的挑戰(zhàn)。為在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)PEMFC運(yùn)行中的參數(shù),提高系統(tǒng)的輸出性能,并為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析打下基礎(chǔ)。
　　 (2)詳細(xì)分析研究了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的工作原理,并搭建了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。為了使燃料電池發(fā)

8、電系統(tǒng)達(dá)到好的抗干擾性,獲得所期望的的凈輸出功率,設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)前饋控制器加PI反饋控制器,將陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量控制在所需的水平。
　　 (3)在燃料電池空氣管理子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)電過(guò)程中,需要調(diào)節(jié)從燃料電池陰極氧氣的消耗,此調(diào)節(jié)需要快速高效以避免電池的氧不足,從而延長(zhǎng)電池的壽命。為避免氧不足帶來(lái)的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池短時(shí)短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴(yán)重后果,本文提出了基于非線性干擾觀測(cè)器控制的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計(jì)步驟

9、。設(shè)計(jì)了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測(cè)器,并將其與PID控制器合成。
　　 (4)提出了基于微粒群優(yōu)化算法的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的PID控制器中參數(shù)尋優(yōu)方法,并與基于GA調(diào)整的方法進(jìn)行比較,驗(yàn)證了算法的優(yōu)化高效性。設(shè)計(jì)的干擾觀測(cè)器的全局穩(wěn)定性由所選擇的參數(shù)保證。由實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果表明對(duì)于時(shí)變的電堆電流信號(hào),觀測(cè)器達(dá)到了滿意的性能。通過(guò)由干擾觀測(cè)器對(duì)電堆電流的前饋補(bǔ)償,PEMFC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性大幅提高。
　　 (5

10、)為避免當(dāng)燃料電池電流下降時(shí),陰極會(huì)遭受氧不足的現(xiàn)象以及在瞬態(tài)及大的負(fù)載電流出現(xiàn)時(shí)電池能工作在有效的工作點(diǎn)附近,采用了非線性模型預(yù)測(cè)控制方案。提出了對(duì)陰極氧化學(xué)計(jì)算量進(jìn)行建模,構(gòu)造了基于SVMR的陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量的模型,并驗(yàn)證了此模型滿足作為預(yù)測(cè)模型的要求。本文提出了采用基于SVMR的預(yù)測(cè)模型,PSO的滾動(dòng)優(yōu)化的智能預(yù)測(cè)控制對(duì)PEMFC陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量進(jìn)行預(yù)測(cè)控制,通過(guò)仿真比較方法驗(yàn)證了此智能預(yù)測(cè)控制的性能。提出了三種基于不同準(zhǔn)則的