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解決能源問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、排水方便、壽命長以及比功率、比能量高等突出特點,特別適用于為電動汽車、便攜設(shè)備,分散電站等提供動力,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,對它的可靠和高效運行的提出了更高的要求。PEMFC可靠和高效運行關(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)電池的實際運行情況、負載對功率的要求等,隨時調(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)有效的進行。目前國內(nèi)外對PEMFC的研究主要集中在機理模型,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進一步研究,從而提高其運行效率和可靠性。電堆的可靠性,安全效率的提高通過控制系統(tǒng)得以保證。控制系統(tǒng)

3、的目標是要使電堆在負載波動情況下,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；通過優(yōu)化其運行操作參數(shù),來使其維持在安全可靠的運行環(huán)境中。此方面國內(nèi)外對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行的科研項目:“十五”國防科研項目-“20kW車載質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的研制”,“985”工程項目-“千瓦級PEMFC電堆發(fā)電系

4、統(tǒng)的研制”。本文詳細分析研究了國內(nèi)外最新研究資料,定量分析了各種因素對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)計算量維持在所需的固定值上,在PEMFC發(fā)電系統(tǒng)中采用動態(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的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池瞬時短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴重后果,提出了基于非線性干擾觀測器控制的PE

5、MFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計步驟。設(shè)計了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測器,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)整的方法進行比較驗證了算法的優(yōu)化高效性。通過由干擾觀測器對電堆電流的前饋補償,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。為避免當燃料電池電流下降時,陰極會遭受氧不足的現(xiàn)象以及在瞬態(tài)及大的負載電流出現(xiàn)時電池能工作在有效的工作點附近,

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

7、>　　 (1)根據(jù)燃料電池的實驗?zāi)Ｐ鸵约半姵氐耐獠坑^測數(shù)據(jù),定量分析了運行參數(shù)以及質(zhì)子交換膜、電流密度對電池輸出性能的影響,并分析了電堆的組裝及操作不當對電池壽命的影響,總結(jié)了PEMFC性能提高所面臨的挑戰(zhàn)。為在實際應(yīng)用中調(diào)節(jié)PEMFC運行中的參數(shù),提高系統(tǒng)的輸出性能,并為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)分析打下基礎(chǔ)。
　　 (2)詳細分析研究了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)達到好的抗干擾性,獲得所期望的的凈輸出功率,設(shè)計采用了動態(tài)前饋控制器加PI反饋控制器,將陰極氧氣化學(xué)計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,從而延長電池的壽命。為避免氧不足帶來的電池電壓迅速下降而導(dǎo)致電池短時短路和損壞質(zhì)子交換膜表面的嚴重后果,本文提出了基于非線性干擾觀測器控制的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的方案及設(shè)計步驟

9、。設(shè)計了基于PSO整定的PID控制器以及非線性觀測器,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)整的方法進行比較,驗證了算法的優(yōu)化高效性。設(shè)計的干擾觀測器的全局穩(wěn)定性由所選擇的參數(shù)保證。由實驗及仿真結(jié)果表明對于時變的電堆電流信號,觀測器達到了滿意的性能。通過由干擾觀測器對電堆電流的前饋補償,PEMFC系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性大幅提高。
　　 (5

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