燃料电池系统建模与控制研究

燃料电池具有高效率、噪音低、零排放等特点,被认为最具发展前景的能源之一。燃料电池系统的建模与控制研究对于提高燃料电池系统的效率、动态响应能力及使用寿命等有着重要的意义。目前这方面的研究特别是控制方面还处于初步阶段,许多问题亟待解决。 燃料电池系统主要包括4个部分：进气子系统、热管理子系统、水管理子系统和能源管理子系统。由于各子系统动态响应时间不同,本文忽略热管理子系统和水管理子系统,最终基于进气系统和DC/DC变换器的动态对气管理系统和能源管理系统进行了研究。此外,电堆电压模型无论对于燃料电池性能的评价还是对于控制都十分重要,因而对该部分也进行了研究。本文主要开展了以下几个方面的工作 1.在电堆电压模型方面,从机理出发推导建立了半经验的稳态模型。所建立的模型不仅包含电化学反应过程还考虑了气体扩散层(GDL)的气体扩散。GDL的气体扩散经适当简化后得到解析表达式,以便于计算。电化学反应部分通过一定的简化和变形得到线性化的参数方程,由于辨识参数不包含温度、压强等外界条件,保证了模型的通用性,且这些模型的参数可根据实验数据采用最小二乘方法辨识得到。实验结果表明,该模型具有很好的拟合效果和泛化能力。进气系统的动态模型方面,在现有文献3阶模型的基础上根据控制需要提出了4阶模型,通过模型的仿真比较,验证了该4阶动态模型的有效性。 2.针对燃料电池空气进气系统,考虑其非线性和约束,提出了基于线性变参数模型的预测控制(LPV-MPC)算法。针对状态不可测问题,在LPV-MPC算法中加入Kalman滤波,并通过可观性分析确定了需要测量的变量。通过与线性MPC和基于机理模型的非线性预测控制(NMPC)对比,验证了在燃料电池负载大范围变化时该算法的有效性和可行性。 3.针对燃料电池能源管理系统,首先给出了Boost型DC/DC变换器的平均值模型。然后针对DC/DC系统采用最优二次型调节(LQR)实现PID参数整定,避免了PID参数整定的复杂过程,并保证了控制的最优性。同时通过增加输出偏差的积分状态,实现了无静差控制。最后把空气进气子系统和DC/DC变换器子系统整合在一起,提出了两个部分的分散控制结构。从仿真结果可以看出,燃料电池独立发电系统的控制取得了很好的效果。