質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的建模與控制研究.pdf

1、該文首先應(yīng)用三大守恒定律,系統(tǒng)地建立了kW級PEMFC電堆的三維動態(tài)模型,并通過簡化,得到電堆溫度的機(jī)理模型.同時,針對PEMFC電堆的輸出電氣性能和使用壽命很大程度上取決于電堆的操作溫度這一問題,利用專家經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù),基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)建立了電堆操作溫度辨識模型,結(jié)合電堆機(jī)理模型和辨識模型,提出了兩種智能控制方案,并進(jìn)行了仿真和實驗.最后,對兩種控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了比較.該文的具體成果主要包括:* 基于質(zhì)量、動量和能量守恒定

2、律,首次系統(tǒng)而完整地建立了kW級PEMFC電堆的三維動態(tài)數(shù)學(xué)模型;根據(jù)電堆發(fā)電過程中的物質(zhì)與電量平衡條件,建立了由一組偏微分方程和積分方程描述的PEMFC電堆的動態(tài)電氣特性模型;在考慮有效阻抗對電池輸出特性的影響下,從單電池推及電堆,全面地對電堆輸出電壓、電流密度、燃料氣體利用率之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析.所建立的模型為設(shè)計電堆控制系統(tǒng)和電堆模型的簡化與應(yīng)用打下基礎(chǔ).* 通過對所建立的三維動態(tài)電堆模型的簡化,得到PEMFC電堆的溫度、壓力

3、、氣體流速和質(zhì)量分率簡化模型.首次提出由于換熱系數(shù)、傳熱系數(shù)的變化,造成電堆中單電池、單電池組件之間的溫度不均勻.提出了一種改進(jìn)的遺傳算法,對模型中10個與換熱系數(shù)和傳熱系數(shù)有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行辨識和優(yōu)化,以解決由于模型簡化和參數(shù)的不準(zhǔn)確而造成的模型精度降低問題.并通過數(shù)值測試證明了改進(jìn)遺傳算法比簡單遺傳算法有著更快的收斂速度和更高的精度.所作的仿真實驗,驗證了模型的可靠性,為設(shè)計基于電堆機(jī)理模型的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ).* 利用來

4、自專家的經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù),建立了基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)的電堆操作溫度的辨識模型.并基于此模型,提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制算法.結(jié)合最鄰聚類算法,解決了模糊規(guī)則無法涵蓋模糊輸入變化空間時,造成的控制性能下降問題.同時又利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)算法,加強系統(tǒng)的自適應(yīng)能力.與非線性PID和傳統(tǒng)模糊控制算法相比,仿真和實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能.* 根據(jù)電堆溫度機(jī)理模型,我們提出了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計方案,快速平滑趨近律和快速收斂滑動模