質子交換膜燃料電池移動電源的建模、先進控制和電池管理系統(tǒng)的研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，簡稱PEMFC)是一種用固體高分子膜作電解質的氫氧型發(fā)電裝置。它是繼堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之后發(fā)展起來的一種新型燃料電池。作為高效清潔能源，PEMFC具有操作溫度低、啟動快和無電解質腐蝕等優(yōu)點。九十年代以來，美國、加拿大、德國、日本、英國、意大利等發(fā)達國家相繼投入大量的人力、物力發(fā)展PEMFC技術，我國也將其列入

2、“九五”、“十五”期間重點支持的高新技術開發(fā)項目。目前，PEMFC的研究和開發(fā)在建模、材料試驗、基礎工藝、產品研制、系統(tǒng)開發(fā)和應用等方面展開，并在航天、電動汽車、艦船、潛艇、移動電源、分布式電站中不斷試驗。由于PEMFC是一個具有多回路、多相流電化學反應的復雜系統(tǒng)，同時，PEMFC系統(tǒng)控制具有大滯后、不確定性和非線性等特點，因此PEMFC系統(tǒng)建模、先進控制和電池管理系統(tǒng)的研究就具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義。 目前本所正在進行

3、“985工程”項目“質子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)研制”、“十五”國防科研項目“20kW車載質子交換膜燃料電池系統(tǒng)研制”和“863計劃”項目“50kW天然氣熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研制”等科研工作。結合這些任務和項目，本文主要研究了質子交換膜燃料電池移動電源的系統(tǒng)建模、系統(tǒng)控制和電池管理系統(tǒng)，基于實驗數(shù)據建立了三種神經網絡模型，提出了三種先進控制復合策略，研究了移動電源及其混合動力的電池管理系統(tǒng)，并進行了仿真研究和實驗。本文的研究成果主要

4、有如下幾個方面。 首先，在初步研究課題背景和研究現(xiàn)狀的基礎上，論文第一章介紹了燃料電池的研究背景和PEMFC的技術進展，分析了影響PEMFC性能的主要因素，并闡述了PEMFC移動電源，最后對本論文的研究內容和創(chuàng)新點作了說明。 其次，在第二章中，基于研究對象的參考模型，建立了PEMFC移動電源的系統(tǒng)模型。應用質量、動量和能量守恒定律以及氣—液—固三相界面的傳熱傳質理論，詳細研究了PEMFC元件、單電池和電堆三個層次的機理和

5、建模，建立了三個具有可操作性的、基于人工神經網絡的PEMFC移動電源的系統(tǒng)模型，并依據200W和1kWPEMFC電堆的實驗進行了仿真。 然后，根據本所的實驗數(shù)據，論文第三章研究了PEMFC移動電源的系統(tǒng)辨識。首先分析了基于過程控制的復雜系統(tǒng)辨識理論，接著研究了以操作參數(shù)和輸出控制為目標的PEMFC移動電源的系統(tǒng)辨識技術，最后在200W和500WPEMFC電堆實驗的基礎上，建立了PEMFC移動電源的人工神經網絡系統(tǒng)辨識模型。

6、 接著，根據第二章和第三章的研究結果，通過簡化計算，詳細研究了PEMFC移動電源的系統(tǒng)控制，建立了三種先進控制復合策略的PEMFC移動電源控制系統(tǒng)，針對1kWPEMFC移動電源的實驗結果，進行了仿真對比，這些內容分別在第四章中進行敘述。 最后，論文第五章詳細研究了PEMFC移動電源的電池管理系統(tǒng)。首先分析了目前電池管理系統(tǒng)的理論和方法，接著在描述PEMFC發(fā)電量和效率的基礎上應用軟計算和專家系統(tǒng)的知識，研究了PEMFC移動電源

7、的電池管理系統(tǒng)，最后建立了PEMFC移動電源混合動力系統(tǒng)的專家系統(tǒng)模型。 在論文的最后一章，對全文進行了總結，指出了一些尚未解決的問題，并對未來PEMFC的科學研究進行了展望。 論文的主要創(chuàng)新點具體如下：1.建立了三個能夠實際應用的基于人工神經網絡的PEMFC移動電源系統(tǒng)模型。目前PEMFC的系統(tǒng)模型，基本上都是復雜難解的機理模型和過于簡單的實驗模型，難以操作，不能用于PEMFC的實際控制。本文在PEMFC的神經網絡系統(tǒng)

8、建模方面進行了創(chuàng)新，所建模型的誤差小于1﹪，仿真速度平均不到0.5秒。 2.針對本所自行開發(fā)的PEMFC電堆和實驗平臺，提出了兩種方式的PEMFC移動電源系統(tǒng)辨識，設計了三種人工神經網絡系統(tǒng)辨識模型，進行了大量的計算機仿真研究。研究結果表明，PEMFC系統(tǒng)辨識的設計和實現(xiàn)，不能采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)辨識方法，需要針對具體PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的大小、結構和使用場合，選擇新的系統(tǒng)辨識方法。司時，建立了PEMFC系統(tǒng)辨識的向量空間，完成了多變量

9、的系統(tǒng)辨識模型。 3.系統(tǒng)研究了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的先進控制理論和方法，對各種情況下的PEMFC移動電源系統(tǒng)控制進行了設計和仿真研究。結果表明，PEMFC移動電源系統(tǒng)控制并不是控制系統(tǒng)越復雜算法越新就越好，而要針對不同的情況和系統(tǒng)大小，根據不同的操作參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據來綜合選取。特別地，在實驗室千瓦級PEMFC運行的基礎上，設計了PEMFC移動電源的模糊PID控制，自適應模糊控制和基于自適應—神經網絡—模糊推理和神經網絡—模糊邏輯的