摘要

　　隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展和時(shí)代巧技水平的提升,能源緊缺和環(huán)境污染已成為當今世界的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。氨能儲量豐富、能量密度高,是一種極具發(fā)展前景的綠色新能源。而燃料電池作為一種氨能轉換裝置,兼顧了能量的高效轉化率和污染物的低排放率,成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池因其王作溫度低的特點(diǎn),在巧車(chē)行業(yè)中前景巨大。然而,燃料電池系統是具有強非線(xiàn)性的多物理域精合系統,在應對汽車(chē)后停、低載、怠速等工作狀態(tài)下存在的賃載大范圍波動(dòng)時(shí),存在輸出特性偏軟的問(wèn)題。因此,合理設計并運用控制算法,有利于改善燃料電池表現、提高燃料電池效率和延長(cháng)燃料電池壽命。而燃料電池系統強非線(xiàn)性、多物理域揭合W及負載大范圍波動(dòng)的問(wèn)題,化成為質(zhì)子交換膜燃料電池控制算法設計的主要難點(diǎn)。

　　本文針對質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統氯氣回路進(jìn)行研究,建立面向控制的燃料電池發(fā)電系統氯氣回路模型,模型包含燃料供氣、傳輸、反應、滲透、排氣和循環(huán)過(guò)程。同時(shí),基于模型對因燃料電池質(zhì)子交換膜氣體滲透問(wèn)題導致的流道氮含量積累問(wèn)題進(jìn)行研究,分析氮氣積累現象中,電流負載和循環(huán)流量對的流道氣壓和氣氣濃度的影響。在此基礎上,W燃料電池不同管道的管道氣壓和燃料濃度為控制對象,以實(shí)現高效、及時(shí)的燃料供給為控制目標,提出兩種可行的控制巧略,運用非線(xiàn)性多輸入多輸出狀態(tài)反饋控制算法分別設計,并對仿真結果進(jìn)行對比、分析和驗證。除此之外,針對燃料電池系統氨氣分壓測量難度大的問(wèn)題,本文還設計了燃料電池氨氣分壓觀(guān)測器。將其與控制算法相結合,設計了非線(xiàn)性多輸入多輸出輸出反饋控制算法,增強了控制器的可應用性。算法的穩定性通過(guò)李雅普諾夫方法理論分析證明,仿真結果顯示其在負載大范圍波動(dòng)下能快速收斂,�娫趨�數不確定下具有魯棒性。

　　關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)電系統;氨氣循環(huán)回路:氣體滲透;非線(xiàn)性多輸入多輸出控制；分壓觀(guān)測

Abstract

　　With the fast developments of society and technology, energy shortages and environmental pollution become key problems of the world. Therefore, hydrogen energy, with its abundant storage and high energy content, shows great potential to be one of the future sustainable energies. As one kind of hydrogen conversion plants.

　　fuel cells become hot topics for researchers with high energy conversion efficiency and zero pollutant emission. Among that, Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have special application prospects in transportation fields because of low operating temperature. However, considering the complex characteristics of the fuel cell  systems,  such  as  strong  nonlinearity,  multi-physical  field  coupling  and interdisciplinary fusion, it is a little hard for fuel cells to achieve widely fluctuated car loads tracking caused by the various operating car modes, such as start, stop, low loads and idling. Consequently, adequate control strategies for the fuel cell systems are benefit in improving the performance, increasing the efficiency and prolonging the lifetime of the fuel cells. However, difficulties also exist in the controller design such as the nonlinearity and mufti-physical of the fuel cells, and the widely fluctuated loads of the PEM fuel cells.

　　This paper proposes a mufti-input-mufti-output (MIMO) nonlinear control strategy for fuel delivery in PEM fuel cell systems. Specifically, a control oriented dynamic model is developed for the fuel delivery system (FDS) including fuel supply, fuel delivery, electrochemical reaction, membrane permeation, anode bleeding and anode recirculation.  Based on the model, studies on nitrogen permeation and accumulation are discussed with various current loads and recirculation ratios. On this basis, two contrastive control strategies are proposed to maintain adequate fuel supply and suitable anode hydrogen concentration using MIMO nonlinear state feedback control algorithm. Comparison and analysis are presented in the simulation results between these two control strategies. Moreover, hydrogen partial pressure estimations are developed in this paper considering the difficulty in measurements of manifold partial pressures. Combining the estimations and the state feedback control strategy, a MIMO nonlinear output feedback controller is proposed to improve the applicability of the controller. Lyapunov based stability analysis is carried out to analyze the proposed output feedback controller and the observers. Simulation results show the effectiveness of the proposed controller under various current demands.

　　Key words:  Fuel cell power systems; Hydrogen recirculation loop; Gas permeation; Nonlinear MIMO control; Partial pressure estimations

　　近年來(lái),隨著(zhù)全球汽車(chē)巧有量的迅速增長(cháng),能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出,邑引起當今社會(huì )的廣泛關(guān)注。汽車(chē)作為環(huán)境污染排放的重要來(lái)源,肩負改善交通、保護環(huán)境、節約能源等重要責任,中國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展節能與新能源汽車(chē)刻不容緩,汽車(chē)產(chǎn)業(yè)步入轉型關(guān)鍵時(shí)期。氨能具有較高的能量密度,且其氧化產(chǎn)物僅為水,是一種儲量豐富的綠色新能源,因此受到當今學(xué)者的廣泛關(guān)注。燃料電池作為一種氯能轉換裝置,可將氯能通過(guò)電化學(xué)反應直接轉換為電能并生成無(wú)污染的產(chǎn)物水,能量轉換效率高,零排放,頗具巧究?jì)r(jià)值。同時(shí),質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池因其工作溫度低、高功率密度的特點(diǎn),在交通領(lǐng)域具有較大的應用前景。文獻[1]分析了燃料電池在純電動(dòng)汽車(chē)上應用時(shí)的零部件配置和參數。文獻口]研究一種可用于PEM燃料電池城市公交上的分級控制系統,而文獻[3]針對帶250W燃料電池的電動(dòng)自行車(chē)中的PEM燃料電池系統建模。燃料電池汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一,在"十五"、"十一五"和"十二五"規劃中均被提及,在2015年5月份王信部發(fā)布的《中國制造2025》規劃中化對燃料電地車(chē)輛專(zhuān)口做了規劃說(shuō)明。

　　燃料電池發(fā)電系統作為燃料電池汽車(chē)的關(guān)鍵組成部分之一,其性能研究、控制策略設計與應用對提高燃料電池車(chē)輛整車(chē)性能和降低燃料電池車(chē)輛生產(chǎn)成本具有重大意義。而燃料電池發(fā)電系統本身復雜的非線(xiàn)性、多物理域強精合、多學(xué)科交叉等特性,成為燃料電池發(fā)電系統建模與控制的難點(diǎn),成為眾多學(xué)者的研究對象。文獻[4]針對燃料電池輸出特性偏軟的問(wèn)題,利用迭代學(xué)習方法建模,并將模型與實(shí)驗結果相互應證的問(wèn)題,W提升燃料電池效率,為燃料電池商用做準備。文獻[5]則研究燃料電池并聯(lián)控制問(wèn)題,滿(mǎn)足大功率場(chǎng)合下系統對電壓和功率的需求。建模與控制是改善其輸出表現的重要王具,而考慮燃料電池系統復雜非線(xiàn)性、多約宋強精合的特點(diǎn),非線(xiàn)性控制策略的應用有利于其在復雜工況下的快速跟蹤和平滑控制。因此,本文引入非線(xiàn)性控制策略,旨在改善燃料電池輸出表現,提升燃料電池系統效率,推進(jìn)燃料電池系統的應用。

　　燃料電池發(fā)展至今,根據其電解質(zhì)和應用領(lǐng)域的不同,可分為質(zhì)予交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池（AFC)、堿性燃料電池(AFC)、溶融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、蹲酸鹽燃料電池(PAFC)五大類(lèi)[6]。其中,質(zhì)子交換膜燃料電池具有低王作溫度、高功率密度的特性,使其在汽車(chē)行業(yè)具有廣泛的應用前景。

質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統氯氣回路設計：

非線(xiàn)性MIMO輸出反饋控制算法框圖

燃料電池負載電流曲線(xiàn)

控制器輸出的燃料電化系統氯罐出氣流量閥口開(kāi)度

控制器輸出的燃料電池系統循環(huán)流量閥口開(kāi)度

供氣管道氣壓跟接誤差

陽(yáng)極氨含量跟蹤誤差

陽(yáng)極氨含量跟蹤誤差轉換為陽(yáng)極氮含量及其氮含量期望值后的對比圖

陽(yáng)極気含量及其氮含量期望值的對比細節圖

供氣管道氨氣分壓估計值

目錄

　　摘要
　　Abstract
　　括圖和附表清單
　　圖目錄
　　表目錄
　　第1章 緒論
　　　　1.1 背景與意義
　　　　1.2 燃料電池系統簡(jiǎn)介
　　　　　　1.2.1 燃料電池簡(jiǎn)介
　　　　　　1.2.2 燃料電池發(fā)電系統
　　　　　　1.2.3 燃料電池發(fā)電系統氫氣回路
　　　　1.3 國內外現狀
　　　　　　1.3.1 燃料電池進(jìn)氣系統控制策略
　　　　　　1.3.2 燃料電池陽(yáng)極氮氣積累和分壓觀(guān)測研究
　　　　　　1.3.3 燃料電池陽(yáng)極出口排氣策略研究
　　　　1.4 本文工作和章節安排
　　　　1.5 小結
　　第2章 燃料電池發(fā)電系統氮氣回路建模
　　　　2.1 流道氣體模型
　　　　　　2.1.1 陽(yáng)極供氣管道模型
　　　　　　2.1.2 陽(yáng)極流道模型
　　　　　　2.1.3 陰極流道模型
　　　　2.2 電化學(xué)反應模型
　　　　　　2.2.1 電化學(xué)反應流量消耗
　　　　　　2.2.2 電化學(xué)反應輸出電壓
　　　　2.3 氣體跨膜滲透模型
　　　　2.4 氫氣回路循環(huán)風(fēng)機模型
　　　　2.5 面向控制的燃料電池發(fā)電系統氫氣回路模型
　　　　2.6 小結
　　第3章 墓于模型的流道氮含盈問(wèn)題研究及控制算法設計
　　　　3.1 基于模型的流道氮含量約束問(wèn)題研究
　　　　3.2 非線(xiàn)性MIMO狀態(tài)反饋控制算法設計
　　　　　　3.2.1 控制策略M:以供氣管道氣壓和陽(yáng)極流道氫含量為控制目標
　　　　　　3.2.2 控制策略N:以陽(yáng)極流道氣壓和供氣管道氫含量為控制目標
　　　　3.3 控制策略仿真結果與分析
　　　　　　3.3.1 控制策略M仿真結果
　　　　　　3.3.2 控制策略N仿真結果
　　　　　　3.3.3 仿真效果小結
　　　　3.4 小結
　　第4章 非線(xiàn)性MIMO拾出反債控制算法設計與驗證分析
　　　　4.1 氫氣分壓觀(guān)測器設計
　　　　4.2 非線(xiàn)性輸出反饋控制算法設計
　　　　4.3 穩定性證明
　　　　4.4 仿真結果與對比分析
　　　　　　4.4.1 非線(xiàn)性MIMO輸出反饋控制算法仿真分析
　　　　　　4.4.2 氫氣分壓觀(guān)測器仿真與分析
　　　　　　4.4.3 對照組MIMO PI控制算法設計與結果對比
　　　　4.5 小結
　　第5章 總結與展望
　　　　5.1 全文內容總結
　　　　5.2 研究展望
　　附錄
　　參考文獻
　　符號說(shuō)明
　　下標說(shuō)明
　　致謝
　　個(gè)人筒歷二
　　攻讀學(xué)術(shù)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果83

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