质子交换膜燃料电池建模及控制方法研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)将化学能直接转换为电能,具有高效率、零排放和室温快速启动等特点,已成为新世纪汽车、电子等领域最有发展前景的能源之一。PEMFC系统是一个多变量强耦合的非线性系统,其工作性能受到外部环境和内部参数等许多因素的影响,实际工作过程中输出电压不稳定。因此建立比较完善的机理模型对它的动态特性进行深入研究,并采取可行的控制方法来提高PEMFC系统输出电压的稳定性,具有非常重要的理论意义和广阔的应用前景。本文在研究PEMFC机理特性的基础之上,考虑了电池的温度、反应气体流量和双层电荷层作用对电池响应特性的影响,建立了PEMFC的动态模型。该模型分析了电池工作过程中影响输出电压的几个主要因素：电池电动势、活化过电压、欧姆过电压、浓差过电压,并通过负载电流变化考察了PEMFC电压的动态响应。仿真结果表明,所建模型的仿真结果能够正确反映PEMFC的稳态和动态特性,建立的模型可以作为PEMFC控制系统设计的对象。另外,针对PEMFC运行过程中输出电压不稳定及非线性强耦合等控制难点,提出了采用模糊控制思想对反应气体流量的控制进行设计,建立了更为合理的模糊规则表,设计并实现了一个带积分的模糊控制器。该模糊控制器带有积分项,具有输出电压不会随负载电流的干扰而变化的特点。仿真结果表明,带积分的模糊控制能消除系统的稳态误差,而且系统的动态响应快,对参数的适应力强,具有较好的鲁棒性,得到了较稳定的输出电压值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 燃料电池概述
• 1.2.1 燃料电池特点
• 1.2.2 燃料电池分类
• 1.3 PEMFC国内外研究现状
• 1.3.1 PEMFC的国内外发展
• 1.3.2 PEMFC建模研究现状
• 1.3.3 PEMFC控制现状和发展方向
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 课题主要研究内容
• 第二章 PEMFC工作原理及组成
• 2.1 PEMFC工作原理
• 2.2 PEMFC组成部件
• 2.2.1 质子交换膜
• 2.2.2 电催化剂
• 2.2.3 电极
• 2.2.4 双极板与流场
• 2.3 本章小结
• 第三章 PEMFC动态模型的建立
• 3.1 模型假设
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 电化学模型
• 3.2.2 电池等效模型
• 3.2.3 反应流道模型
• 3.2.4 热力学模型
• 3.3 仿真运行与结果分析
• 3.3.1 输入输出设计
• 3.3.2 仿真参数的确定
• 3.3.3 仿真模型建立
• 3.3.4 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 PEMFC模糊控制器的分析与设计
• 4.1 模糊控制基本思想
• 4.2 模糊控制基本原理
• 4.2.1 精确量的模糊化
• 4.2.2 模糊控制规则的形成
• 4.2.3 模糊推理
• 4.2.4 模糊判决
• 4.3 PEMFC模糊控制器的分析与设计
• 4.3.1 模糊控制器的控制方案
• 4.3.2 模糊控制器的设计
• 4.4 PEMFC控制系统仿真与结果分析
• 4.4.1 控制系统仿真模型建立
• 4.4.2 控制系统仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件