基于物理模型的燃料电池多目标优化及控制研究

作     者：廖伟添 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙平

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：PEMFC系统建模 氧气过量比 多目标优化 扩展状态观测器 超扭曲滑模 级联控制 系统测控平台 

摘      要：随着全球经济的发展、环境问题的出现,高效、清洁的新型能源成为研究的重点,质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)作为一种高效利用清洁氢能的终端装置得到了广泛的关注。为进一步实现PEMFC的推广,需要研究考虑PEMFC系统性能输出优化和控制的问题。对于水冷型燃料电池,一般需要空压机作为提供空气的辅件。充足的空气量供应能保证电堆的高效率,但空压机随着氧气过量比的提高,功耗将急剧的增加,系统输出的净功率将下降,因此净功率与效率之间存在矛盾特性。同时氧气过量比难以测量,空气的供应存在迟滞性,因此建立完整的燃料电池系统模型,探究系统的优化和控制,具有重要意义。本文围绕上述问题,对PEMFC开展了如下研究工作: (1)从燃料电池电化学原理和物质传输原理及各部件的机理出发,建立了电堆模型,其中包括输出电压和功率计算、物质的消耗和产生、阴阳极流场、膜水合及产热散热部分。建立了辅助部件模型,其中包括空压机、中冷器、加湿器、背压阀、喷氢比例阀、排气排水阀、循环水泵、散热器及风扇等,完成了完整的PEMFC系统模型的搭建,为后文的多目标优化和控制设计提供模型基础。 (2)根据PEMFC系统结构和各子系统之间的交互作用,在现有的硬件基础设计开发控制功能框架和上位机交互界面,包括状态转移模块、模式切换模块、回路控制模块、故障报警模块和交互界面的启停控制部分、参数设置部分、变量监测部分、波形显示部分和故障报警部分,为系统的安全稳定运行提供保障。 (3)针对PEMFC系统净功率和效率存在矛盾特性的问题,首先利用试验数据对建立的电堆模型进行标定和验证,测试和仿真极化曲线最大相对误差为1.759%。利用标定后的模型仿真探究影响PEMFC性能的因素,选择系统净功率和效率作为两个目标、氧气过量比和阴极进气压力作为优化的操作变量,基于NSGA-Ⅱ和TOPSIS方法对运行参数进行优化,经过优化后得到的最优氧气过量比和阴极进气压力轨迹,可作为实际燃料电池系统运行时的操作参数参考。 (4)针对PEMFC系统氧气过量比难以测量和空气供给系统存在迟滞性的问题,设计扩展状态观测器以重构氧气过量比,提出ESO＿STA＿PID和ESO＿STA＿前馈PID的级联控制结构,通过超扭曲滑模控制算法计算为跟踪目标氧气过量比所需的空气流量,通过PID/前馈PID控制算法控制空压机转速使之跟踪上一级的空气流量,最终实现跟踪上目标氧气过量比的效果。实验结果表明设计的ESO能够在存在参数不确定性的情况下重构氧气过量比,且ESO＿STA＿前馈PID的结构相比ESO＿STA＿PID的结构有着更好的响应速度和更小的超调量,对PEMFC的控制研究有着指导作用。