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                        質子交換膜燃料電池發電系統氯氣回路設計

                        添加時間:2019/08/06 來源:浙江大學 作者:洪凌
                        燃料電池作為一種氯能轉換裝置,兼顧了能量的高效轉化率和污染物的低排放率。其中,質子交換膜燃料電池因其王作溫度低、能量密度大的特點,在汽車行業中前景巨大。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著社會發展和時代巧技水平的提升,能源緊缺和環境污染已成為當今世界的重點關注問題。氨能儲量豐富、能量密度高,是一種極具發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,成為眾多學者研究的重點。其中,質子交換膜燃料電池因其王作溫度低的特點,在巧車行業中前景巨大。然而,燃料電池系統是具有強非線性的多物理域精合系統,在應對汽車后停、低載、怠速等工作狀態下存在的賃載大范圍波動時,存在輸出特性偏軟的問題。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燃料電池壽命。而燃料電池系統強非線性、多物理域揭合W及負載大范圍波動的問題,化成為質子交換膜燃料電池控制算法設計的主要難點。

                          本文針對質子交換膜燃料電池發電系統氯氣回路進行研究,建立面向控制的燃料電池發電系統氯氣回路模型,模型包含燃料供氣、傳輸、反應、滲透、排氣和循環過程。同時,基于模型對因燃料電池質子交換膜氣體滲透問題導致的流道氮含量積累問題進行研究,分析氮氣積累現象中,電流負載和循環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,以實現高效、及時的燃料供給為控制目標,提出兩種可行的控制巧略,運用非線性多輸入多輸出狀態反饋控制算法分別設計,并對仿真結果進行對比、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題,本文還設計了燃料電池氨氣分壓觀測器。將其與控制算法相結合,設計了非線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下能快速收斂,在參數不確定下具有魯棒性。

                          關鍵詞:燃料電池發電系統;氨氣循環回路:氣體滲透;非線性多輸入多輸出控制;分壓觀測

                        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,隨著全球汽車巧有量的迅速增長,能源和環境問題日益突出,邑引起當今社會的廣泛關注。汽車作為環境污染排放的重要來源,肩負改善交通、保護環境、節約能源等重要責任,中國汽車產業發展節能與新能源汽車刻不容緩,汽車產業步入轉型關鍵時期。氨能具有較高的能量密度,且其氧化產物僅為水,是一種儲量豐富的綠色新能源,因此受到當今學者的廣泛關注。燃料電池作為一種氯能轉換裝置,可將氯能通過電化學反應直接轉換為電能并生成無污染的產物水,能量轉換效率高,零排放,頗具巧究價值。同時,質子交換膜(PEM)燃料電池因其工作溫度低、高功率密度的特點,在交通領域具有較大的應用前景。文獻[1]分析了燃料電池在純電動汽車上應用時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燃料電池的電動自行車中的PEM燃料電池系統建模。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要發展方向之一,在"十五"、"十一五"和"十二五"規劃中均被提及,在2015年5月份王信部發布的《中國制造2025》規劃中化對燃料電地車輛?谧隽艘巹澱f明。

                          燃料電池發電系統作為燃料電池汽車的關鍵組成部分之一,其性能研究、控制策略設計與應用對提高燃料電池車輛整車性能和降低燃料電池車輛生產成本具有重大意義。而燃料電池發電系統本身復雜的非線性、多物理域強精合、多學科交叉等特性,成為燃料電池發電系統建模與控制的難點,成為眾多學者的研究對象。文獻[4]針對燃料電池輸出特性偏軟的問題,利用迭代學習方法建模,并將模型與實驗結果相互應證的問題,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控制問題,滿足大功率場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性、多約宋強精合的特點,非線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,推進燃料電池系統的應用。

                          燃料電池發展至今,根據其電解質和應用領域的不同,可分為質予交換膜燃料電池、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[6]。其中,質子交換膜燃料電池具有低王作溫度、高功率密度的特性,使其在汽車行業具有廣泛的應用前景。

                        質子交換膜燃料電池發電系統氯氣回路設計:

                        非線性MIMO輸出反饋控制算法框圖
                        非線性MIMO輸出反饋控制算法框圖

                        燃料電池負載電流曲線
                        燃料電池負載電流曲線

                        控制器輸出的燃料電化系統氯罐出氣流量閥口開度
                        控制器輸出的燃料電化系統氯罐出氣流量閥口開度

                        控制器輸出的燃料電池系統循環流量閥口開度
                        控制器輸出的燃料電池系統循環流量閥口開度

                        供氣管道氣壓跟接誤差
                        供氣管道氣壓跟接誤差

                        陽極氨含量跟蹤誤差
                        陽極氨含量跟蹤誤差

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

                        陽極気含量及其氮含量期望值的對比細節圖
                        陽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
                        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 燃料電池系統簡介
                              1.2.1 燃料電池簡介
                              1.2.2 燃料電池發電系統
                              1.2.3 燃料電池發電系統氫氣回路
                            1.3 國內外現狀
                              1.3.1 燃料電池進氣系統控制策略
                              1.3.2 燃料電池陽極氮氣積累和分壓觀測研究
                              1.3.3 燃料電池陽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 燃料電池發電系統氮氣回路建模
                            2.1 流道氣體模型
                              2.1.1 陽極供氣管道模型
                              2.1.2 陽極流道模型
                              2.1.3 陰極流道模型
                            2.2 電化學反應模型
                              2.2.1 電化學反應流量消耗
                              2.2.2 電化學反應輸出電壓
                            2.3 氣體跨膜滲透模型
                            2.4 氫氣回路循環風機模型
                            2.5 面向控制的燃料電池發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題研究
                            3.2 非線性MIMO狀態反饋控制算法設計
                              3.2.1 控制策略M:以供氣管道氣壓和陽極流道氫含量為控制目標
                              3.2.2 控制策略N:以陽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 非線性MIMO拾出反債控制算法設計與驗證分析
                            4.1 氫氣分壓觀測器設計
                            4.2 非線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 非線性MIMO輸出反饋控制算法仿真分析
                              4.4.2 氫氣分壓觀測器仿真與分析
                              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
                          符號說明
                          下標說明
                          致謝
                          個人筒歷二
                          攻讀學術期間發表的學術論文與取得的其他研究成果83

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