燃料電池供給路系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析,碩士論文

燃料電池供給路系統(tǒng)的優(yōu)化控制分析,碩士論文燃料電池汽車是新能源汽車戰(zhàn)略的重要解決方案之一，筆者所在的課題組依托于2021年國家重點研發(fā)計劃4.1項目的子課題全功率燃料電池動力系統(tǒng)平臺開發(fā)與優(yōu)化，重點解決大功率燃料電池系統(tǒng)在集成經過中的關鍵設計與控制問題?？紤]到電堆的研發(fā)受制于關鍵材料以及相應的制造工藝很難在短期內有重大突破，因而從控制層面，通過分析特定電堆的輸出特性，深度挖掘電堆的輸出能力，在電堆單體數(shù)目不變的情況下提升其功率水平是實現(xiàn)大功率燃料電池系統(tǒng)集成的重要技術手段。本研究基于某款燃料電池電堆的輸出特性，在燃料電池供應路系統(tǒng)的優(yōu)化控制層面開展研究，主要研究內容如下：首先，從燃料電池電堆的輸出特性層面，基于某款燃料電池電堆的基本設計參數(shù)，建立活化面積為255cm2、由370片組成的電堆輸出電壓仿真模型。針對輸出電壓仿真模型中與壓力相關的非獨立輸入變量這一問題，通過對各組分流動行為的分析建立壓力構成機理模型，將電堆模型與壓力構成機理模型進行整合，實現(xiàn)電堆控制輸入的獨立化，并在這里基礎上，對電堆工作點分布與流量-壓力特性進行仿真分析。其次，從燃料電池系統(tǒng)建模層面，為了進一步建立流場壓力與供應路系統(tǒng)的聯(lián)絡，充分闡述燃料電池供應路系統(tǒng)方案以及工作經過，在這里基礎上，在MATLAB/Simulink環(huán)境完成燃料電池供應路系統(tǒng)動態(tài)模型搭建，對其關鍵部件的特性進行建模擬真，將所建立的供應路系統(tǒng)關鍵部件模型與電堆模型進行集成。最后，從系統(tǒng)優(yōu)化控制層面，分析供應路系統(tǒng)寄生功率與電堆輸出功率的博弈經過，通過補償進氣壓力進而優(yōu)化輸出能力，針對壓力補償經過中的流量-壓力耦合強化問題，將自抗擾控制思想用于該耦合系統(tǒng)，設計流量-壓力動態(tài)解耦控制器〔Disturbancedecouplingcontrol，簡寫為DDC〕以削弱流量-壓力的耦合作用。為了驗證控制優(yōu)化效果，將控制策略模型與燃料電池電堆-供應路系統(tǒng)模型進行集成，搭建聯(lián)合仿真平臺，對控制優(yōu)化效果進行仿真驗證。本文關鍵詞語：燃料電池，供應路系統(tǒng)，壓力補償，解耦控制ABSTRACTResearchonModelingandOptionalControlofFuelcellSupplySystemFuelcellvehicleisoneoftheimportantsolutionstodealwithenergysecurityandnewenergystrategy.Inthe2021nationalkeyRDplan4.1,itisclearlyproposedthattobreakthroughtheintegrationtechnologyofvehiclepowersystembasedonhigh-powerfuelcellengine.Relyingonthismajorspecialsubtopic,theresearchgroupoftheauthorfocusesonsolvingtheintegrationprocessofhigh-powerfuelcellsystemThekeydesignandcontrolproblemsofthesystemprovidetheoreticalguidanceforitsforwarddesign.Itistruethatthemostdirectsolutiontoimprovethepowerdensityofthefuelcellsystemistoimprovetheoutputcapacityofthestack,buttheresearchanddevelopmentofthestackissubjecttothekeymaterialsandthecorrespondingmanufacturingprocess.Therefore,fromanotherperspective,byanalyzingtheoutputcharacteristicsofaspecificstack,theoutputcapacityofthestackisexcavatedindepthfromthecontrollevel,andthepowerofthestackisimprovedwhenthenumberofindividualstacksisconstantRatelevelisanimportanttechnicalmeanstorealizetheintegrationofhigh-powerfuelcellsystem.Basedontheoutputcharacteristicsofafuelcellstackandtheoptimalcontrolofaircompressor,backpressurevalve,hydrogensupplyassemblyandothercomponents(hereinafterreferredtoasfuelcellsupplycircuitsystem),theenergyoptimizationofthesystemisstudied.Themainresearchcontentsareasfollows:Firstofall,basedontheoutputcharacteristicsofafuelcellstackandthebasicdesignparametersofafuelcellstack,theoutputvoltagesimulationmodelwithanactivationareaof255cm2and370piecesisestablished.Aimingatthenonindependentinputvariablesrelatedtothepressureintheoutputvoltagesimulationmodel,theflowbehaviorofeachcomponentisanalyzedandthepressureformationmechanismmodelisestablishedItintegrateswiththepressureformingmechanismmodeltorealizetheindependenceofthecontrolinputofthereactor.Thesimulationanalysisiscarriedoutforthedistributionoftheworkingpointsandtheflowpressurecharacteristicsofthereactorunderdifferentcharacteristicsoftheelectricdensity.Secondly,fromthefuelcellsystemlevel,inordertofurtherestablishtherelationshipbetweentheflowfieldpressureandthesupplycircuitsystem,thispaperfullydiscussesthefuelIVcellsupplycircuitsystemschemeandtheworkingprocess,andproposesthemodelingandcontroldemandofthesupplycircuit.Onthisbasis,thedynamicmodelsofthefuelcellairsupplycircuit,hydrogensupplycircuitandtheoutputcharacteristicsofthefuelcellsystemarebuiltInatlab/Simulinkenvironment,thecharacteristicsofkeycomponentsinthesupplysystemaremodeledandsimulated.Thekeycomponentmodelofthesupplysystemisintegratedwiththereactormodeltoformafuelcellreactorsupplysystemsimulationenvironment,whichisusedtoverifytheoptimizationeffectofcontrolstrategy.Finally,fromthefuelcellsupplysystemoptimizationcontrollevel,basedonthesimulationoftheoutputcharacteristicsofthereactorandtheflowpressurecharacteristicsofthesupplysystem,thegameprocessbetweentheparasiticpowerofthesupplysystemandtheoutputpowerofthereactorisanalyzed,andthepressureofthegassupplysystemiscompensatedtooptimizetheoutput.Fortheflowpressurecouplingprobleminthepressurecompensationprocess,theautodisturbancerejectioncontrol(DDC)isusedInordertoverifythecontroloptimizationeffect,thecontrolstrategymodelisintegratedwiththesimulationenvironmentoffuelcellstacksupplysystem,andajointsimulationplatformisbuilttosimulatethecontroloptimizationeffect.Keywords：Fuelcell，Supplysystem，Pressurecompensation,Disturbancedecouplingcontrol目錄幅較長,部分內容省略,具體全文見文末附件第6章全文總結與研究瞻望6.1全文總結本研究對燃料電池供應路系統(tǒng)的優(yōu)化控制開展研究，旨在于從控制層面深度挖掘電堆的輸出能力，提升燃料電池系統(tǒng)的功率水平。完成的研究工作如下：〔1〕從燃料電池電堆層面出發(fā)，基于某款電堆的設計參數(shù)建立相應的輸出電壓仿真模型，針對輸出電壓仿真模型中與壓力相關的非獨立輸入變量，對各組分流動行為的分析并建立壓力構成機理模型，將電堆模型與壓力構成機理模型進行整合，實現(xiàn)了電堆控制輸入的獨立化，將陰極流場壓力、氧分壓和氫分壓三個互相關聯(lián)的控制變量轉化為陽極流場進氣流量、陰極流場進氣流量和背壓三個獨立的控制輸入，并分別針對特定電流需求條件下的電堆工作點分布與流量-壓力特性進行了仿真；〔2〕為進一步從燃料電池系統(tǒng)層面分析其輸出特性，基于燃料電池供應路系統(tǒng)方案完成了燃料供應路系統(tǒng)以及輸出特性的動態(tài)模型搭建，并對關鍵部件的特性進行建模擬真，驗證了部件特性后與電堆模型進行集成，構成燃料電池電堆-供應路系統(tǒng)仿真模型；〔3〕為了驗證所搭建的供應路系統(tǒng)仿真模型動態(tài)特性，推導了基于負載需求的空氣供應控制策略并設計相應的反應控制器，搭建聯(lián)合仿真平臺，驗證關鍵節(jié)點的流量-壓力特征；并在這里基礎上，基于可變排量背壓系統(tǒng)提出壓力補償策略，并分析動態(tài)控制問題。為解決壓力補償后系統(tǒng)流量-壓力耦合強化問題，參考自抗擾控制思想，設計DDC控制器用于流量-壓力耦合系統(tǒng)，削弱了流量與壓力之間的互相作用；〔4〕對控制優(yōu)化效果進行了總結性仿真，集成電堆輸出模型、供應路系統(tǒng)模型以及控制模型，對供應路系統(tǒng)的流量-壓力動態(tài)響應以及燃料電池系統(tǒng)的輸出性能開展仿真驗證。6.2研究瞻望本研究從理論層面對供應路系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，為了進一步實現(xiàn)車載應用，下一步需要完成的研究歸納如下：〔1〕防喘振是將壓縮機的運行限制在喘振線右側的工作范圍，本研究僅通過壓力補償程實現(xiàn)了對輸出的優(yōu)化，但是在工業(yè)應用方面，還需要考慮壓縮機的喘振，在本研究的基礎上，主動防喘振控制仍然具有較大的研究空間?！?〕本研究所開發(fā)的控制策略基于帶有流量和壓力傳感器的構型，在實際系統(tǒng)中，考慮到成本問題，需要盡量減少或者避免流量傳感器的應用，因而基于實際系統(tǒng)方案對控制策略中的相關控制變量進行進一步轉化，同時硬件在環(huán)測試是實車測試之前必不可少的環(huán)節(jié)，因而在裝車之前完成硬件在環(huán)測試。以下為參考文獻[1]高香玲.美國新能源汽車產業(yè)及其競爭力分析[D].吉林大學,2020.[2]艾民,孟晨.我們國家新能源汽車發(fā)展的原油進口替代效應分析[C]//2020管理創(chuàng)新、智能科技與經濟發(fā)展研討會.[3]黎麗,謝偉,魏書傳,等.中國制造2025[J].金融經濟,2021(13):10.[4]陳虹,李贈銓.中國先進制造業(yè)國際競爭力的實證分析[J].統(tǒng)計與決策,2022(7):154-[5]劉洪民,韓熠超,劉煒煒.融合情景分析的戰(zhàn)略性新興產業(yè)技術途徑圖框架構建與案例分析以中國新能源汽車產業(yè)為例[J].科技與管理,2022(1):1-7.[6]新能源汽車重點專項燃料電池發(fā)動機及商用車產業(yè)化技術與應用項目推進會在濰坊召開[J].電器工業(yè),2022(6):4-4.[7]郝旭輝,劉繼烈,王永軍.氫燃料電池汽車:汽車動力的革命訪中國工程院院李駿[J].汽車技術,2021,No.511(04):5-7.[8]MatrajiI,LaghroucheS,WackM.PressurecontrolinaPEMfuelcellviasecondorderslidingmode[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,37(21):16104-16116.[9]BarelliL,BidiniG,GalloriniF,OttavianoA.DynamicanalysisofPEMFC-basedCHPsystemsfordomesticapplication[J]..ApplEnergy2020;91(1):13-28.[10]ParkS,JungD.Effectofoperatingparametersondynamicresponseofwater-to-gasmembranehumidifierforprotonexchangemembranefuelcellvehicle[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,38(17):7114-7125.[11]RaveyA,BlunierB,MiraouiA.ControlStrategiesforFuel-Cell-BasedHybridElectricVehicles:FromOfflinetoOnlineandExperimentalResults[J].VehicularTechnologyIEEETransactionson,2020,61(6):2452-2457.[12]BarelliL,BidiniG,OttavianoA.OptimizationofaPEMFC/batterypackpowersystemforabusapplication[J].AppliedEnergy,2020,97:777-784.[13]KelouwaniS,AgbossouK,Dub,Yves,etal.FuelcellPlug-inHybridElectricVehicleanticipatoryandreal-timeblended-modeenergymanagementforbatterylifepreservation[J].Journalofpowersources,2020,221(JAN.1):406-418.[14]陳維榮,錢清泉,李奇.燃料電池混合動力列車的研究現(xiàn)在狀況與發(fā)展趨勢[J].西南交通吉林大學碩士學位論文92大學學報,2018,044(001):1-6.[15]顧炳波.提高甲醇合成氣中有效氣體利用率的討論[J].化工管理,2020,000(023):18-18.[16]陳雪蘭.燃料電池系統(tǒng)建模與控制研究[D].浙江大學,2020.[17]丁舟波.電動汽車燃料電池系統(tǒng)性能與優(yōu)化設計研究[D].湖南大學,2020.[18]劉坤.PEM燃料電池的傳輸模擬與構造優(yōu)化[D].武漢理工大學,2008.[19]帥浚超,沈檀,蔣建華,等.多通道平板型固體氧化物燃料電池的逆流流場數(shù)值分析[J].陶瓷學報,2021(6):647-652.[20]Janssen,GJM,Aphenomenologicalmodelofwatertransportinaprotonexchangemembranefuelcell[J].JOURNALOFTHEELECTROCHEMICALSOCIETY2001,A1313-A1323.[21]RuySousaJr,FlvioColmati,ErnestoRafaelGonzalez.Modelingtechniquesappliedtothestudyofgasdiffusionelectrodesandprotonexchangemembranebiochemicalfuelcells[J].JournalofPowerSources,161(1):183-190.[22]馬天才.燃料電池發(fā)動機控制問題研究系統(tǒng)分析與建模[D].同濟大學汽車學院同濟大學,2007.[23]MaherA.R.SadiqAl-Baghdadi.Modellingofprotonexchangemembranefuelcellperformancebasedonsemi-empiricalequations[J].RenewableEnergy,30(10):1587-1599.[24]SupramaniamSrinivasan,OmourtagA.Velev,ArvindParthasarathy.Highenergyefficiencyandhighpowerdensityprotonexchangemembranefuelcellselectrodekineticsandmasstransport[J].JournalofPowerSources,36(3):299-320.[25]LoDH,SrourJR.Modelingofproton-inducedCCDdegradationintheChandraX-rayObservatory[J].IEEETransactionsonNuclearence,2003,50(6):p.2021-2023.[26]馬冰心.質子交換膜燃料電池建模與供氣系統(tǒng)控制方式方法的研究[D].東北大學,2021.[27]J.H.Lee,T.R.Lalk.Modelingfuelcellstacksystems[J].JournalofPowerSources,73(2):229-241.[28]Jee-HoonJung,ShehabAhmed,PrasadEnjeti.PEMFuelCellStackModelDevelopmentforReal-TimeSimulationApplications[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2018,58(9):4217-4231.[29]沈春暉,余昊.車用質子交換膜燃料電池發(fā)動機關鍵技術研究進展[J].武漢理工大學93學報,290(02):34-39.[30]沈燁燁,陳雪蘭,謝磊,等.基于LPV模型的燃料電池空氣進氣系統(tǒng)控制[J].化工學報,2020(12):260-266.[31]楊朵,潘瑞,汪玉潔,燃料電池系統(tǒng)氣體調壓控制[C]//第19屆中國系統(tǒng)仿真技術及其應用學術年會.2021.[32]洪凌.車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路控制[D].浙江大學2021.[33]林歆悠,李雪凡,林海波.考慮燃料電池衰退的FCHEV反應優(yōu)化控制策略[J].中國公路學報,32(05):157-165.[34]陳婕.燃料電池汽車氫氣加注控制策略分析[J].時代汽車,297(6):67-68.[35]王凡.燃料電池進氣系統(tǒng)控制[D].浙江大學2021.[36]SchultzeM,KirstenM,HelmkerS,etal.Modelingandsimulationofacoupleddouble-loop-coolingsystemforPEM-fuelcellstackcooling[C]//Control(CONTROL),2020UKACCInternationalConferenceon.IEEE,2020.[37]Pukrushpan,J.T,Stefanopoulou,A.G,HueiPeng.Controloffuelcellbreathing[J].controlsystemsieee,2004,24(2):30-46.[38]衛(wèi)東,曹廣益,朱新堅.基于神經網絡辨識的質子交換膜燃料電池建模[J].系統(tǒng)仿真學報,2003(06):817-819.[39]Azmy,AhmedM;Erlich,lstvan.OnlineoptimalmanagementofPEMfuelcellsusingneuralnetworks[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2005,20(21):1051-1058.[40]全睿,黃亮,謝長君,全書海.基于模糊神經網絡的燃料電池發(fā)動機故障診斷[J].華中科技大學學報(自然科學版),37(S1):114-117.[41]GruberJK,DollM,BordonsC.DesignandexperimentalvalidationofaconstrainedMPCfortheairfeedofafuelcell[J].ControlEngineeringPractice,2018,17(8):874-885.[42]KlaucoM,KaluzM,KvasnicaM.Real-timeimplementationofanexplicitMPC-basedreferencegovernorforcontrolofamagneticlevitationsystem[J].ControlEngineeringPractice,2021,60(Mar.):99-105.[43]MahapatroSR,SubudhiB,GhoshS.Designandreal-ti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