质子交换膜燃料电池建模与控制研究

发布时间：2017-06-17 02:01

  本文关键词：质子交换膜燃料电池建模与控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有发电效率高、操作方便、清洁无污染等特点,被尝试应用于混合动力汽车、混合能源系统、智能微电网和可移动存储设备中,应用前景广泛,研究意义很大。本文首先简要介绍了燃料电池的基本原理和分类,对燃料电池的优缺点进行总结,并在此基础上分析了PEMFC的基本组成和工作原理,综述了其在建模和控制方面的研究现状。其次基于PEMFC电化学反应中涉及的电化学机理、质量守恒定律和能量守恒定律等,建立了其电化学稳态模型、双电层电容动态模型和热模型,并在MATLAB/SIMULINK软件中进行仿真研究,主要包含随负载电流变化系统输出电压、功率和效率的响应;内部环境温度、阴极阳极压力和膜的含水量等因素对其输出电压的影响;负载电流的变化对系统内部温度的影响。然后考虑到PEMFC建模中涉及的模型参数的不确定性,分别利用权重线性下降的粒子群算法、差分进化算法、遗传算法对PEMFC建模中涉及九个不确定的参数进行优化,结果表明:权重线性下降的粒子群算法优化效果最好,同时也验证了所建立稳态模型和动态模型的准确性。最后针对PEMFC在实际应用中经常出现输出电压不稳定的问题,基于PEMFC的动态模型设计自适应模糊PID控制器控制输出电压,通过改变入口氢气的流量来间接改变氢气的压力,最终实现输出电压的稳定,仿真结果表明:PEMFC的自适应模糊PID控制系统超调量小、响应速度快。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 建模 智能优化算法 自适应模糊PID控制
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 燃料电池技术11-15
• 1.2.1 燃料电池基本原理和分类11-12
• 1.2.2 燃料电池的优点及其存在的问题12-14
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池原理和组成14-15
• 1.3 质子交换膜燃料电池的建模研究现状15-20
• 1.4 质子交换膜燃料电池的控制研究现状20-22
• 1.5 本文的研究内容22-24
• 2 PEMFC建模24-40
• 2.1 引言24-25
• 2.2 PEMFC电化学稳态模型25-28
• 2.2.1 热力学电动势25
• 2.2.2 活化极化过电压25-26
• 2.2.3 欧姆极化过电压26-27
• 2.2.4 浓差极化过电压27-28
• 2.2.5 输出电压28
• 2.3 PEMFC模型参数优化28-37
• 2.3.1 粒子群优化算法29-31
• 2.3.2 差分进化优化算法和遗传优化算法31-32
• 2.3.3 优化算法在PEMFC电化学稳态模型中的实现32-37
• 2.4 PEMFC双电层电容动态模型37-38
• 2.5 热模型38-39
• 2.6 本章小结39-40
• 3 PEMFC输出电压影响因素分析及其模型仿真40-51
• 3.1 引言40
• 3.2 PEMFC输出电压影响因素分析40-41
• 3.3 PEMFC模型仿真与验证41-50
• 3.3.1 PEMFC稳态模型仿真结果分析41-47
• 3.3.2 PEMFC动态模型仿真结果分析47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 PEMFC输出电压控制策略研究51-66
• 4.1 引言51-52
• 4.2 模糊控制基本理论52-54
• 4.2.1 模糊控制的基本思想52-53
• 4.2.2 模糊控制的基本原理53-54
• 4.3 PEMFC的自适应模糊PID控制器设计与仿真分析54-65
• 4.3.1 PMEFC自适应模糊PID控制器的控制方案54-55
• 4.3.2 PMEFC自适应模糊PID控制器的设计55-60
• 4.3.3 PMEFC自适应模糊PID控制系统仿真与分析60-65
• 4.4 本章小结65-66
• 5 总结与展望66-68
• 5.1 总结66
• 5.2 展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果73

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本文编号：457009