PEMFC空气供给系统建模与预测控制设计.pdf
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1、5现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 7 期2024 年 4 月Vol.3 No.7Apr.2024PEMFC 空气供给系统建模与预测控制设计雷健华,王廷宏深圳市德兰明海新能源股份有限公司,广东深圳 516083摘 要:介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理。在 MATLAB 中建立了压缩机和燃料电池空气端模型,并对模型进行了验证。在线性化模型的基础上对燃料电池空气供给系统采取预测控制,进行了算法设计,并进行了仿真。仿真结果表明:对空气供给系统实施预测控制并选取合适控制参数后,系统响应迅速,可以得到较好的动态响应效果。关键词:
2、燃料电池;模型;预测控制中图分类号:U463.6 文献标识码:AModeling and Predictive Control of PEMFC Air SystemLei Jianhua,Wang Tinghong Shenzhen Poweroak Newener Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 516083Abstract:This article introduced the working principle of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC).A compressor and fuel cell air
3、end model were established in MATLAB and validated.Based on the online model,predictive control was adopted for the fuel cell air supply system,and algorithm design and simulation were carried out.The simulation results show that after implementing predictive control on the air supply system and sel
4、ecting appropriate control parameters,the system responds quickly and can achieve good dynamic response effects.Keywords:fuel cell;model;predictive control作者简介:雷健华(1985),男,博士,深圳市德兰明海新能源股份有限公司高级工程师,研究方向为新能源发电及储能技术。内燃机已经在车辆中使用了100多年,它技术成熟且使用方便,但同时也带来严重的环境问题。加之日益严峻的能源问题,燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车、改进的内燃机等领域得到了
5、越来越多的关注。由于高效率、零排放、噪声低等优点,燃料电池被认为是最有希望取代传统内燃机的发动机。于是,很多国家(包括中国在内)及相关组织都积极倡导并斥以巨资大力支持企业、高校及科研院所开展的燃料电池相关方面的技术研究及产品应用,且陆续取得了很多突破性进展。按照燃料电池电解质和工作原理不同,燃料电池的种类主要可以分为质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、碱性燃料电池(
6、Alkaline Fuel Cell,AFC)、固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。与其他类型燃料电池相比,PEMFC具有显著的优点,较低的运行温度以及灵活的结构使其可以被广泛地应用于从移动的汽车到一般电源等诸多领域。空气供给系统是PEMFC中非常重要的组成部分,空气流量过高或者过低都会严重影响系统功能、性能,甚至还会影响电堆寿命。如果空气流量过低,则电堆的输出电压和功率将无法满足实际需求,但是如果空气过量系数太高,又会带来不必要的压缩机功率消耗,进而降低系统的净输出功率,因此必须重视电堆空气端的控制。目前,PEMFC空气端的控制仍以PID(Propor
7、tional Integral Derivative,比例、积分、微分)控制为主。PID虽然容易实现,但对非线性、纯滞后的系统控制效果有限。现代控制理论可以较好地适用于非线性、纯滞后等复杂系统,但又过分依赖过程模型,算法复杂、计算量大。预测控制是20世纪70年代提出的一种计算机控制算法,它对数学模型要求不高,能直接处理非线性、纯滞后过程,具有良好的跟踪性能和较强的抗干扰能力,对模型误差具有较强的鲁棒性,已在工业过程控制中得到了成功应用1。文献 2将预测控制应用于PEMFC的水管理并在SIMULINK中进行了仿真,文献 3首先提出了燃料电池输出功率的一阶滞后数学模型,而后给出一种预测控制算法并讨
8、论了控制器参数的设计,仿真结果均表明预测62024 年 4 月第 3 卷第 7 期现 代 工 程 科 技6控制对燃料电池控制具有较好的效果。1 燃料电池系统介绍PEMFC气体供应系统主要由阳极供应管腔、阳极回流管腔、阴极供应管腔和阴极回流管腔组成。空气经压缩机增压后进入阴极,氢瓶中的氢气(压缩气体)下进入阳极,氢气分子在催化剂层被分解成质子和电子,质子穿过交换膜到达阴极与氧气分子作用生成水,同时产生电能,阴极未完全反应的空气通过阴极回流管腔排入大气。2 燃料电池空气端模型PEMFC系统空气端压缩机的速度模型为:(1)式(1)中:和Cp为空气比热系数和比热容,cp和cp为压缩机转速和效率,cm为
9、电机效率,Wcp和Jcp为压缩机流量和转动惯量,vcm为电机控制电压,psm是供应管腔压力,patm和Tatm分别为大气压力和温度,kt、Rcm、kv为电机常数。压缩机流量是在压缩机Map图中,通过压比和压缩机转速来确定的。但是以表格形式提供的流量Map图不适合动态系统仿真,所以这里使用一种非线性曲线拟合的方法来建立压缩机流量模型4。选定一台压缩机,用非线性曲线拟合的方法来模拟压缩机特性,根据压缩机压比和转速来模拟其流量特性:(2)()()+=1exp1max012201223344bMbMbaMaMaMaMa(3)0122334455maxcMcMcMcMcMc+=(4)(5)atmacTR
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