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燃料电池系统建模与优化控制燃料电池系统建模与优化控制张立炎全书海著PublishingPublishing HouseHouse ofof ElectronicsElectronics IndustryIndustry北京BEIJING内 容 简 介本书紧密结合当前质子交换膜燃料电池的研究热点，对质子交换膜燃料电池系统建模与优化控制的研究进行了较为详尽的分析和总结。全书共分为六章，主要内容包括绪论、质子交换膜燃料电池系统建模、质子交换膜燃料电池模拟仿真、质子交换膜燃料电池空气供应系统控制、质子交换膜燃料电池水管理、质子交换膜燃料电池系统控制。本书可供从事电气、自动化、能源、环保、船舶、汽车领域的科技工作者和工程技术人员使用，也可供高等院校有关专业师生参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据燃料电池系统建模与优化控制/张立炎，全书海著.北京：电子工业出版社，2011.11ISBN 978-7-121-14637-4.燃.张 全.燃料电池系统建模 燃料电池系统最优化.TM911.4中国版本图书馆 CIP 数据核字（2011）第 190600 号责任编辑：董亚峰特约编辑：王纲印刷：装订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路 173 信箱邮编 100036开本：8501 1681/32印张：7.875字数：252 千字印次：2011 年 11 月第 1 次印刷定价：36.00 元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。前前言言质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有低噪声、清洁环保、电流密度和比功率高、发电效率高等优点，它不仅可用于航天、军事等特殊领域，而且随着制造成本的降低和电堆系统性能的优化，在电动汽车、混合动力机车、燃料电池电站等方面都具有很大的市场潜力。质子交换膜燃料电池系统安全高效、长时间地运行，需要对其操作条件（空气流量和压力、温度、湿度等）进行有效的控制，而且相关变量之间的耦合性很强，因此质子交换膜燃料电池系统控制是一个多输入/多输出、强耦合的复杂系统控制问题。燃料电池系统优化控制要提高燃料电池系统工作效率，即对各控制量进行优化控制，提高燃料电池系统的净输出功率（燃料电池堆发出的电力减去各辅助系统消耗的电力）；燃料电池系统是一个电源系统，动态响应要求高，而燃料电池堆及其辅助系统自身存在着时滞特性，需要深入研究燃料电池系统控制策略，提高燃料电池系统的动态响应能力；目前，燃料电池在实验室稳态运行条件下的使用寿命远远大于室外动态工况下的使用寿命，因此也需要合适的控制策略提高室外动态工况下燃料电池的使用寿命。本书紧密结合当前质子交换膜燃料电池的研究热点，对质子交换膜燃料电池系统建模与优化控制的研究现状进行了较为详尽的分析和总结。全书共分为 6 章，第 1 章为绪论，介绍了质子交换膜燃料电池的基本原理，以及在汽车、舰船、固定电站、备用电源、移动电源等方面的应用。第 2 章总结了质子交换膜燃料电池系统建模国内外研究现状；建立了质子交换膜燃料电池机理模型，包括电压模型、阴极流道模型、阳极流道模型、质子交换膜水模型、温度模型及辅助设备模型；并建立了基于 Elman 神经网络的燃料电池模型。第 3章介绍了质子交换膜燃料电池系统模拟仿真，仿真软件包括输入界面、Simulink 模型和输出界面三部分，可以方便地对燃料电池系统进行仿真；利用该仿真软件，对影响燃料电池系统动态性能的各种因素进行了动态分析和仿真。第 4 章介绍了质子交换膜燃料电池空气供应系统控制，采用 Elman 神经网络预测空气参数随燃料电池堆输出功率和电池堆工作温度等参数变化的趋势，进行空气流量控制和空气压力控制研究，提出自适应神经网络控制方法对燃料电池空气供应系统进行控制。第 5 章主要介绍了质子交换膜燃料电池系统水管理，进行了基于回归神经网络优化的模型预测控制研究，并研究了基于湿度软测量的 PEMFC 水管理。第 6 章在第 4 章和第 5 章的基础上，介绍了质子交换膜燃料电池系统控制，包括质子交换膜燃料电池系统预测控制器设计和基于神经网络优化的 PEMFC多模型切换控制。全书较系统地介绍了质子交换膜燃料电池系统建模与优化控制的最新成果和发展方向，总结了作者的研究成果。本书第 13 章由张立炎撰写，第 46 章由全书海、张立炎、黄亮、卫国爱共同撰写，全书由张立炎统稿。本书是作者及其课题组多年研究的成果，作者在研究过程中得到了武汉理工大学潘牧教授的热情指导，课题组研究生张天贺、蒋卫、杜文朝等也先后参与了相关研究工作，在此一并表示感谢。由于作者水平有限，书中难免存在一些错误和不足之处，恳请广大同行、读者批评指正。作者2011 年 5 月目录第 1 章绪论11.1概述11.2燃料电池工作原理21.3质子交换膜燃料电池应用41.3.1燃料电池汽车41.3.2燃料电池舰船101.3.3燃料电池固定电站131.3.4燃料电池通信备用电源151.3.5移动电源161.4燃料电池系统建模与优化控制研究17第 2 章质子交换膜燃料电池系统建模202.1燃料电池系统结构202.2燃料电池系统建模研究现状212.2.1稳态模型和动态模型212.2.2燃料电池子系统建模222.2.3燃料电池系统模型272.2.4几种商业化软件与模型292.3质子交换膜燃料电池机理模型312.3.1燃料电池电压模型312.3.2阴极流道模型342.3.3阳极流道模型362.3.4燃料电池质子交换膜水模型372.3.5燃料电池温度模型48II2.3.6辅助设备模型502.3.7小结552.4燃料电池系统神经网络建模562.4.1非线性动态系统神经网络辨识572.4.2Elman 神经网络算法分析652.4.3基于 Elman 神经网络的燃料电池系统辨识712.4.4模拟仿真及结果分析802.4.5小结81第 3 章质子交换膜燃料电池系统模拟仿真823.1概述823.2燃料电池系统模拟仿真软件开发833.2.1输入界面833.2.2Simulink 模型843.2.3输出界面853.3燃料电池动态分析及仿真结果853.4小结101第 4 章质子交换膜燃料电池空气供应系统控制1024.1空气供应系统模型1024.2PEMFC空气供应系统控制国内外研究现状1034.3PID 控制1094.3.1PID 控制算法1094.3.2控制方法实现1104.3.3PID 控制仿真结果及分析1114.4PEMFC 空气参数解耦设计1124.4.1多变量过程控制系统解耦理论1134.4.2PEMFC 空气参数解耦设计1144.5空气流量控制策略研究1204.5.1控制系统结构1214.5.2空气流量 Fuzzy-PID 复合控制122III4.5.3空气流量神经 PID 控制1304.5.4空气流量不同控制策略比较与分析1334.6空气压力控制策略研究1334.6.1控制系统结构1344.6.2基于参数辨识模型的神经 PID 控制1364.6.3基于神经网络辨识模型的神经 PID 控制1464.6.4空气压力不同模型控制策略比较与分析1504.6.5小结1504.7基于自适应神经网络的空气供应系统控制1524.7.1状态空间模型1524.7.2神经网络模型1534.7.3自适应神经网络控制器1544.7.4仿真结果156第 5 章质子交换膜燃料电池系统水管理1595.1概述1595.2基于回归神经网络优化的模型预测控制1605.2.1模型预测控制的表示1635.2.2基于回归神经网络优化的模型预测控制的体系结构1685.2.3收敛性分析1705.2.4仿真结果1735.3基于湿度软测量的 PEMFC 水管理1775.3.1燃料电池电堆的湿度控制模型1795.3.2控制系统的网络结构1805.3.3控制系统的模糊逻辑设计1825.3.4控制系统的学习算法1845.3.5仿真结果186第 6 章质子交换膜燃料电池系统控制1906.1概述1906.2国内外研究现状191IV6.2.1传统方法1916.2.2预测控制1916.2.3模糊控制1926.2.4神经网络控制1926.2.5自适应控制1936.2.6鲁棒控制1946.3质子交换膜燃料电池系统预测控制器设计1956.3.1燃料电池发动机预测模型1966.3.2基于神经网络自适应 PID 的预测控制1976.3.3基于模糊推理的反馈校正技术2016.3.4燃料电池发动机预测控制仿真与分析2046.4基于神经网络优化的 PEMFC 多模型 切换控制2076.4.1切换系统的优化控制2096.4.2混合神经网络优化2116.4.3仿真结果2146.4.4小结221参考文献222符号及下标说明240第第 1 1 章章绪绪论论1.1概述能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，也是直接影响经济发展的一个重要因素。人类社会对能源的需求越来越大，但人类赖以生存的三大化石能源（煤、石油、天然气）正在减少。世界能源组织调查显示，以现有的能源资源储量，石油不出几十年就会消耗殆尽，煤也只能供人类用 200 年左右。另外，随着人类物质文明的进步，人类对自身生活环境质量的要求也越来越高，而传统能源的消耗造成了严重的环境污染，如煤和石油的燃烧排放出大量的二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物，它们是导致温室效应、酸雨、臭氧层面积减小和光化学烟雾形成的主要原因。传统能源结构及其利用方式越来越难以适应人类生存发展的需要。新的能源利用技术将不断地被开发并利用起来，燃料电池就是一种潜力巨大的新能源。燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实际上它不能“储电”，而是一个“发电厂”。燃料电池被誉为继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入以工业规模发电的行列。燃料电池具有能量转换效率高、低温快速起动、低热辐射和低排放、运行噪声低、适应不同功率要求等优点，具有非常好的前景。2燃料电池系统建模与优化控制1.2燃料电池工作原理燃料电池根据电解质的性质不同，可分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid FuelCell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）和质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）。PEMFC 的电解质是一种固态高分子聚合物，所以它又被称为高分子电解燃料电池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC），即用固体高分子膜做电解质，将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的新型发电装置。图 1.1 为 PEMFC 工作原理示意图。图 1.1PEMFC 工作原理示意图PEMFC 的基本结构主要由阳极、阴极、电解质和外电路组成，其电解质将电池分隔成阴极与阳极两部分。在阳极中，氢气在催化剂的作用下，降低活化能，离解成氢离子与电子：2H2H2e氢离子通过质子交换膜往阴极移动，而电子则经由外电路对外负载做功后移往阴极。阴极的反应则是氧分子、电子及氢离子第 1 章绪论3在催化剂的作用下发生还原反应，生成水：221O2H2eH O2PEMFC 反应除了产生水与电子之外，还会产生热，为了保持燃料电池在低温（,mmmmmmmmmmmm（2.13）阴极的压力为氧气分压、氮气分压和水蒸气分压之和，即：22caONv,caPPPP（2.14）根据气体混合物的热力学特性36，有:222OOstOcamR TPV（2.15）222NNstNcamR TPV（2.