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质子交换膜燃料电池热管理的动态建模、控制仿真及故障诊断策略研究

作　者: 朱柳
导　师: 朱新坚
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力机械与工程
关键词: PEMFC热管理动态建模鲁棒控制器 BP神经网络故障诊断
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池系统主要由以下几个部分组成:PEMFC反应堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统和控制系统等。热管理系统作为决定电堆性能好坏和效率高低的关键之一,主要作用是将电堆内多余的热量散出,从而使整个系统处于热平衡状态。论文以此为背景,对PEMFC热管理的模型、控制策略及故障诊断进行了研究,主要内容如下:1、PEMFC中的水平衡、热传递与反应气体的分布和消耗互相影响。通过分析电堆的内部机理,结合相应的经验公式,根据连续方程和质量守恒定律,从阴极气水两相的传输、阳极气水两相的传输和质子交换膜中水的分布三方面建立了PEMFC电堆多组分两相流传输的动态模型;同时以整个系统的热平衡为研究对象,根据电堆热量的产生和传递机理建立了PEMFC电堆温度和冷却水温度的动态模型,这种建模方法不仅避免了研究各单电池内部和各单电池之间非常复杂的热传输过程,使模型得到大大简化,而且比较适合于电堆温度的实时控制;2、在前述多组分两相流传输的动态模型、电堆温度和冷却水温度动态模型的基础上,本文采用李雅普诺夫(Lyapunov)反向递推法设计了一种非线性鲁棒控制器,使系统温度能在一定摄动范围内保持稳定,并在Matlab/Simulink平台上验证了该模型及控制策略的有效性。3、针对PEMFC热管理系统具有非线性、非平稳性和不确定性等特点,通过分析研究该系统的结构及常见故障特点,本文提出了一种基于BP神经网络的故障诊断方法,并探讨了各种改进型BP学习算法的优劣及适用情况。在设定训练误差为0.01的要求下,由测试结果可知,基于BP神经网络的PEMFC热管理系统故障诊断策略具有良好的诊断能力。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）  10-13
    1.2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理及关键部件  10-11
    1.2.2 质子交换膜燃料电池的应用及发展方向  11-12
    1.2.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统  12-13
  1.3 PEMFC 建模、控制及故障诊断的研发现状及发展  13-19
    1.3.1 PEMFC 模型的研究现状及发展  13-15
    1.3.2 PEMFC 控制方法的研究现状及发展  15-17
    1.3.3 PEMFC 故障诊断策略的研究现状及发展  17-19
  1.4 本文的主要研究内容及提纲策略  19-21
    1.4.1 主要研究内容  19-20
    1.4.2 本文的研究提纲与策略  20-21
第二章质子交换膜燃料电池的动态建模  21-34
  2.1 引言  21-22
  2.2 PEMFC 气、水两相流平衡的动态建模  22-29
    2.2.1 PEMFC 内气液两相传输的动态分析  22-23
    2.2.2 质子交换膜中水平衡的动态模型  23-25
    2.2.3 阴极侧气、水平衡的动态模型  25-27
    2.2.4 阳极侧气、水平衡的动态模型  27-29
  2.3 PEMFC 电堆的电压模型  29-31
  2.4 质子交换膜燃料电池热传输的动态建模  31-33
    2.4.1 PEMFC 热传输模型概述  31-32
    2.4.2 电堆温度和冷却水温度的动态模型  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章 PEMFC 电堆热管理的控制策略及仿真研究  34-46
  3.1 引言  34
  3.2 保持PEMFC 电堆内部热平衡的必要性  34-35
  3.3 PEMFC 热管理系统的功能及设计要求  35
  3.4 质子交换膜燃料电池热管理的控制策略  35-42
    3.4.1 PEMFC 热传输模型的简化与整理  36-38
    3.4.2 基于Lyapunov 函数的非线性鲁棒控制器设计  38-39
    3.4.3 控制算法的改进——鲁棒自适应控制器的设计  39-42
  3.5 电堆温度控制算法的仿真与结果  42-45
  3.6 结论  45-46
第四章基于神经网络的PEMFC 热管理系统的故障诊断策略研究  46-58
  4.1 引言  46
  4.2 神经网络故障诊断的基本原理  46-47
  4.3 基于BP 神经网络的PEMFC 热管理系统的故障诊断策略  47-52
    4.3.1 PEMFC 热管理系统的故障分析  48
    4.3.2 PEMFC 热管理系统故障诊断的模型及算法  48-51
    4.3.3 BP 学习算法的改进与对比  51-52
  4.4 PEMFC 热管理系统故障诊断策略的测试及结果  52-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章总结和展望  58-60
  5.1 全文总结与创新点  58-59
  5.2 展望  59-60
参考文献  60-65
致谢  65-66
学术论文和科研成果  66-68

质子交换膜燃料电池热管理的动态建模、控制仿真及故障诊断策略研究

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