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原文传递多工况燃料电池发动机建模及控制策略研究

论文题名：	多工况燃料电池发动机建模及控制策略研究
关键词：	新能源汽车;燃料电池发动机;动态模型;电堆内电容效应;碳腐蚀;控制策略
摘要：	汽车等交通工具的普及加剧了温室效应的形成，发展氢能等新能源汽车是实现碳中和的重要途径，质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有能量转换效率高和产物无污染等优点，在氢能源汽车领域有着广阔的应用前景，世界各国都在积极推动燃料电池发动机的产业化进程。然而，当前燃料电池发动机的寿命问题制约了其大规模推广，其中燃料电池发动机的多工况控制策略是影响其寿命的关键因素。为了延长其使用寿命，本文将通过开展包含启停和运行的多工况动态实验，分析影响系统寿命的关键参数，并建立两种工况下的动态模型，研究电堆内电容效应与碳腐蚀的耦合机制，提出快速稳定的温度和过氧比控制策略。本文的主要研究内容和成果如下：　　(1) 搭建燃料电池发动机实验平台，研究影响燃料电池寿命的主要参数，并分析优化方案，为发动机模型的建立和验证提供实验支撑。其中影响系统寿命的四个关键参数分别为无功率启停过程中的燃料电池衰减速率、有功率运行工况下的发动机动态模型预测精度、大滞后系统的温度动态响应速度和参数不确定条件下的过氧比控制精度。　　(2) 提出一种结合氢气流阻网络模型和等效电路模型的组合动态建模方法，评估启动过程中多电池电堆内部的衰减速率分布。实验结果显示，组合模型能反映真实的物理现象，解释堆内反应气体分配与电流电压分布的耦合机制，表征电容效应与电压动态变化的内在关联。基于模拟结果从辅助负载和气体吹扫顺序两个方面提出启停机策略，减小由氢空界面和电容效应造成的局部高电位，停机平均单节电压降至0.4 V的时间缩短约500 s。　　(3) 以混合建模为切入点，搭建包含燃料电池堆、气体供应系统和热管理系统的燃料电池发动机高精度动态模型。针对其中的燃料电池堆，在有限实测数据的条件下，建立三个包含不同参数的燃料电池输出特性模型，并基于和声搜索算法和四种改进粒子群算法对该模型参数寻优，提出一种分工况学习建模方法，建立运行参数与模型参数之间的映射关系，使模型的泛化误差降低58.3%。仿真与实验结果表明，该发动机动态模型能够准确地描述系统动态特性并可应用于控制策略研究。　　(4) 针对大滞后系统的温度动态响应慢问题，提出包含两级执行器的控制策略。设计面向散热功率调节的模糊 PID 控制器，应用差分进化算法搜索最小化跟踪误差的比例因子，以提高温度控制系统稳定性；设计面向冷却液流量调节的 ADRC策略，确定控制器关键参数，利用算法的扰动估计与补偿能力，提高负载扰动下的温度响应速度；引入前向通道和反馈通道跟踪微分器，减小温度测量噪声影响。研究结果表明，所提控制策略将温度调节时间缩短23.8 s以上。　　(5) 充分考虑系统参数时变性和负载扰动等实际问题，提出基于 MRAC 的过氧比控制策略，设计并比较基于PI和LQR算法的参考模型，分析自适应增益对控制性能的影响。提出包含比例微分环节的MRAC控制策略，其中比例环节弥补传统MRAC在动态响应速度方面的不足，微分作用有效地抑制负载扰动和压力超调。研究结果表明，所提策略具有更好的鲁棒性，在不同参数下均能使空压机运行轨迹远离喘振边界，空压机磨损相较于传统MRAC下降37.7%。
作者：	吴迪
专业：	控制科学与工程
导师：	汤浩
授予学位：	博士
授予学位单位：	电子科技大学
学位年度：	2023