燃料電池后備電源故障診斷和控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池因其清潔高效的優(yōu)勢，在后備電源領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。本文中的燃料電池后備電源安全高效，該系統(tǒng)采用兩個2.5kW的空冷燃料電池電堆進(jìn)行并聯(lián)，其中每一個燃料電池電堆都配備了獨立的DC/DC和控制器。本文從以下四個方面對燃料電池后備電源進(jìn)行了研究。
　　首先，根據(jù)燃料電池的原理和特性，建立其相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。該模型主要包括陽極和陰極氣體擴(kuò)散模型、反應(yīng)物消耗模型、輸出電壓模型、燃料電池溫度模型、陽極氣體壓力降模型。然后

2、在MATLAB中建立這些模型并聯(lián)合到一起。在自主研發(fā)的測試平臺上對2.5kW的空冷電堆進(jìn)行了實驗，用實驗數(shù)據(jù)對燃料電池系統(tǒng)模型的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該模型可以很好地對燃料電池電堆的狀態(tài)進(jìn)行模擬。
　　其次，本文將燃料電池系統(tǒng)的故障分為四種類型：燃料電池陽極水淹故障、氫氣滲透率過高，冷卻子系統(tǒng)故障和氫氣供給子系統(tǒng)故障。通過模型及實驗的分析，對這四種故障的機(jī)理及故障癥狀進(jìn)行了研究。提出了集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法，并對

3、其中的子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和融合決策網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究和仿真。測試結(jié)果表明，與之前的PEMFC系統(tǒng)故障診斷方法相比，本文提出的方法具有更高的確診率和泛化能力。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，該方法只需改變局部的結(jié)構(gòu)就可以適應(yīng)新的系統(tǒng)。
　　第三，針對燃料電池氫氣流量和電堆溫度的控制，提出了兩種具備自適應(yīng)能力的控制方案：模糊PID自適應(yīng)控制和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制。對這兩種控制方案進(jìn)行了深入的理論研究并做出了一定的改進(jìn)。使用以上兩種控制方案加

4、上傳統(tǒng)的PID控制方案，對氫氣流量和電堆溫度分別進(jìn)行控制。在此基礎(chǔ)上對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最后得出結(jié)論：氫氣流量控制中模糊PID自適應(yīng)控制方法效果最優(yōu)，電堆溫度控制中基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制效果最優(yōu)。
　　最后，本文研究了燃料電池后備電源在各種操作狀態(tài)下系統(tǒng)狀態(tài)的變化，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化的系統(tǒng)邏輯控制方案，提高了系統(tǒng)的整體性能。結(jié)合系統(tǒng)控制和故障診斷的研究，使用Siemens S7-1200開發(fā)了燃料電池后備電源控制模塊，