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项目案例
PEMFC功率管理
PEMFC功率管理
产品说明:

通常将反应气体供应、气体的调节(如增湿控制)以及电堆的热管理视为PEMFC子系统控制的主要内容。目前已有相当数量的文献报道过这些控制内容,如Pukrushpan 针对PEMFC系统中阴极反应气体供应控制内容设计出基于状态反馈的线性最优控制器以调节过量空气系数。He针对PEMFC系统中阳极反应气体供应控制内容设计出于状态反馈的线性最优控制器以调节氢气的压力和计量。Zhang针对PEMFC系统提出应用MPC(模型预测控制)算法服务于气体湿度的调节(或水管理)。Meyer则针对PEMFC系统中电堆的热管理设计复杂的冷却液网路以达到控制电堆温度的目的。Kunde则针对PEMFC系统的水热管理提出通过控制风机同时达到电堆温度和湿度调节的目的。以上所提及的控制内容并没有直接涉及到PEMFC的功率管理,但这些控制的最终目标是为了让PEMFC系统对外输出电功率,同时在系统的效率或其它指标上进行综合考虑。因此,上述的控制可以被称为间接式PEMFC功率管理。

直接式PEMFC功率管理是指将外部需求功率视为参考值(或设定值),将PEMFC系统实际功率输出为被控量,而影响被控量的变量称为操控变量。因此,操控变量选择及其控制是直接式PEMFC功率管理的关键。Woo指出操控变量可以为电池电压或电流、进入电堆的反应气体流量、温度等。目前,有关直接式PEMFC功率管理主要存在两种方式:基于模型的功率管理和非模型功率管理。

基于模型的功率管理依赖于模型的准确性。Golbert首先建立了PEMFC电堆的动态模型和一个优化指标函数,操控变量值是通过对该指标函数进行优化得到,使得PEMFC的实际功率输出尽可能快地满足外部需求功率,同时在较大的操作范围内使得PEMFC的效率较高。对于控制系统的稳定性没有讨论。而Mangold应用无源(passivity)非线性控制理论保证了在整个操作范围内PEMFC功率控制系统的稳定性。KolavennuPukrushpan 等建立的PEMFC系统模型为基础,为功率控制设计了模型参考自适应控制器。其结果表明,所设计的控制器性能要优于传统的PID控制器。Caux建立了较为全面的PEMFC系统模型,其中包含了DC/DC设备模型。其操控变量选为空气侧的流量、压力以及DC/DC中的开关管PWM驱动信号。

非模型功率管理的特点就是操控变量的计算不是依赖于被控对象的模型。在实际的化工过程控制领域,非模型的控制器,如PID控制器,已得到非常成功地应用。但在控制器参数确定方面存在一定的挑战。在PEMFC功率管理中,非模型方法以其结构简单、易于实现等优点受到广泛关注。Lauzze使用了简单的PEMFC电堆模型,并讨论了功率控制中四个控制环:功率控制、温度控制、温度/湿度控制以及氧分的控制。为满足外部需求功率,多环PI控制结构的控制系统被采用。仿真结果表明,将四个控制环综合起来可以达到较大的功率输出范围,同时也可避免电池内部水淹、温度过高以及缺氧等现象。Zenith分别针对PEMFC电堆内氢气压力、氧分压以及电堆温度设计了独立的PI控制器。通过调节反应气体的压力和电堆温度达到对电堆输出功率的控制。Arsie针对PEMFC系统功率管理提出三层控制结构,以达到在PEMFC系统、蓄电池以及驱动电机之间达到能量优化的目的。中间层控制器的任务是根据顶层的信息为底层控制器提供设定值。底层控制器则采用前馈+PID反馈算法。通过在底层调节空压机转速和背压阀开度实现顶层能量的优化。由于采用非模型方式对于工程实现具有借鉴价值,故本文所提出的PEMFC功率管理采用了基于非模型的方式,在控制结构上采用两层的主从控制结构。


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