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

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。