Air flow control based on optimal oxygen excess ratio in fuel cells for vehicles

Air flow control is one of the most important control methods for maintaining the stability and reliability of a fuel cell system, which can avoid oxygen starvation or oxygen saturation. The oxygen excess ratio （OER） is often used to indicate the air flow condition. Based on a fuel cell system model for vehicles, OER performance was analyzed for different stack currents and temperatures in this paper, and the results show that the optimal OER was affected weakly by the stack temperature. In order to ensure the system working in optimal OER, a control scheme that includes an optimal OER regulator and a fuzzy control was proposed. According to the stack current, a reference value of air flow rate was obtained with the optimal OER regulator and then the air compressor motor voltage was controlled with the fuzzy controller to adjust the air flow rate provided by the air compressor. Simulation results show that the control method has good dynamic and static characteristics.

燃料电池系统建模与供气系统控制方法

为了研究燃料电池系统的特性以及空气系统对燃料电池特性的影响,利用Simulink仿真软件对燃料电池系统进行建模,模型包括电压模型、空压机模型、阴极模型、阳极模型.分别通过前馈比例-积分-微分(proportional-integral-differential, PID)和模糊PID对燃料电池空气系统进行控制.结果表明:在负载电流变化时,前馈PID和模糊PID都能够使过氧比达到设定的常数值2.0附近,但模糊PID比前馈PID响应更快,且模糊PID控制下的燃料电池输出功率波动较小,燃料电池系统更加稳定.

质子交换膜燃料电池理想过氧比跟踪控制策略分析

为保证质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)在不同负载电流下处于最大净功率状态,基于PEMFC动态方程,采用MATLAB-Simulink软件搭建PEMFC数值仿真模型,进行模型有效性验证,并结合最小二乘法建立最大净功率下不同负载电流与理想过氧比的关系;采用阶跃信号、正弦信号2种形式的负载电流进行验证。仿真结果表明:PEMFC压缩机流量与过氧比关系密切,压缩机流量稳定,过氧比稳定;不同负载电流下,最大净功率不同,理想过氧比也不同,负载电流增大,理想过氧比减小;采用理想过氧比跟踪控制策略,可实现不同负载电流下的理想过氧比控制,使PEMFC处于最大净功率状态。

燃气锅炉精益化控制燃烧参数研究

燃气锅炉的燃烧过程中,过量空气系数α过高或过低都会对设备及效率造成一定的影响,如何平衡各项指标是燃烧调整的关键所在。文章以太平能源站燃气锅炉某一时间段出现的特定负荷下的缺氧燃烧问题为例,分析了现象及本质原因,并针对性地开展燃烧参数调整工作,对比分析了调整前后的参数指标,达到了优化排放、节省成本的目的,为后续的持续优化改进提供了参考。

基于燃烧理论的大气污染物排放浓度折算方法研究

为了解决不同条件下,大气污染物排放浓度折算方法的适用问题,本文统计了44项国家大气污染物排放标准采用的共计3种折算方法,基于燃烧理论对各折算方法及其适用性进行了计算推导和适用性分析,结果表明:1)过量空气系数折算法是建立在假定燃料特征下的简化方法,只适用于燃料成分因数χ值接近0的燃料,进一步研究显示,燃煤、生物质、垃圾等常见固体燃料的χ值介于-0.04~0之间,燃油的χ值介于-0.07~-0.06之间,矿井气的χ值仅为-0.01左右,沼气、油田伴生气、天然气、焦炉煤气的χ值约为-0.06~0.11,发生炉煤气、转炉煤气、高炉煤气的χ值分别达到0.47、0.48、1.35不适用过量空气系数折算法;2)烟气含氧量折算法通过燃烧计算模型严密推导得到,不受燃料限制,适用于烟气中CO等可燃气体残余量较少(建议低于1000ppm)的燃烧条件;3)排气量折算法直接通过排气量进行折算,适用于单位产品实际排气量高于规定的基准排气量的情况,且多为直接通过排气筒向环境排放(无燃烧)的场合。

燃料电池供气系统的自适应滑模控制

本文针对燃料电池供气系统阴阳极协同控制问题,提出了一种自适应超螺旋滑模控制算法.文章首先建立燃料电池供气系统动态模型,提出了燃料电池供气系统氢气过量比、氧气过量比及阴阳极压差的控制问题,并研究了自适应超螺旋滑模控制算法,通过自适应调节控制增益大小,有效抑制传统滑模控制的抖振现象,同时,利用李雅普诺夫方法证明了该控制方法的稳定性.最后,基于MATLAB建立燃料电池系统仿真平台并进行了仿真研究.仿真结果表明,所提出的方法可以有效控制氢、氧过量比及阴阳极压差,且具有较强的抖振抑制能力,可以保证燃料电池系统的稳定持久运行.

基于经济模型预测控制的燃料电池空气管理

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的空气供给问题,提出一种经济模型预测控制(EMPC)的算法。区别于传统空气供给管理算法通过跟踪过氧比来调节系统的性能,提出的EMPC控制器通过构建与PEMFC的净输出功率相关的经济效益函数,作为优化问题的成本函数,旨在使PEMFC系统在任何工况运行时的净输出功率最大化,并通过仿真验证控制算法的稳定性和有效性。仿真结果表明,与动态过氧比和定值过氧比的模型预测控制器相比,EMPC控制器在暂态过程中的净输出功率分别提高了2.93%和3.82%,在稳态过程中的净输出功率分别提高了0.94%和0.67%。

基于ADRC的PEMFC系统阴极相对湿度和氧气过量比控制

为解决传统的PID控制方法在处理质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统因阴极相对湿度和氧气过量比跟踪过程中存在响应速度慢、抖振显著等不足,进而引发的性能和效率问题,基于采用膜水合、气体流量、能斯特电压等运行机制构建的PEMFC系统模型,提出一种具有线性反馈特性及超调抑制功能的PEMFC系统自抗扰控制(ADRC)方法,并给出控制参数配置。结果表明,采用ADRC控制方法可实现PEMFC系统阴极相对湿度和氧气过量比的低偏差及快速跟踪控制,有助于提升系统在较大负载变换扰动下的快速跟踪和超调抑制的控制性能,具有较好的应用前景。

基于终端滑模控制的燃料电池进气管理

适当的进气可改善燃料电池的输出特性,但过量的进气可能导致质子交换膜损坏、氧匮乏和输出效率低等问题。进气系统过氧比值能反映气体供应的情况,是衡量燃料电池系统运行状况的重要参数。根据质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统建模分析过程,将负载电流作为外部扰动,并基于模型设计出比例-积分-微分(PID)控制器、传统滑模控制器(SMC)和非奇异终端滑模(NTSM)控制器。仿真结果表明:3种控制算法均能实现稳态跟踪,但两种滑模控制器的控制效果好于PID控制器,NTSM控制器的控制时间比PID控制器和SMC分别减少70.5%和48.5%。

车用燃料电池阴极系统特性

为了提高车用燃料电池效率,利用物质守恒定律、理想气体方程以及二维插值法,建立了含有双螺杆压缩机的阴极系统模型,讨论了根据压缩机转速、压缩比计算其流量和功耗的方法,分析了环境因素对压缩机的影响以及阴极流体特性、过氧比特性.研究结果表明:在设定条件下,随过氧比变化,系统输出功率和效率的变化规律一致,最优过氧比为2.5,电能利用效率随过氧比增大呈单调下降趋势;工作温度升高能够提高系统输出功率,但会使系统电能利用效率有微弱降低,工作温度由60℃升到80℃时,系统输出功率增长5.03%,电能利用效率降低0.57%.

适用于PEMFC系统过氧化估计的HOSM观测器研究

针对质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的强非线性及强耦合特性,该文提出一种适用于PEMFC系统过氧比(oxygen excess ratio,OER)估计的高阶滑模(high order sliding mode,HOSM)观测器设计方法。该方法采用HOSM算法对输出误差进行调节,使其在有限时间内趋于零,进而通过准确估计PEMFC系统中难于利用传感器直接测量的变量(如,供应管道中空气质量、阴极侧氧气以及氮气质量等),求解系统OER,为空气闭环系统的精确控制和动态性能的提高奠定了基础。最后,在RT-LAB半实物平台上进行硬件在环的实验验证,对所提出的HOSM观测器与传统的滑模观测器进行对比实验。实验结果表明,所设计的HOSM观测器性能优于传统的滑模观测器,在存在模型参数不确定性和测量噪声的条件下,仍具有快速的收敛特性,且表现出了良好的鲁棒性。

基于改进粒子群算法的H_∞次优控制在PEMFC混合发电系统中的应用

为了改善粒子群算法(PSO)的全局搜索能力,通过提高平衡点多样性提出一种改进粒子群算法(MPSO)。结合H∞次优控制方法,将加权函数的选取转化成优化问题,并将该方法应用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)混合发电系统的过氧比(OER)控制。动态仿真结果证明,在大负载电流变化、参数摄动、环境干扰和量测噪声影响下该方法能够维持系统OER在最优值附近,保证了系统的稳定运行。同时与其他控制方法比较,证明该方法具有较好的抗扰性和鲁棒稳定性。

适用于PEMFC系统状态估计的鲁棒非线性观测器

针对质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)系统的强非线性及强耦合特性,提出一种适用于PEMFC系统过氧比OER(oxygen excess ratio)估计的鲁棒非线性系统观测器,解决PEMFC系统中难于利用传感器直接测量的状态变量(如供应管道中空气质量、阴极侧氧气以及氮气质量等)准确估计的问题。通过矩阵变换,利用微分中值定理将动态误差系统转化为线性变参数系统。基于李雅普诺夫稳定性理论和凸性原理,将观测器设计问题转化为线性矩阵不等式LMI(linear matrix inequality)可行性问题。仿真结果表明所设计的观测器具有良好的收敛特性。

基于扩张状态观测器的PEMFC发电系统串级滑模控制方法

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统过氧比(oxygen excess ratio,OER)控制过程中存在强非线性、不确定性以及外部干扰,对系统的稳定高效运行提出挑战。提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的串级滑模控制(cascade sliding mode control,CSMC)方法。该控制方法采用双环控制策略,控制内环为基于ESO的等速趋近律滑模算法,其中ESO用于实现系统总扰动的实时观测与反馈补偿;外环为在一定系统边界下快速收敛的Super-twisting滑模算法。最后,在RT-LAB半实物平台上,考虑扰动及参数摄动,对所提出的CSMC方法进行对比实验。实验结果表明,所提出的控制方法不仅具有更快的响应速度及更小超调量,而且能够更好地抑制外部扰动及内部不确定性的影响,表现出更强的抗扰能力和鲁棒性。

PEMFC空气供给系统的二型自适应模糊建模与过氧比控制

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)空气供给系统存在外部扰动和参数不确定等动态特性,难以实现精准建模和控制.本文结合精确线性化和二型模糊逻辑系统,提出一种自适应控制器实现PEMFC空气供给系统的建模与过氧比控制.该控制器不需要PEMFC空气供给系统模型结构和参数完全已知的条件,而是通过二型模糊逻辑系统在线逼近PEMFC空气供给系统中的未建模动态并从Lyapunov函数中导出自适应参数,从而保证系统收敛性与稳定性.通过稳定性分析证明了该控制器作用下系统跟踪误差的有界性,仿真实验进一步验证了该控制器的有效性与实用性.

基于状态量估计的燃料电池阴极系统控制

质子交换膜燃料电池的负载增加时,其空气进气流量若不及时增加,输出电压会由于氧气匮乏而降低。针对上述可能出现的氧匮乏问题,采用基于状态量估计的准无限时域模型预测控制方法,首先根据燃料电池的电堆温度、电压等可测量量,计算出阴极中氧气质量等状态量。接着把这些状态量作为控制器输入量,以燃料电池系统的状态方程为预测模型。最后通过求解二次规划问题进而获得所需要的压缩机转速,改变进气歧管的氧气质量流量。将所采用的准无限时域模型预测控制方法与PI调节法进行对比分析。结果显示,所采用的控制方法可以使燃料电池的过氧比保持在期望值附近,并且在动态特性和静态特性方面均优于PI调节。

基于最大净功率的PEMFC系统过氧比分层控制

水冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统净输出功率与过氧比(oxygen excess ratio,OER)之间存在非线性、强耦合性的特点,因此,该文提出过氧比分层控制方法,用于PEMFC系统过氧比的寻优和控制。首先,基于离线+在线的过氧比寻优算法作为PEMFC最大净功率过氧比控制的上层控制,基于超螺旋滑模控制算法的反馈控制作为PEMFC最大净功率过氧比控制的下层控制,用以代替传统的PID反馈控制。利用李雅普诺夫函数,证明滑模控制作用下闭环系统的稳定性。搭建RT-LAB实时仿真平台,开展PEMFC系统实时仿真。结果表明,所提出的控制方法能够根据PEMFC系统净功率的实时变化而自动进行过氧比寻优控制,并在负载电流动态变化的情况下,满足净功率最大的性能指标要求,提高系统的运行效率。

燃料电池空气供应系统非线性鲁棒控制

提出了一种质子交换膜燃料电池空气供应系统非线性鲁棒控制方法。控制目标是在阶跃负载电流条件下过氧比和电堆阴极压力调整到期望值,避免燃料电池空气供应系统出现氧气不足的现象,获得最大净功率。建立了面向控制的空气供应系统多输入多输出模型,针对空气供应系统模型中电堆阴极压力不能直接测量和模型具有非线性程度高、耦合性强、参数的不确定性大等特点,设计了非线性鲁棒控制方法,该方法包括微分观测器和基于反馈线性化的非线性鲁棒控制器。进行了仿真试验,验证了模型精度,并在负载电流阶跃变化和系统参数不确定的条件下,验证了微分观测器和燃料电池空气供应系统非线性鲁棒控制方法的鲁棒性和有效性。

Ti-Nb系复合氧化物的氧敏特性

由具有氧敏特性的TiO2与Nb2O5形成的不含贵金属催化剂的复合材料，其氧分压特性、空燃比特性及温度特性的比单纯材料有明显改善．

基于电流调节的燃料电池发动机过氧比波动研究

当前质子交换膜燃料电池发动机(系统)的空气端控制主要采用前馈/反馈控制结构,这一控制策略会在电流急剧变化时导致过氧比的剧烈波动,从而影响燃料电池的"健康状况".针对这一问题,提出了对电流进行调节以缓解过氧比波动.通过给定的电流工况,研究了电堆拉取电流调节最优的一阶动态环节时间常数.仿真结果表明,该时间常数的选择取决于动、静态2大因素的选取.动态因素为电流的变化幅值和初始值,静态因素为空压机的转动惯量及在车内的安装位置(或进气歧管体积).