燃料电池系统建模及控制技术

以专业视角，解析燃料电池系统建模与控制，开启绿色能源新征程 1.内容全面：涵盖不同类型燃料电池工作特性，重点聚焦质子交换膜燃料电池（PEMFC），从性能优势、应用前景，到物理结构与运行机理，进行全方位介绍。 2.技术深入：基于电化学、流体力学、热力学建立 PEMFC 电堆多物理域模型，并做参数敏感性分析；构建含多种辅助外围设备的系统模型，设计多输入/多输出控制方法。 3.健康管理研究：在PEMFC老化预测、故障诊断以及容错控制等健康管理方面开展深入研究，明晰老化与故障机理，提出高精度预测方法与故障诊断方案。 4.应用导向明确：以车/航空用PEMFC混合动力系统能量管理为背景，制定执行不同能量管理策略，对系统输出特性和运行差异进行对比。 5.受众针对性强：精准面向研究PEMFC单体、电堆、系统、应用等方面的工程技术人员，极具参考价值。

随着人类环保意识的增强，燃料电池这一新型绿色发电装置受到了越来越广泛的关注。本书介绍了不同类型燃料电池的工作特性，阐述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能优势与应用前景；分析了PEMFC的物理结构与“气-水-热-电”运行机理；建立了以电化学、流体力学、热力学为基础的PEMFC电堆多物理域模型，对模型进行了参数敏感性分析；构建了包含空气供应、氢气供应、水热管理、电能变换等辅助外围设备的PEMFC系统模型，设计了系统多输入/多输出控制方法，对PEMFC的不同系统进行管理控制并进行了相关试验验证；开展了PEMFC老化预测、故障诊断以及容错控制等健康管理方面的研究，明晰了老化与故障机理并提取相关影响因子，提出了高精度的老化预测方法，完成了故障类型的在线识别及诊断，针对不同的健康状态进行容错控制，基于系统台架对健康性能进行测试评估；以车/航空用PEMFC混合动力系统的能量管理为背景，以系统运行安全、寿命提升、效率优化、能耗最小等为研究对象，制定并执行了不同类型的能量管理策略，并对比了不同策略下的系统输出特性和运行差异。本书可供研究PEMFC单体、电堆、系统、应用等方面的有关工程技术人员学习参考。

前言
第1章燃料电池技术基础1
1.1燃料电池技术概述1
1.2燃料电池分类2
1.2.1质子交换膜燃料电池2
1.2.2碱性燃料电池3
1.2.3磷酸燃料电池5
1.2.4熔融碳酸盐燃料电池5
1.2.5固体氧化物燃料电池7
1.2.6燃料电池比较总结8
1.3燃料电池应用现状9
第2章燃料电池结构与性质12
2.1质子交换膜燃料电池物理结构12
2.1.1端板13
2.1.2双极板14
2.1.3阴阳极流道15
2.1.4催化层16
2.1.5质子交换膜17
2.1.6气体扩散层17
2.1.7膜电极结构及功能18
2.2质子交换膜燃料电池工作原理18
2.2.1燃料电池热力学18
2.2.2燃料电池电化学24
2.2.3燃料电池电荷传输27
2.2.4燃料电池质量传输31
2.2.5燃料电池热传输34
第3章质子交换膜燃料电池堆建模38
3.1电堆建模常用方法概述38
3.1.1机理模型38
3.1.2半经验模型41
3.1.3经验模型41
3.1.4数据驱动模型42
3.2多物理域建模43
3.2.1电化学模型43
3.2.2流体力学模型46
3.2.3热力学模型54
3.3燃料电池堆仿真实例69
3.3.1电堆集总模型构建69
3.3.2参数敏感性分析73
第4章质子交换膜燃料电池系统建模78
4.1质子交换膜燃料电池系统模型分类78
4.2质子交换膜燃料电池系统建模80
4.2.1电堆建模80
4.2.2空气供应系统建模80
4.2.3氢气供应系统建模89
4.2.4热管理系统建模95
4.2.5电能变换系统建模101
4.3燃料电池系统仿真实例103
第5章质子交换膜燃料电池系统控制107
5.1燃料电池系统控制方法107
5.1.1PID控制108
5.1.2模型预测控制109
5.1.3模糊控制109
5.1.4神经网络控制109
5.2燃料电池空气供应系统控制109
5.2.1空气供气参数解耦设计109
5.2.2基于带参数优化算法的分数阶PID控制114
5.3燃料电池的氢气供应系统控制119
5.4燃料电池的水管理控制121
5.4.1燃料电池堆的湿度控制模型122
5.4.2控制系统的网络结构124
5.4.3控制系统的模糊逻辑设计124
5.4.4控制系统的学习算法126
5.5燃料电池的热管理控制127
5.5.1基于增量式PID的控制方法设计及试验分析128
5.5.2基于二阶ADRC的控制方法设计及试验分析130
5.5.3基于改进ADRC的控制方法设计及试验分析135
5.5.4热管理控制算法结果对比分析138
5.6燃料电池的变换器控制140
5.6.1两相交错并联Boost变换器控制140
5.6.2四相交错并联Boost变换器控制155
第6章燃料电池系统健康管理182
6.1燃料电池系统健康管理框架182
6.2燃料电池老化预测183
6.2.1燃料电池老化机理183
6.2.2燃料电池老化模型188
6.2.3燃料电池老化预测方法189
6.2.4燃料电池老化预测实例197
6.3燃料电池系统故障诊断217
6.3.1燃料电池系统故障分类217
6.3.2燃料电池系统故障诊断方法224
6.4燃料电池系统容错控制254
6.4.1自抗扰控制254
6.4.2容错控制方案及参数选择260
6.4.3控制重构261
6.5燃料电池系统台架及测试265
6.5.1燃料电池系统测试平台基本架构265
6.5.2燃料电池堆耐久性测试266
第7章燃料电池混合动力系统能量管理273
7.1燃料电池混合动力系统能量管理策略概述273
7.2燃料电池混合动力系统总成拓扑276
7.2.1燃料电池混合单储能装置276
7.2.2燃料电池混合多储能装置277
7.3能量管理策略介绍281
7.3.1有限状态机能量管理策略283
7.3.2模糊逻辑控制能量管理策略284
7.3.3动态规划能量管理策略286
7.3.4等效氢耗最小能量管理策略287
7.3.5极小值原理能量管理策略290
7.3.6机器学习策略291
7.4实时仿真系统测试293
7.4.1dSPACE293
7.4.2RT-LAB296
7.4.3快速控制原型及硬件在环仿真298
7.5车用燃料电池系统能量管理模型301
7.5.1汽车系统模型搭建301
7.5.2车用驾驶测试工况304
7.5.3能量管理策略对比分析306
7.6航空燃料电池系统能量管理模型310
7.6.1飞机系统模型搭建310
7.6.2飞行测试工况313
7.6.3能量管理策略对比分析316
参考文献362