燃料电池EIS检测中DC/DC变换器的模型预测控制研究

摘要

质子交换膜燃料电池被认为是当今新能源领域极具发展前景的清洁、高效的动力装置，在分布式发电、电动汽车等领域应用广泛。电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)是反映燃料电池健康状态的重要指标，对其精确检测是燃料电池系统高效、可靠运行的重要保障。本文中的EIS检测方法需要将DC/DC变换器的纹波进行调制，该方法对控制器的快速性和稳定性提出了很高要求。为了满足控制性能的要求，本文采用先进的模型预测控制算法，并通过仿真和实验对其有效性和可行性进行验证。主要研究内容如下： 介绍了燃料电池内阻的等效电路模型以及燃料电池EIS检测的基本原理，给出了利用Nyquist曲线来检测EIS的具体方法和公式，并着重讲解了本文中基于DC/DC变换器纹波调制的EIS检测方法及框架。 给出了DC/DC变换器的基本控制策略和建模思路，分析了建模过程中常用的线性化方法。针对于本文采用的Boost变换器，对其不同工作状态下的电路结构进行了分析和计算。采用了状态空间平均模型和小信号交流模型对Boost变换器进行动态建模，并且通过线性化处理，得到了线性的动态数学模型。 介绍了模型预测控制算法的基本原理和方法，根据得到的线性状态空间模型，设计了Boost变换器的模型预测控制算法，并提出了显式模型预测控制策略，使系统的在线优化控制简化为简单的函数求值。利用Matlab/Simulink软件对系统进行了仿真测试，在仿真中分别采用了模型预测控制算法和传统的PI控制算法进行对比验证，通过仿真结果验证了模型预测控制算法的先进性。 搭建了燃料电池EIS检测系统，用来验证控制算法在实际应用中的效果。在实验中同样应用了模型预测控制算法和PI控制算法进行对比验证，并根据实验所得的数据绘制出燃料电池的EIS，验证了利用模型预测控制算法检测燃料电池EIS的有效性和可行性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 燃料电池EIS检测的原理与方法

2.1 燃料电池的等效电路模型

2.2 燃料电池的EIS检测原理

2.3 基于Boost变换器纹波调制的EIS检测方法

2.4 本章小结

第3章 DC/DC变换器的建模

3.1 DC/DC变换器的简介与建模方法

3.2 Boost变换器工作原理分析

3.3 Boost变换器的动态建模

3.4 本章小结

第4章 模型预测控制策略设计及仿真

4.1 模型预测控制策略的基本原理

4.2 基于状态空间方程的模型预测控制算法分析

4.3 Boost变换器的显式模型预测控制策略设计

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第5章 实验结果与分析

5.1 燃料电池EIS检测系统介绍

5.2 Boost变换器运行的实验结果与分析

5.3 引入三角波扰动的EIS检测实验结果及分析

5.4 燃料电池的EIS绘制

5.5 本章小结

第6章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文