基于分数阶微积分的PEMFC建模与辨识

摘要

质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，简称PEMFC)是现代清洁能源的代表。燃料电池的相关技术也在经历日新月异的变化。一个适当的模型对于研究以燃料电池为基础的能源系统来说必不可少。迄今为止，各种文献提出了很多不同形式的燃料电池模型，用来描述燃料电池在一定工作条件下的静态或动态特性。但这些模型大多数存在参数众多，结构复杂的缺点，本身适用性较差。虽然有些模型也能用于燃料电池控制系统设计，但在描述电池电特性方面，仍然有所欠缺。而影响燃料电池电特性的重要因素-双电荷层现象，非常适合利用分数阶次的模型来精确描述。鉴于分数阶次对于整数阶次模型的先天优势，以此为出发点，可以建立燃料电池的分数阶次模型。本文主要内容如下:
　　 1.提出了三种建立燃料电池分数阶传递函数模型的方法，分别是:基于内部机理，基于系统结构以及基于燃料电池等效电路。基于内部机理和等效电路推导出来的模型有着固定的形式，而基于系统结构的模型则由于采用的是类似于电化学阻抗谱的分析方法，所得到的模型结构形式并不唯一。为了确定模型中的参数值，结合电池实际输入输出数据，将问题转化为分数阶系统辨识。
　　 2.提出了改进型的NLJ算法，实现了对分数阶系统参数的辨识。相对于NLJ算法，改进型的算法不仅消除了系统参数初始化数值对辨识结果的影响，即在随机初始化的情况下，辨识效率有了非常明显的提高，连续辨识计算下辨识结果的稳定性也有很好的保证。通过已知真值的仿真计算以及未知真值的最优曲线拟合计算的验证，证明的改进型NLJ算法的正确性与有效性。

目录

声明

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 理论发展与前人研究成果

1．3 本论文研究内容

第二章 质子交换膜燃料电池介绍与模型

2．1 燃料电池介绍

2．2 燃料电池电压模型

2．2．1 开路电压模型

2．2．2 活化压降

2．2．3 内部电流

2．2．4 欧姆电动势

2．2．5 浓度差电动势

2．2．6 输出电压模型

2．3 PEMFC动态电特性

2．4 燃料电池等效电路模型：有源模型

2．4．1 Larminie模型

2．4．2 Dicks-Larminie模型

2．4．3 Yu-Yuvarajan模型

2．4．4 Choi模型

2．4．5 有源模型对比

2．5 燃料电池等效电路模型：无源模型

2．5．1 Garnier模型

2．5．2 Page模型

2．5．3 无源模型对比

2．6 燃料电池系统结构

第三章 质子交换膜燃料电池分数阶模型

3．1 电容理论与分数阶概念

3．1．1 电容理论介绍

3．1．2 分数阶微积分定义

3．2 基于内部机理的分数阶动态模型

3．3 基于系统结构的分数阶动态模型

3．4 基于等效电路的分数阶动态建模

3．5 燃料电池等效内阻模型参数辨识

第四章 基于改进型NLJ算法的分数阶系统辨识

4．1 分数阶系统离散化

4．1．1 基于定义的数值计算

4．1．2 近似离散方法

4．2 改进型NLJ算法

4．3 基于改进型NLJ算法的分数阶系统辨识

4．3．1 仿真验证

4．3．2 最优曲线拟合验证

4．4 总结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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