包郵燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù)

作者：馬睿高非等著

出版社：機(jī)械工業(yè)出版社出版時(shí)間：2025-01-01

開本： 16開 頁數(shù)： 375

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版權(quán)信息
本書特色
內(nèi)容簡介
前言
目錄
作者簡介

燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 版權(quán)信息

ISBN：9787111770428
條形碼：9787111770428 ; 978-7-111-77042-8
裝幀：平裝-膠訂
冊數(shù)：暫無
重量：暫無
所屬分類：
工業(yè)技術(shù)
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能源與動力工程

燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 本書特色

以專業(yè)視角，解析燃料電池系統(tǒng)建模與控制，開啟綠色能源新征程

1.內(nèi)容全面：涵蓋不同類型燃料電池工作特性，重點(diǎn)聚焦質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），從性能優(yōu)勢、應(yīng)用前景，到物理結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理，進(jìn)行全方位介紹。
2.技術(shù)深入：基于電化學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)建立 PEMFC 電堆多物理域模型，并做參數(shù)敏感性分析；構(gòu)建含多種輔助外圍設(shè)備的系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)多輸入/多輸出控制方法。
3.健康管理研究：在PEMFC老化預(yù)測、故障診斷以及容錯(cuò)控制等健康管理方面開展深入研究，明晰老化與故障機(jī)理，提出高精度預(yù)測方法與故障診斷方案。
4.應(yīng)用導(dǎo)向明確：以車/航空用PEMFC混合動力系統(tǒng)能量管理為背景，制定執(zhí)行不同能量管理策略，對系統(tǒng)輸出特性和運(yùn)行差異進(jìn)行對比。
5.受眾針對性強(qiáng)：精準(zhǔn)面向研究PEMFC單體、電堆、系統(tǒng)、應(yīng)用等方面的工程技術(shù)人員，極具參考價(jià)值。

燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 內(nèi)容簡介

隨著人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，燃料電池這一新型綠色發(fā)電裝置受到了越來越廣泛的關(guān)注。本書介紹了不同類型燃料電池的工作特性，闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的性能優(yōu)勢與應(yīng)用前景；分析了PEMFC的物理結(jié)構(gòu)與“氣-水-熱-電”運(yùn)行機(jī)理；建立了以電化學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)為基礎(chǔ)的PEMFC電堆多物理域模型，對模型進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析；構(gòu)建了包含空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)、水熱管理、電能變換等輔助外圍設(shè)備的PEMFC系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)多輸入/多輸出控制方法，對PEMFC的不同系統(tǒng)進(jìn)行管理控制并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證；開展了PEMFC老化預(yù)測、故障診斷以及容錯(cuò)控制等健康管理方面的研究，明晰了老化與故障機(jī)理并提取相關(guān)影響因子，提出了高精度的老化預(yù)測方法，完成了故障類型的在線識別及診斷，針對不同的健康狀態(tài)進(jìn)行容錯(cuò)控制，基于系統(tǒng)臺架對健康性能進(jìn)行測試評估；以車/航空用PEMFC混合動力系統(tǒng)的能量管理為背景，以系統(tǒng)運(yùn)行安全、壽命提升、效率優(yōu)化、能耗*小等為研究對象，制定并執(zhí)行了不同類型的能量管理策略，并對比了不同策略下的系統(tǒng)輸出特性和運(yùn)行差異。本書可供研究PEMFC單體、電堆、系統(tǒng)、應(yīng)用等方面的有關(guān)工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù)燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 前言

氫能作為21世紀(jì)*具潛力的清潔能源，是支撐我國能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵二次能源之一，具有巨大的市場應(yīng)用潛力。在氫能產(chǎn)業(yè)全面布局的背景下，燃料電池相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用也迎來了快速發(fā)展的新時(shí)期，其作為一種綠色低碳、運(yùn)行平穩(wěn)、工作高效的新型發(fā)電系統(tǒng)，是未來交通電氣化發(fā)展的重要推動力。而在眾多種類的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）憑借其啟動速度快、運(yùn)行溫度低、功率密度高等優(yōu)勢，在交通運(yùn)載以及移動式發(fā)電等領(lǐng)域具有良好的持續(xù)發(fā)展空間和廣闊的應(yīng)用前景。
本書共分7章，是在總結(jié)作者及團(tuán)隊(duì)多年研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、實(shí)用化后編寫的。全書以PEMFC為研究對象，分別針對結(jié)構(gòu)性質(zhì)、工作原理、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)控制、健康管理、混合動力系統(tǒng)能量管理等方面的研究工作進(jìn)行了總結(jié)。氫能作為21世紀(jì)*具潛力的清潔能源，是支撐我國能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵二次能源之一，具有巨大的市場應(yīng)用潛力。在氫能產(chǎn)業(yè)全面布局的背景下，燃料電池相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用也迎來了快速發(fā)展的新時(shí)期，其作為一種綠色低碳、運(yùn)行平穩(wěn)、工作高效的新型發(fā)電系統(tǒng)，是未來交通電氣化發(fā)展的重要推動力。而在眾多種類的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）憑借其啟動速度快、運(yùn)行溫度低、功率密度高等優(yōu)勢，在交通運(yùn)載以及移動式發(fā)電等領(lǐng)域具有良好的持續(xù)發(fā)展空間和廣闊的應(yīng)用前景。 本書共分7章，是在總結(jié)作者及團(tuán)隊(duì)多年研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化、實(shí)用化后編寫的。全書以PEMFC為研究對象，分別針對結(jié)構(gòu)性質(zhì)、工作原理、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)控制、健康管理、混合動力系統(tǒng)能量管理等方面的研究工作進(jìn)行了總結(jié)。 第1章分別對質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）這5種燃料電池進(jìn)行特性對比分析，總結(jié)了各類燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，突出PEMFC優(yōu)異的性能與廣闊的發(fā)展前景。第2章首先描述了PEMFC的物理結(jié)構(gòu)，包括端板、雙極板、陰陽極流道、催化層、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層、膜電極等組件，隨后分析了PEMFC的工作原理，涉及熱力學(xué)、電化學(xué)、電荷傳輸?shù)榷鄬W(xué)科知識交叉。第3章開展了PEMFC電堆建模，根據(jù)多個(gè)參數(shù)變化描述了電堆本體特性，構(gòu)建了計(jì)算邊界條件的精確單電池模型，考慮多物理場參數(shù)耦合規(guī)律及各系統(tǒng)變量與輸出特性的內(nèi)在關(guān)系建立了電堆結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等與電堆輸出性能參數(shù)的耦合關(guān)系，構(gòu)建“單電池-電堆-推進(jìn)系統(tǒng)”的多層級模型。第4章進(jìn)行了PEMFC的系統(tǒng)建模，包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及電能變換系統(tǒng)，在仿真模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了測試。第5章針對PEMFC系統(tǒng)的多輸入/多輸出耦合特性，對電堆及各個(gè)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了*優(yōu)控制方法，實(shí)現(xiàn)對電堆濕度、流量、電壓等參數(shù)的精確控制。第6章主要研究了PEMFC健康管理中3個(gè)較為重要的環(huán)節(jié)：老化預(yù)測、故障診斷以及容錯(cuò)控制，深入分析了老化與故障機(jī)理，依據(jù)老化模型設(shè)計(jì)老化預(yù)測融合算法；研究故障發(fā)生的原因并提取故障因子，提出故障診斷方法在線識別系統(tǒng)健康狀態(tài)；針對不同健康狀態(tài)進(jìn)行容錯(cuò)控制，通過仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方式驗(yàn)證診斷和容錯(cuò)控制方法的準(zhǔn)確性以及可靠性。第7章基于車/航空用PEMFC混合動力系統(tǒng)，制定能量管理策略解決多能量源之間的功率協(xié)調(diào)分配、能量源優(yōu)化管理、系統(tǒng)整體效率優(yōu)化等問題，在車用駕駛工況和飛行測試工況的基礎(chǔ)上，提出了諸多算法實(shí)例為混合動力系統(tǒng)的能量優(yōu)化控制提供參考。 由于編者水平有限，書中難免存在一些不足和疏漏之處，歡迎廣大讀者批評指正。 編　者　　 2024年12月

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燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 目錄

前?言
第 1 章　燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)1
1.1　燃料電池技術(shù)概述1
1.2　燃料電池分類2
1.2.1　質(zhì)子交換膜燃料電池2
1.2.2　堿性燃料電池3
1.2.3　磷酸燃料電池5
1.2.4　熔融碳酸鹽燃料電池5
1.2.5　固體氧化物燃料電池7
1.2.6　燃料電池比較總結(jié)8
1.3　燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀9
第 2 章　燃料電池結(jié)構(gòu)與性質(zhì)12
2.1　質(zhì)子交換膜燃料電池物理結(jié)構(gòu)12
2.1.1　端板13
2.1.2　雙極板14
2.1.3　陰陽極流道15
2.1.4　催化層16
2.1.5　質(zhì)子交換膜17
2.1.6　氣體擴(kuò)散層17
2.1.7　膜電極結(jié)構(gòu)及功能18
2.2　質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理18
2.2.1　燃料電池?zé)崃W(xué)18
2.2.2　燃料電池電化學(xué)24
2.2.3　燃料電池電荷傳輸27
2.2.4　燃料電池質(zhì)量傳輸31
2.2.5　燃料電池?zé)醾鬏?4
第 3 章　質(zhì)子交換膜燃料電池堆建模38
3.1　電堆建模常用方法概述38
3.1.1　機(jī)理模型38
3.1.2　半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1
3.1.3　經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1
3.1.4　數(shù)據(jù)驅(qū)動模型42
3.2　多物理域建模43
3.2.1　電化學(xué)模型43
3.2.2　流體力學(xué)模型46
3.2.3　熱力學(xué)模型54
3.3　燃料電池堆仿真實(shí)例69
3.3.1　電堆集總模型構(gòu)建69
3.3.2　參數(shù)敏感性分析73
第 4 章　質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模78
4.1　質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)模型分類78
4.2　質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模80
4.2.1　電堆建模80
4.2.2　空氣供應(yīng)系統(tǒng)建模80
4.2.3　氫氣供應(yīng)系統(tǒng)建模89
4.2.4　熱管理系統(tǒng)建模95
4.2.5　電能變換系統(tǒng)建模101
4.3　燃料電池系統(tǒng)仿真實(shí)例103
第 5 章　質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)控制107
5.1　燃料電池系統(tǒng)控制方法107
5.1.1　PID控制108
5.1.2　模型預(yù)測控制109
5.1.3　模糊控制109
5.1.4　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制109
5.2　燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)控制109
5.2.1　空氣供氣參數(shù)解耦設(shè)計(jì)109
5.2.2　基于帶參數(shù)優(yōu)化算法的分?jǐn)?shù)階PID控制114
5.3　燃料電池的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)控制119
5.4　燃料電池的水管理控制121
5.4.1　燃料電池堆的濕度控制模型122
5.4.2　控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)124
5.4.3　控制系統(tǒng)的模糊邏輯設(shè)計(jì)124
5.4.4　控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)算法126
5.5　燃料電池的熱管理控制127
5.5.1　基于增量式PID的控制方法設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析128
5.5.2　基于二階ADRC的控制方法設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析130
5.5.3　基于改進(jìn)ADRC的控制方法設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析135
5.5.4　熱管理控制算法結(jié)果對比分析138
5.6　燃料電池的變換器控制140
5.6.1　兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器控制140
5.6.2　四相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器控制155
第 6 章　燃料電池系統(tǒng)健康管理182
6.1　燃料電池系統(tǒng)健康管理框架182
6.2　燃料電池老化預(yù)測183
6.2.1　燃料電池老化機(jī)理183
6.2.2　燃料電池老化模型188
6.2.3　燃料電池老化預(yù)測方法189
6.2.4　燃料電池老化預(yù)測實(shí)例197
6.3　燃料電池系統(tǒng)故障診斷217
6.3.1　燃料電池系統(tǒng)故障分類217
6.3.2　燃料電池系統(tǒng)故障診斷方法224
6.4　燃料電池系統(tǒng)容錯(cuò)控制254
6.4.1　自抗擾控制254
6.4.2　容錯(cuò)控制方案及參數(shù)選擇260
6.4.3　控制重構(gòu)261
6.5　燃料電池系統(tǒng)臺架及測試265
6.5.1　燃料電池系統(tǒng)測試平臺基本架構(gòu)265
6.5.2　燃料電池堆耐久性測試266
第 7 章　燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理273
7.1　燃料電池混合動力系統(tǒng)能量管理策略概述273
7.2　燃料電池混合動力系統(tǒng)總成拓?fù)?76
7.2.1　燃料電池混合單儲能裝置276
7.2.2　燃料電池混合多儲能裝置277
7.3　能量管理策略介紹281
7.3.1　有限狀態(tài)機(jī)能量管理策略283
7.3.2　模糊邏輯控制能量管理策略284
7.3.3　動態(tài)規(guī)劃能量管理策略286
7.3.4　等效氫耗*小能量管理策略287
7.3.5　極小值原理能量管理策略290
7.3.6　機(jī)器學(xué)習(xí)策略291
7.4　實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)測試293
7.4.1　dSPACE293
7.4.2　RT-LAB296
7.4.3　快速控制原型及硬件在環(huán)仿真298
7.5　車用燃料電池系統(tǒng)能量管理模型301
7.5.1　汽車系統(tǒng)模型搭建301
7.5.2　車用駕駛測試工況304
7.5.3　能量管理策略對比分析306
7.6　航空燃料電池系統(tǒng)能量管理模型310
7.6.1　飛機(jī)系統(tǒng)模型搭建310
7.6.2　飛行測試工況313
7.6.3　能量管理策略對比分析316
參考文獻(xiàn)　362

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燃料電池系統(tǒng)建模及控制技術(shù) 作者簡介

馬睿，西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院副教授、院長助理，陜西省高層次人才、IEEE高級會員、工業(yè)電子學(xué)會ITeN期刊副主編。長期圍繞新能源系統(tǒng)領(lǐng)域開展研究，近五年發(fā)表高水平期刊、國際會議論文30余篇，主持國家級、省部級項(xiàng)目多項(xiàng)，獲陜西省高校科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

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