燃料电池混合动力系统的能量管理优化策略及其解耦控制方法研究

With the growing concerns on energy crisis and environmental pollution issues around the world, Polymer Electrolyte Membrane Fuel cells (PEMFCs) are considered as one of the environmentally friendly energy sources. They have broad application prospects in electric vehicles due to their near zero emissions, quiet operation, high efficiency and relative low temperature (40℃-180℃), and they are regarded as one of the most promising competitors against Internal Combustion Engines (ICE). However, the dynamic response of the fuel cell system is relatively slow, therefore an electric energy storage is required to be combined as a hybrid power system, satisfying the speed and stability requirements of the loads. This hybrid power system is a complex system due to multi-input/multi-output and strong coupling properties, the optimal energy management strategy and decoupling control problems are crucial for the improvements of fuel economy and dynamic performance of the system. Against the difficulties and unsolved key problems existing in the fuel cell hybrid power control system, firstly, the real-time control oriented model of the whole system is studied, then the fuel economy oriented energy management strategy and decoupling control method are proposed in an integrated framework, which will build up a solid theoretical foundation for high efficiency, stablity and longevity of the fuel cell hybrid power systems.

随着能源与环境问题的日益突出，质子交换膜燃料电池作为一种绿色新能源具有无污染、噪声小、效率高及工作温度低等优点，在电动汽车领域具有广泛的应用前景，被视为传统内燃机最有力的竞争者之一。然而燃料电池系统本身的动态响应较慢，通常需要配备辅助储能设备与其构成混合动力系统，满足负载对系统的快速性和稳定性需求。该动力系统是一个多输入/多输出、具有强耦合性的复杂系统，其能量管理策略优化问题及解耦控制问题对提高系统的燃油经济性及其动态性能显得至关重要。本项目针对燃料电池混合动力系统控制的难点和尚未解决的关键问题，首先研究面向实时控制的混合动力系统数学模型，然后提出基于多目标优化的能量管理控制策略以及空气供应通道的解耦控制方法的一体化设计框架，为燃料电池混合动力系统的高效、稳定和长寿命运行奠定理论基础。

本项目从系统的实时控制角度出发，以质子交换膜燃料电池/蓄电池混合动力系统作为具体研究对象，在充分考虑系统运行过程中的外界干扰以及不确定性影响等情况下，首先建立面向实时控制的混合动力系统动态模型，然后通过分析燃料电池和蓄电池自身性能的约束条件，探讨燃料电池混合动力系统的控制新机理、新方法，实现系统能量管理策略以及系统控制方法的一体化设计，从而提高混合动力系统的动态性能、可靠性和使用寿命。同时，在多种标准循环工况下，采用数值仿真和硬件在环方法，对提出的方法和技术的准确性和有效性进行验证，力争为解决燃料电池混合动力系统的安全、高效、持久运行做出贡献。在质子交换膜燃料电池空气供给系统和其他复杂非线性系统的滑模控制、状态估计以及故障检测等前沿研究方向上取得了一系列研究成果。取得的重要研究结果包括针对非线性控制系统存在的各类系统故障以及外部扰动，尤其对新能源系统中质子交换膜燃料电池空气供应系统等关键模块，基于滑模观测器和模糊模型新建了状态估计器，利用滑模控制理论和模糊建模方法分别提出了基于滑模观测器和基于模糊模型的状态估计方法，进一步设计了该类系统的故障检测方法。在该项目的执行期间，负责人在本项目支撑下正式发表国际SCI期刊论文十余篇，包括多篇IEEE Trans.和IFAC汇刊论文11篇、Automatica长文1篇。目前1篇论文入选2017年度中国百篇最具影响国际学术论文，5篇论文入选ESI高被引论文(其中2篇为热点论文)。本项目研究成果在新能源、航空航天以及工业过程等领域具有重要的应用价值，研究内容融合了计算机、数学以及自动控制等领域的相关学科；理论成果注重实际应用，与传统的鲁棒控制方法相比具有较低的保守性和更广的适用性，所提出的新方法可以实现系统的较高控制精度，尤其增加了对系统不确定性的精确估计和检测等方法，这些创新成果对以新能源为基础的经济建设和社会发展具有潜在的应用价值。