Observer Based Fuel Delivery Control for PEM Fuel Cells with a Segmented Anode Model
Observer Based Fuel Delivery Control for PEM Fuel Cells with a Segmented Anode Model
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基于观测器的分段阳极模型质子交换膜燃料电池燃料输送控制
DOI：
10.1002/asjc.1827
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发表时间：
2018-06
影响因子：
2.4
通讯作者：
C. Yan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
J. Chen;Z. Wu;C. Wu;C. Yan
在质子交换膜(PEM)燃料电池的阳极中，可测量的出口压力通常与实际使用的电堆压力不同。本文将质子交换膜燃料电池的阳极划分为三个部分，以减小这两个压力之间的建模误差以及压力空间分布、电化学反应和气体渗透的影响。具体地说，我们首先在分段阳极模型的基础上，以多输入多输出的非线性紧凑形式对具有阳极再循环和放气的燃料输送系统进行建模。然后，基于所建立的模型，提出了一种基于李亚普诺夫的全状态反馈控制器，以保证充足的氢气供应，并将阳极氢气维持在合适的浓度水平。此外，还提出了一种高阶滑模观测器，用于估计有已知扰动的燃油输送系统的不可测压力和分压。在此基础上，设计了基于该观测器的输出反馈控制器，保证了系统的稳定性。仿真结果表明了所提出的控制和估计方法的有效性。
In the anode of proton exchange membrane (PEM) fuel cells, the measurable outlet pressure is usually different with the actually utilized stack pressure. In this paper, the anode of PEM fuel cells is divided into three segments to reduce the modeling error between these two pressures and the impact of the spatial distribution of pressure, electrochemical reaction, and gas permeation. Specifically, we first model the fuel delivery system with anode recirculation and bleeding in a MIMO nonlinear compact form based on the segmented anode model. Then, a Lyapunov‐based full state feedback controller is proposed based on the developed model to guarantee adequate hydrogen supply and maintain the anode hydrogen at a suitable concentration level. Moreover, a high order sliding mode observer is proposed to estimate the unmeasurable pressure and the partial pressure in the fuel delivery system with known disturbance. Furthermore, an output feedback controller based on the proposed observer is developed with guaranteed stability. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed control and the estimation approaches.
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