（控制科学与工程专业论文）燃料电池机器人混合电源建模与控制研究.pdf

独创性声明 0 i t llli i l i i1 1 111 1111i iiii 18 7 9 6 8 0 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着经济的持续快速发展，能源与环境问题越来越突出，燃料电池 作为一种新型环保能源，越来越受到人们的重视。质子交换膜燃料电池清洁环 保、节能高效，可为机器人电源提供一种新的解决方案。但燃料电池单独供电 难以满足机器人系统的动态需求，需要配备辅助电源构成混合电源系统共同为 机器人供电。燃料电池与辅助电源的功率合理分配是保证系统稳定运行的重要 条件，本文以此为背景，开展燃料电池混合电源系统能量流建模与控制研究。 主要研究内容为： 在分析燃料电池特性，对比超级电容与其他电源特性的基础上，选择超级电 容作为系统的辅助电源。分析现有的混合电源系统拓扑结构，设计系统的拓扑 结构：燃料电池经过单向d c d c 变换器连接至直流母线，超级电容经过双向 d c d c 变换器并联至直流母线。 混合电源系统是一个多输入多输出的复杂的非线性系统，本文在分析系统输 入输出参数的基础上，构建了混合动力系统的自回归滑动平均时变近似线性模 型，利用递归神经网络调节时变参数，将非线性模型等效建模为时变线性模型， 以便进行控制策略研究。 系统的控制目标为保证机器人系统正常工作的条件下，将系统的功率高频变 化部分分配给超级电容，保证燃料电池的输出电流和功率不频繁波动。系统正 常运行时对燃料电池电压、电流及超级电容的电量均有一定的约束，鉴于预测 控制具有较强的处理约束能力及全局优化能力，本文提出了能量流基于自回归 滑动平均神经网络模型的预测控制方案。 本文对系统模型以及能量流管理控制策略进行了仿真，系统模型较好的反应 了系统的特性，本文针对系统设计的控制策略也能够较好的实现预期的控制目 标。 关键词：机器人；混合电源；递归神经网络；预测控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es u s t a i n a b l ea n df a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec r i s i s o fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e c o m ee v e rm o r es e r i o u s p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l s ，a san e we n e r g y , d r a w sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f r o mg o v e r n m e n t sa n dr e s e a r c h e r s f u e lc e l li sc l e a na n de n v i r o n m e n t a l ，e n e r g y s a v i n ga n dh i g he f f i c i e n c y ，w h i c hc a ng i v ean e ws o l u t i o nt ot h ep o w e rs o u r c eo ft h e r o b o t b u ti ff u e lc e l ls u p p l i e st h ep o w e ra l o n e i tc a n n o tm e e tt h ed y n a m i cp o w e r r e q u i r e m e n to ft h er o b o t s oi tn e e d st od i s p o s ea u x i l i a r yp o w e r t h e nt h e d i s t r i b u t i o no ft h ep o w e rb e t w e e nt h ef u e lc e l la n dt h ea u x i l i a r yp o w e ri sa ni m p o r t a n t c o n d i t i o nf o rt h es y s t e m s oi nt h i st h e s i s ，w er e s e a r c ht h ee n e r g yf l o wm o d e l i n ga n d c o n t r o lf o rh y b r i dp o w e rs y s t e mo ff u e lc e l lr o b o t t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c h i n c l u d i n g ： n l ep a p e ra n a l y s e sf u e le e l lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a r e ss u p e rc a p a c i t o r 丽t h o t h e rp o w e rs o u r c e s ，c h o o s e ss u p e rc a p a c i t o ra sa u x i l i a r yp o w e ro ft h es y s t e m a n d t h e na n a l y s e st o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fc u r r e n th y b r i dp o w e rs u p p l ys y s t e m ，d e s i g n s t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h eh y b r i dp o w e rs y s t e mo ff u e lc e l lr o b o t ：f u e lc e l li s c o n n e c t e dt ot h eb u st h r o u g hau n i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ，a n dt h es u p e r c a p a c i t o ri sc o n n e c t e dt ot h eb u st h r o u g hab i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r h y b r i dp o w e rs y s t e mi sac o m p l e xn o n 1 i n e a rs y s t e mw i t hm u l t i p l ei n p u t sa n d m u l t i p l eo u t p u t s t h ep a p e rc o n s t r u c t st h ea u t o r e g r e s s i v em o v i n ga v e r a g e 、) i ，i t l l e x o g e n o u st i m e v a r y i n ga p p r o x i m a t el i n e a rm o d e lo ft h es y s t e mb a s e do nt h e a n a l y s i so ft h es y s t e mi n p u t o u t p u tp a r a m e t e r s u s i n gar e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r kt o a d j u s tt i m e v a r y i n gp a r a m e t e r s ，t om a k et h en o n l i n e a rm o d e le q u i v a l e n tm o d e l i n gt o t i m e v a r y i n gl i n e a rm o d e lf o rc o n t r o ls t r a t e g yr e s e a r c h 1 1 1 ec o n t r o lt a r g e to ft h es y s t e mi st om a k et h ef r e q u e n c ys h i rp a r to ft h ep o w e r s y s t e ma s s i g n e dt os u p e rc a p a c i t o r , a n dg u a r a n t e et h eo u t p u tc u r r e n ta n dp o w e ro ft h e f u e le e l ln o tf l u c t u a t ef r e q u e n t l y d u r i n gt h eo p e r a t i o n , t h ef u e lc e l lv o l t a g e c u r r e n t a n ds u p e rc a p a c i t o rp o w e rh a v ec e r t a i nc o n s t r a i n t s i nv i e wo ft h es t r o n gp r o c e s s i n g c o n s t r a i n ta b i l i t ya n dg l o b a lo p t i m i z a t i o na b i l i 锣o ft h ep r e d i c t i v ec o n t r o l ，t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g ye n e r g yf l o wb a s e do na u t o r e g r e s s i v em o v i n g a v e r a g e 、析t he x o g e n o u sn e u r a ln e t w o r km o d e l s y s t e mm o d e la n de n e r g yf l o wm a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g yi ss i m u l a t e di nt h i s p a p e r t h es y s t e mm o d e lr e s p o u s e st h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h es y s t e mw e l l ，a n dt h e c o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a l la l s oa c h i e v et h ed e s i r e dc o n t r o lo b j e c t i v e k e yw o r d s ：r o b o t ，h y b r i dp o w e r , r e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r k ，m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题研究的意义和来源一2 1 3 国内外研究现状3 1 4 主要研究内容5 第2 章燃料电池机器人电源系统结构分析与设计7 2 1燃料电池基本原理与特性分析7 2 2 燃料电池机器人混合电源系统构成必要性分析8 2 3 系统辅助电源选择与分析1 0 2 3 1 辅助电源选择1 0 2 3 2 超级电容基本原理。1 l 2 3 3 超级电容的特性和性能分析1 2 2 4 燃料电池机器人混合电源系统构成分析与设计1 3 2 5 本章小结1 6 第3 章燃料电池机器人混合电源系统建模1 7 3 1 系统建模与辨识方法选择1 7 3 2 递归神经网络分析1 9 3 2 1 递归神经网络的结构1 9 3 2 2 递归神经网络学习算法。1 9 3 2 3 递归神经网络稳定性2 5 3 3 鼬呵n a r m a x 模型2 5 3 4 混合电源系统模型2 8 3 4 1 混合电源系统模型结构2 8 3 4 2 混合电源系统仿真：31 3 5 本章小结31 第4 章混合电源系统控制策略设计3 2 4 1 系统控制算法选择3 2 4 2 基于r n n a r m a x 模型的控制策略的设计3 4 1 i i 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 1燃料电池混合电源系统能量流管理原理3 4 4 2 2 燃料电池机器人混合电源系统能量流管理分析3 5 4 2 3 预测控制策略设计3 8 4 3 燃料电池机器人混合电源系统模型仿真实验3 9 4 4 本章小结。4 2 第5 章总结与展望4 3 5 1 全文总结4 3 5 2 研究展望4 4 参考文献4 5 攻读硕士学位期间发表的论文4 9 致 射5 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进 步，都离不开能源的改进和更替。而包括石油在内的非可再生资源，在人们长 期以来的挖掘下，也以越来越快的速度日趋减少，人类社会要求发展，但是由 于发展策略的不合理，以及技术的发展跟不上社会发展的需求，能源的开发和 利用导致了一系列的环境问题，人与自然环境没有达到和谐发展。近年来，国 家也在不断提倡：人类在改造自己生存环境的同时，保护生态环境。但是传统 的能源( 如石油，煤) 在燃烧的过程中，产生了对环境造成污染，破坏大气的 有害气体，除能源本身的原因外，能源的利用方式，也越来越与人类生存的需 要背道而驰。长期以来，中国的能源主要以煤炭为主，产生了大量污染空气的 c 0 2 等气体，这些也是会导致温室效应的主要气体。因此，寻求新的供应充足 的能源和开发利用可再生资源，是社会发展的一个必然的趋势，很多国家也都 开展了探索和开发新型能源的研究。 自然界中的太阳能，水能，风能等是循环可再生的，不会随着人类的使用 而减少，都是人类利用的对象，核能的利用也是人类社会发展进步的一大标志。 一般来说，太阳能的利用，不回导致太大的环境问题的产生。水力发电虽然提 供了很大的电量，风能的可开发资源也是非常可观的，但两者却也对都环境造 成了一定程度的损害。另外，氢能在世界各国越来越受到重视，它是一种高品 质的燃料，是可以存储在燃料电池中的，它的产生可以从水中分离，燃烧后生 成的也是水，整个过程中，不会造成环境的污染，由此，一种新型环保能源一 氢氧发电装置，也就是氢氧燃料电池，被研发出来。这也带来了能源发展史上 的一次变革。 燃料电池也逐渐被应用到电站，电动车和机器人系统中，目前的燃料电池 电动车还没有大量投入市场，还有很多问题需要研究和解决。住宅用的燃料电 池和便携式燃料电池随着技术的提高，也将会应用到人们的日常生活中。 环保型新能源的发展，对于环境的保护和能源结构的调整，有着重大的意 义，也已被列为了重大项目。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的意义和来源 人类所希望探测的区域越来越广泛，以至于环境或强度等因素，超越了人 体所能承受的范围，那么就必须有代替人类进行工作的装置，从原始的工具， 机器，到现在的机器人。是随着人类改造自然的能力的提升而发展的。机器人 的发展涉及计算机技术、自动控制、机械、电子信息等众多领域，是当今人类 最具代表性的高新技术之一。 人类科学技术水平快速发展，在我们的生活中，机器人的应用也更为广泛， 机器人可以按照要求完成我们期望它完成的任务，可以长时间工作，精确度高， 抵抗恶劣环境的能力也比较高。人类可以借助自主机器人的力量，摆脱有毒有 害的环境和繁重的体力劳动。而当前为自主机器人供电的方式，主要是利用各 种充电电池或者是电缆，蓄电池体积大，充电时间长，不利于自主机器人的应 用，而电缆的长度有限，无法为远距离工作的自主机器人提供电源。机器人技 术要取得发展，电源的选择尤其重要。 现在机器人系统的电源系统在很多方面有一定的缺陷，也不利于环保。机 器人逐渐应用到社会工作和科学研究的很多领域，在空间上也拓展到了野外， 天空等方面。而这些机器人需要有合适的能源。因此，机器人系统中，新型环 保能源的应用研究也越来越受到人们的关注，如生物能、激光能、太阳能电池、 燃料电池等。质子交换膜燃料电池是一种非常具有潜力的新型能源，由于其能 量密度大、能量转化效率高、不需要充电、零排放等良好性能而受到人们的广 泛关注，并进行了很多研究工作，但是燃料电池也有自身存在的缺陷：动态特 性滞后和输出特性偏软。作为独立电源单独给机器人系统供电，并不能够很好 的满足机器人系统的正常工作需求，因此，要将燃料电池成功的运用于机器人 电源系统中，这两个问题是必须要解决的。这就需要为其匹配合适的辅助电源， 与燃料电池一起( 即采用混合动力方案) 为系统提供能量。 从燃料电池机器人动力系统的构成情况来看，国内外的研究普遍采用了多 电源混合动力的方案。根据燃料电池的工作特性，为了提高混合电源系统的峰 值功率和能量的利用率，在机器人应用领域，配备辅助能源是非常有必要的。 那么就存在一个电源能量配比的问题。国内外关于混合动力系统能量流管理的 研究也取得了一些成果，但是主要集中在燃料电池混合动力汽车和固定电站上， 关于燃料电池机器人能量流管理的研究并不多见。 因此，研究燃料电池机器人的能量流管理，提出比较好的能量流控制方法， 2 武汉理工大学硕士学位论文 有助于解决燃料电池机器人各种工作模式下能量优化配置的问题，有助于保护 燃料电池，提高其耐久性。而且能够为在艰苦环境下工作的机器人设计较好的 控制方案提供定的参考，拓宽燃料电池机器人的工作环境等。 本课题来源于国家自然科学基金( n o 6 0 7 0 5 0 3 2 ) 。 1 3 国内外研究现状 第一台工业用机器人是在美国诞生的，经过几十年的发展，机器人技术迅速 发展，虽然其发展之路也有过曲折，但也在国际上占有领先的地位。机器人的 出现，并没有像开始人们担心的会导致很多人失业，相反，将机器人应用于工 业生产等方面，机器人的高精度作业提高了产品的质量和生产率，生产成本也 较之前的人工作业大大降低，是工业的快速发展和经济的快速增长，不可忽略 的力量。早期的机器人因为电池能量小，不能提供系统运动足够的能量，所以 可以运用的场所也有所限制。所以能源利用技术的发展对于机器人的发展尤为 重要。燃料电池的出现，为机器人提供了一个良好的能源。 燃料电池机器人系统的电源结构，目前普遍采用的还是混合动力的方式。 国内外关于燃料电池混合电源系统的能量流管理并不少见，但是主要是应用在 混合动力汽车和固定电站上，应用在燃料电池机器人多电源系统上的研究就比 较少。 在燃料电池供电系统的研究方面，弗吉尼亚理工学院未来能源中心与美国能 源变换公司【3 】联合研制了质子交换膜燃料电池供电系统，该系统由燃料电池、 两组超级电容、d c d c 变换器和逆变器组成，超级电容是直接并联在直流母线 上的，虽然超级电容使得整个混合动力系统的动态特性比较优越，但是由于其 系统的拓扑结构，超级电容的充放电电流不能得到很好地控制，当系统的负载 突然变化的时候，超级电容可能会由于充放电电流过大而遭到损坏。 a i t a n a s i o r t 4 】等提出了燃料电池作为主要电源、超级电容和蓄电池作为辅助能源 的供电统统，其中燃料电池的峰值功率为3 3 0 w ，燃料电池、超级电容和蓄电 池不是直接并联在直流母线上的，而是分别通过不同的变换器与直流母线相连， 辅助电源系统大大提高了系统的过载能力和动态响应，而直流母线上的电压也 比较稳定。然而系统也有不足的地方：由于系统中的能量变换器件比较多，给 整个系统的控制带来了很大的难度，也使得整个系统的结构显得比较复杂，系 统效率也较其他相对简单的系统而有所降低。 3 武汉理工大学硕士学位论文 对燃料电池混合电源系统的能量流管理方面的研究，国内外也有很多， w e n z h o n gg a o 5 1 在分析能源特性的基础上，对燃料电池与蓄电池组成的混合电 源系统和燃料电池与超级电容的混合电源系统进行了分析比较，并利用软件对 系统进行了仿真。m c a r p a n e t 6 】进行的研究中，控制目标是蓄电池的供电效率， 对几个能量源的能量配比进行控制。刘彬娜【7 j 建立了将超级电容和蓄电池一起 作为燃料电池的辅助电源的系统，并将其与蓄电池单独做辅助电源的系统进行 了性能比较( 利用大功率脉冲充放工况) ，并根据系统对燃料电池混合电源的能 量需求和各个部件的性能特点，制定了控制策略，并利用m a t l a b 进行了仿真验 证。曹文吲8 】研究了燃料电池和蓄电池组成的双能源电动汽车的性能指标的确 定方法，和整个系统中各个部件参数选定和选型的理论及方法。夏建军 9 1 在深 入研究燃料电池特性和分析辅助能源的特性性能特点的基础上，在控制策略上 选择了功率实时自适应跟随的策略，高效地分配了多能源动力系统的功率。胡 鑫【lo 】结合武汉理工大学与东风汽车公司合作的燃料电池混合动力中巴车项目， 分析了混合动力系统中的能量流管理系统，提出了动力系统拓扑结构，采用了 燃料电池和超级电容联合驱动的方案，结合燃料电池电动汽车的实际情况，对 其多能源动力系统进行神经网络多模型的建模，提出了基于多模型的能量流控 制策略，以及自适应切换控制的方法和理论，提高了系统的动态性能，能量的 利用率也有所提高，能量流的优化与控制得以实现。 针对机器人混合电源系统的研究相对较少，袁学庆【i l 】等人针对水下的环境 特点和质子交换膜燃料电池的特性，根据实验的数据，提出了水下机器人运行 中，燃料电池应用技术的改进措施。谢长君【1 2 j 等人对自主机器人多能源动力系 统采用了燃料电池与镍氢电池混合构成的方案，分别在启动、匀速、制动、加 载工作模式下设计了机器人系统的能量流控制策略，提高了系统的经济性，并 有效的保护了燃料电池。赵高星【1 4 j 根据国内外机器人能源部分的研究，综合比 较适合机器人系统的能源，选择了质子交换膜燃料电池作为主要能源，镍氢电 池作为辅助能源的动力系统方案，对自主机器人系统的工作原理和特性进行了 介绍，并设计了燃料电池和镍氢电池混合动力的系统结构，利用模糊控制的方 案，对系统能源分配进行了控制。狄艾威【1 5 】将燃料电池，超级电容和蓄电池三 个电源通过一种新型的拓扑结构，利用双向d c d c 变换器结合起来，为燃料电 池机器人系统提供能量，在硬件方面，设计了基于d s p 技术的控制系统，软件 方面，设计了基于滑模变结构与p i 控制结合在一起的控制器，在不同的工作模 式下，分别对燃料电池机器人系统进行能量流管理和控制。 4 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池机器人相对于其他由燃料电池驱动的装置来说由更大的自由度，也 因此会引起连续不断的电流波动。而燃料电池有其自身特有的构成和工作特性， 决定了燃料电池输出功率不适应频繁变化。 综上所述，燃料电池混合电源系统是一个相对复杂的非线性系统，建立其 准确的系统模型是对其进行良好控制的前提。目前对于非线性系统建立模型的 方法有很多，有神经网络预测模型，状态空间模型等，为分析非线性系统也提 供了便利。要实现两种能源之间的优化调配，满足燃料电池机器人性能和提高 运行效率的要求，还必须制定合理、优化的控制策略指导能量分配和控制能量 流动。目前的控制方法有基于模型的预测控制，模糊控制等。虽然现在关于燃 料电池蓄电池混合动力，燃料电池超级电容混合动力的能量流管理研究方法 很多，而且也得到了很好的应用，但是特定系统有其特有的特性，针对燃料电 池自主机器人燃料电池超级电容混合动力系统的能量流管理也有其特有的意 义。 1 4 主要研究内容 本文首先介绍了燃料电池混合电源系统的国内外研究现状，在分析燃料电 池机器人混合动力系统结构的基础上，提出了针对此非线性系统的建模方法和 控制策略，并对系统进行了仿真和分析。本文的主要研究工作有： ( 1 ) 燃料电池机器人系统结构分析与设计 由于具有多个电机，燃料电池机器人系统相比其他燃料电池系统多了很大 的自由度，本文分析了燃料电池的基本工作特性，以及在机器人系统中配备辅 助电源，构成混合电源系统的必要性。并通过对比，设计混合电源系统拓扑结 构。 ( 2 ) 燃料电池混合电源系统模型的建立 燃料电池机器人多电源系统为一个多输入多输出的非线性系统，本文分析 了系统主要的输入输出参数，以及燃料电池和超级电容工作条件的约束等，利 用递归神经网络和带外生变量的自回归平均滑动系数模型相结合来建立系统的 模型。 ( 3 ) 燃料电池机器人混合电源能量流管理的控制策略的设计 根据上述建立的非线性模型，参考燃料电池混合动力电动汽车能量流管理 的控制方法，提出基于模型的预测控制策略，使混合电源系统在各种模式下， 5 武汉理工大学硕士学位论文 以及在负载剧烈变化的时候，能够对能量进行很好的配比和控制，在保证系统 正常工作的前提下，保护燃料电池，提高系统的性能。 ( 4 ) 在m a t l a b 环境下对系统模型进行仿真并分析 利用实验获得的部分数据，对系统模型进行仿真实验，对功率需求，燃料 电池超级电容电流电压输出，能量配比曲线等实验结果进行分析，验证模型预 测控制的控制结果。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池机器人电源系统结构分析与设计 本章分析了燃料电池的基本原理与特性，并分析了在燃料电池机器人系统 中，需要配备辅助能源的必要性，通过不同能源的对比，选择超级电容作为系 统的辅助电源，并具体介绍了超级电容的基本原理，工作特性及其性能。在此 基础上，针对混合电源系统的不同拓扑结构做对比分析，选择适合机器人系统 的拓扑结构。 2 1燃料电池基本原理与特性分析 近年来，由于能源匮乏，和社会发展对环境保护的要求越来越高，新的环 保型能源越来越受到重视。质子交换膜燃料电池是一种原电池，借助于电化学 过程，将其内部的化学能直接转换成电能，电池两个电极分别有持续独立供给 的氧化剂和燃料，二者在电极处进行反应。 在原理上，质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ， p e m f c ) 相当于水电解的“逆”装置。其单片电池由质子交换膜、阳极和阴极 组成，阳极是氢燃料发生氧化反应的场所，阴极是氧化剂还原反应的场所，阴 阳两极都具有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时， 燃料电池相当于一个直流电源，阴极为电源正极，其阳极即电源负极【1 刀。 在两电极的发生的反应分别为： 阳极( 负极) t 2 - 4 e 一= 4 日+( 2 - 1 ) 阴极( 正极) ： 0 5 + 4 e 一+ 4 日+ = 2 皿d ( 2 2 ) 当电子经外电路流向阴极时，就产生了直流电。以阳极作为参考电位的时 候，阴极的电压是1 2 3 v 。也就是说，在理论上，燃料电池单片电池的发电电 压上限是1 2 3 v 。接有负载时燃料电池的输出电压取决于其输出电流密度，通 常在0 5 1 v 之间。 质子交换膜燃料电池结构简单、操作方便、工作温度低、启动快、比功率 7 武汉理工大学硕士学位论文 高，因具有这些优点，它被公认为电动汽车和固定发电站等的首选能源。质子 交换膜是质子在燃料电池内部输送和迁移的通道，质子从阳极到达阴极必须经 过质子交换膜，与位于外电路的电子构成回路后，才能向外界提供电流。因此， 对于燃料电池的性能来说起，质子交换膜的性能至关重要，是直接影响电池的 使用寿命的因素。其特性如图： b c 图2 1 质子交换膜燃料电池电流电压特性曲线 从图中可以看出，从起始的阶段来看，随着负载的增加，燃料电池输出电 压的下降速度是很快的，而电池的输出电流是随着负载加大而升高的，这个过 程中，电池的电压呈现一个下降的趋势，但是，相比普通的电池，燃料电池的 电压下降的比率要大很多。燃料电池系统运行的最佳区域是其电流的范围的中 间区域，大概在最大电流的7 5 0 左右，大的电流将导致系统的效率较低， 因为产生的电压降较大，通过这一特性也体现出燃料电池的电压电流的特性是 偏软的。另一个方面，电流很小也会导致效率低的情况出现，因为支持燃料电 池运行的辅助系统消耗的能量占整个系统的百分比增大了。 在实际的应用过程中，燃料电池堆需要将多个单片电池以串联层叠组合构 成。并且还需要辅助设备支持其运行。辅助设备主要包括有空气供给系统，氢 气供给系统，水热管理系统和电控设备等，与燃料电池一起构成燃料电池系统。 燃料电池系统本身带有自适应控制系统，可以根据电机控制系统的工作需求输 出功率，但是由于燃料电池自身的弱点，伴随着输出功率的增大，其输出电压 会有所下降，不利于电机稳定工作【l 7 1 。 2 2燃料电池机器人混合电源系统构成必要性分析 首先，从系统的动态响应性能方面考虑，燃料电池具有一定的时滞特性， 在负载突变时的动态响应速度较慢，机器人有多个电机来完成其行动，机器人 8 武汉理工大学硕士学位论文 负载也具有多种工作模式，如：启动、移动、制动等。机器人的多个电机在同一 时刻的工作状态也不一定是相同的。因此，机器人系统运动的自由度很大，工 作模式之间的转换也相对其他系统来说更加频繁。在机器人工作模式发生变化 时，机器人所需要的电源功率也会随之波动。在这个动态过程中，如果只有燃 料电池作为供电电源，会由于其时滞特性，导致不能及时配合机器人的行动， 提供相应的功率，发生机器人系统不能够正常工作的情况，当机器人所需求功 率突然增加时，需要辅助电源及时提供一部分能量，而当机器人系统需求功率 突然减小时，需要辅助电源来吸收一部分能量，实时满足系统负载突变时的功 率需求，使得整个电源系统动态性能良好【1 8 j 。 其次，燃料电池电流电压的输出特性是较软的，当机器人需要增加功率时， 燃料电池的功率也要求增加，但其输出电压却在快速下降：反之，其输出电压 升高时，输出电流却是降低的，也会导致燃料电池的输出功率减小，不能满足 系统实际的功率需求。而且燃料电池并不能够在很长的一段时间保持其额定功 率，在大部分时间里，其输出功率与其额定功率是有一定差距的。由此可见， 如果单独使用燃料电池作为机器人系统的电源，不能够很好的满足系统功率的 需要。因此，燃料电池不适合作为机器人系统的单独电源，必须引入辅助电源 系统。 再次，燃料电池无法吸收机器人系统制动产生的回馈电能，现代社会，能 源与环境问题，越来越受到重视，节约能源也是对能源进行保护的一项措施， 回馈的电能不能够被系统吸收，而是变成热量被浪费掉，是与这一原则相违背 的。而且，对燃料电池系统的安全性也不利。辅助电源系统的引入，对回馈电 能进行了有效的吸收，提高了能量的利用斛1 9 1 。 然后，由于燃料电池的设计成本较大，当机器人的工作模式变换较快时， 电源系统会出现频繁的电流波动，而由于燃料电池自身方面的原因，这样的电 流波动会严重影响燃料电池的使用寿命和工作效率。而机器人在重载工作模式 下，功率需求较大，需要电源系统的输出功率较大。因此，完全依靠燃料电池 增加功率去满足负载的峰值功率需求和长时间大功率需求，也是不合理的。因 此，需要利用混合动力的方式，在系统中引入辅助电源，满足机器人系统峰值 功率的要求功率的大幅度变化时引起的波动，尽量由辅助电源来承担，有效 的保护燃料电池，节约设计成本【2 0 j 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统辅助电源选择与分析 2 3 1 辅助电源选择 目前常用的用能量存储系统除了超级电容之外，还有蓄电池( 如铅酸、镍 氢以及锂离子电池) 等。下面就几种常用的电源来进行比较分析。 在体积相当的情况下，超级电容器比传统的电容器可以存储更多的能量， 但是不及电池存储的能量。所以说超级电容器这种新型储能装置，在储能方面 是介于传统的电容器和蓄电池的。也就是说超级电容的储能方面的能量是有限 的，更多的是用在需要大电流瞬间放电的情况下，大部分超级电容的成本很高， 价格昂贵，在民用场合还没有得到广泛的应用。 铅酸电池在汽车和其他的领域，应用了一个多世纪，对于混合电源系统， 其优点也有很大的以引力，但是从目前的发展情况来看，铅酸电池因其环保性 差，寿命短，且不适合深度放电，不便于长期储存等缺点将逐步退出市场。 金属镍符合蓄电池的电化学特性，被人们采用，和其他材料组成蓄电池。 镍镉电池的负极为金属镉，正极为氧化镉，在循环使用寿命，机械强度， 比功率方面都有很大的优势，并且其充电能力快速、良好，在放电电流相当大 的范围内，电压曲线也都相对比较平滑。但是也存在成本高的缺点和环境污染 的问题，因此镍氢电池的出现，提供了替代镍镉电池的机会。 镍氢电池的负极为金属氢化物，正极为n i o o h ，电池充电和放电时，是由 金属氢化物来吸收和释放氢气。总体反应为： m h + n i o o h 付m + n i ( o h ) 2( 2 - 3 ) 镍氢电池在应用时，也需要像燃料电池一样，由许多电池单片组合成电池 组。放电时，金属氢化物氧化，充电时，氢氧化物在正极发生还原反应。也是 一类新型环保能源。镍氢电池有着比能量高，充电时间短而且充电效率高，回 收性能好，使用寿命长等优点。其属于碱性电池，有很多与镍镉电池相似的基 本特性，镍氢电池的这些优点可以满足机器人在具有高负荷时的大功率放电的 需求，也对机器人的再生制动十分有利。另外镍氢电池在燃料电池混合动力汽 车上的应用也比较广泛。但是其成本很高。 锂离子电池是继镍氢电池之后的另外一种极具有发展潜力的蓄电池，锂离 子电池虽然比功率高，使用寿命长，但其成本很高，而且性能不稳定。 从以上分析可以看出文中列出的几种电池的优劣性，镍氢电池也比较适合 l o 武汉理工大学硕士学位论文 作机器人系统的辅助能源。但采用超级电容做辅助电源，已经可以满足本课题 研究中的系统的能量需求，因此，本文选择超级电容作为系统的辅助电源，将 超级电容的功率特性和燃料电池的高能量储存的特性结合起来，来提供燃料电 池机器人系统的需求功率。 2 3 2 超级电容基本原理 超级电容器也称电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间的新型 储能容器。超级电容器产品面世的时间并不长，是2 0 世纪7 0 年代末出现的，但 是它对于传统的电容器有很大的突破，传统的电容器储存能量的原理，是通过 在电势能的作用下，电极间的电解质产生的极化效应。而超级电容是靠极化电 解液，在电极表面发生氧化还原反应，来储存静电能量，电极和电解质形成特有 的双层结构，又称为电化学双层电容，它的优点让它在很多方面得到很好的应 用。双电层电容器技术是实现超级电容原理的主要途径，基本原理如图： 极化电极 电解液 + 隔离层 极化电极 电解液 图2 2 超级电容基本原理 在稀硫酸液中，有两根彼此隔开的碳棒，当电压从零增加开始充电至1 v 时，几乎什么现象也没发生，但到1 2 v 时，两个电极的表面上都会有小泡沫出 现，那些泡沫是在电压为1 v 以上的时候水的电解现象，低于此电压时，虽然 并没有电流在流通，但是在电解液的边界和电极的边界处已经出现了“双电层 。 一个电容器，已经因为电子穿过双电层充电而形成了。在低于电解电压时，该 双电层如同是一个绝缘体。其储存的能量可以用下式表示： e ：i c y 2 2 ( 2 - 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中c 为电容量( f ) ；v 为有效电压( v ) ，对于含水电解液的电容器，每个 单元的额定电压为0 9 v ，而对于无水电解液的电容器，其每个单元的额定电压 约为2 3 v 至3 3 v 。 2 3 3 超级电容的特性和性能分析 超级电容的电容量取决于电极间距离和电极表面积，具有高至数千法拉的 电容量。在储能机理上，它是高度可逆的，可以快速充放电，并且充电次数多， 寿命很长。超级电容的瞬间放电电流可以达到数千安培，同时它还安全可靠、可 以在很宽的温度范围内使用。由于超级电容具有这些特点，虽然难以单独的作 为能量储存装置，却是一种优秀的辅助能源。它可以很好的弥补燃料电池或者 蓄电池作为主电源时响应速度慢，以及不能回收制动能量的缺点，使得燃料电 池的有效能量增加，提高了燃料的经济性，而且使得燃料电池的持续工作时间 和寿命得以显著增加【1 刀。 在充电和放电期间，超级电容器的性能可以通过超级电容器端电压在不同 的电流放电率下的改变来描述，在超级电容器中，有这样三个参数，绝缘材料 漏电阻、电容量和串联电阻，其中电容量的电位为圪，漏电阻和串联电阻分别 用毗和风来表示。在放电期间，超级电容器的端电压可以用下式来表示。 圪= 一i r , ( 2 - 5 ) 超级电容器电位可以表示为 堡= 一盟 。(2-6)dtc 其中，c 为超级电容器的电容。另外，漏电流可以表示为 屯= 老 ( 2 - 7 ) 可以得到 亟：旦一三( 2 - 8 ) d t c r ， c 解出圪圪。p 魂r， ( 2 - 9 ) 式中，i 为其放电电流，此式为表示实际运行时间的函数，电流放电率不 同，超级电容器的单元端电压也会随着放电时i 日- j 而下降，其下降趋势都是线性 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的，但是斜率不同。电流的放电率越高，其单元端电压下降的速度越快。 实际运行中，由于对应于低荷电状态( 低电压) 的低功率，超级电容器所 存储的能量不可能被完全的利用，超级电容通常会给出一个底电压，当电 压低于该底电压时，超级电容将停止能量的传送，其有效的可利用的能量可以 表示为： 色= 去c ( 喙一吃) ( 2 - 1 0 ) v c r 为超级电容的额定电压，在其底电压条件下，其荷电状态可以表示为： 舳c ：饕磐：鲁( 2 - 1 1 ) o 5 c 珐喙 2 4 燃料电池机器人混合电源系统构成分析与设计 由上述可知，混合电源系统辅助电源可以有多种选择，根据辅助电源的不 同，对于燃料电池混合电源系统，也有不同的拓扑结构。目前国内外主要有以 下三种方案：燃料电池+ 蓄电池；燃料电池+ 超级电容；燃料电池+ 蓄电池+ 超级 电容。 本文中，选择超级电容作为辅助电源，混合电源系统的拓扑结构主要有以 下几种： ( 1 ) 燃料电池与超级电容直接并联 图2 3 超级电容燃料电池直接并联结构图 以超级电容作为辅助电源，超级电容可以吸收部分制动回馈的电能，也可 以利用超级电容短时间放电，在机器人需要长时间加速运动时，提高系统的动 态响应能力。但是从另一个角度来说，超级电容直接并联在母线上，它的电压 随着母线电压变化而变化，母线电压随着燃料电池的功率达到最大值，而降低 到最小值，此时，超级电容的电量也已经放完，是不能满足机器人系统长时间 加速运动的功率需求的。另外，燃料电池直接并联在直流母线上，系统通过控 武汉理工大学硕士学位论文 制辅助电源的功率来满足整个系统的功率需求，作为主能源的燃料电池，没有 得到很好的保护。 ( 2 ) 超级电容通过d c d c 变换器与燃料电池并联 图2 - 4 超级电容通过d c d c 变换器与燃料电池并联结构图 相比第一种方案，超级电容通过d c d c 变换器与燃料电池并联可以使得超 级电容在机器人运行的过程当中，利用双向d c d c 的控制作用，来调节自身的 工作状态，保证在机器人运行时，及时的为其提供峰值功率，和回收制动时产 生的回馈电能，保持在一个相对理想的工作模式。但是这种方案，同样没有对 燃料电池进行保护。 ( 3 ) 燃料电池通过d c d c 变换器与超级电容并联 图2 。5 燃料电池通过d c d c 变换器与超级电容并联结构图 由于单向d c d c 变换器的应用，当燃料电池的电压低于母线电压时，其