【自动化】燃料电池单片内阻在线测试与pem含水量软测量研究

（申请工学硕士学位论文）燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究培养单位自动化学院学科专业控制理论与控制工程研究生舒芝锋指导老师陈启宏教授2008年4月燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究舒芝锋武汉理工大学分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目燃料电池单片内阻在线测试与PEM含水量软测量研究英文RESEARCHONONLINEMONITORINGSYSTEMOFEACHFUEL题目CELLRESISTANCEANDSOFTSENSINGTHEPEMWATERCONTENT研究生姓名舒芝锋姓名陈启宏职称教授学位博士单位名称自动化学院邮编430070申请学位级别硕士学科专业名称控制理论与控制工程论文提交日期2008年4月论文答辩日期2008年5月7日学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人指导教师2008年4月摘要燃料电池是一种最具潜力的绿色发电装置，是当前新能源领域的研究热点。燃料电池堆通常由多个单片电池串联组成，在运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了评估各单片电池性能并及时发现异常的单片电池，必须实时监测各单片电池内阻与电压。质子交换膜（PEM）燃料电池的欧姆内阻在很大程度上是由PEM含水量决定的，从而影响燃料电池的发电效率。针对以上问题，本文开展燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统设计与电堆PEM平均含水量软测量研究。主要研究内容如下首先阐述了单片燃料电池的实验模型和等效电路模型，分析了PEM燃料电池内阻的组成部分及特点，比较了目前国内外燃料电池内阻测试法的优缺点，并基于交流阻抗法提出了燃料电池堆单片内阻在线测试系统的总体方案。在系统总体方案的基础上，进行了以高性能的DSP为核心的系统硬件平台设计，具体设计了高精度的信号检测与处理电路、AD转换电路、SCI通信扩展电路、CAN通信电路等，并详细分析了各电路的设计原理及参数选择依据。在对系统软件进行需求分析的基础上，对软件功能模块进行了划分，基于DSP软件开发平台CCS设计了系统初始化程序、AD转换程序、中断程序等子程序，制定了具体的SCI和CAN通信应用层协议。同时运用VB设计了功能完善的上位机软件。针对PEM含水量不易直接测量的问题，分析单片电池PEM含水量与其欧姆内阻的机理关系，提出了基于RBF神经网络的电堆PEM平均含水量软测量方法，研究了软测量模型中辅助变量选取和数据预处理的方法，对RBF网络软测量模型进行了仿真实验验证，仿真结果表明本文建立的RBF网络软测量模型能较好地预测电堆PEM平均含水量。整个系统电路简洁、清晰，可靠性高，测量精度高、速度快，较好地实现了对小型燃料电池堆各单片电池内阻与电压实时高精度监测。关键词单片燃料电池，欧姆内阻，在线测试，PEM含水量，软测量ABSTRACTKEYWORDSSINGLEFUELCELL,OHMICRESISTANCE,ONLINEMONITORING,PEMWATERCONTENT,SOFTSENSING目录第1章绪论111引言112课题研究意义213国内外研究现状314主要研究内容6第2章燃料电池单片内阻在线测试系统方案设计721燃料电池概述722PEM燃料电池实验模型723PEM燃料电池等效电路924燃料电池单片内阻在线测试系统总体方案925本章小结12第3章燃料电池单片内阻在线测试系统硬件设计1331CPU模块13311TMS320LF2407A的最小系统设计14312外部存储器扩展1532交直流叠加电压与电流实时采集模块16321单电池端电压采集电路设计17322电流采集电路设计18323交直流分离电路设计1933真有效值测量电路2234相位差检测电路2335温度测量单元2536AD转换单元设计28361AD转换芯片的选择28362AD与DSP接口设计2937通信接口电路设计30371SCI通信接口扩展设计30372CAN接口电路设计3138硬件抗干扰措施3339本章小结34第4章燃料电池单片内阻在线测试系统软件设计3541TMS320LF2407ADSP软件开发35411DSP集成开发环境CCS简介35412TMS320LF2407A的软件开发流程3542下位机软件设计37421系统初始化程序39422AD转换程序设计39423中断程序设计41424SCI应用层协议及其程序设计42425CAN总线应用层协议及其程序设计4443上位机系统软件设计4444本章小结45第5章燃料电池堆PEM含水量软测量研究4651软测量技术概述46511软测量的基本框架47512软测量建模方法4752基于人工神经网络的PEM含水量软测量48521燃料电池PEM中含水量分析48522人工神经网络软测量模型49523径向基函数RBF网络简介50524PEM含水量软测量模型辅助变量选择52525基于RBF网络的PEM含水量软测量5253本章小结56第6章全文总结及展望5761全文工作总结5762展望58参考文献59攻读硕士学位期间发表的论文62致谢63第1章绪论11引言对于当今时代而言，环境保护己经成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国的能源决策和科技导向的关键因素，同时也是促进能源科技发展的巨大推动力。能源是社会和经济的命脉。然而随着日益增长的能源需求，传统的化石燃料能源体系正在面临挑战。首先，现在全世界依赖最深的主要传统能源仍集中于第一位的石油，以及分别占第二位及第三位的煤炭和天然气。其中，石油和天然气的蕴藏量较为有限，可能会在本世纪中叶日趋枯竭。同时，世界未来几十年的经济发展，还是要高度依赖石油和天然气，因此美国能源信息署在2004年4月的国际能源展望中，预测石油和天然气仍是未来25年增长最快的能源。同时现在引起全球气候恶化的温室效应，一半以上是由于目前的能源体系，即含碳化石燃料燃烧后所释放的CO2。人类社会发展至今，绝大部分的能量转化是通过热机过程来实现的。热机过程受卡诺循环的限制，不但转化效率低，造成严重的能源浪费，而且产生大量的粉尘、CO2、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声。由此造成的大气、水质、土壤等污染，严重地威胁着人类的生存环境1。因此，提高能源的利用率和发展替代能源已成为21世纪的主要议题之一。从环境保护和常规能源不可再生性的角度来看，开发清洁的可再生能源为人们所用，已成为当今世界能源利用的发展趋势。其中，氢能作为一种有发展前景、可再生的清洁能源，已引起了人们的广泛关注。目前，氢能的利用形式主要有两种，一是直接将氢燃烧，使氢能转化为热能或电能；二是通过先进的发电装置，如燃料电池（FUELCELL），将氢能转化为电力。燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池。燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率较高（4060），而且环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，CO2的排放量也比常规发电厂减少40以上2。正是由于这些突出的优越性，燃阿拉伯数据字连续编排料电池技术的研究和开发备受各国政府和大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。世界上一些主要工业化国家，正在开发氢燃料电池驱动的电动汽车，并已取得进展。一旦非化石能源廉价制氢、安全贮氢输氢、高效耐用燃料电池等关键技术得到解决，尤其是太阳能、核能、生物质能大规模制氢的技术取得突破后，氢能将得到有效利用3。燃料电池发电系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学等多种学科的复合系统，它在运行过程中需要调节和控制各种参数使反应物及整个反应过程的工作条件始终保持在理想状态4，因此一个实用的燃料电池发电系统必须具备精确监测和控制这些物理量的能力，即燃料电池要在电堆主控系统的实时控制下才能运行。随着当前微电子技术的发展，集成了各种智能芯片和微处理器的主控系统可使燃料电池较好地正常发电，产生的电能一般经过电源变换后就可使用，当前成熟的功率电子技术使电能变换变得十分容易。然而，燃料电池主控系统对各单片电池的运行参数无法实时监测，于是各单片电池的健康状况没有得到保证，电池的发电效率和使用寿命也有待提高，如何监测燃料电池各单片电池的发电状况以及如何进一步提高燃料电池发电效率成为当前研究的热点5。12课题研究意义尽管燃料电池研究开发的的最终目标、制造方法和工作方式不同，但都需要对燃料电池进行监控。就研究开发而言，测试可以描述和优化能量输出，延长燃料电池堆的使用寿命和耐久性。在设计方案的验证过程中，主要目标是优化设计，为批量生产作准备，以及在不降低效率的情况下降低电堆的总成本。在加工制造领域，监测电堆是为了确保它们符合设计规范。在实际应用中，监控系统对电堆的正常工作、使用寿命、故障监测都至关重要。在燃料电池不同的应用阶段都需要设计精良、适用的监控系统，为研究、开发或制造燃料电池的科学家及工程师提供各种测试数据及分析工具来评估和验证燃料电池6。根据实际应用中对燃料电池功率要求，通常燃料电池堆由多个单片电池串联组成。在电堆运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为评估各单片电池性能并及时发现异常的单片电池，必须对各单片电池的相关参数实时监测7。单片燃料电池可等效为一个实际的可调电压源29，其内阻是衡量电子和质子在电极内传输难易程度的主要标志，是决定燃料电池发电效率的关键参数8，也是燃料电池是否正常的最直接反映，所以监测单片电池内阻具有十分重要的意义。同时，燃料电池单片电压是电池发电性能的直接反映，也需要实时监测。因此，为了确保燃料电池的安全、稳定、高效运行，必须对各单片电池内阻与电压进行实时监测。监测内阻也是为研究如何控制内阻、减小欧姆内阻、最终提高电堆发电效率奠定基础。目前，各国科学家都在全力开发绿色能源，各国政府都在大力推行节能减排政策，质子交换膜燃料电池（PROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLS，简称PEMFC）作为最具潜力的绿色能源，如何提高其发电效率已成为研究的热点问题之一。降低燃料电池欧姆内阻是提高燃料电池发电效率最直接、最行之有效的方法。文献表明电堆在运行过程中，PEM含水量在很大程度上决定了欧姆内阻的大小，PEM含水量过低或过高都会严重降低燃料电池的发电效率，燃料电池主控系统只有通过合理地调节电堆加湿水量改变PEM含水量，才能达到减小欧姆内阻、提高电堆发电效率的目的9,10,11，而电堆PEM平均含水量很难直接通过传感器或仪器进行测量，如何在线测量电堆PEM平均含水量成为一大难题。随着软测量技术（SOFTSENSINGTECHNIQUE）的飞速发展，利用燃料电池欧姆内阻等可测信息来间接测量PEM含水量成为一种切实可行的方法。软测量技术也称为软仪表技术（SOFTSENSORTECHNIQUE）。概括地讲，所谓软测量技术就是利用易测过程变量（常称为辅助变量或二次变量SECONDARYVARIABLE，例如工业过程中容易获取的压力、温度等过程参数），依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量（常称为主导变量PRIMARYVARIABLE，例如炼油厂精馏塔中的各种产品组分浓度，化学反应器的反应物浓度和反应速率，生物发酵略中的生物参数等）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，从而实现对待测过程变量的测量12。软测量技术作为一种新型的过程参数检测技术，为解决复杂过程参数的检测问题提供了一条有效的途经。本文所研究的内容来源于国家“十一五高技术研究发展计划”节能与新能源汽车重大专项课题。13国内外研究现状由于时代进步、科技发展，160多年前发明的燃料电池正在经历技术商品化的初期阶段。虽然燃料电池的发电原理相当简单，但其发电性能却往往因不同的操作条件而有不同的表现，因此在技术发展过程中变得异常复杂。又因为它的发电特性，常常需要精密度很高的仪器去测量，才能判断燃料电池在不同情况下的性能表现，所以在发展燃料电池技术的过程中，性能测试便成为重要的一环13。研究开发合适的测试仪器和性能测试程序正在成为燃料电池技术发展的主流。从各种电池用化学物质的研究到电池组和电池模块的设计评价，对于系统的多产品测试，燃料电池测试技术面对极大的挑战与发展机遇14。2006年10月1920日，IEC/TC105燃料电池技术年会在日本东京日立公司技术研发中心召开，来自中国、加拿大、德国、丹麦、法国、英国、意大利、日本、韩国、欧盟和美国等国家和地区的62位代表参加了会议。日本提出了质子交换膜燃料电池单体电池测试方法，该标准拟规定质子交换膜燃料电池的电池组合、测试设备、测量工具、测量方法、测试方法和有关测试报告，用于评价质子交换膜燃料电池的膜电极组件的性能、材料和构成以及燃料中的杂质对于燃料电池性能的影响15。目前此提案已获通过，单体电池测试方法的国际标准正在酝酿中但还未正式公布，所以还没有标准的测试设备及其供应商。目前，许多公司开始走近这项挑战，研究准确检测和监视燃料电池的解决方案。国外许多高校和国家实验室，如美国国家质量标准及技术研究所（KIST）、弗吉尼亚技术学院等，都把燃料电池测试系统的开发作为一个主要研究方向。国外一些燃料电池的研发机构已经成功开发出实用的测试系统，这些公司中最引人注目的是加拿大HYDROGENICS公司和FUELCONSYSTEMS公司、美国国际燃料电池仪器公司和美国ELECTROCHEM公司等6,16，它们推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种燃料电池，可测得电堆和单片电池几乎所有设计指标，实现了科学家所需要的大部分测量。我国在燃料电池测试设备开发上起步较晚，国内专门致力于开发燃料电池测控系统的机构和企业很少，目前还没有很成熟的产品。一些主要的燃料电池研发单位在测试其燃料电池性能时往往要依赖国外的技术和产品，这在一定程度上制约了我国燃料电池技术的发展4。加拿大、美国等国家先后开发了燃料电池内阻测试设备，例如加拿大的HYDROGENICS公司17和FUELCONSYSTEMS公司18、美国ELECTROCHEM公司19等，国外的测试检测设备体积较大，价格高，大都用在燃料电池系统的研发阶段,不适合用于燃料电池发电过程中。目前国内一些公司已开始重视燃料电池测控系统的研究，投入大量经费进行开发，其中就包括燃料电池单片内阻测试设备的研究开发，例如北京飞驰绿能公司制造的质子交换膜燃料电池测试台等10。国内的科研院校也在进行这方面的研究，例如清华大学学汽车安全与节能国家重点实验室已经建成了燃料电池测试系统，包含数据采集、实验控制、软件分析等较完善的模块，清华大学的裴普成等10,20利用此系统进行了质子交换膜燃料电池欧姆阻抗的测试；上海交通大学的莫志军等21进行了燃料电池广义内阻的在线测量研究。国内开发的内阻测试系统主要问题是系统成本高、结构复杂、精度达不到要求，而且欧姆内阻控制方面的研究涉及较少或没有。FUELCONSYSTEMS公司是目前全球领先的燃料电池测试设备供应商，许多领先的燃料电池制造商都在开发的各个阶段使用FUELCONSYSTEMS公司开发的硬件及软件工具来测试燃料电池。这些测试工具在许多类型的燃料电池生产及测试中都是至关重要的，包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物型燃料电池（SOFC）。FUELCONSYSTEMS公司已开发出能够描述电堆和单片电池的测试系统，特别包括燃料电池单片内阻测试功能，如图11所示，该系统以FUELCONEVALUATOR测试台和TRUEDATAEIS分析仪为硬件平台，以FUELWORK为测试软件，较好的解决了燃料电池堆单片交流内阻测试的难题，为燃料电池堆各单片电池内阻在线测试技术奠定了基础18。图11FUELCONSYSTEMS公司开发的燃料电池测试系统文献显示目前燃料电池单片电压测试技术已较为成熟，相对而言，燃料电池单片内阻在线测试的难度较大，现有技术还不成熟，所以本文主要开展燃料电池单片内阻在线测试的研究，将单片电池电压测试集成到燃料电池单片内阻在线测试系统中。表11RS端选择的三种不同的工作方式RS提供条件工作方式RS上的电压或电流VRS075VCC待机方式IRS075VCC待机方式IRS3511则认为XI是异常数据，应该剔除。剔除异常数据后，还剩下300组数据样本，其中各变量的范围如下主导变量燃料电池堆PEM中平均含水量31168三个辅助变量电堆欧姆内阻ROHM20300M电堆电流密度401200MA/CM2电堆平均温度T3585二样本数据的标准化处理本文在建立软测量模型之前要对数据进行标准化处理，标准化处理就是将数据变换到1，1之间或0，1之间，进而消除由于不同特征因子量纲不同和数量级不同所带来的影响。本文将数据变换到0，1之间，按下式做对输入数据和输出数据作标准化处理512MINAXIIXX1、X2、X3、Y分别代表经过标准化处理后的ROHM、T、。由于模型的预测只能对给定范围内的自变量给出响应变量的期望值，即模型的预测能力具有内插值特性，而不具有外插值特性，超出最大值的输入必将会产生较大的输出误差。因此，为了使软测量模型具有较好的预测能力，我们选取的建模用训练样本应尽可能包含各变置的最小和最大值，从而使得校验数据都在样本数据范围内，减少预测误差。三实验研究完成了以上数据采集及数据预处理工作后，设计了RBF网络软测量模型结构框图，如图54所示。网络输入节点数等于所选辅助变量个数M3，XXL，X2，X3T为输入向量；隐含层径向基函数H选用高斯激励函数，即式57，隐含层节点个数N由RBF网络训练结果确定；输出层为一线性组合器S，输出层节点个数L1，WI为隐含层与输出层之间的连接权值。于是RBF网络软测量模型中PEM中平均含水量为Y5131NIYHXX1X2X3HYWISX图54RBF网络软测量模型RBF网络的学习和训练方法很多，此处我们采用常用的K均值聚类算法对RBF网络PEM中水含量模型进行训练，使如下均方误差最小51421NMSEIIY式中N为数据样本组数，YI为第I组数据样本对应的期望值，为第I组数据IY样本对应RBF网络模型的输出，实际上期望值Y就是PEM中含水量实际值经过标准化处理后的结果。训练数据和测试数据都来自剔除异常数据后的数据样本，将经过预处理和标准化处理后的300组数据分为两部分前200组数据作为训练数据，后100组数据作为测试数据。隐含层节点数对模型拟合和预测精度影响很大。随着节点数增加，模型拟合误差不断降低，但模型预测误差却呈上升趋势。因此，必须同时考虑模型拟合误差与泛化能力，不能一味追求高的模型拟合精度，因为这可能引起过拟合现象，丧失预测的功能，也不能将拟合精度定得太低。考虑到模型拟合误差不能太大，而且网络要有较好的泛化能力，本文将模型拟合均方误差EMSE（MEANSQUAREDERROR）定在005007左右，训练结果为模型预测EMSE最小值所对应的隐含层节点数的模型的参数。基于这一思想，分别将隐含层节点数N从0开始依次增加至50，并将他们的模型拟合、预测曲线进行对比，最后确定模型的隐含层节点数N为15，拟合EMSE为0062，预测EMSE为0053，其拟合曲线如图55所示，预测曲线如图56所示。00102030405060708091020406080100120140160180200训练数据样本组数I标准化PEM含水量YS样本值RBF网络输出图55隐含层节点为15时模拟拟合曲线00102030405060708091200220240260280300测试数据样本组数I标准化PEM含水量Y样本值RBF网络输出图56隐含层节点为15时预测曲线K均值聚类算法将RBF网络隐含层参数与权值的训练分开，直接由输入样本确定隐含层中心，训练速度非常快，预测结果与实际值比较接近，绝对误差都小于01，即PEM中平均含水量的预测误差小于137，这是可以被接受的。造成误差的主要原因是样本数量的不足，通过采集更多的样本数据可以更好的减小预测误差。53本章小结本章首先介绍了软测量技术的基本概念及其建模方法，然后分析了在一定假设条件下单片电池PEM含水量与其欧姆内阻的机理关系，结合实际情况选取电堆欧姆内阻、电堆电流密度、电堆平均温度作为电堆PEM平均含水量软测量模型的3个辅助变量，最后采用RBF神经网络建立电堆PEM平均含水量软测量模型，用K均值聚类算法进行仿真实验验证，从训练及预测效果来看，在预先设定隐含层节点数的情况下，K均值聚类算法能满足燃料电池堆PEM平均含水量在线预测的要求。第6章全文总结及展望61全文工作总结燃料电池是一种最具潜力的绿色发电装置，是当前新能源领域的研究热点。燃料电池堆通常由多个单片电池串联组成，在电堆运行过程中，单片电池的异常会影响整个电堆的性能与安全，为了评估各单片电池性能并及时发现异常的单片电池，必须监测各单片电池的运行参数。单片电池等效为一个实际的可调电压源，所以需要实时监测单片电池内阻和电压。各单片电池欧姆内阻之和即为电堆欧姆内阻，对于PEM燃料电池，电堆欧姆内阻在很大程度上是由电堆中PEM平均含水量决定的，进而影响了电堆的发电效率和使用寿命，于是对PEM含水量测量进行了探讨，为今后研究如何控制内阻、减小欧姆内阻、最终提高电堆的发电效率奠定基础。本文研究的课题是燃料电池堆单片电池内阻与电压在线测试系统设计及PEM含水量软测量技术，在燃料电池逐步产业化的今天，希望本文的研究成果能为燃料电池在中国的产业化进程贡献微薄之力，本文主要做了如下工作（1）简要介绍了燃料电池的概念和工作原理、PEM燃料电池的主要特点，阐述了单片燃料电池的实验模型和等效电路模型，分析了PEM燃料电池内阻的组成部分及特点，介绍了目前国内外燃料电池内阻测试方法，比较了各自的优缺点，并基于交流阻抗法设计了燃料电池堆单片内阻在线测试系统的总体方案，详细描述了该系统的工作原理以及各模块的主要功能。（2）在总体方案的基础上，进行了以TMS320LF2407ADSP为核心的系统硬件平台设计，具体设计了高精度信号检测与处理电路、AD转换电路、SCI通信扩展电路、CAN通信电路等，并详细介绍了各电路的设计原理及参数选择依据。（3）在对系统软件进行需求分析的基础上，对软件功能模块进行了划分，基于DSP软件开发平台CCS设计了系统初始化程序、AD转换程序、定时器周期中断程序、外部中断程序等子程序模块，制定了具体的SCI和CAN通信应用层协议。同时简要叙述了上位机软件的功能及其实现方法。（4）针对PEM含水量不易直接测量的问题，分析了单片电池PEM含水量与其欧姆内阻的机理关系，提出了基于RBF神经网络的电堆PEM平均含水量软测量方法，研究了软测量模型中辅助变量选取和数据预处理的方法，对RBF网络软测量模型进行了仿真实验验证，仿真结果表明本文建立的RBF网络软测量模型能较好地预测电堆PEM平均含水量。整个系统电路简洁、清晰，可靠性高，测量精度高、速度快，较好地实现了对小型燃料电池堆各单片电池内阻与电压实时高精度监测。62展望本文在燃料电池堆单片内阻与电压在线测