《Sliding-Mode Control of PEM Fuel Cells》
《Sliding-Mode Control of PEM Fuel Cells》质子交换膜燃料电池的滑模控制
作者：
Cristian Kunusch
Institut de Robòtica i Informàtica Industrial
CSIC-Universitat Politècnica de Catalunya
Paul Puleston
Depto. Electrotecnia
Laboratorio de Electrónica Industrial,
Control e Instrumentación (LEICI)
Universidad Nacional
de La Plata—CONICET
Miguel Mayosky
Depto. Electrotecnia
Laboratorio de Electrónica Industrial,
Control e Instrumentación (LEICI)
Universidad Nacional de La Plata
Comisión de Investigaciones Científicas
de la Provincia de Buenos Aires
(CICpBA)
出版社：Springer
出版时间：2012年
目录
1 Introducing Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 An Outlook of the Energy Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 What is a Fuel Cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 State-of-the-Art on Fuel Cell Systems Technology . . . . . . . . . 3
1.3.1 Fuel Cell Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Fuel Cell Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Auxiliary Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 A Brief History of Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Closed-Loop Operation of Fuel Cells. Why? . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Scope and Outline of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 PEM Fuel Cell Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 An Introduction to PEM Technology . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Basics of PEM Fuel Cells Operation . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 EfficiencyandPowerConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 State-of-the-Art in PEM Fuel Cells Technology . . . . . . . . . . 18
2.5 Components and Associated Devices . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Polymeric Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.2 Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.3 Gas Diffusion Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.4 SealingGaskets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.5 BipolarPlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.6 Auxiliary Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Available PEM Fuel Cell Models in the Open Literature . . . . . . 27
2.6.1 Control Oriented Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.2 Control Objectives and Challenges . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.3 Recent Advances on PEM Fuel Cell Control . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Fundamentals of Sliding-Mode Control Design . . . . . . . . . . . . 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
xi
xii Contents
3.2 VariableStructureControlPreliminaries . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Fundamentals of Sliding-Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 Diffeomorphisms, Lie Derivative and Relative Degree . . . 37
3.3.2 First-OrderSlidingMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.3 Equivalent Control Regularisation Method. Ideal Sliding
Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.4 Existence Conditions for the First-Order Sliding Regime . . 42
3.3.5 Extension to Nonlinear Systems Non-affine in Control . . . 45
3.3.6 FilippovRegularisationMethod . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.7 Discontinuous Control Action in Classic Sliding-Mode
Control.ChatteringProblem. . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Some General Concepts on Higher-Order Sliding Modes . . . . . . 48
3.4.1 Definition of Differential Inclusion . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Sliding Modes on Manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 Sliding Modes and Constraint Functions. Regularity
Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.4 Closing Comments on Higher-Order Sliding Modes in
ControlSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Design of Second-Order Sliding-Mode Controllers . . . . . . . . . 54
3.5.1 Second-Order Sliding Generalised Problem . . . . . . . . . 54
3.5.2 Solutionof theControlProblem.SOSMAlgorithms . . . . 56
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Assessment of SOSM Techniques Applied to Fuel Cells. Case Study:
Electric Vehicle Stoichiometry Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Succinct Description of the Electric Vehicle Fuel Cell System . . . 74
4.2.1 AirCompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Air Supply Manifold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.3 Air Humidifier and Temperature Conditioner Subsystems . 77
4.2.4 Cathode Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.5 Anode Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.6 Water Model of the Polymeric Membrane . . . . . . . . . 79
4.2.7 ReturnManifold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Electric Vehicle FCGS State Space Model for SOSM Control
Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4 ControlObjective andSlidingSurface . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Design of a SOSM Super-Twisting Controller for the Electric
VehicleFCGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.6 SOSM Super-Twisting Controller Simulation Results . . . . . . . 88
4.7 ComparisonwithOtherControlStrategies . . . . . . . . . . . . . 93
4.7.1 DifferentSOSMControlAlgorithms . . . . . . . . . . . . 93
4.7.2 LQRController . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Contents xiii
5 Control-Oriented Modelling and Experimental Validation
of a PEMFC Generation System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 Air Compressor Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.2.1 Air Compressor Motor Dynamic Equations . . . . . . . . . 107
5.2.2 Diaphragm Vacuum Pump Characteristics . . . . . . . . . 111
5.3 Air Supply Manifold Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Air Humidification Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1 Step1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Step2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5 Fuel Cell Stack Flow Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.1 Cathode Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.5.2 Anode Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.3 MembraneWaterTransport . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.6 Electrical Characterisation of the Fuel Cell Stack . . . . . . . . . . 123
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6 SOSM Controller for the PEMFC-Based Generation System.
Design and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 State Space Model of the Experimental Fuel Cell System for
ControlDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2.1 ControlOutput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2 Auxiliary Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.3 ControlObjective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.4 Controller Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.1 Super-Twisting Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.4.2 TwistingAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.4.3 Sub-Optimal Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.4.4 Feedforward Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.6 Experimental Set-up of the PEM Fuel Cell System . . . . . . . . . 143
6.7 Experimental Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.7.1 RegulationTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.7.2 PerturbationTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7 Conclusions, Open Lines and Further Reading . . . . . . . . . . . . 153
7.1 MainResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.2 Further IssuesRelatedtoPEMFCControl . . . . . . . . . . . . . 154
7.2.1 Adaptive Super-Twisting Algorithms . . . . . . . . . . . . 154
7.2.2 HOSMMIMOControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.3 Model Predictive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2.4 Observers for InternalVariables . . . . . . . . . . . . . . . 156
xiv Contents
7.3 Further Issues Related to Fuel-Cell-Based Systems . . . . . . . . . 157
7.3.1 Hybrid Standalone Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.3.2 Distributed Generation Systems . . . . . . . . . . . . . . . 157
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Appendix A Electric Vehicle PEM Fuel Cell Stack Parameters . . . . . 161
A.1 Return Manifold Polynomial Fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
A.2 DifferentialEquationsParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
A.3 ControllerParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Appendix B Laboratory FC Generation System Parameters . . . . . . . 165
Appendix C Laboratory FCGS State Space Functions and Coefficients 169
C.1 Expression of ϕ(x,u, t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
C.2 Model Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
C.3 Feedforward Control Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
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