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第1章 绪论1

1.1 燃料电池技术概述1

1.1.1 燃料电池种类1

1.1.2 板式和管式设计2

1.1.3 燃料电池体系3

1.1.4 燃料电池的优、缺点4

1.2 建模、状态估计和控制4

1.3 本书覆盖范围5

1.4 本书大纲5

第1部分 基本原理7

第2章 化学反应的第一性原理建模7

2.1 热力学7

2.1.1 能量的形态7

2.1.2 第一定律7

2.1.3 第二定律8

2.2 热传递9

2.2.1 传导9

2.2.2 对流10

2.2.3 辐射11

2.3 质量传递13

2.4 流体力学15

2.4.1 黏性流15

2.4.2 速度分布16

2.4.3 伯努利方程16

2.5 变化方程式16

2.5.1 连续性方程17

2.5.2 运动方程17

2.5.3 能量平衡方程18

2.5.4 连续性方程的种类19

2.6 化学反应20

2.6.1 反应速率20

2.6.2 可逆反应21

2.6.3 反应热21

2.7 注解和参考文献22

第3章 系统辨识Ⅰ23

3.1 离散时间系统23

3.2 信号28

3.2.1 输入信号28

3.2.2 信号的光谱特性32

3.2.3 输入信号的持续激励35

3.2.4 输入设计39

3.3 模型39

3.3.1 线性模型39

3.3.2 非线性模型43

3.4 注解和参考文献45

第4章 系统辨识Ⅱ46

4.1 回归分析46

4.1.1 利用外生输入模型的移动平均自动回归46

4.1.2 线性回归47

4.1.3 线性回归分析48

4.1.4 加权最小二乘法49

4.2 预测误差方法52

4.2.1 最优预测53

4.2.2 预测误差方法57

4.2.3 独立参数预测误差法60

4.2.4 PEM渐近方差属性61

4.2.5 非线性辨识62

4.3 模型验证64

4.3.1 模型结构选择64

4.3.2 简约原则65

4.3.3 模型结构比较66

4.4 经验法67

4.4.1 非零处理67

4.4.2 漂移干扰处理68

4.4.3 鲁棒性68

4.4.4 额外的模型验证68

4.5 闭环辨识69

4.5.1 直接闭环辨识70

4.5.2 间接闭环辨识71

4.6 子空间辨识75

4.6.1 符号76

4.6.2 回归分析法子空间辨识80

4.6.3 范例82

4.7 注解和参考文献85

第5章 状态估计86

5.1 随机动态系统过滤技术进展86

5.2 问题界定88

5.3 状态估计的序贯贝叶斯推理89

5.3.1 KF和EKF92

5.3.2 UKF94

5.4 范例97

5.5 注解和参考文献100

第6章 模型预测控制102

6.1 最先进的模型预测控制102

6.2 基本原理103

6.2.1 MPC模型104

6.2.2 自由和强迫响应105

6.2.3 目标函数105

6.2.4 限制条件106

6.2.5 MPC规则106

6.3 DMC107

6.3.1 预测107

6.3.2 无变形控制移动的DMC109

6.3.3 变形控制移动的DMC109

6.3.4 DMC算法反馈110

6.4 NMPC113

6.5 NMPC通用优化准则115

6.6 离散模型：正交配置法115

6.6.1 预测时域1的正交配置方法116

6.6.2 预测时域N的正交配置方法118

6.7 MPC的优、缺点120

6.8 最优化121

6.9 范例：混沌系统122

6.10 注解和参考文献123

第2部分 管式SOFC124

第7章 管式SOFC动态模型：第一性原理方法124

7.1 SOFC堆栈的设计124

7.2 转换过程125

7.2.1 电化学反应125

7.2.2 电流动态128

7.3 扩散动态129

7.3.1 扩散传递函数130

7.3.2 简化的扩散传递函数131

7.3.3 扩散动态模型132

7.3.4 扩散系数133

7.4 燃料输送过程134

7.4.1 重整／转移反应134

7.4.2 传质过程135

7.4.3 动量传递137

7.4.4 能量转移和热交换138

7.5 空气输送过程139

7.5.1 阴极通道传质139

7.5.2 阴极通道动量传递140

7.5.3 阴极通道能量传递140

7.5.4 注入通道空气140

7.6 SOFC温度141

7.6.1 动态能量交换过程141

7.6.2 热传导142

7.6.3 对流143

7.6.4 辐射144

7.6.5 电池温度模型145

7.6.6 注入管温度模型145

7.7 最终动态模型146

7.7.1 I/O变量146

7.7.2 状态空间模型147

7.7.3 模型验证150

7.8 模拟动态属性研究152

7.8.1 扩散动态152

7.8.2 燃料输送过程动态154

7.8.3 空气输送过程动态156

7.8.4 外部负载动态157

7.9 注解和参考文献160

第8章 管式SOFC动态模型：简化的第一性原理方法161

8.1 简介161

8.1.1 过程变量的关系161

8.1.2 功率输出限制162

8.2 SOFC堆栈的低阶状态空间模型162

8.2.1 物理过程163

8.2.2 建模假设163

8.2.3 I/O变量163

8.2.4 电压165

8.2.5 分压166

8.2.6 流速167

8.2.7 温度169

8.3 非线性状态空间模型170

8.4 仿真172

8.4.1 验证172

8.4.2 输入阶跃响应174

8.4.3 干扰阶跃响应174

8.5 注解和参考文献177

第9章 管式SOFC的动态建模与控制：系统辨识方法178

9.1 简介178

9.2 系统辨识178

9.2.1 变量选择178

9.2.2 阶跃响应测试179

9.2.3 非典型性阶跃响应181

9.2.4 输入设计183

9.2.5 线性系统辨识184

9.2.6 非线性系统辨识199

9.3 PID控制203

9.3.1 设定点跟踪204

9.3.2 抗干扰204

9.3.3 离散时间过程IMC206

9.3.4 多环控制SOFC离散时间IMC应用214

9.4 闭环辨识218

9.5 注解和参考文献223

第3部分 板式SOFC224

第10章 板式SOFC动态建模：第一性原理方法224

10.1 简介224

10.2 几何学225

10.3 堆栈电压225

10.4 质量守恒227

10.5 能量守恒228

10.5.1 集中模型228

10.5.2 详细模型229

10.6 仿真232

10.6.1 稳态响应233

10.6.2 动态响应234

10.7 注解和参考文献236

第11章 板式SOFC系统动态建模237

11.1 简介237

11.2 燃料电池系统237

11.2.1 燃料和空气热交换238

11.2.2 重整装置239

11.2.3 燃烧器240

11.3 连同电容器的SOFC241

11.4 仿真结果242

11.4.1 燃料电池系统仿真242

11.4.2 超级电容器SOFC堆栈245

11.5 注解和参考文献245

第12章 板式SOFC系统的模型预测控制246

12.1 简介246

12.2 控制目标247

12.3 状态估计：UKF248

12.4 稳态经济优化250

12.5 控制和仿真251

12.5.1 LMPC252

12.5.2 NMPC254

12.5.3 优化254

12.6 结果与讨论256

12.7 注解和参考文献257

附录 性质和参数258

A.1 参数258

A.2 气体性质259

参考文献263