燃料电池空气供应系统的建模与控制仿真

摘要

随着能源危机的日益临近,质子交换膜燃料电池技术越来越受到人们的关注。相比传统的内燃机,燃料电池拥有能量转换效率高且环境友好的优势,因而被期望成为石油燃料发动机的替代品。但是,因为燃料电池发动机在寿命、成本和环境适应性上与内燃机还有很大的差距,故仍没有成为主流的车载动力源。本文针对燃料电池系统环境适应性不强的劣势,设计了一系列控制模块,旨在使其在时便的环境条件下依然可以快速、准确地响应外部的功率需求。
　　 本文首先对燃料电池空气系统中的离心风机和电堆建立了模型。由于常压系统的特殊性,在建立风机模型时,利用电堆入口空气流量与压力一一对应的关系,将三维的转速、流量和压力的关系简化为两维风机运行流量与压力的轨迹。在对燃料电池电堆的建模中,本文通过线性回归的方法取得相关参数的系数,并以此建立燃料电池电堆的经验模型。在此基础上,通过对于相关参数的改变,揭示了燃料电池系统对于不同燃料供应条件、电堆温度等的输出特性变化规律。
　　 为了增强燃料电池系统的环境适应性,首先尝试解决电堆温度变化对于系统响应的影响。通过设计计入实时温度的参考电流计算方法,改变了通常只依循外部功率需求大小,而将所有相关参数均视为恒定的传统模式。由于环境因素的变化会导致燃料电池空气供应不足,对此本文采用流量传感器(风速仪)进行流量反馈控制。在实际应用过程中,由于系统稳定的需要,反馈环节在调节力度上很小,这样就造成了系统响应速度变慢。在需求变化频繁的使用条件下也就相当于输出产生误差。对此,本文提出用实时更新的前馈查询表代替原有的静态查询表,以提高系统的工作效率。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 燃料电池介绍

1.2 燃料电池结构和工作原理

1.3 燃料电池能量转换效率

1.4 燃料电池的发展

1.5 本文的工作

第2章 燃料电池系统

2.1 反应气体压力的选择与影响

2.1.1 高低压系统构成比较

2.1.2 系统压力的选择

2.2 燃料电池系统的组成

2.2.1 氢气供应系统

2.2.2 空气供应系统

2.2.3 水循环(散热)系统

2.3 燃料电池系统的效率

2.3.1 效率的定义

2.3.2 影响效率的因素

第3章 燃料电池空气供应系统建模

3.1 离心风机的流体特性

3.2 离心风机建模

3.2.1 风机出口空气温度

3.2.2 风机出口空气压力与流量

3.2.3 风机的功耗

3.3 燃料电池输出特性

3.3.1 燃料电池的极化现象

3.3.2 燃料电池活化极化

3.3.3 欧姆极化

3.3.4 浓差极化

3.3.5 燃料电池电压

3.4 燃料电池电堆建模

第4章 燃料电池系统运行方案

4.1 燃料电池系统的失效分析

4.1.1 本质失效

4.1.2 误用失效

4.2 系统控制器的功能

4.3 系统控制单元结构

4.4 系统运行步骤

4.4.1 上电自检

4.4.2 启动步骤

4.4.3 正常关闭步骤

4.4.4 故障紧急关闭步骤

第5章 燃料电池空气供应系统控制方法

5.1 现有的控制方法

5.2 空气供应系统控制流程

5.3 电堆温度影响的应对策略

5.4 流量不足影响的应对策略

第6章 控制算法的仿真与分析

6.1 电堆温度变化仿真分析

6.2 空气流量变化仿真分析

6.3 自适应查询表的应用

第7章 总结与展望

7.1 结论

7.2 进一步的工作方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果