车用燃料电池的快速动态响应控制策略研究

摘要

质子交换膜燃料电池作为汽车的动力源时，会经历频繁的变载，这导致了车用电池与固定式电池的使用寿命差距巨大。因此，研究燃料电池变载时的电压响应行为，提升电池在负载变化时的响应能力，对于延长车用电池的使用寿命和促进燃料电池汽车的商业化发展具有重要意义。本文围绕车用燃料电池的动态响应展开研究，主要内容如下： 首先，本文阐述了质子交换膜燃料电池的组成和工作原理，分析了影响燃料电池输出电压的主要损失，并结合燃料电池中存在的双电层效应建立了燃料电池的输出电压模型。利用该模型，本文对实际电堆的稳态和动态过程进行了仿真研究，并和实际电压响应曲线对比，验证了模型的可靠性。 其次，本文设计并搭建了燃料电池测试系统，结合实物测试与燃料电池模型，研究了不同运行参数对电池动态电压响应的影响。在此基础上，本文对动态电压响应曲线进行了深入研究，发现缺气是造成电池动态响应性能差的主要原因，故根据缺气现象的严重程度将燃料电池的动态响应状态分为电堆不缺气、电堆部分缺气和电堆整体缺气状态这三种状态，并确定了每个状态之间的界限。此外，本文还分析了动态响应过程气体传输阶段和水合阶段的具体含义并总结了燃料电池加载过程电压响应特征参数的量化公式。 最后，为了避免缺气对电池寿命造成的危害，本文在介绍了模糊控制的基本原理和设计方法的基础上，针对燃料电池系统，设计了基于模糊逻辑的动态供气策略，并进行了阶跃加载实验和实际车用燃料电池测试工况实验验证了策略的有效性。此外，本文还从化工、材料等角度研究了改进供气系统、使用新型电极材料和设计疏水流道等方案对于提升电池动态响应能力的效果。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 车用燃料电池的发展及应用现状

1.2.2 动态工况对电池寿命的影响

1.2.3 质子交换膜燃料电池动态响应研究现状

1.3 本文研究内容与结构安排

1.3.1 研究内容

1.3.2 结构安排

第二章 燃料电池等效电路及数学模型

2.1 燃料电池组成及工作原理

2.2 燃料电池电压损失

2.2.1 活化损失

2.2.2 欧姆损失

2.2.3 传质损失

2.3 电池等效电路

2.3.1 双电层效应

2.3.2 简化等效电路

2.4 燃料电池数学模型

2.4.1 模型描述

2.4.2 燃料电池参数匹配

2.5 仿真及实验验证

2.5.1 稳态性能验证

2.5.2 动态性能验证

2.6 本章小结

第三章 影响动态响应的关键因素研究

3.1 燃料电池测试系统设计

3.1.1测试系统硬件结构设计

3.1.2测试系统软件设计

3.2 影响动态响应的关键因素

3.2.1 过量系数的影响

3.2.3 气体压力的影响

3.2.4 气体湿度的影响

3.2.2 运行温度的影响

3.2.5 变载幅值的影响

3.2.6 变载速度的影响

3.3 动态响应过程缺气问题研究

3.3.1 缺气情况分类

3.3.2 不缺气和部分缺气的界定

3.3.3 部分缺气和整体缺气的界定

3.4 动态响应过程分析

3.4.1 气体传输过程

3.4.2 水合过程

3.4.3 电压下冲幅值

3.5本章小结

第四章 燃料电池动态供气策略

4.1模糊控制的基本原理与设计方法

4.1.1 模糊控制的基本原理

4.1.2 模糊控制器设计步骤

4.2基于模糊逻辑的供气控制策略

4.2.1 控制系统结构

4.2.2 控制策略设计

4.3 控制策略验证分析

4.3.1 阶跃加载测试

4.3.2 实际工况测试

4.4 其他提升动态响应能力的措施

4.4.1 供气系统的改进

4.4.2 新型催化剂及材料

4.4.3 疏水流道设计

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士期间的主要研究成果