基于过氧比的车载燃料电池系统控制技术

摘要

传统车载能源利用方式致使能源短缺与环境污染问题日益突出，严重影响了经济的可持续发展，清洁、可再生能源的开发利用已成为世界能源发展的必然趋势。燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池，具有低噪音、零污染、能量转换效率高和功率可随意缩放等优点，因而引起科研工作者广泛关注。目前以质子交换膜燃料电池为动力源是车辆发展的新领域。
　　首先，本文分析了质子交换膜燃料电池常用的四种等效电路，其中简化等效电路直观地体现了电池电压输出特性和双电层电容效应，其元件参数可以通过电流扰动方法精确计算。以简化电路为基础，结合车载燃料电池电流跳变的特点，提出了一种改进的电路模型。为了表征物料传递时浓度变化，利用动态电阻与动态电感并联环节等效，并与开路电势串联。在改进电路中，根据理论公式计算开路电势和欧姆电阻，电容值采用经验数值，其它参数由电流扰动实验数据计算获得。利用实验数据验证等效电路和参数计算方法的准确性，通过比较仿真与实验结果可知，直线拟合活化电压和活化电阻效果最佳。
　　接着，本文对车载燃料电池系统各个部分进行了建模和仿真分析，完成了以下研究工作:
　　(1)压缩机的流量、压力和功耗的影响分析。供应一定流量和压力的空气，环境温度或海拔越高，压缩机消耗的功率越大。在其出口压力和转速不变的情况下，环境大气压力越大，压缩机流量越大。
　　(2)阴极流场压力和氧气分压力的耦合关系分析。在确定的环境参数和电堆温度下，阴极流场压力和氧气分压力由压缩机转速决定，并且随压缩机转速增大而增大。而电堆温度升高，氧气分压力将降低。
　　(3)电堆电压、净功率和效率的影响分析。若电堆温度升高，电堆电压和净功率将升高，而效率降低。若增大过氧比，功耗会单调增长，用电效率单调下降，而净功率存在最优值。
　　(4)调节阀电压、回流泵转速和排气阀开度对阳极入口压力、流量的耦合关系分析。这三个量都可以调节阳极流场入口气体流量，回流泵转速调节能力强。阳极流场入口压力主要是通过调节阀进行控制。
　　(5)排气管路压降的动态特性。排气时，其压降受排气阀开度、管路的压力、排气时间长短关系的影响。排气阀开度小、排气管路压力低、排气时间短，压降就越小，反之压降就越大。
　　(6)散热器风机电压、循环泵电压、旁路阀对电堆温度和温度差的影响分析。散热器风机电压能有效调节电堆温度，循环泵电压能够调节温度差，阀门开度能够局部调节电堆温度。风机电压越大，系统响应越快;而风机和泵电压小有利于提高系统效率。
　　最后，本文研究了车载燃料电池系统控制方法，并通过仿真验证了其合理性和准确性。针对空气供应系统，提出了基于最佳过氧比控制方法。该方法首先根据电堆电流计算最佳过氧比参考值，然后利用前馈控制计算压缩机空气流量参考值，采用模糊控制方法实现了对压缩机的有效控制，并比较了两种最佳过氧比的计算方法。然后将过氧比区域划分为氧饥饿、氧适量和氧饱和三个区域，提出了氧适量区域最小过氧比的计算方法，进而提出了防止‘氧饥饿’和‘氧饱和’的电流调节器。针对氢气供应系统，提出了基于动态矩阵的预测控制。该方法是通过改变调节阀的开度达到控制阳极流场压力。在两个子系统控制方法基础上，提出了基于最佳过氧比的氢气控制系统。针对热管理系统，在稳态工作点线性化，建立了二阶状态方程，分别采用了双PI控制、二次型最优控制和基于状态方程的模型预测控制，对电堆温度及温度差进行调节，并提出了基于最佳过氧比的热管理控制。对燃料电池系统进行了总成控制实验，验证了各个子系统的控制器能够协调工作，并达到满意的控制精度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 PEMFC动态模型

1．2．2 PEMFC系统控制技术

1．2．3 基于最佳过氧比的PEMFC系统控制技术

1．3 主要研究内容

1．4 结构安排

第2章 燃料电池等效电路

2．1 燃料电池的能量

2．2 燃料电池电压输出

2．2．1 燃料开路电压

2．2．2 活化极化

2．2．3 欧姆极化

2．2．4 浓差极化

2．2．5 燃料电池端电压

2．3 双电层效应

2．4 燃料电池等效电路

2．4．1 简化等效电路

2．4．2 简化等效电路参数计算

2．5 一种改进的车载燃料电池等效电路

2．5．1 参数计算

2．5．2 实验验证和结果分析

2．6 本章小节

第3章 车载燃料电池系统建模

3．1 湿度和含湿量

3．2 压缩机

3．2．1 压缩效率和功率

3．2．2 压缩机特性图

3．2．3 压缩机模型

3．3 阴极流体系统模型

3．3．1 空气管路

3．3．2 静态散热器和静态增湿器

3．3．3 阴极流场

3．3．4 各部分气体流量与压力关系

3．3．5 气体扩散层

3．4 泵和风机

3．4．1 管路特性

3．4．2 泵与管路模型

3．5 氢气供应系统模型

3．5．1 进气管道

3．5．2 阳极流场

3．5．3 排气管道

3．5．4 回流泵模型

3．5．5 调节阀和排气阀

3．6 水平衡

3．6．1 水平衡分析

3．6．2 生成水的状态

3．6．3 水回收

3．7 热平衡

3．7．1 开口能量系统

3．7．2 反应产生的热量

3．7．3 反应气体的影响

3．7．4 电堆温度

3．8 冷却系统

3．8．1 冷却液流场

3．8．2 旁路阀

3．8．3 散热器

3．8．4 各部件阻力

3．9 本章小结

第4章 车载燃料电池系统仿真分析

4．1 空气供应系统

4．1．1 环境因素对压缩机的影响

4．1．2 阴极流体特性

4．1．3 压缩机功耗和系统电效率

4．1．4 各部件压力与流量

4．1．5 气体扩散层

4．2 水泵与风机

4．3 氢气供应系统

4．4 热管理系统

4．4．1 水平衡

4．4．2 电堆、管路和散热器阻力

4．4．3 模型验证

4．4．4 功耗分析

4．4．5 性能分析

4．5 本章小结

第5章 燃料电池系统的过氧比分析与控制

5．1 燃料电池过氧比特性

5．1．1 电堆功率

5．1．2 压缩机功耗

5．1．3 PEMFC系统净功率

5．1．4 最佳过氧比

5．2 空气供应系统控制

5．2．1 基于模型的最佳过氧比

5．2．2 最佳过氧比控制

5．2．3 仿真结果及分析

5．2．4 过氧比控制问题

5．3 氢气供应系统控制

5．3．1 动态矩阵控制原理

5．3．2 氢气供应系统的动态矩阵控制

5．3．3 最佳过氧比的氢气供应系统控制

5．4 热管理系统控制

5．4．1 基于状态方程的预测控制原理

5．4．2 热管理系统的PI腔制和二次型最优控制

5．4．3 热管理系统的模型预测控制

5．4．4 最佳过氧比的热管理系统控制

5．5 燃料电池的总成控制

5．6 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间的论文及科研情况