车用燃料电池发电系统氢气回路控制

摘要

随着社会发展和时代科技水平的提升，能源紧缺和环境污染已成为当今世界的重点关注问题。氢能储量丰富、能量密度高，是一种极具发展前景的绿色新能源。而燃料电池作为一种氢能转换装置，兼顾了能量的高效转化率和污染物的低排放率，成为众多学者研究的重点。其中，质子交换膜燃料电池因其工作温度低的特点，在汽车行业中前景巨大。然而，燃料电池系统是具有强非线性的多物理域耦合系统，在应对汽车启停、低载、怠速等工作状态下存在的负载大范围波动时，存在输出特性偏软的问题。因此，合理设计并运用控制算法，有利于改善燃料电池表现、提高燃料电池效率和延长燃料电池寿命。而燃料电池系统强非线性、多物理域耦合以及负载大范围波动的问题，也成为质子交换膜燃料电池控制算法设计的主要难点。
　　本文针对质子交换膜燃料电池发电系统氢气回路进行研究，建立面向控制的燃料电池发电系统氢气回路模型，模型包含燃料供气、传输、反应、渗透、排气和循环过程。同时，基于模型对因燃料电池质子交换膜气体渗透问题导致的流道氮含量积累问题进行研究，分析氮气积累现象中，电流负载和循环流量对的流道气压和氮气浓度的影响。在此基础上，以燃料电池不同管道的管道气压和燃料浓度为控制对象，以实现高效、及时的燃料供给为控制目标，提出两种可行的控制策略，运用非线性多输入多输出状态反馈控制算法分别设计，并对仿真结果进行对比、分析和验证。除此之外，针对燃料电池系统氢气分压测量难度大的问题，本文还设计了燃料电池氢气分压观测器。将其与控制算法相结合，设计了非线性多输入多输出输出反馈控制算法，增强了控制器的可应用性。算法的稳定性通过李雅普诺夫方法理论分析证明，仿真结果显示其在负载大范围波动下能快速收敛，在参数不确定下具有鲁棒性。

目录

声明

摘要

插图和附表清单

1．1 背景与意义

1．2 燃料电池系统简介

1．2．1 燃料电池简介

1．2．2 燃料电池发电系统

1．2．3 燃料电池发电系统氢气回路

1．3 国内外现状

1．3．1 燃料电池进气系统控制策略

1．3．2 燃料电池阳极氮气积累和分压观测研究

1．3．3 燃料电池阳极出口排气策略研究

1．4 本文工作和章节安排

1．5 小结

第2章 燃料电池发电系统氢气回路建模

2．1 流道气体模型

2．1．1 阳极供气管道模型

2．1．2 阳极流道模型

2．1．3 阴极流道模型

2．2 电化学反应模型

2．2．1 电化学反应流量消耗

2．2．2 电化学反应输出电压

2．3 气体跨膜渗透模型

2．4 氢气回路循环风机模型

2．5 面向控制的燃料电池发电系统氢气回路模型

2．6 小结

第3章 基于模型的流道氮含量问题研究及控制算法设计

3．1 基于模型的流道氮含量约束问题研究

3．2 非线性MIMO状态反馈控制算法设计

3．2．1 控制策略M：以供气管道气压和阳极流道氢含量为控制目标

3．2．2 控制策略N：以阳极流道气压和供气管道氢含量为控制目标

3．3 控制策略仿真结果与分析

3．3．1 控制策略M仿真结果

3．3．2 控制策略N仿真结果

3．3．3 仿真效果小结

3．4 小结

第4章 非线性MIMO输出反馈控制算法设计与验证分析

4．1 氢气分压观测器设计

4．2 非线性MIMO输出反馈控制算法设计

4．3 稳定性证明

4．4 仿真结果与对比分析

4．4．1 非线性MIMO输出反馈控制算法仿真分析

4．4．2 氢气分压观测器仿真与分析

4．4．3 对照组MIMO PI 控制算法设计与结果对比

4．5 小结

5．1 全文内容总结

5．2 研究展望

附录

参考文献

符号说明

致谢

个人简历

攻读学术期间发表的学术论文与取得的其他研究成果