燃料电池用氢氧比例减压阀结构设计及控制特性研究
发布时间：2022-01-27 02:53
氢氧质子交换膜燃料电池是一种具有高转换效率和高功率密度的电化学发电装置,在军事上有着广泛的应用前景。电气比例减压阀作为燃料电池供气系统中主要的压力控制元件,其稳压特性直接影响到整个燃料电池系统的工作性能,对于膜两侧压力的高精度控制是保证燃料电池安全运行的重要环节。目前国内现有电气比例减压阀的性能较国外仍有一定差距,对于压力控制特性的研究尚不全面,因此本课题以氢氧燃料电池的供气系统为研究背景,完成了一组适用于氢氧气体环境的高精度电气比例减压阀结构设计与特性分析,并通过元件特性匹配、闭环控制等方式,实现氢氧双路压力的同步控制,确保燃料电池安全稳定高效运行。首先,结合燃料电池的供气回路的工况需求与氢气、氧气的气体特性,设计了一种以波纹管代替反馈腔的无溢流电气比例减压阀,完成了整体结构设计与材料选择,并针对关键感压结构波纹管组件进行了结构设计与力值特性试验测试。在此基础上,完成对电气比例减压阀整体数学模型的建立,在Matlab/Simulink中搭建了电气比例减压阀非线性仿真模型,实现了对比例减压阀的开环动静特性分析,深入分析了关键结构参数与上游及负载工况变化对动静态特性的影响,实现了机械响应...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VPPM系列结构示意图[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-对国内外的电气比例减压阀研究现状进行简单介绍。1.2.1国外研究现状国外对与电气比例减压阀研究的起步较早，技术较为成熟，德国Festo、日本SMC、美国Parker和Numatics公司等多个生产厂家已实现产品化和系列化，其产品性能稳定，可以满足多种工业需求，现已广泛应用于各种工业场合。德国Festo公司开发的电气比例阀系列主要有PREL、VPPL等高压减压阀和VEA、VPP等低压比例减压阀，其精度为0.5%-2%，其中具有代表性的主要有VPPM系列比例减压阀和MPPES系列比例压力调节阀。VPPM系列是先导驱动膜片式减压阀[4]，其结构如图1-3所示，先导阀采用开关结构，全量程线性误差±0.5%，重复精度0.5%，整体精度1%-2%。MPPES系列是先导驱动活塞式比例减压阀[5]，采用比例电磁阀驱动先导结构，如图1-4所示，切换开启时间220ms，最大压力迟滞0.05bar。两种系列适用的工作介质均为压缩空气或惰性气体，二者均带有溢流排气功能。图1-3VPPM系列结构示意图[4]图1-4MPPES系列结构示意图[5]日本SMC公司是全球最大的气动元件生产厂商，其电气比例减压阀有ITV系列、VEP系列和VY系列等。ITV采用开关阀先导控制膜片式主阀结构[6]，其结构及控制原理如图1-5所示，阀采用PWM压力反馈控制方式，精度±0.25%，灵敏度可达0.2%(F.S.)以下，直线性达±1%(F.S.)以下，最大迟滞为0.5%(F.S.)。VY1系列[7]采用电磁阀和减压阀复合，电磁阀作为先导结构，如图1-6所示，根据电气信号进行无极调节，压力闭环反馈，响应时间最快可达10ms。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-5ITV系列阀结构示意图[6]图1-6VY1系列阀结构示意图[7]国外对于比例减压阀的相关技术研究主要有比例减压阀数值仿真、比例控制器研究和控制策略等几方面。数值仿真方面，MassimoSorli等人依据ParkerP3P-R气动比例压力阀结构，建立了详细的非线性仿真模型，并对不同工况和负载特性下的比例阀的动静态特性进行了仿真和实验验证[4]。Nabi,A.等设计了一种DLPR式稳压减压器，采用先导气体控制活塞式结构，可以实现大压差调节，对流量系数等模型参数进行了修正，实现较好的稳压特性[9]。ZoltánMóZER等人通过实验的方式，对压力阀阀口的流量系数进行了测试，提出修正的经验公式[10]。Sorli,M.等人对比例电磁铁建模进行了研究，针对电磁铁动态磁势无法精确建模的问题，提出通过有限元仿真和试验拟合验证的方式，建立了精确的电磁铁仿真模型[11]。Elmer等人对比例电磁铁进行了理论模型的建立，形成一种半实验半理论的建模方式，提高了比例电磁铁建模的准确度[12]。在比例控制器方面，Festo、SMC等厂家都有自己的比例控制器产品，本文未对比例控制器展开深入研究，故在此不做深入探讨。控制策略方面，Hamdan等针对气动比例阀存在的迟滞现象，提出了一种改进的PID（MPID）控制器[13]，其主要由PID控制器、前馈控制、抗饱和积分（Anti-Windup）和Bang-Bang控制器四部分组成。通过新型的控制方式，获得了更好的指令跟踪特性和干扰抑制特性，相比于传统方法更大的带宽，其控制器示意图如图1-7所示。StevenLambeck等提出了一种应用于气动比例压力控制阀的精确线性化控制策略[14]，其中为补偿压力阀连接腔体体积对控制器的影响，加入类似于扰动前馈控制的控制策略，如图1-8所示，获得了较好的扰动抑制
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[2]燃料电池汽车高压供氢组合阀研究综述[J]. 张志新,王春鹏,郑水英,赵永志,毛炜炜. 装备制造技术. 2019(11)
[3]车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望[J]. 南泽群,许思传,章道彪,刘文熙. 电源技术. 2016(08)
[4]车载高压气动减压阀压力场与速度场研究[J]. 訚耀保,张丽,李玲,沈力,傅俊勇. 中国工程机械学报. 2011(01)
[5]基于CFD的车载高压气动减压阀流场分析[J]. 訚耀保,沈力,赵艳培,戴瑛. 流体机械. 2010(01)
[6]氢能源汽车车载气动减压阀出口温度特性研究[J]. 訚耀保,沈力,傅俊勇,戴瑛. 中国工程机械学报. 2009(04)
[7]高精度气动比例压力阀设计与特性分析[J]. 路波,陶国良,袁月峰,刘昊,班伟. 农业机械学报. 2009(10)
[8]质子交换膜燃料电池控制系统的研究[J]. 陈桂兰,温旭辉,孙晓. 电源技术. 2004(04)
博士论文
[1]精密气动比例压力阀的关键技术研究[D]. 班伟.浙江大学 2015
[2]光伏燃料电池混合发电系统控制设计与仿真研究[D]. 史君海.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[2]质子交换膜燃料电池供气系统的建模与控制方法研究[D]. 王帅.哈尔滨工业大学 2019
[3]质子交换膜燃料电池建模与供气系统控制方法的研究[D]. 马冰心.东北大学 2017
[4]车用燃料电池发电系统氢气回路控制[D]. 洪凌.浙江大学 2017
[5]燃料电池进气系统控制[D]. 王凡.浙江大学 2016
[6]高压气动减压阀的结构改进与特性分析[D]. 宋有明.兰州理工大学 2013
[7]液力缓速器用气动比例压力阀设计及其关键技术研究[D]. 韩萍.浙江大学 2013
[8]一种先导式高压气动比例减压阀研究与特性分析[D]. 张春.兰州理工大学 2012
[9]小型波纹管阀门密封技术研究[D]. 巫宗萍.四川大学 2005
[10]超高压气动比例减压阀的仿真与实验研究[D]. 陈奕泽.浙江大学 2005
本文编号：3611617
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VPPM系列结构示意图[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-对国内外的电气比例减压阀研究现状进行简单介绍。1.2.1国外研究现状国外对与电气比例减压阀研究的起步较早，技术较为成熟，德国Festo、日本SMC、美国Parker和Numatics公司等多个生产厂家已实现产品化和系列化，其产品性能稳定，可以满足多种工业需求，现已广泛应用于各种工业场合。德国Festo公司开发的电气比例阀系列主要有PREL、VPPL等高压减压阀和VEA、VPP等低压比例减压阀，其精度为0.5%-2%，其中具有代表性的主要有VPPM系列比例减压阀和MPPES系列比例压力调节阀。VPPM系列是先导驱动膜片式减压阀[4]，其结构如图1-3所示，先导阀采用开关结构，全量程线性误差±0.5%，重复精度0.5%，整体精度1%-2%。MPPES系列是先导驱动活塞式比例减压阀[5]，采用比例电磁阀驱动先导结构，如图1-4所示，切换开启时间220ms，最大压力迟滞0.05bar。两种系列适用的工作介质均为压缩空气或惰性气体，二者均带有溢流排气功能。图1-3VPPM系列结构示意图[4]图1-4MPPES系列结构示意图[5]日本SMC公司是全球最大的气动元件生产厂商，其电气比例减压阀有ITV系列、VEP系列和VY系列等。ITV采用开关阀先导控制膜片式主阀结构[6]，其结构及控制原理如图1-5所示，阀采用PWM压力反馈控制方式，精度±0.25%，灵敏度可达0.2%(F.S.)以下，直线性达±1%(F.S.)以下，最大迟滞为0.5%(F.S.)。VY1系列[7]采用电磁阀和减压阀复合，电磁阀作为先导结构，如图1-6所示，根据电气信号进行无极调节，压力闭环反馈，响应时间最快可达10ms。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-图1-5ITV系列阀结构示意图[6]图1-6VY1系列阀结构示意图[7]国外对于比例减压阀的相关技术研究主要有比例减压阀数值仿真、比例控制器研究和控制策略等几方面。数值仿真方面，MassimoSorli等人依据ParkerP3P-R气动比例压力阀结构，建立了详细的非线性仿真模型，并对不同工况和负载特性下的比例阀的动静态特性进行了仿真和实验验证[4]。Nabi,A.等设计了一种DLPR式稳压减压器，采用先导气体控制活塞式结构，可以实现大压差调节，对流量系数等模型参数进行了修正，实现较好的稳压特性[9]。ZoltánMóZER等人通过实验的方式，对压力阀阀口的流量系数进行了测试，提出修正的经验公式[10]。Sorli,M.等人对比例电磁铁建模进行了研究，针对电磁铁动态磁势无法精确建模的问题，提出通过有限元仿真和试验拟合验证的方式，建立了精确的电磁铁仿真模型[11]。Elmer等人对比例电磁铁进行了理论模型的建立，形成一种半实验半理论的建模方式，提高了比例电磁铁建模的准确度[12]。在比例控制器方面，Festo、SMC等厂家都有自己的比例控制器产品，本文未对比例控制器展开深入研究，故在此不做深入探讨。控制策略方面，Hamdan等针对气动比例阀存在的迟滞现象，提出了一种改进的PID（MPID）控制器[13]，其主要由PID控制器、前馈控制、抗饱和积分（Anti-Windup）和Bang-Bang控制器四部分组成。通过新型的控制方式，获得了更好的指令跟踪特性和干扰抑制特性，相比于传统方法更大的带宽，其控制器示意图如图1-7所示。StevenLambeck等提出了一种应用于气动比例压力控制阀的精确线性化控制策略[14]，其中为补偿压力阀连接腔体体积对控制器的影响，加入类似于扰动前馈控制的控制策略，如图1-8所示，获得了较好的扰动抑制
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢安全研究现状及面临的挑战[J]. 郑津洋,刘自亮,花争立,顾超华,王赓,陈霖新,张一苇,朱盛依,韩武林. 安全与环境学报. 2020(01)
[2]燃料电池汽车高压供氢组合阀研究综述[J]. 张志新,王春鹏,郑水英,赵永志,毛炜炜. 装备制造技术. 2019(11)
[3]车用PEMFC系统氢气供应系统发展现状及展望[J]. 南泽群,许思传,章道彪,刘文熙. 电源技术. 2016(08)
[4]车载高压气动减压阀压力场与速度场研究[J]. 訚耀保,张丽,李玲,沈力,傅俊勇. 中国工程机械学报. 2011(01)
[5]基于CFD的车载高压气动减压阀流场分析[J]. 訚耀保,沈力,赵艳培,戴瑛. 流体机械. 2010(01)
[6]氢能源汽车车载气动减压阀出口温度特性研究[J]. 訚耀保,沈力,傅俊勇,戴瑛. 中国工程机械学报. 2009(04)
[7]高精度气动比例压力阀设计与特性分析[J]. 路波,陶国良,袁月峰,刘昊,班伟. 农业机械学报. 2009(10)
[8]质子交换膜燃料电池控制系统的研究[J]. 陈桂兰,温旭辉,孙晓. 电源技术. 2004(04)
博士论文
[1]精密气动比例压力阀的关键技术研究[D]. 班伟.浙江大学 2015
[2]光伏燃料电池混合发电系统控制设计与仿真研究[D]. 史君海.上海交通大学 2008
硕士论文
[1]燃料电池动力系统特性及其控制研究[D]. 宋天助.吉林大学 2019
[2]质子交换膜燃料电池供气系统的建模与控制方法研究[D]. 王帅.哈尔滨工业大学 2019
[3]质子交换膜燃料电池建模与供气系统控制方法的研究[D]. 马冰心.东北大学 2017
[4]车用燃料电池发电系统氢气回路控制[D]. 洪凌.浙江大学 2017
[5]燃料电池进气系统控制[D]. 王凡.浙江大学 2016
[6]高压气动减压阀的结构改进与特性分析[D]. 宋有明.兰州理工大学 2013
[7]液力缓速器用气动比例压力阀设计及其关键技术研究[D]. 韩萍.浙江大学 2013
[8]一种先导式高压气动比例减压阀研究与特性分析[D]. 张春.兰州理工大学 2012
[9]小型波纹管阀门密封技术研究[D]. 巫宗萍.四川大学 2005
[10]超高压气动比例减压阀的仿真与实验研究[D]. 陈奕泽.浙江大学 2005
本文编号：3611617
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