燃料电池进气系统控制

发布时间：2017-10-07 15:47

  本文关键词：燃料电池进气系统控制

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【摘要】：在当今化石能源需求激增、环境问题持续加重的形势下,新能源的开发日益成为社会关注的重点。质子交换膜燃料电池作为可再生能源利用技术之一,能够将氢气和氧气之间的化学能转化为成电能而无任何污染,因而极具发展潜力。燃料电池系统包括多个子系统,如空气供给子系统、氢气供给子系统、水冷子系统等。为改善燃料电池的可靠性和经济性,对燃料电池子系统进行建模与控制至关重要,尤其是对空气供给系统。本文围绕空气供给系统,主要完成了以下几个方面的研究：(1)燃料电池测试平台搭建：自主搭建了低温水冷燃料电池系统半物理仿真平台,包括空气回路、辅助冷却回路以及其他电气设备,并基于Labview软件开发了燃料电池空气供给系统监控程序。通过软硬件结合的开环测试实验,验证了该平台的可用性。(2)系统建模：从燃料电池空气供给系统的机理出发,建立了三阶进气系统模型。基于自主搭建的半物理仿真平台,通过实验辨识的方法,构建了滑片式空气压缩机的动态模型以辅助控制器设计。为实现燃料电池系统功率优化,补充拓展了燃料电池电压模型和系统净功率模型,用于描述最优净功率对应的氧气过量比与需求电流的关系,并通过实验辨识出模型参数。(3)控制策略设计与实现：针对空气供给系统的非线性特性,提出反馈线性化控制和基于二阶滑模的串级控制两种策略,并从理论上证明了反馈线性化算法的全局稳定性。仿真结果显示,反馈线性化控制器的响应速度更快、稳态精度更高,从而将其应用到了已搭建的实验平台上,并取得了良好的控制效果。在此基础上,结合系统电压和功率模型,进行了控制策略的改进以优化系统输出的净功率。实验表明,优化后的方案在将氧气过量比控制到期望值的同时,可将系统净功率最大提升8%。
【关键词】：燃料电池 半物理仿真 空气供给系统模型 反馈线性化 功率优化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 引言14-15
• 1.2 燃料电池系统介绍15-19
• 1.2.1 燃料电池工作原理15-17
• 1.2.2 PEMFC系统组成17-18
• 1.2.3 PEMFC空气供给系统介绍18-19
• 1.3 国内外研究进展19-23
• 1.3.1 空气供给系统建模研究进展19-20
• 1.3.2 空气供给系统控制研究进展20-22
• 1.3.3 燃料电池系统实验平台研究现状22-23
• 1.4 论文主要研究内容23-26
• 第二章 空气供给系统硬件平台设计与实现26-40
• 2.1 引言26-27
• 2.2 燃料电池系统总体设计27-29
• 2.3 空气回路搭建29-32
• 2.4 辅助冷却回路搭建32-35
• 2.5 系统电气连接与整体布局35-38
• 2.6 本章小结38-40
• 第三章 空气供给系统监控软件设计与集成测试40-50
• 3.1 引言40
• 3.2 系统总体流程设计40-41
• 3.3 空气供给系统单模块程序编写41-45
• 3.3.1 空气压缩机模块42-43
• 3.3.2 空气流量测量模块43-44
• 3.3.3 压力、温度测量模块44-45
• 3.4 附属设备模块45-46
• 3.5 数据存储模块46-47
• 3.6 空气供给系统程序集成与测试47-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第四章 空气供给系统建模50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 阴极流道动态模型50-52
• 4.3 空气压缩机模型52-55
• 4.4 空气供给系统模型55-56
• 4.5 燃料电池工作电压模型56-57
• 4.6 发电系统净功率模型57-59
• 4.7 本章小结59-60
• 第五章 空气供给系统控制算法设计与功率优化60-86
• 5.1 引言60
• 5.2 基于反馈线性化的空气供给系统控制算法设计60-65
• 5.2.1 反馈线性化算法介绍60-61
• 5.2.2 空气供给系统反馈线性化算法61-63
• 5.2.3 稳定性证明63-65
• 5.3 基于二阶滑模的串级控制算法设计65-68
• 5.3.1 二阶滑模控制介绍65-66
• 5.3.2 基于二阶滑模的串级控制算法66-68
• 5.4 控制算法仿真与对比68-76
• 5.4.1 反馈线性化算法仿真分析69-73
• 5.4.2 滑模控制算法仿真分析73-75
• 5.4.3 结果对比75-76
• 5.5 反馈线性化算法实验验证与结果分析76-81
• 5.6 基于反馈线性化的燃料电池发电系统净功率优化81-84
• 5.7 本章小结84-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 全文内容总结86-87
• 6.2 研究展望87-88
• 符号说明88-90
• 附录190-94
• 参考文献94-100
• 致谢100-102
• 个人简历102-104
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 郭爱;李奇;陈维荣;刘志祥;;车用燃料电池阴极系统特性[J];西南交通大学学报;2013年06期

2 陶诗涌;高建龙;汤浩;;多功能燃料电池测试平台的设计与开发[J];东方电气评论;2011年04期

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本文编号：988725