基于快速原型的空间燃料电池控制方法的研究

发布时间：2020-04-06 10:29

【摘要】：近年来,随着我国航天技术的快速发展,空间站、探月飞船、天地往返系统、月球基地、深空探测、空间对抗平台等各类新型航天飞行器已经在研制过程中。随着各类航天任务逐步实现,对航天器能源系统的使用也提出了更高的要求。目前在空间能源中占比例最大的是可充电电池,但是可充电电池具有较低的质量比能量和有限的充放电循环寿命,已逐渐无法适应空间飞行器小型化和大功率的发展趋势。燃料电池具有使用中无自放电,无放电深度及电池容量限制等优点,产生的高压可用于空间站及卫星的姿态控制,还可以生成的水经过纯化处理,用于空间站宇航员生活饮用水。因此,燃料电池特别适合机动能力强、运行轨道复杂、需要较长时间高功率输出的新型空间飞行器平台使用。本文首先介绍了燃料电池研究的意义,目前研究的现状以及发展的方向,重点介绍了燃料电池在宇航的应用。接着针对本课题采用的快速原型技术对燃料电池进行设计,设计了空间燃料电池快速原型仿真平台,采用全数字离线仿真验证燃料电池电堆模型和控制功能算法模型,采用快速原型系统在实时仿真环境下验证电堆模型和控制功能算法模型。运用Matlab/Simulink组件建立燃料电池电堆机理模型和控制系统模型,通过半实物仿真验证控制方法的合理性和有效性。最后完成了空间燃料电池控制系统的软硬件设计,使控制系统具备电压、电流、温度以及反应设备工作状态等模拟量参数采集功能,具备1553B总线通信和指令输出功能。
【图文】：

蓝图,燃料电池

图 1.1 月球基地燃料电池应用蓝图 35 kW 燃料电池系统已经被美国 Hamilton 标准局研制中投入使用。日本的 ESA 和 JAXA 也十分重视燃料电池功率长时运行能源的需求，推动了燃料电池的巨大发展。统工作设定在 200mA/cm2、35V，每周期工作 10min。系统连工作寿命 10 年以上。十年里，NASA 已考虑三种燃料电池化学反应作为未来发质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池，如表 1.2 所示。膜燃料电池会在 NASA 未来的月球前哨站（目前计划从 2面着陆器、增压或者无增压的月球车等，另外一个关键的。目前月球前哨站的结构位置设计为月极附近的环形山边内得到连续性的太阳光线照射。因此，在这个位置上看上将会是最佳的能源解决方案，但是，，尽管在这个位置上，这对大容量的能量存储设备提出了需求，在这点上可再生好的解决方案。

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北华航天工业学院硕士学位论文第 2 章空间燃料电池快速原型仿真平台设计基于模型的开发流程20 世纪 90 年代初，一种开发周期短、成本低为特点的快速控制原型（Raptotyping 简称 RCP）技术首先在汽车制造和航空航天领域得到应用，它在控系统设计领域表现出了广阔的前景。目前它都成功的应用在许多大型项目例如，欧洲的空客 A380、美国的 GM 混合动力车、诺马公司的联合攻击机燃料电池的嵌入式控制系统作为一种高可靠性要求的嵌入式电子控制系统，业界最先进的基于模型的开发模式进行研究开发，如图 2.1 所示为基于模型。
【学位授予单位】：北华航天工业学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【参考文献】