车用燃料电池系统的设计与控制研究
发布时间：2021-10-22 16:09
随着新能源技术的不断发展,质子交换膜燃料电池以其无污染、工作稳定可靠、冷启动时间短、效率高的特点成为燃料电池发展的主流[1]。将质子交换膜燃料电池应用于汽车领域将会是未来汽车行业发展的大方向。本文主要研究车用燃料电池的设计与控制,对燃料电池系统来说,使用现有的设备使其达到最大输出效率具有重要的作用,因此,本文主要设计了车用燃料电池,建立了燃料电池simulink系统模型,搭建了燃料电池系统实验台,设计了一套燃料电池启停的工作状态控制,且对影响电堆输出功率较大的空气路和电堆冷却水温度进行控制优化以期达到最佳输出状态。主要内容如下:本文首先介绍了车用质子交换膜燃料电池研究的现状,针对目前的研究现状,以及构成燃料电池发动机的结构、功能以及工作原理和工作方式。其次对车用燃料电池系统的几个组成部分进行simulink建模,以热力学为基础主要分析了空压机的输入输出特性以及燃料电池电堆的三种极化现象。然后建立了进气管道以及回气管道的模型,以及燃料电池的物质消耗模型,从而建立整个车用燃料电池系统的simulink模型。然后对建立的simulink模型进行仿真,在仿真中模仿实际电堆测试时加载过程进行测试...
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池结构
青岛理工大学工程硕士学位论文8第2章燃料电池系统建模与仿真2.1引言由于质子交换膜燃料电池系统具有非线性和时变特性的特点，所以对质子交换膜燃料电池的建模以及控制显得尤为重要[16]，由于质子交换膜燃料电池系统的结构比较复杂，建模会有很大的难度，不利于思维的展开，在此将其简化成几个重要的系统。如图2.1所示为燃料电池系统模型的简化流程图，图中可以看到燃料电池系统的组成，由空压机为主的空气系统、由氢气进气为主构成的氢气系统、由进排气管路组成的管路系统以及燃料电池电堆部分，关于质子交换膜燃料电池的结构已经在第一章有介绍，在此不再赘。本章将在此模型的基础上分别对各个系统进行模型的搭建，在simulink中建立以目标电流为系统输入的多输出燃料电池模型。图2.1燃料电池系统简化图Fig2.1Simplifieddiagramoffuelcellsystem2.2空压机模型空压机的建模过程可简述为如下图2.2，输入为空压机的给定转速信号和目标电流，通过框图内的空压机的动态过程和热力学的动态过程输出压缩机的转速以及压缩后的空气温度和压力。
青岛理工大学工程硕士学位论文9图2.2空压机建模思路Fig2.2Aircompressormodelingideas空压机是燃料电池发动机中比较重要的组成部分，空气通过空气滤清器经过空压机进行压缩，压缩后的气体经过中冷器，增湿器进入电堆与来自电堆阳极的氢气通过质子交换膜进行化学反应从而产生电压和电流。空压机将机械能转换为气体的能量，在空压机压缩空气的过程中发生了热力学的变化[17]。因此，空压机模型包括机械模型和热力学模型。压缩机的动态机械模型如下[18]：cpcmcpcpdtdJ(2.1)cpcpcpP(2.2)cpvcmcmtcmcmkvRk(2.3)cpcpcmcpJdtdN260(2.4)式中，cpJ为压缩机转动惯量2mg；cp为压缩机转动角速度srad；cm为压缩机电机驱动转矩mN；cp为驱动空气压缩机阻力转矩mN；tk、vk、cmR为电机模型参数。经过空压机压缩后空气的温度以及出压缩机的流量由热力学计算公式计算，如下所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]VOC螺杆压缩机组及其控制系统应用[J]. 徐冉,徐春成,王莹,李想. 化工设备与管道. 2018(06)
[2]全钒液流电池充放电特性及其影响因素试验[J]. 孙红,喻明富,王瑞宙,于东旭. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2015(06)
[3]水冷型质子交换膜燃料电池温度控制策略[J]. 陈维荣,李艳昆,李岩,赵兴强. 西南交通大学学报. 2015(03)
[4]燃料电池堆单片电压一致性研究进展[J]. 翁元明,林瑞,唐文超,马建新. 电源技术. 2015(01)
[5]基于DHP方法的PEM燃料电池优化控制器设计[J]. 杨忠君,樊立萍,宗学军. 电源技术. 2014(11)
[6]某型发动机喘振故障机理分析[J]. 张林,张衍峰. 科技创新导报. 2013(16)
[7]基于SAE1939标准的CAN通信网络在汽车动力传动系统中的应用[J]. 朱小龙. 重庆理工大学学报(自然科学). 2013(03)
[8]质子交换膜燃料电池双极板的设计与模拟分析[J]. 吴懋亮,顾竹筠,曹寿峰. 可再生能源. 2012(10)
[9]空分制氧控制系统的设计与实现[J]. 黄启权,宋捷,阮航. 舰船电子工程. 2012(03)
[10]汽车线束的精益设计及布置[J]. 蔡晶晶. 工业设计. 2012(03)
博士论文
[1]基于过氧比的车载燃料电池系统控制技术[D]. 郭爱.西南交通大学 2015
[2]车用PEMFC空气供给系统建模及控制策略研究[D]. 卫国爱.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]大功率PEMFC空气系统控制策略研究[D]. 张玉瑾.西南交通大学 2018
[2]微生物燃料电池阳极生物膜成膜及质子传输特性研究[D]. 胡琳彬.重庆大学 2018
[3]机车PEMFC空气系统优化研究[D]. 李伦.西南交通大学 2017
[4]车用燃料电池及其混合电源系统的研究[D]. 夏发银.安徽工程大学 2016
[5]车用燃料电池系统控制策略研究[D]. 周洋.湖南工业大学 2016
[6]基于冗余S7-400H与WinCC的氢气压缩机控制系统改造设计[D]. 李先会.华南理工大学 2015
[7]膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料双极板的制备研究[D]. 常丰瑞.华东理工大学 2015
[8]基于多变量控制的智能温室控制系统[D]. 谭志君.东华大学 2015
[9]车用燃料电池发动机控制系统研究[D]. 方川.清华大学 2014
[10]电动汽车电动化辅助系统控制方法研究[D]. 张玮.华南理工大学 2013
本文编号：3451439
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
质子交换膜燃料电池结构
青岛理工大学工程硕士学位论文8第2章燃料电池系统建模与仿真2.1引言由于质子交换膜燃料电池系统具有非线性和时变特性的特点，所以对质子交换膜燃料电池的建模以及控制显得尤为重要[16]，由于质子交换膜燃料电池系统的结构比较复杂，建模会有很大的难度，不利于思维的展开，在此将其简化成几个重要的系统。如图2.1所示为燃料电池系统模型的简化流程图，图中可以看到燃料电池系统的组成，由空压机为主的空气系统、由氢气进气为主构成的氢气系统、由进排气管路组成的管路系统以及燃料电池电堆部分，关于质子交换膜燃料电池的结构已经在第一章有介绍，在此不再赘。本章将在此模型的基础上分别对各个系统进行模型的搭建，在simulink中建立以目标电流为系统输入的多输出燃料电池模型。图2.1燃料电池系统简化图Fig2.1Simplifieddiagramoffuelcellsystem2.2空压机模型空压机的建模过程可简述为如下图2.2，输入为空压机的给定转速信号和目标电流，通过框图内的空压机的动态过程和热力学的动态过程输出压缩机的转速以及压缩后的空气温度和压力。
青岛理工大学工程硕士学位论文9图2.2空压机建模思路Fig2.2Aircompressormodelingideas空压机是燃料电池发动机中比较重要的组成部分，空气通过空气滤清器经过空压机进行压缩，压缩后的气体经过中冷器，增湿器进入电堆与来自电堆阳极的氢气通过质子交换膜进行化学反应从而产生电压和电流。空压机将机械能转换为气体的能量，在空压机压缩空气的过程中发生了热力学的变化[17]。因此，空压机模型包括机械模型和热力学模型。压缩机的动态机械模型如下[18]：cpcmcpcpdtdJ(2.1)cpcpcpP(2.2)cpvcmcmtcmcmkvRk(2.3)cpcpcmcpJdtdN260(2.4)式中，cpJ为压缩机转动惯量2mg；cp为压缩机转动角速度srad；cm为压缩机电机驱动转矩mN；cp为驱动空气压缩机阻力转矩mN；tk、vk、cmR为电机模型参数。经过空压机压缩后空气的温度以及出压缩机的流量由热力学计算公式计算，如下所示：
【参考文献】：
期刊论文
[1]VOC螺杆压缩机组及其控制系统应用[J]. 徐冉,徐春成,王莹,李想. 化工设备与管道. 2018(06)
[2]全钒液流电池充放电特性及其影响因素试验[J]. 孙红,喻明富,王瑞宙,于东旭. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2015(06)
[3]水冷型质子交换膜燃料电池温度控制策略[J]. 陈维荣,李艳昆,李岩,赵兴强. 西南交通大学学报. 2015(03)
[4]燃料电池堆单片电压一致性研究进展[J]. 翁元明,林瑞,唐文超,马建新. 电源技术. 2015(01)
[5]基于DHP方法的PEM燃料电池优化控制器设计[J]. 杨忠君,樊立萍,宗学军. 电源技术. 2014(11)
[6]某型发动机喘振故障机理分析[J]. 张林,张衍峰. 科技创新导报. 2013(16)
[7]基于SAE1939标准的CAN通信网络在汽车动力传动系统中的应用[J]. 朱小龙. 重庆理工大学学报(自然科学). 2013(03)
[8]质子交换膜燃料电池双极板的设计与模拟分析[J]. 吴懋亮,顾竹筠,曹寿峰. 可再生能源. 2012(10)
[9]空分制氧控制系统的设计与实现[J]. 黄启权,宋捷,阮航. 舰船电子工程. 2012(03)
[10]汽车线束的精益设计及布置[J]. 蔡晶晶. 工业设计. 2012(03)
博士论文
[1]基于过氧比的车载燃料电池系统控制技术[D]. 郭爱.西南交通大学 2015
[2]车用PEMFC空气供给系统建模及控制策略研究[D]. 卫国爱.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]大功率PEMFC空气系统控制策略研究[D]. 张玉瑾.西南交通大学 2018
[2]微生物燃料电池阳极生物膜成膜及质子传输特性研究[D]. 胡琳彬.重庆大学 2018
[3]机车PEMFC空气系统优化研究[D]. 李伦.西南交通大学 2017
[4]车用燃料电池及其混合电源系统的研究[D]. 夏发银.安徽工程大学 2016
[5]车用燃料电池系统控制策略研究[D]. 周洋.湖南工业大学 2016
[6]基于冗余S7-400H与WinCC的氢气压缩机控制系统改造设计[D]. 李先会.华南理工大学 2015
[7]膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料双极板的制备研究[D]. 常丰瑞.华东理工大学 2015
[8]基于多变量控制的智能温室控制系统[D]. 谭志君.东华大学 2015
[9]车用燃料电池发动机控制系统研究[D]. 方川.清华大学 2014
[10]电动汽车电动化辅助系统控制方法研究[D]. 张玮.华南理工大学 2013
本文编号：3451439
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