基于前馈的PEMFC热管理系统融合温控策略研究
发布时间：2021-06-11 18:41
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种低温燃料电池,具有清洁无污染、效率高、功率密度大、启动时间快等优点,被广泛应用于电动汽车、备用电源等领域,是新能源领域的研究重点。实际应用中,温度是影响PEMFC性能的重要指标,合理的温控策略是保证PEMFC最佳工作温度,提高PEMFC输出特性和寿命的关键,而温度控制不当则会降低催化剂的活性,甚至导致PEMFC失效,引发安全事故。因此,研究PEMFC热管理系统温控策略具有重要的理论和现实意义。本文以某氢燃料货车中PEMFC热管理系统为研究对象,开展PEMFC热管理系统的温控策略研究。从PEMFC的温度特性为出发点,通过分析PEMFC热管理系统各方面的研究现状,从而明确温控系统的控制依据。基于PEMFC的工作原理和试验数据搭建了PEMFC动态模型,并依此分析了温度对PEMFC输出特性的影响。采用GT-SUITE建立PEMFC热管理系统瞬态仿真平台,并基于PEMFC台架试验进行了标定,为温控策略的开发提供了模型基础。针对PEMFC热管理系统,本文以冷却系统电附件最小功耗及温控精度为目...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC台架测试系统
第3章PEMFC冷却系统及模型的建立-25-此，本文选取GT-SUITE软件搭建PEMFC冷却系统一维仿真模型。在GT-SUITE中，冷却系统模型基于Navier-Stocks方程进行流体动力学进行求解，求解前整个模型以交错网格的形式被离散为多个子体积，即在质心计算压力、温度、密度、内能、焓、浓度等标量，边界处计算流速、质量分数等矢量。GT-SUITE常用的求解器有两种，分别为显示求解器和隐式求解器，显示求解器常用来求解流体的质量流速、密度和内能；隐式求解器常用来求解流体的质量流速、压力和焓变。3.4.1冷却系统模型搭建PEMFC冷却系统模型如图3-5所示，主要部件包括PEMFC传热模型、散热器模型、冷却风扇模型、电子水泵模型、节温器及离子过滤器模型等。图3-5基于GT-SUITE的PEMFC冷却系统一维仿真模型(1)PEMFC传热模型采用GT-SUITE搭建和分析PEMFC冷却系统的传热模型，由于GT-SUITE中“FuelCell”模块只对PEMFC动态输出性能进行仿真，不包含PEMFC传热部分，因此，“FuelCell”不适用于PEMFC冷却系统。假设PEMFC产生的热量全部被冷却水带走，离散后子体积内部压力、传热均匀，此时PEMFC传热模型可采用GT-SUITE中的ThermalMass模块等效模拟。ThermalMass模块输入的热量等于PEMFC在不同工况下产生的热量，由第2章PEMFC动态模型仿真可得。(2)散热器模型通过HxMaster和HxSlave分别建立散热器冷却液侧和空气侧模型。HxMaster模
第3章PEMFC冷却系统及模型的建立-27-数据，分别建立换热器模型、挡风板、气流流通空间、边界条件后，将COOL3D模型离散化，自动转化为GT-SUITE一维模型后通过SubAssembly-External模块作为外部文件导入，从而实现一维耦合三维的冷却系统仿真计算，转化完成后的一维模型内部如图3-6所示。COOL3D转换为GT-SUITE模型COOL3D模型散热器实物GT-SUITE一维仿真模型图3-6基于COOL3D散热器模型搭建过程图3-7基于COOL3D转换为GT-SUITE的散热器一维仿真模型(3)电子水泵及冷却风扇模型电子水泵的性能主要包括不同转速对应冷却液流速下的扬程和不同工况点的效率。此外，电子水泵功耗也是评价电子水泵性能的重要指标之一。电子水泵功耗pumpP定义如式(3-7)所示。lpumppumptotPVP(3-7)式中lP——电子水泵进出口前后压差，kPa；pumpV——冷却液体积流量，m3/s；
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外新能源汽车产业政策动向及对我国的启示[J]. 左世全,赵世佳,祝月艳. 经济纵横. 2020(01)
[2]质子交换膜燃料电池双极板热导率的仿真研究[J]. 汤梦琪,罗来雁,陈威,干林,康飞宇,杜鸿达. 炭素技术. 2019(05)
[3]质子交换膜燃料电池建模综述[J]. 张鉴,华青松,郑莉莉,李希超,张健敏. 电源技术. 2019(06)
[4]基于OPC技术的水冷PEMFC热管理控制系统[J]. 牛茁,张玉瑾,邓惠文,陈维荣,刘志祥. 太阳能学报. 2019(04)
[5]燃料电池冷却方法及热管理控制策略进展[J]. 张宝斌,刘佳鑫,李建功,谢世满. 电池. 2019(02)
[6]基于变论域模糊增量理论的质子交换膜燃料电池温度控制[J]. 谢雨岑,邹见效,彭超. 控制理论与应用. 2019(03)
[7]质子交换膜燃料电池热管理技术的进展[J]. 刘波,赵锋,李骁. 电池. 2018(03)
[8]电解制氢与氢储能[J]. 俞红梅,衣宝廉. 中国工程科学. 2018(03)
[9]质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化[J]. 罗悦齐,张嵩,高丽萍,俞剑峰. 电工技术学报. 2018(11)
[10]中国汽车工程学术研究综述·2017[J]. 《中国公路学报》编辑部. 中国公路学报. 2017(06)
博士论文
[1]德国能源转型的经济分析及启示[D]. 王宁.吉林大学 2019
[2]基于降维模型的燃料电池发动机控制方法研究[D]. 方川.清华大学 2017
[3]变论域模糊控制器的若干重要问题研究[D]. 龙祖强.中南大学 2011
硕士论文
[1]单缸小排量汽油机控制策略开发与标定优化[D]. 徐尖峰.燕山大学 2019
[2]基于AMC双向耦合方法的汽车侧风稳定性研究[D]. 李舒雅.湖南大学 2018
[3]驻涡渠化活塞形貌对汽油机点火与燃烧的影响研究[D]. 赵鹏.燕山大学 2018
[4]质子交换膜燃料电池建模与控制研究[D]. 韩闯.郑州大学 2016
[5]电子节温器的设计与控制策略研究[D]. 丁攀.沈阳理工大学 2013
[6]质子交换膜燃料电池三维流场及水热分布特性研究[D]. 李云鹏.华南理工大学 2012
[7]质子交换膜燃料电池热管理的动态建模、控制仿真及故障诊断策略研究[D]. 朱柳.上海交通大学 2012
[8]基于变论域模糊控制的温控器的研究[D]. 古超.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3225078
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PEMFC台架测试系统
第3章PEMFC冷却系统及模型的建立-25-此，本文选取GT-SUITE软件搭建PEMFC冷却系统一维仿真模型。在GT-SUITE中，冷却系统模型基于Navier-Stocks方程进行流体动力学进行求解，求解前整个模型以交错网格的形式被离散为多个子体积，即在质心计算压力、温度、密度、内能、焓、浓度等标量，边界处计算流速、质量分数等矢量。GT-SUITE常用的求解器有两种，分别为显示求解器和隐式求解器，显示求解器常用来求解流体的质量流速、密度和内能；隐式求解器常用来求解流体的质量流速、压力和焓变。3.4.1冷却系统模型搭建PEMFC冷却系统模型如图3-5所示，主要部件包括PEMFC传热模型、散热器模型、冷却风扇模型、电子水泵模型、节温器及离子过滤器模型等。图3-5基于GT-SUITE的PEMFC冷却系统一维仿真模型(1)PEMFC传热模型采用GT-SUITE搭建和分析PEMFC冷却系统的传热模型，由于GT-SUITE中“FuelCell”模块只对PEMFC动态输出性能进行仿真，不包含PEMFC传热部分，因此，“FuelCell”不适用于PEMFC冷却系统。假设PEMFC产生的热量全部被冷却水带走，离散后子体积内部压力、传热均匀，此时PEMFC传热模型可采用GT-SUITE中的ThermalMass模块等效模拟。ThermalMass模块输入的热量等于PEMFC在不同工况下产生的热量，由第2章PEMFC动态模型仿真可得。(2)散热器模型通过HxMaster和HxSlave分别建立散热器冷却液侧和空气侧模型。HxMaster模
第3章PEMFC冷却系统及模型的建立-27-数据，分别建立换热器模型、挡风板、气流流通空间、边界条件后，将COOL3D模型离散化，自动转化为GT-SUITE一维模型后通过SubAssembly-External模块作为外部文件导入，从而实现一维耦合三维的冷却系统仿真计算，转化完成后的一维模型内部如图3-6所示。COOL3D转换为GT-SUITE模型COOL3D模型散热器实物GT-SUITE一维仿真模型图3-6基于COOL3D散热器模型搭建过程图3-7基于COOL3D转换为GT-SUITE的散热器一维仿真模型(3)电子水泵及冷却风扇模型电子水泵的性能主要包括不同转速对应冷却液流速下的扬程和不同工况点的效率。此外，电子水泵功耗也是评价电子水泵性能的重要指标之一。电子水泵功耗pumpP定义如式(3-7)所示。lpumppumptotPVP(3-7)式中lP——电子水泵进出口前后压差，kPa；pumpV——冷却液体积流量，m3/s；
【参考文献】：
期刊论文
[1]国外新能源汽车产业政策动向及对我国的启示[J]. 左世全,赵世佳,祝月艳. 经济纵横. 2020(01)
[2]质子交换膜燃料电池双极板热导率的仿真研究[J]. 汤梦琪,罗来雁,陈威,干林,康飞宇,杜鸿达. 炭素技术. 2019(05)
[3]质子交换膜燃料电池建模综述[J]. 张鉴,华青松,郑莉莉,李希超,张健敏. 电源技术. 2019(06)
[4]基于OPC技术的水冷PEMFC热管理控制系统[J]. 牛茁,张玉瑾,邓惠文,陈维荣,刘志祥. 太阳能学报. 2019(04)
[5]燃料电池冷却方法及热管理控制策略进展[J]. 张宝斌,刘佳鑫,李建功,谢世满. 电池. 2019(02)
[6]基于变论域模糊增量理论的质子交换膜燃料电池温度控制[J]. 谢雨岑,邹见效,彭超. 控制理论与应用. 2019(03)
[7]质子交换膜燃料电池热管理技术的进展[J]. 刘波,赵锋,李骁. 电池. 2018(03)
[8]电解制氢与氢储能[J]. 俞红梅,衣宝廉. 中国工程科学. 2018(03)
[9]质子交换膜燃料电池低温启动水热管理特性及优化[J]. 罗悦齐,张嵩,高丽萍,俞剑峰. 电工技术学报. 2018(11)
[10]中国汽车工程学术研究综述·2017[J]. 《中国公路学报》编辑部. 中国公路学报. 2017(06)
博士论文
[1]德国能源转型的经济分析及启示[D]. 王宁.吉林大学 2019
[2]基于降维模型的燃料电池发动机控制方法研究[D]. 方川.清华大学 2017
[3]变论域模糊控制器的若干重要问题研究[D]. 龙祖强.中南大学 2011
硕士论文
[1]单缸小排量汽油机控制策略开发与标定优化[D]. 徐尖峰.燕山大学 2019
[2]基于AMC双向耦合方法的汽车侧风稳定性研究[D]. 李舒雅.湖南大学 2018
[3]驻涡渠化活塞形貌对汽油机点火与燃烧的影响研究[D]. 赵鹏.燕山大学 2018
[4]质子交换膜燃料电池建模与控制研究[D]. 韩闯.郑州大学 2016
[5]电子节温器的设计与控制策略研究[D]. 丁攀.沈阳理工大学 2013
[6]质子交换膜燃料电池三维流场及水热分布特性研究[D]. 李云鹏.华南理工大学 2012
[7]质子交换膜燃料电池热管理的动态建模、控制仿真及故障诊断策略研究[D]. 朱柳.上海交通大学 2012
[8]基于变论域模糊控制的温控器的研究[D]. 古超.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3225078
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