燃料电池供电系统控制及其能量管理的研究

发布时间：2017-06-19 21:10

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【摘要】：全球性的气候变化给人类带来了不可预计的损失,世界已经广泛认同气候变化将会给人类的发展造成巨大代价的观念,并将气候变化上升为全球性的环境问题,对此开展了广泛的探讨和研究。从减少温室气体排放与节约能源这两个方面考虑,课题组申请了国际合作项目“基于燃料电池和珀耳帖冷却技术的节能与减少温室气体排放相结合的环保系统的研究”,以求为控制气候的变化探索出一条新的途径。燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应,直接转换为电能的发电装置;半导体制冷器是以半导体材料的珀耳帖效应为核心的装置,并不使用制冷剂来制冷;这两种装置都是对环境影响很小的新型绿色设备,因而推广其应用可以极大地减少温室气体的排放量。本文主要分析了燃料电池存在的问题及供电系统研究现状,以及混合供电系统能量管理的研究现状。介绍了燃料电池的发展、工作原理、特性等,根据半导体冷却装置的负载特性,设计了基于DC-DC变换器的燃料电池供电系统的总体结构。针对供电系统的能量管理问题,提出了基于模糊逻辑的控制方法。根据燃料电池系统与负载的功率匹配,使双向DC-DC变换器在Boost与Buck模式中切换,实现了系统的能量管理,使燃料电池工作于最佳状态,同时让蓄电池SOC在最小极限值以上。以燃料电池的输出功率稳定为前提,来控制蓄电池的充放电,从而吸收多余能量或应对过载状态。设计制作了燃料电池供电系统的硬件电路和控制电路,完成了原理图设计、参数计算及元器件选型,编写相关控制软件。搭建了实验平台,开展了相关实验研究,验证了算法的有效性。
【关键词】：燃料电池 DC-DC变换器 能量管理 模糊控制
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 绪论9-17
• 1.1 课题的研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 燃料电池研究现状10-13
• 1.2.2 燃料电池供电系统结构研究现状13-15
• 1.2.3 燃料电池供电系统能量管理研究现状15-16
• 1.3 本课题的主要研究内容16-17
• 2. 半导体制冷装置燃料电池供电系统方案设计17-28
• 2.1 半导体制冷装置原理分析17
• 2.2 PEMFC工作原理及工艺特性分析17-21
• 2.3 燃料电池供电系统方案设计21-25
• 2.3.1 单向DC-DC变换器22-23
• 2.3.2 储能单元23-24
• 2.3.3 双向DC-DC变换器24-25
• 2.4 系统能量流动模式分析25-27
• 2.5 能量管理控制要求27-28
• 3. 燃料电池供电系统能量管理控制策略研究28-46
• 3.1 燃料电池供电系统能量管理控制方案28-29
• 3.2 荷电状态（SOC）的计算29-31
• 3.3 系统能量分配控制策略31-37
• 3.3.1 模糊控制基本原理31-33
• 3.3.2 模糊控制器结构33
• 3.3.3 输入量的模糊化33-35
• 3.3.4 模糊控制规则35-37
• 3.3.5 去模糊化37
• 3.4 燃料电池输出电压控制策略37-46
• 3.4.1 模糊PID工作原理38-39
• 3.4.2 模糊PID控制器设计39-43
• 3.4.3 模糊PID控制器的仿真43-46
• 4. 燃料电池供电系统装置设计及实验研究46-53
• 4.1 燃料电池供电系统主电路设计46-47
• 4.2 燃料电池供电系统控制电路设计47-50
• 4.2.1 检测电路设计47-49
• 4.2.2 驱动电路设计49
• 4.2.3 单片机核心板电路设计49-50
• 4.3 实验研究50-53
• 4.3.1 系统输出电压控制测试50-52
• 4.3.2 负载功率跟踪测试52-53
• 5. 结论与展望53-54
• 参考文献54-57
• 附录：硕士研究生学习阶段发表论文57-58
• 致谢58-59

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本文编号：463756