车用质子交换膜燃料电池空气供给系统建模及控制策略研究

作     者：王昭懿 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闵海涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：质子交换膜燃料电池 解耦控制策略 空气流量控制 自抗扰控制 遗传算法 

摘      要：近年来,能源短缺和环境污染问题的日益严重,新能源汽车产业快速发展,其中质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)汽车凭借其更长的续驶里程、更短的加注时间和更好的低温性能成为新能源汽车的重要发展方向。在复杂的城市道路工况下,各种不确定的环境因素和频繁的加减速要求燃料电池系统能够稳定快速地满足功率需求,因此需要开发控制策略对PEMFC各子系统进行控制。空气供给系统作为燃料电池系统最重要的子系统之一,负责向燃料电池电堆提供充足且适量的氧气,其控制性能的好坏直接决定了燃料电池系统输出性能和动态特性。对空气供给系统控制不当会造成氧饥饿或寄生功率过高等情况的发生,降低系统的各项性能,严重时影响燃料电池寿命。因此,研究空气供给系统的工作特性,对其制定合适的控制策略,使其能够精准迅速地提供电堆所需的空气流量和压力,对保障燃料电池系统稳定性、安全性和可靠性,提升系统动态特性和输出特性有着十分重要的作用。本文依托吉林省科技发展计划智能制造重大科技项目“燃料电池发动机集成与控制关键技术开发,建立了车用质子交换膜燃料电池系统模型,研究和分析了系统的工作特性,在此基础上制定了空气供给系统流量模糊PID控制策略,并针对流量压力耦合的情况,设计了遗传自抗扰控制策略对空气流量和压力进行协同控制。研究结果表明,本文开发的控制策略具有良好的控制效果,在该策略下,燃料电池系统能够在满足负载功率需求的基础上保持较高的鲁棒性和可靠性。本文具体研究内容如下:1.燃料电池系统模型的建立与验证。根据PEMFC系统的基本结构以及电堆的电化学反应原理,基于模块化的思想,采用物理机理和经验公式结合的半经验建模方法,在MATLAB/Simulink中建立了燃料电池电堆以及空气供给系统的数学模型。2.燃料电池系统输出特性和动态响应特性的影响因素分析。分别利用空压机试验数据和节气门仿真数据拟合得到空压机流量-转速-压比MAP图以及节气门出口流量公式;在此基础上,通过对二者进行动力学分析,得到空压机电压和背压阀开度对燃料电池输出性能的影响规律;同时,对燃料电池电堆进行研究,探究不同过氧比和阴极压力对电堆动态响应特性的影响。***空气供给系统流量控制策略的设计。为提高系统动态性能和输出性能,在面向控制的简化模型的基础上,以使净功率保持最大的最佳过氧比为控制目标,设计空气流量PID控制策略,分析不同控制参数对控制效果的影响;为系统特性始终保持最优,采用模糊控制器对PID参数进行实时优化,优化前后的对比控制结果显示,在模糊PID的控制下,空气供给系统具有更快的响应速度、更小的超调量和更好的稳态特性,可以快速稳定地向电堆供给氧气,提高了燃料电池发动机的寿命。4.空气供给系统流量压力协同控制策略的开发。研究了燃料电池阴极空气流量和压力之间的耦合情况,分析了不同解耦控制器的特点;针对PEMFC空气供给系统设计了一种基于自抗扰控制策略(ADRC)的两输入两输出解耦控制器,它可以实时估计系统的内部耦合和外部干扰,并利用反馈控制律的设计将其消除,仿真结果表明ADRC控制器具有较好的解耦效果和跟踪效果;针对控制器待整定参数多的问题,采用遗传算法对ADRC控制器参数进行优化,优化前后被控系统输入输出结果的对比分析表明了遗传算法自抗扰控制器具有更好的解耦效果、抗干扰性能和输出性能。