风冷燃料电池热管理系统建模及温度跟踪控制

作     者：张代鑫 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁春

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：风冷 质子交换膜燃料电池 热管理系统 模型预测控制 

摘      要：氢燃料电池技术被认为是一种高效、清洁的能源转化方式。在推动燃料电池技术发展的过程中,燃料电池热管理成为一个不可忽视的关键问题。一方面,燃料电池工作时产生的热量可能会导致系统过热,从而降低效率并缩短系统寿命。另一方面,低温下燃料电池的反应速率可能下降,影响系统输出功率。因此,本研究以小功率风冷型燃料电池为研究对象,开展其热管理系统建模、温度跟踪控制,以及相应的仿真和实验研究,主要内容如下: (1)搭建风冷燃料电池热管理系统的数学模型。分析燃料电池的输出特性以及产热和散热的原理,介绍实验使用的燃料电池参数,建立电压模型和温度模型,选取三种仿真工况对模型进行稳态分析,并通过硬件测试验证模型温度动态和输出特性的准确性。 (2)设计线性模型预测控制器。首先,介绍模型预测控制算法的原理和特点。然后选取平衡点工况将温度动态方程在平衡点处进行线性化处理,并验证线性模型在平衡点工况下的动态特性和模型精度,同时将线性模型进行离散化处理。最后,设计温度跟踪算法,以温度跟踪精度和抑制冷却风扇PWM波动为目标,并对温度跟踪权重Q和PWM波动权重R进行优化。 (3)对模型和算法进行硬件在环测试。将设计的控制器算法进行代码生成,转换成C语言代码并烧录进STM32单片机中作为控制器,使用所搭建的仿真模型作为测试对象进行硬件在环测试。 (4)搭建实验平台对算法进行验证。通过改变参考温度和负载电流设计七种不同的工况,在七种不同的工况下运行燃料电池,通过控制器进行温度跟踪控制,结果表明在平衡点附近工况下温度跟踪控制效果较好,平均误差仅为0.33℃,而在远离平衡点的工况下跟踪误差随着偏离平衡点的程度逐渐增大,主要体现于工况三和工况六,平均误差分别为3.46℃和3.34℃,一方面原因是线性模型与非线性模型失配,另一方面原因是电堆产热功率过大,风扇满负荷工作情况下依旧无法满足温度跟踪需求。实验结果说明本文所建风冷燃料电池热管理模型是准确的,控制算法是有效的。