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燃料电池动力系统阴阳极压力平衡控制策略研究

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燃料电池动力系统阴阳极压力平衡控制策略研究

作者：周炳杰电子科技大学

学位级别：硕士

随着燃料电池商业化的步伐加快,燃料电池动力系统已成为交通运输领域的核心研发对象,而功率密度是评价动力系统性能优劣的主要指标。提高燃料电池电堆内部反应气体压力可以有效提升电堆输出性能,从而提高动力系统的功率密度。受电堆质... 详细信息

随着燃料电池商业化的步伐加快,燃料电池动力系统已成为交通运输领域的核心研发对象,而功率密度是评价动力系统性能优劣的主要指标。提高燃料电池电堆内部反应气体压力可以有效提升电堆输出性能,从而提高动力系统的功率密度。受电堆质子交换膜耐受压力的限制,在动态工况下燃料电池动力系统的阴阳极间的压力平衡控制尤为重要,设计不当可能造成燃料电池电堆永久性的损坏。因此本文将围绕燃料电池动力系统阴阳极压力的平衡问题,减少动态工况下的压力波动,提高燃料电池动力系统的可靠性和安全性,主要研究内容包括了以下几个方面:1.建立了包含燃料电池电堆、阴极和阳极气体供给系统部件的物理模型。通过对燃料电池原理的分析,建立了描述燃料电池电堆运行特性的物理模型;通过对阴极和阳极气体供给系统内各部件的机理分析,建立了描述气体压力和流量特性的物理模型。通过对上述模型的建立,为后续控制器的设计及验证提供了基础。2.面向阴极空气供给需求,研究了系统传递函数辨识方法和基于前馈解耦的压力及流量调控方法。根据阴极空气子系统压力和流量的非线性和耦合特性,为简化控制器的设计,在阴极子系统工作点线性区域内使用传递函数矩阵模型来表征压力和流量的关系。通过设计系统辨识实验,m序列作为激励信号,使用最小二乘法辨识了模型参数。根据辨识模型设计了前馈补偿解耦控制器,并与传统的双PI控制器进行仿真实验对比,实验结果显示前馈补偿解耦控制能够有助于降低压力和流量的耦合关系,并具备良好的动态响应能力。在阴极子系统工作点变化过程中,采用了距离权重法以优化前馈解耦网络在不同工作点的解耦效果,达到了更好的解耦控制效果。3.设计了阳极压力跟随阴极的压力控制算法,实现了阴阳极间的压力平衡。基于阳极各部件模型,结合阳极子系统的供氢和耗氢特性,建立了面向阳极压力控制的状态空间模型,设计了基于前馈的比例控制器和漏斗控制器,漏斗控制器由于其预设性能的特性在参数设计方面更具有优越性。结合阴极和阳极的压力控制策略,形成了阳极压力跟随阴极的压力平衡控制策略,仿真结果表明阴阳极压力差可以维持在较低的水平并且具有较快的动态响应速度。

关键词：燃料电池动力系统系统辨识前馈补偿解耦漏斗控制阴阳极压力平衡

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燃料电池动力系统停机优化策略研究

燃料电池动力系统停机优化策略研究

作者：明元电子科技大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)因其具有低噪音、环境友好和转换效率高等特点,具有广泛应用于交通领域的前景,但可靠性与耐久性问题仍是阻碍该技术发展的重要屏障。燃料电池在实际运行过程中具有多种工... 详细信息

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)因其具有低噪音、环境友好和转换效率高等特点,具有广泛应用于交通领域的前景,但可靠性与耐久性问题仍是阻碍该技术发展的重要屏障。燃料电池在实际运行过程中具有多种工况,其中停机工况带来的衰减最为显著,优化停机过程膜含水量与氢空界面问题对其运行可靠性与耐久性提升至关重要。本文以典型燃料电池动力系统为研究对象,针对系统停机需求将停机过程分为吹扫除水环节与电压泄放环节,并综合电堆机理与部件机理进行建模,设计了停机过程吹扫除水策略与电压泄放策略,旨在优化除水效果、降低能量消耗与减少耐久性衰减。本文的主要研究内容如下:1.燃料电池动力系统停机过程吹扫除水环节建模。由机理角度分析了停机过程吹扫除水的基本原理,并基于停机过程液态水的传输特性搭建了吹扫除水三阶段模型。其次设计了吹扫除水实验,对模型进行参数辨识及准确性验证,得到了可准确描述停机过程吹扫除水的模型,并基于模型分析了不同操作条件对停机过程吹扫除水的影响。2.燃料电池动力系统停机过程吹扫除水策略研究。设计了源自经济性的目标函数与基于吹扫效果评价的惩罚函数,利用粒子群优化算法与遗传算法对停机过程吹扫除水环节的操作条件进行优化,并进行了模型仿真。仿真结果表明,吹扫除水环节能效优化了15.9%,在保证燃料电池可靠性的同时提升了系统停机过程的能效。3.燃料电池动力系统停机过程电压泄放策略研究。通过分析停机过程电压泄放环节的影响因素,设计了基于氢气吹扫与空气吹扫的两种电压泄放策略。搭建了电压泄放环节的氧气扩散速率与阴阳极压力差的模型,并对两种策略进行了模型仿真。仿真结果表明,基于氢气吹扫的电压泄放策略能够减小质子交换膜的衰减,提升燃料电池的耐久性。

关键词：燃料电池动力系统停机过程吹扫除水策略电压泄放策略

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燃料电池动力系统特性及其控制研究

燃料电池动力系统特性及其控制研究

作者：宋天助吉林大学

学位级别：硕士

燃料电池动力系统是利用电堆和其辅助子系统将氢燃料与氧化剂的化学能转化为电能输出,通过一定的电力变换驱动电机为汽车提供动力的装置。车用燃料电池类型通常为低温质子交换膜燃料电池,具有效率高、启动快、工作温度低、清洁环保等优... 详细信息

燃料电池动力系统是利用电堆和其辅助子系统将氢燃料与氧化剂的化学能转化为电能输出,通过一定的电力变换驱动电机为汽车提供动力的装置。车用燃料电池类型通常为低温质子交换膜燃料电池,具有效率高、启动快、工作温度低、清洁环保等优点,极为适合作为交通运输的移动能源。为了使燃料电池动力系统可以有序的工作,发挥出最大的性能,对系统的特性进行细致的分析和对系统的管理进行合理的控制是至关重要的。本文依托省校共建项目“高比功率燃料电池发动机关键技术研究与平台开发”,从理论分析出发,通过仿真和试验等手段,对燃料电池动力系统完成从部件到系统,从稳态到动态的特性分析和试验验证;针对系统的控制方法提出协调控制策略,并验证该控制手段的可行性和合理性。首先,本文分析了质子交换膜燃料电池的结构原理和电极反应过程中产生极化现象的原因,然后根据物质守恒定律、能量守恒定律、理想气体定律以及工作机理和经验公式,建立了阴、阳极流道模型,膜水合模型和端电压模型,从而最终得到可以表现燃料电池输出性能与操作条件之间关系的动态电压模型。通过仿真分析,得到了燃料电池在不同气体压力、加湿度和不同工作温度下的伏安特性曲线,又通过进行性能试验验证了模型的准确性和结果的正确性,最终得到电堆输出特性。然后,本文分节讨论了燃料电池动力系统中四个辅助子系统,介绍了每个子系统的结构组成和工作原理,建立了相应的半机理半经验仿真模型。对于空气供给系统,通过试验测取MAP图,建立了空压机、气体管路和背压阀的模型,可以描述空气流量和压力的变化过程;对于氢气供给系统,选择循环供气结构,建立了压力调节阀、气体管路、氢气循环泵和排气阀的模型,可以描述氢气流量和压力的变化过程;对于热管理系统,重点对液冷冷却系统进行热平衡分析,建立了散热模型和产热模型,可以描述系统温度变化过程;对于水管理系统,介绍了现有的水管理方法,重点介绍了中空纤维膜加湿方法,建立了加湿水量计算方法的模型。接下来,本文在MATLAB/Simulink仿真软件中,通过对上述数学模型的仿真,得到了燃料电池辅助系统的稳态和动态响应特性,以及辅助系统不同的工作状态对系统输出性能的影响。并自主搭建了燃料电池动力系统试验测试平台,通过完成相关实验,验证了模型的合理性,通过理论分析和数据对比,很好的解释了不同特性的产生原因。最后,本文基于现有的控制方法研究成果,创新性的提出了一种协调控制策略,利用不同子系统之间相互耦合的关系,协同多系统共同工作,将空气进气压力这一参数作为约束条件,促使氢气供给和温度管理系统跟随。对于不同子系统,分别选取PID控制、模糊控制和预测控制的控制方法,完成带有控制系统的燃料电池动力系统模型搭建,通过仿真分析模拟了实际车辆行驶工况需求下的系统工作状态,验证了控制方法的合理性,能够使燃料电池动力系统满足输出需求。本文建立了燃料电池动力系统仿真验证和试验测试技术平台并开发协调控制策略,通过系统仿真与试验测试分析比较系统的响应特性和输出特性以及控制的实用性和有效性,以期为燃料电池动力系统的集成开发提供一定的指导。

关键词：燃料电池动力系统质子交换膜燃料电池动态模型特性分析协调控制策略

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燃料电池动力系统用直流变换器拓扑选择

汽车与配件 2018年第29期 73-75页

作者：张晓杰张智明同济大学汽车学院同济大学新能源汽车工程中心

燃料电池技术由于其环境友好性，在新能源汽车运用中日益受到热捧。本文提炼了燃料电池动力系统用直流变换器需求，并与常见直流变换器拓扑进行耦合分析，比较各个拓扑在燃料电池动力系统中运用的优缺点，明确了Boost拓扑最适合燃料电... 详细信息

燃料电池技术由于其环境友好性，在新能源汽车运用中日益受到热捧。本文提炼了燃料电池动力系统用直流变换器需求，并与常见直流变换器拓扑进行耦合分析，比较各个拓扑在燃料电池动力系统中运用的优缺点，明确了Boost拓扑最适合燃料电池动力系统运用。最终，提出Boost拓扑针对输入电流纹波的优化办法。

关键词：燃料电池动力系统直流变换器拓扑 Boost 燃料电池技术环境友好性汽车运用耦合分析

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燃料电池动力系统氢气压力控制策略研究

船电技术 2021年第6期41卷 45-50页

作者：聂巍孙震周炳杰王仁康刘汝杰李凯武汉船用电力推进装置研究所武汉430064 电子科技大学自动化工程学院成都611731 电子科技大学氢能与燃料电池研究院成都611731

为确保燃料电池动力系统安全性和可靠性,本文分析燃料电池动力系统氢气压力控制的影响因素,分析氢气系统回路的设备的流量特性,建立氢气回路压力控制的数学模型。在此基础上,提出压力反馈的PI控制与负载电流前馈控制结合的压力调控算法... 详细信息

为确保燃料电池动力系统安全性和可靠性,本文分析燃料电池动力系统氢气压力控制的影响因素,分析氢气系统回路的设备的流量特性,建立氢气回路压力控制的数学模型。在此基础上,提出压力反馈的PI控制与负载电流前馈控制结合的压力调控算法,并进行反馈和前馈控制参数的设计。在Matlab/Simulink中建立压力控制仿真模型,在给定阶跃、负载突变和排气阀开闭等条件下,对比论证所提算法的有效性。仿真结果表明,所提算法具有快速的跟踪响应能力,且对负载电流变化和排气阀开闭的扰动有很强的抑制能力。

关键词：燃料电池动力系统压力控制 PI反馈控制前馈控制

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氢能源接触网检修车燃料电池动力系统设计

机车电传动 2023年第3期 73-83页

作者：刘畅黄永聪殷枢陶诗涌杨春华四川荣创新能动力系统有限公司四川成都610095 国能新朔铁路有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017010

针对国家能源集团新朔铁路公司下辖铁路沿线接触网及基础设施的触网检修车需求,文章研发一款基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的100 kW氢能源接触网检修车动力系统。该系统旨在优化系统供电电压制式和自身供电模式,提高系统对环境温度的... 详细信息

针对国家能源集团新朔铁路公司下辖铁路沿线接触网及基础设施的触网检修车需求,文章研发一款基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的100 kW氢能源接触网检修车动力系统。该系统旨在优化系统供电电压制式和自身供电模式,提高系统对环境温度的适应性和能量转换效率,降低系统噪声,同时实现燃料电池系统、动力分配控制器与整车之间的通信与控制。依据国家标准,在第三方检测机构对产品的性能与设计指标进行验证,并进行实际装车应用,对燃料电池系统与整车匹配性进行验证。结果表明,该系统满足整车700 V供电需求,所有辅助部件(BOP)均由系统自给供能,无需外部电源。系统具备在-30~45℃环境温度下的运行能力,噪声小于70 dB@0.3 m,直流电压制式转换器(DC/DC)后端额定效率可达40%。在实际应用中,燃料电池动力系统可配合整车完成运行、制动、充电等操作,整车匹配性良好。设计的燃料电池动力系统符合氢能源接触网检修车需求,为燃料电池动力系统在轨道交通的应用提供了有效的设计参考价值和工程应用经验。

关键词：燃料电池动力系统氢能源接触网检修车质子交换膜燃料电池系统设计系统测试装车运行

面向电效率最优的燃料电池动力系统动态背压控制策略研究

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面向电效率最优的燃料电池动力系统动态背压控制策略研究

作者：田维电子科技大学

学位级别：硕士

随着燃料电池汽车行业的蓬勃发展,燃料电池动力系统作为燃料电池汽车的核心,面临着越来越多的挑战。其中如何提高燃料电池动力系统电效率更是急需解决的难题。本文将围绕燃料电池动力系统电效率优化和面向电效率最优的燃料电池动力系统... 详细信息

随着燃料电池汽车行业的蓬勃发展,燃料电池动力系统作为燃料电池汽车的核心,面临着越来越多的挑战。其中如何提高燃料电池动力系统电效率更是急需解决的难题。本文将围绕燃料电池动力系统电效率优化和面向电效率最优的燃料电池动力系统动态背压控制展开研究,具体研究内容如下:1.本文对燃料电池动力系统电效率评价指标、燃料电池电堆发电效率的影响因素以及燃料电池动力系统附属部件功耗进行了定性定量的分析,通过分析结果确立了本文的研究对象是对电堆发电效率影响因素最多、在系统附属部件功耗中占比最大的空气系统以及动力系统的核心部件燃料电池电堆。2.本文根据空气压缩机性能测试实验数据和电堆输出性能测试实验数据结合二者的工作机理搭建了空气压缩机模型和电堆模型,通过仿真分析,空气压缩模型和电堆模型基本符合实际空气压缩机和实际电堆运行情况。在此基础上建立了燃料电池动力系统电效率模型,通过仿真得到燃料电池动力系统电效率与电堆腔体压力和空气流量的关系,并且从结果来看存在使系统电效率最优的电堆腔体压力值和空气流量值。3.本文基于粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）优化了每个电流密度点下的燃料电池动力系统电效率,优化了动力系统工作的电堆腔体压力值和空气流量值,对比单一优化空气流量来使系统电效率最优的方法,系统效率平均提高了6.786%,电堆效率平均提高了7.671%;同时面向控制简化了建立的电效率模型,获取了控制对象的状态空间方程,并基于非线性状态空间方程设计了非线性控制器,通过仿真证明了控制器的有效性。

关键词：燃料电池动力系统电效率优化粒子群算法非线性控制器

小功率燃料电池动力系统设计及能量管理策略研究

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传动技术 2022年第3期36卷 12-20页

作者：于秋扬庾昂上汽大众汽车有限公司上海每201805

3 能量管理策略根据控制理论不同,控制策略可以分为基于规则和基于实时优化的控制策略。能量管理主要关注两个变量:(1)维持电池的SOC状态,即能量平衡;(2)减少混动系统等效的总体氢气消耗,即提高混动系统整体效率。为实现这两个目的,应... 详细信息

3 能量管理策略根据控制理论不同,控制策略可以分为基于规则和基于实时优化的控制策略。能量管理主要关注两个变量:(1)维持电池的SOC状态,即能量平衡;(2)减少混动系统等效的总体氢气消耗,即提高混动系统整体效率。为实现这两个目的,应用了几种适合于自行车用的几种控制策略。

关键词：能量管理策略实时优化燃料电池动力系统控制策略能量平衡整体效率系统等效小功率

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氢燃料电池动力系统主题国际态势分析

高科技与产业化 2020年第1期26卷 38-46页

作者：马嘉虹中科院文献情报中心咨询服务部

氢燃料电池动力系统即使用氢燃料电池发动机代替了传统燃油发动机,使用储氢罐代替了油箱,通过燃料电池的氢氧电化学反应,产生电能通过电动机驱动车辆行驶。氢燃料电池汽车与其他类型的汽车相比有如下优点:(1)氢燃料电池汽车对环境(空气... 详细信息

氢燃料电池动力系统即使用氢燃料电池发动机代替了传统燃油发动机,使用储氢罐代替了油箱,通过燃料电池的氢氧电化学反应,产生电能通过电动机驱动车辆行驶。氢燃料电池汽车与其他类型的汽车相比有如下优点:(1)氢燃料电池汽车对环境(空气、土壤等)没有污染,只会向环境排放水,不产生温室气体;(2)燃料电池汽车运行时相对安静,噪声值在55d B左右,有利于营造一个更加舒适安静的城市交通环境。

关键词：燃料电池动力系统高频关键词氢燃料电池汽车发文量态势分析