车载质子交换膜燃料电池建模与进气系统控制研究

受能源危机与环境污染的影响,开发利用清洁能源成为当前必须要面对的重要课题。燃料电池与传统能源相比,具有能量转换效率高、无污染、低噪音等优点。其中质子交换膜燃料电池工作温度低,启动时间短,在新能源汽车领域受到科研工作者的高度重视。目前质子交换膜燃料电池的建模最常见的是基于极化曲线建立的电化学稳态模型,但实际反应过程中燃料电池的温度、流量、压力等参数都是动态变化的,因此建立质子交换膜燃料电池系统动态模型对探究其反应过程与控制器的设计有重要的意义。质子交换膜燃料电池系统由多个相互耦合的子系统组成,整个系统具有复杂的非线性特性,协调各部分子系统的工作,设计相应的控制算法,是提升系统效率的关键措施。本文围绕上述问题,对车载质子交换膜燃料电池建模与进气系统研究开展了如下研究工作:(1)从燃料电池电化学反应机理出发,考虑电池内部气体与液态水的传递过程,结合机理与经验的建模方法。针对模型的动态响应特性与参数复杂特性,对系统提出合理的简化,基于MATLAB/Simulink软件建立了质子交换膜燃料电池系统动态模型。机理模型包括输出电压模型、阴极流场模型、阳极流场模型与膜水合模型;子系统模型由空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统组成。针对压力梯度对质子膜中水传输速率的影响,将氢气流量直接通过压力进行反馈控制,以平衡质子膜两侧的压力。(2)考虑了压力、温度与参数变化对质子交换膜燃料电池性能的影响,通过仿真验证了模型在负载电流阶跃变化下的动态响应特性。针对热管理系统,考虑电堆工作温度对系统功率与质子膜的影响,开展了热管理系统控制策略的研究。系统中旁路阀采用开关控制,以电堆最佳工作温度与电堆进出口温度差为控制目标,对系统中的执行部件散热器与冷却水泵进行控制。对所提出的热管理控制策略进行仿真验证,结果表明控制器能有效地调节电堆温度及进出口温度差。(3)分析了进气系统中“氧饥饿”与“氧饱和”的现象,通过仿真验证了过氧比对系统效率的影响,根据过氧比的定义推导负载电流与最佳过氧比的对应关系。为优化系统的工作效率,针对非线性的空气供应系统,在稳态工作点将模型线性化,确定系统的状态变量,建立了系统状态空间方程。分别采用前馈加反馈与线性二次型最优控制两种算法,以最佳过氧比为控制目标,对空压机驱动电机电压进行控制。通过仿真分析验证了在负载电流大范围变化时两种算法都可以及时调节空压机的工作,保证了系统的最佳工作效率,能够达到满意的控制精度。