燃料电池动力系统特性及其控制研究

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。