质子交换膜燃料电池温度控制研究

质子交换膜燃料电池越来越受到学术界和产业界的重视。工作温度对质子交换膜燃料电池系统的耐久性、经济性、环境适应性等有较大影响,故而成为质子交换膜燃料电池系统的一个关键参数。因此,对燃料电池系统温度控制的研究具有重要的理论和现实意义。本文对燃料电池温度控制进行了研究,分析了不同阶段的温度控制的关键问题,并提出了解决方案。首先,针对燃料电池系统在正常工作温度波动的问题,解释了产生温度波动的主要原因。然后建立了一套基于模型的控制器设计方法。第一步建立系统模型;第二步从模型抽象出系统的状态空间描述,并利用Pade逼近近似延时环节;第三步根据系统特点设计控制算法;第四步利用卡尔曼滤波估计无法直接测量的状态量。最终将温度波动控制在±0.5℃范围内。该方法在车用系统和实验台架上都得到了很好应用,并可推广到其他类似的冷却系统。其次,分析了燃料电池系统在常温工作状态下的升温过程。提出了基于能量型燃料电池动力系统的定时升温过程全局效率优化问题,利用动态规划算法求得了最优解。在此基础上,利用基于规则的分析近似最优解,得到了可应用于实时控制的策略,在1000秒升温时间内可节约4.71 MJ能量。对动力电池初始SOC极低的特殊情况进行了快速暖机策略研究,利用废气再循环可减少40%的升温时间。最后,搭建了低温实验环境,对燃料电池在低于零度情况下的启动过程进行了研究,定性分析了影响启动过程的关键因素。基于实验结果,建立了低温启动过程的物理模型,揭示了启动过程中电压不稳定的机理,定量分析了低温启动过程的时间、能耗,建立了评价体系。设计了相应的控制算法以达到该评价体系下的最优启动效果。