基于過氧比的車載燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù).pdf

1、傳統(tǒng)車載能源利用方式致使能源短缺與環(huán)境污染問題日益突出，嚴重影響了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，清潔、可再生能源的開發(fā)利用已成為世界能源發(fā)展的必然趨勢。燃料電池，尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池，具有低噪音、零污染、能量轉(zhuǎn)換效率高和功率可隨意縮放等優(yōu)點，因而引起科研工作者廣泛關(guān)注。目前以質(zhì)子交換膜燃料電池為動力源是車輛發(fā)展的新領(lǐng)域。
　　首先，本文分析了質(zhì)子交換膜燃料電池常用的四種等效電路，其中簡化等效電路直觀地體現(xiàn)了電池電壓輸出特性和雙電層電容效應(yīng)

2、，其元件參數(shù)可以通過電流擾動方法精確計算。以簡化電路為基礎(chǔ)，結(jié)合車載燃料電池電流跳變的特點，提出了一種改進的電路模型。為了表征物料傳遞時濃度變化，利用動態(tài)電阻與動態(tài)電感并聯(lián)環(huán)節(jié)等效，并與開路電勢串聯(lián)。在改進電路中，根據(jù)理論公式計算開路電勢和歐姆電阻，電容值采用經(jīng)驗數(shù)值，其它參數(shù)由電流擾動實驗數(shù)據(jù)計算獲得。利用實驗數(shù)據(jù)驗證等效電路和參數(shù)計算方法的準確性，通過比較仿真與實驗結(jié)果可知，直線擬合活化電壓和活化電阻效果最佳。
　　接著，本文

3、對車載燃料電池系統(tǒng)各個部分進行了建模和仿真分析，完成了以下研究工作:
　　(1)壓縮機的流量、壓力和功耗的影響分析。供應(yīng)一定流量和壓力的空氣，環(huán)境溫度或海拔越高，壓縮機消耗的功率越大。在其出口壓力和轉(zhuǎn)速不變的情況下，環(huán)境大氣壓力越大，壓縮機流量越大。
　　(2)陰極流場壓力和氧氣分壓力的耦合關(guān)系分析。在確定的環(huán)境參數(shù)和電堆溫度下，陰極流場壓力和氧氣分壓力由壓縮機轉(zhuǎn)速決定，并且隨壓縮機轉(zhuǎn)速增大而增大。而電堆溫度升高，氧氣分壓力

4、將降低。
　　(3)電堆電壓、凈功率和效率的影響分析。若電堆溫度升高，電堆電壓和凈功率將升高，而效率降低。若增大過氧比，功耗會單調(diào)增長，用電效率單調(diào)下降，而凈功率存在最優(yōu)值。
　　(4)調(diào)節(jié)閥電壓、回流泵轉(zhuǎn)速和排氣閥開度對陽極入口壓力、流量的耦合關(guān)系分析。這三個量都可以調(diào)節(jié)陽極流場入口氣體流量，回流泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力強。陽極流場入口壓力主要是通過調(diào)節(jié)閥進行控制。
　　(5)排氣管路壓降的動態(tài)特性。排氣時，其壓降受排氣閥開度

5、、管路的壓力、排氣時間長短關(guān)系的影響。排氣閥開度小、排氣管路壓力低、排氣時間短，壓降就越小，反之壓降就越大。
　　(6)散熱器風(fēng)機電壓、循環(huán)泵電壓、旁路閥對電堆溫度和溫度差的影響分析。散熱器風(fēng)機電壓能有效調(diào)節(jié)電堆溫度，循環(huán)泵電壓能夠調(diào)節(jié)溫度差，閥門開度能夠局部調(diào)節(jié)電堆溫度。風(fēng)機電壓越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快;而風(fēng)機和泵電壓小有利于提高系統(tǒng)效率。
　　最后，本文研究了車載燃料電池系統(tǒng)控制方法，并通過仿真驗證了其合理性和準確性。針對空氣

6、供應(yīng)系統(tǒng)，提出了基于最佳過氧比控制方法。該方法首先根據(jù)電堆電流計算最佳過氧比參考值，然后利用前饋控制計算壓縮機空氣流量參考值，采用模糊控制方法實現(xiàn)了對壓縮機的有效控制，并比較了兩種最佳過氧比的計算方法。然后將過氧比區(qū)域劃分為氧饑餓、氧適量和氧飽和三個區(qū)域，提出了氧適量區(qū)域最小過氧比的計算方法，進而提出了防止‘氧饑餓’和‘氧飽和’的電流調(diào)節(jié)器。針對氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，提出了基于動態(tài)矩陣的預(yù)測控制。該方法是通過改變調(diào)節(jié)閥的開度達到控制陽極流場壓力