機(jī)車燃料電池陰極系統(tǒng)建模及其控制.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量密度高，污染小，運(yùn)行溫度低，啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而大受關(guān)注。因此質(zhì)子交換膜燃料電池非常適合于給汽車與機(jī)車等大功率設(shè)備供能。一個(gè)準(zhǔn)確的燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型可以很好地反應(yīng)電堆特性，便于進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。供給空氣的陰極系統(tǒng)是其重要組成部分，陰極系統(tǒng)中空氣壓縮機(jī)的性能對(duì)電堆運(yùn)行具有較大影響。然而現(xiàn)有的空氣壓縮機(jī)模型大多直接采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，具有精度不高，仿真速度慢，難以處理邊界數(shù)據(jù)等問題。為保證電堆運(yùn)行穩(wěn)定安全高效也必須

2、設(shè)計(jì)合適的控制器對(duì)電堆進(jìn)行控制。
　　為此，本文從燃料電池陰極系統(tǒng)的整體建模與控制策略的設(shè)計(jì)出發(fā)，分析了大功率質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)模型和控制策略在國內(nèi)外的研究成果。通過分析質(zhì)子交換膜電堆工作原理建立了電堆模型，并基于課題組研制的150kW電力機(jī)車建立了它的陰極系統(tǒng)模型。模型中對(duì)前人的離心式壓縮機(jī)模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了適用于ROTREX C15壓縮機(jī)的機(jī)理模型，基于多項(xiàng)式擬合和粒子群算法進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化。極大地提高了模型精度。并基

3、于課題組150kWPEMFC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外還加入了進(jìn)、排氣管路模型與陰極流場(chǎng)和背壓閥模型。對(duì)陰極系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響和轉(zhuǎn)速、需求電流等變量對(duì)系統(tǒng)的影響，并觀察到“氧饑餓”現(xiàn)象。
　　在燃料電池動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了流量壓力“雙環(huán)”比例積分微分(PID)協(xié)調(diào)控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和背壓閥開度的協(xié)調(diào)控制，改進(jìn)了以往不控系統(tǒng)壓力的控制方式。仿真結(jié)果表明;雙環(huán)PID控制相比傳統(tǒng)單環(huán)控制能更有效快速地