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《武汉理工大学》 2016年
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车载多模块燃料电池系统建模与功率分配研究

龙容  
【摘要】:车载燃料电池的耐久性及使用成本是阻碍燃料电池汽车商业化的两个重要因素,由于制造工艺、流体分布和温度分布造成各个燃料电池单片或模块之间存在不一致性,导致各个燃料电池模块的健康状态不一致,某些单片或模块不能承受高负载。因此功率分配时要考虑各个燃料电池模块间不一致性,根据汽车运行工况和各个模块的健康状态决定其分配功率的大小,使得燃料电池系统工作在最优工作区域,从而提高整个燃料电池系统耐久性和效率。本文以多个燃料电池模块和超级电容构成的多模块燃料电池系统为对象,对系统建模与功率分配的若干关键问题进行了研究。本文的主要研究成果如下:采用能量宏观表示法(EMR)详细分析了单燃料电池系统各个部分模型,建立了单燃料电池系统EMR模型。分析了多个燃料电池模块连接的电气结构、流体结构和冷却结构,根据超级电容、单向DC/DC和双向DC/DC模型给出了各自EMR图。综合系统各个部件EMR建立了车载多模块燃料电池系统EMR模型。针对多模块燃料电池常见的拓扑结构,研究了系统串并联控制策略,提出了多模块燃料电池串联控制策略,通过故障切换开关切断发生故障的燃料电池模块,剩下的燃料电池模块可以继续工作;根据多模块燃料电池并联均流控制目标,提出了基于主从模型预测控制的并联均流控制策略,并采用神经网络优化方法提高控制器单步优化运算的实时性。通过仿真验证串并联控制策略的有效性。针对由多个燃料电池模块和超级电容构成的多模块燃料电池系统,提出了基于多模式无源控制的功率分配策略,给出了各种典型工况下的功率变化曲线和平均功率,分析了燃料电池模块切换的必要性和可行性;分析了系统各种工作模式,给出了系统各模式切换流程图,计算了各种模式下状态变量平衡点;根据无源控制基本原理建立了系统PCH模型,设计了基于多模式无源控制的非线性控制器,并进行了稳定性证明。建立了燃料电池等效电路模型,分析了电化学阻抗谱与等效电路模型的对应关系,基于DC/DC纹波调制检测燃料电池内阻,给出了燃料电池内阻测试系统总体方案并计算健康状态。根据检测到的各个燃料电池健康状态,考虑同时工作的燃料电池模块功率分配以及燃料电池模块切换顺序如何选择的问题,研究了基于在线健康状态检测的多模块燃料电池系统功率分配策略。提出了应力概念来衡量燃料电池功率变换频繁程度,并采用小波分析对提前获得的功率变化曲线进行处理,将低频部分功率分配给燃料电池,从而降低燃料电池应力,提高燃料电池使用寿命。建立了基于CPU+FPGA的多模块燃料电池系统半实物仿真平台,采用四阶龙格库塔法在工控机上实现了燃料电池和超级电容模型,采用并行模块法在FPGA中实现了单向DC/DC、双向DC/DC和永磁无刷直流电机模型。在5种典型道路工况下验证了提出的功率分配策略的有效性和正确性。综上所述,本文分别对多模块燃料电池系统建模、串并联控制策略、基于多模式无源控制的功率分配策略和基于健康状态的功率分配策略等关键问题进行研究,提高燃料电池效率和耐久性。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM911.4;U469.722

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