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基于前馈的PEMFC热管理系统融合温控策略研究

安阳  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种低温燃料电池,具有清洁无污染、效率高、功率密度大、启动时间快等优点,被广泛应用于电动汽车、备用电源等领域,是新能源领域的研究重点。实际应用中,温度是影响PEMFC性能的重要指标,合理的温控策略是保证PEMFC最佳工作温度,提高PEMFC输出特性和寿命的关键,而温度控制不当则会降低催化剂的活性,甚至导致PEMFC失效,引发安全事故。因此,研究PEMFC热管理系统温控策略具有重要的理论和现实意义。本文以某氢燃料货车中PEMFC热管理系统为研究对象,开展PEMFC热管理系统的温控策略研究。从PEMFC的温度特性为出发点,通过分析PEMFC热管理系统各方面的研究现状,从而明确温控系统的控制依据。基于PEMFC的工作原理和试验数据搭建了PEMFC动态模型,并依此分析了温度对PEMFC输出特性的影响。采用GT-SUITE建立PEMFC热管理系统瞬态仿真平台,并基于PEMFC台架试验进行了标定,为温控策略的开发提供了模型基础。针对PEMFC热管理系统,本文以冷却系统电附件最小功耗及温控精度为目标,分别设计了MAP前馈不变,反馈分别为改进PID控制、模糊控制、变论域模糊控制三种融合控制策略,并通过理论分析证明其可行性。基于负载电流扰动和商用车C-WTVC测试工况,对三种不同融合控制策略的温控效果进行仿真对比分析。研究结果表明,三种融合控制策略均能将PEMFC入口冷却液温度偏差控制在±1 K,且将PEMFC进出口冷却液温差控制在4 K。其中,MAP前馈融合变论域模糊控制的综合控制效果最优,相比MAP前馈融合模糊控制,PEMFC入口冷却液温度、进出口冷却液温差超调量分别降低42.1%和10.8%,总调节时间缩短25%,同时相比MAP前馈融合改进PID控制,在保证温控效果基础上电附件总功耗降低4.62%。此外,考虑到外界因素的作用,基于控制性能的分析,以MAP融合变论域模糊控制为例进行仿真试验,结果表明该策略能在整体趋势上抑制环境温度和侧向风速影响,快速响应工况变化并跟随目标温度,将PEMFC入口冷却液温度偏差控制在333.15±2 K,进出口冷却液温差控制在6 K,同时降低了电附件总功耗损失,提高了PEMFC的效率。


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