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燃料电池进气系统控制

王凡  
【摘要】:在当今化石能源需求激增、环境问题持续加重的形势下,新能源的开发日益成为社会关注的重点。质子交换膜燃料电池作为可再生能源利用技术之一,能够将氢气和氧气之间的化学能转化为成电能而无任何污染,因而极具发展潜力。燃料电池系统包括多个子系统,如空气供给子系统、氢气供给子系统、水冷子系统等。为改善燃料电池的可靠性和经济性,对燃料电池子系统进行建模与控制至关重要,尤其是对空气供给系统。本文围绕空气供给系统,主要完成了以下几个方面的研究:(1)燃料电池测试平台搭建:自主搭建了低温水冷燃料电池系统半物理仿真平台,包括空气回路、辅助冷却回路以及其他电气设备,并基于Labview软件开发了燃料电池空气供给系统监控程序。通过软硬件结合的开环测试实验,验证了该平台的可用性。(2)系统建模:从燃料电池空气供给系统的机理出发,建立了三阶进气系统模型。基于自主搭建的半物理仿真平台,通过实验辨识的方法,构建了滑片式空气压缩机的动态模型以辅助控制器设计。为实现燃料电池系统功率优化,补充拓展了燃料电池电压模型和系统净功率模型,用于描述最优净功率对应的氧气过量比与需求电流的关系,并通过实验辨识出模型参数。(3)控制策略设计与实现:针对空气供给系统的非线性特性,提出反馈线性化控制和基于二阶滑模的串级控制两种策略,并从理论上证明了反馈线性化算法的全局稳定性。仿真结果显示,反馈线性化控制器的响应速度更快、稳态精度更高,从而将其应用到了已搭建的实验平台上,并取得了良好的控制效果。在此基础上,结合系统电压和功率模型,进行了控制策略的改进以优化系统输出的净功率。实验表明,优化后的方案在将氧气过量比控制到期望值的同时,可将系统净功率最大提升8%。


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