燃料电池系统热管理子系统建模与温度控制

燃料电池电堆的温度分布对燃料电池的安全与寿命有重要影响。该文分析了车用质子交换膜燃料电池系统热管理子系统的结构,并建立热管理子系统的动态模型。在此基础上对燃料电池温度控制算法进行研究,针对热管理子系统大惯性和大迟延的特点,设计了基于预测的智能P ID算法。该算法采用简化的热管理子系统模型预测电堆温度变化趋势并进行提前控制,能显著减小超调。试验结果表明,该算法能实现±0.5℃的控制精度,控制效果良好。     

基于BP神经网络的燃料电池发动机温度模型

燃料电池堆的热特性对燃料电池整体性能和寿命有重要影响,电堆温度特性具有不确定性和非线性,本文利用BP神经网络建立了电堆温度模型,并通过实测数据分析了神经网络模型的特性,研究结果表明,神经网络可以用于电堆温度模型的建立,为质子交换膜燃料电池电堆的建模与控制提供了一条可供参考的途径.     

45kW质子交换膜燃料电池发动机建模与仿真

建立了较为完整的包括电堆、反应气体供应以及水热管理3个主要模块的45 kW级质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机数学模型.电堆电压模型引入了误差补偿项,提高了电压计算精度,并通过实验数据得到验证.选取冷却液入堆温度、空气过量系数和阴极入口空气压力为系统的操控变量,在给定电流密度下进行了电堆相关性能对操控变量的敏感性分析.仿真结果表明,为了获得较好的系统输出性能,应适当降低冷却液入堆温度,提高阴极入口空气压力;为了保持合理的电堆温度,必须有效控制该系统的水热管理系统.     

质子交换膜燃料电池建模研究评述

车用动态工况下,质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部压力、温度和气体浓度直接影响整个系统的性能和耐久性,因此需要借助数学模型分析电池内部传质、传热和化学反应过程,以优化燃料电池系统设计及控制。然而,燃料电池是一个非线性、多输入、强耦合的系统,模型的建立涉及从原子分子级尺度,到材料晶格结构级尺度,再到部件、电堆和系统级尺度。针对多尺度建模问题,从关键部件、单体、电堆及系统等角度,对不同尺度的建模方法进行全面梳理,并阐述了未来建模的挑战及发展趋势。     

基于MATLAB/Simulink的氢燃料电池系统建模与仿真

车用氢燃料电池在实际应用中易受外界环境和工况变化的影响,存在电压输出不稳定、大滞后性以及燃料安全性等问题,严重阻碍了燃料电池的商业化应用推广.建立更为准确的燃料电池系统模型能够更有效地进行仿真与优化.采用机理建模和辨识建模相结合的方式建立了氢燃料电池系统模型,依据电堆的实际情况建立了输出电压、输出功率的半经验模型;根据燃料电池系统的工作原理,建立了燃料电池空气供给系统和氢气供给系统的机理模型,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真分析.结果表明:该模型能有效反映电堆运行的工作压力、电堆温度、阴阳极工作压力差以及氧气过量比等关键参数的静、动态变化,进而绘制不同工况下的输出电压、输出功率随负载电流的关系曲线图,从得到的关系曲线图中,得出不同参数的变化对燃料电池运行的影响结果.     

基于重整氢气的高温PEMFC系统的模拟分析

为了分析高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)系统在不同工况下的效率,模拟了一个以天然气蒸汽重整氢气为燃料的HT-PEMFC发电系统.该系统由燃料电池堆(电堆)、甲烷蒸汽重整器(SMR)、水气反应器(WGS)、空压机、换热器、空冷器及水泵等单元组成.研究了电堆温度、系统压力、阴极化学计量数和蒸汽重整温度等参数对系统的影响,分析了整个燃料电池系统中各组成单元的能量损失、损失和功率分布情况.结果表明:随着电堆和SMR温度的升高,系统效率显著提高,而在SMR温度超过700,℃后系统效率开始下降;系统压力、阴极化学计量数和WGS温度对系统效率影响较小;在单电池电压为0.7,V时,整个系统的效率可以达到46.5%.     

熔盐燃料电池电堆动态特性的建模和分析

根据物质、动量和能量守恒，建立了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的数学模型，给出了模型的边界条件。将MCFC电堆的波状板考虑到模型中，求解模型得到气压以及各部分温度的分布。给出并求解了MCFC的电气特性模型，分析了电堆沿气流方向的特性；电堆在电流密度阶跃变化下的动态响应。与试验数据的比较表明，模型能正确反映电堆真实的内部特性。     

质子交换膜燃料电池耐久性测试分析

为了研究燃料电池的耐久性,并对其衰退机理进行分析,本文在Greenlight平台上,对20片单体组成的功率为1kW的电堆在DOE循环工况下进行90h的耐久性实验.通过分析电堆在DOE循环工况下进行不同时段的电堆衰退曲线,整体的电堆衰退曲线以及电堆的极化曲线来考察电堆在DOE循环工况下的性能衰退.分析了电堆的衰退机理,并提出了自己的猜想并加以验证,得出催化剂的表面氧化造成的催化剂活性下降是引起质子交换膜燃料电堆的性能衰退的主要原因.     

基于贝叶斯正则化BP神经网络的PEMFC电堆建模

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)电堆具有输入输出关系复杂、非线性强等特点,获得精确的电堆模型是PEMFC系统优化控制的基础。文章针对PEMFC电堆特点,提出一种改进BP(back propagation)神经网络的PEMFC电堆建模方法。利用BP神经网络良好的非线性拟合特性,采用贝叶斯正则化算法改进BP神经网络,较好地解决了传统BP神经网络存在的高训练精度、低预测精度的过拟合问题。仿真结果表明,经过训练后的电堆模型,在精度和稳定性上具有一定的优势,即使在训练样本数量减少的情况下,依然可以保持良好的泛化能力和较高的稳定性。     

质子交换膜燃料电池空压机系统与能流分析

首先,从质子交换膜燃料电池电堆阴极的需求对空压机出口压力、流量进行理论分析;然后,根据能量守恒原则从整体上对质子交换膜燃料电池供气系统中双螺杆压缩机的能流进行分析。通过分析可知:空气供给系统电机的控制与电机特性、压缩机特性、电机的转速、电堆控制输出对象均密切相关。     

车用燃料电池发动机控制系统与协调控制研究

介绍了燃料电池发动机的基本结构和特点,设计了实用的控制系统,并阐述了各个子系统的工作原理和控制策略,根据其自身特性和运行工况,提出了燃料电池发动机各子系统的协调控制方法,获得了较好的控制效果。     

燃料电池客车动力系统建模与能量管理策略研究

基于ADVISOR进行二次开发,建立了燃料电池客车整车前向仿真模型.基于模糊控制方法制定了能量管理策略;为提升燃料电池耐久性,对模糊控制进行改进,提出改进后的模糊控制能量管理策略.中国典型城市工况下的仿真结果表明,改进后的模糊控制能量管理策略在车辆经济性和燃料电池耐久性方面均优于功率跟随式能量管理策略.     

燃料电池汽车动力总成控制策略

讨论了燃料电池汽车的动力总成负载均衡、动力蓄电池充电态闭环控制、燃料电池发动机功率的预测调节 ,以及电机回馈制动控制策略等问题 ;介绍了动力总成控制器的算法实现 ,并示例性地给出了实车转鼓测试结果 .测试结果表明 ,针对电电混合动力总成提出的基本控制策略能充分考虑动力总成各组成部件的动力和经济特性 ,具有一定的实用价值     

燃料电池混合动力系统优化控制策略

针对车用燃料电池蓄电池混合动力系统的特点设计了优化的能量管理策略。采用动态规划算法对目标驾驶循环进行全局优化,对最优能量分配策略进行分析,提取相应的控制规则,并设计了基于模糊控制的燃料电池混合动力系统实时控制策略。仿真及台架试验结果表明该控制策略能够控制燃料电池工作在高效区,提高整车的燃料经济性。     

燃料电池汽车PCU冷却系统设计研究

动力控制模块是燃料电池汽车的一个重要组成部分。动力控制模块（Power Control Unit。简称PCU）由于其本身的工作原理与功能结构决定了它有功率较大的发热部件。本文设计了动力控制模块的冷却系统,提出了两种方案,并对其进行了计算校核;在动力控制模块冷却系统的关键部件上采用了强化传热措施,并应用Fluent软件对冷却结构进行了数值模拟,根据模拟的结果对冷却结构进行了优化,动力控制模块实际运行情况良好。     

燃料电池观光汽车动力系统参数的匹配与优化

为改善燃料电池观光车整车动力性与经济性的问题,首先对整车动力系统的主要部件进行选型;然后在满足动力性设计要求的条件下,以经济性最低为目标,利用遗传算法与ADVISOR联合仿真选择最佳的动力源功率匹配方案,最后基于模糊控制的功率跟随式控制策略,在ADVISOR平台下进行仿真测试。经验证,整车设计方案及改进的控制策略可有效提高燃料电池的效率,降低氢耗8.6%。     

燃料电池汽车动力控制模块水冷系统数值模拟

设计了动力控制模块的冷却系统,并用两种方案对其进行了计算校核;在动力控制模块冷却系统的关键部件上采用了强化传热措施,并应用Fluent软件对冷却结构进行了数值模拟,根据模拟的结果对冷却结构进行了优化,从而使动力控制模块实际运行情况良好.     

基于状态反馈的燃料电池轿车动力控制算法

建立了包括燃料电池发动机、电机及其控制器、动力蓄电池组在内的燃料电池轿车动力系统的动态数学模型.在该模型基础上,设计了基于状态反馈的闭环功率平衡算法.针对状态变量蓄电池开路电压在运行过程中无法测量的问题,构造了相应的渐进状态观测器.以蓄电池开路电压观测值反馈实现了蓄电池最佳荷电状态的控制,使算法克服了对蓄电池SOC（state of charge,荷电状态）估计值的依赖,实现了解析冗余,较好地解决了SOC估计过程中存在的初始值不易确定和累计误差的问题.离线仿真和实车转鼓实验的结果证明,所建立的动力控制算法达到既定的控制目标,并且能够充分考虑动力系统主要部件的动力性和经济性,具有一定的实用价值.     

Hybrid Dynamic Modeling and Control of Molten Carbonate Fuel Cell Stack Shutdown

A hybrid automaton modeling approach that incorporates state space partitioning, phase dynamic modeling and control law synthesis by control strategy is utilized to develop a hybrid automaton model of molten carbonate fuel cell （MCFC） stack shutdown. The shutdown operation is divided into several phases and their boundaries are decided according to a control strategy, which is a set of specifications about the dynamics of MCFC stack during shutdown. According to the control strategy, the specification of increasing stack temperature is satisfied in a phase that can be modeled accurately. The model for phase that has complex dynamic is approximated. The duration of this kind of phase is decreased to minimize the error caused by model approximation.     

燃料电池电站功率调节系统的设计

燃料电池电站功率调节系统对整个电站系统工作的可靠性、效率和输出波形质量有很重要的影响.文中通过仿真、实验的方式,研究电路结构与燃料电池参数的优化配合关系,提出了高效逆变主电路的设计规律.通过研究逆变系统的数学模型,为逆变系统输出波形控制技术提供理论依据和指导,并研制了实用的、高性能和低成本的数字化、智能化控制系统,其中着重于数字控制系统的逆变器输出波形控制技术.文中还采用滑模变结构控制策略研究了波形控制技术,并通过实验进行了验证.结果表明,文中所提出的设计方案满足了系统功能要求,并具有良好的可靠性、输出波形质量和较高的转换效率.