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原文传递 PEMFC混合动力叉车能量管理策略及应用研究

论文题名：	PEMFC混合动力叉车能量管理策略及应用研究
关键词：	混合动力叉车;质子交换膜燃料电池;能量管理;温度控制
摘要：	随着资源配置的全球化，物流产业得到了快速的发展，物料搬运叉车的需求量也迅速增加。面对环境污染、能源短缺等诸多问题，众多企业纷纷加大了对节能、低碳物料搬运叉车的研究与开发，研发清洁、无污染、噪声低、能源利用率高的新能源叉车成为未来叉车发展的新方向。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有运行温度低、功率密度高、响应快、稳定性好的特点，被视为一种具有发展前景的新能源技术，适用于混合动力叉车动力源。　　本文主要对PEMFC混合动力叉车动力系统总体方案、空冷自增湿PEMFC最优控制方法、PEMFC级联DC/DC变换器、PEMFC混合动力能量管理控制策略展开了理论研究，设计了PEMFC混合动力叉车硬件系统，构建了PEMFC混合动力叉车样车，验证了提出的混合动力系统方案和能量管理控制策略。本文主要研究成果如下: 　　(1)根据PEMFC混合动力源、混合动力拓扑结构的优缺点，提出了一种PEMFC混合动力叉车动力系统总体方案，并给出了混合动力系统结构、系统功能单元结构、动力系统结构布局、氢气供应系统构成。　　(2)针对空冷自增湿PEMFC内部结构特征、PEMFC电堆最优控制，搭建了空冷自增湿PEMFC测试平台，给出了测试平台系统结构框图。针对搭建的测试平台提出了测试平台启停控制策略及测试软件控制流程，并采用LabVIEW设计了测试平台控制软件。　　(3)在搭建的测试平台上对混合动力叉车用空冷自增湿PEMFC电堆进行性能测试，获得了各测试电流点输出电压最高时对应的电堆温度数据。并采用多项式函数拟合方法对获得的数据进行拟合，得到了电堆输出电流Iout与电堆最优工作温度Topt的关系表达式，为后续空冷自增湿PEMFC最优温度控制策略研究提供了参考温度计算方法。　　(4)在对模糊逻辑、PID、模糊-PID、自适应模糊PID电堆最优温度控制进行理论分析与测试的基础上，提出了一种基于分段预测负反馈(SPreNFC)的系统温度控制方法。通过实验测试表明该方法能提前预测被控对象变化，具有响应快速、调整时间短、超调量小的特点，弥补了常用温度控制方法存在调节时间长、超调量大的不足。通过与其他控制方法的对比分析，验证了SPreNFC控制方法的优越性。　　(5)分析了四开关Buck-Boost变换器的拓扑结构及工作原理，提出了针对PEMFC混合动力叉车系统特性的控制策略，并在PSIM仿真平台上搭建了四开关Buck-Boost变换器仿真模型，通过仿真验证了所提控制策略的有效性和实用性。设计实现了四开关Buck-Boost变换器硬件，为后续能量管理策略研究及样车研制提供基础。　　(6)为防止PEMFC损坏、保证PEMFC系统稳定运行及延长其使用寿命，本文提出了一种电流跟随混合动力能量管理控制策略及其改进控制策略，并搭建了混合动力能量管理测试平台进行模拟测试。测试结果表明，所提的电流跟随能量管理控制策略基本实现了混合动力各能量源的合理分配，有效抑制了在负载功率突变时尖峰电流的产生，保证了PEMFC输出电流平稳，使混合动力系统运行稳定、安全，提高了系统的可靠性和实用性，并延长了PEMFC的使用寿命。　　(7)设计了PEMFC、蓄电池混合动力系统硬件，构建了PEMFC混合动力叉车样车。采用Visual C++多线程技术，设计了各硬件单元的远程监控测试终端程序，对设计的硬件进行模拟测试。测试结果表明，设计的各硬件单元功能完善、性能优越，满足PEMFC混合动力系统的设计要求。构建的样车实际运行结果表明，设计的混合动力能量管理控制策略实用、有效，研发的PEMFC混合动力叉车样车运行性能优越，各混合动力源工作正常，具有较高的实用与推广价值。
作者：	游志宇
专业：	电力系统及其自动化
导师：	陈维荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文