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质子交换膜燃料电池空气供给系统建模与分析
| 论文题名： | 质子交换膜燃料电池空气供给系统建模与分析 |
| 关键词： | 质子交换膜;燃料电池;电动汽车;空气供给系统;控制系统 |
| 摘要： | 质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池电动汽车的主要动力源，包括冷却系统、空气供给系统、氢气供给系统、安全系统、控制系统等五大系统。空气供给系统作为 PEMFC的重要组成之一，对燃料电池电堆性能有着重要的影响。由于空气供给系统存在较强的非线性等特点，其建模与控制相对比较困难。为了提高空气供给系统的响应速度，并且使燃料电池系统能够在最佳工作状态下运行，本文对 PEMFC空气供给控制系统进行建模，并予以分析。主要研究内容及成果如下： 首先介绍了 PEMFC电堆的工作原理，分析了其建模情况，建立了相应的机理模型，使用MATLAB/SIMULINK对基于机理模型的KW级电堆的黑箱模型进行了仿真分析，分析结果表明采用 PID控制的 KW级电堆黑箱模型反应速度较快，抗干扰能力也比较好，基本可以满足电堆的建模要求。同时利用硬件仿真平台对基于黑箱模型的 KW级电堆的输出电压、电流之间进行了追踪仿真，仿真结果表明该黑箱模型在硬件仿真平台上也能够满足实现硬件仿真的要求。 在 PEMFC发动机平稳运行时，空气供给系统可以由 PEMFC电堆产生的电能带动运行。介绍了 PEMFC发动机结构，并对其中的氢气供给系统以及空气供给系统分别进行了说明。使用MATLAB分别对加入空气供给系统的KW级电堆以及采用混合增压系统的5KW电堆的输出电压、等效内阻和输出功率等进行了仿真分析，结果表明两者均宜采用低压空气供给系统为其供气，但是采用混合增压系统可明显提高空气供给系统的能量消耗，同时电堆的最大等效输出功率点分布在废气能利用率较高的地方。本文针对 PEMFC电堆对空气供给系统的需求也进行了理论分析，并根据能量守恒原则对空气供给系统进行系统的能流分析，结果表明空气供给系统核心部件空气压缩机的控制与电机特性、压缩机特性以及电堆的输出功率等密切相关。 使燃料电池尽可能工作在系统最大功率点，可以减少 PEMFC发电系统成本。为了解决燃料电池发电系统的最大功率点跟踪问题，本文通过对 PEMFC最大功率点的追踪原理以及方法进行分析，设计了自适应 MPPT控制器，并使用MATLAB/SIMULINK对其进行了仿真分析，结果表明本文所设计的 MPPT控制系统反应比较灵敏，同时具有很强的鲁棒性，在操作状态出现大幅度快速变化情况下也能够保证系统的稳定性以及较快的响应速度。 |
| 作者： | 杨晴霞 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 仲志丹 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 河南科技大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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